CN101417888A

CN101417888A - 一种多孔轻质隔热保温耐火材料及其制备方法

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Publication number: CN101417888A
Application number: CNA2008102259852A
Authority: CN
Inventors: 黄朝晖; 黄军同; 房明浩; 刘艳改; 胡建辉; 卫李贤
Original assignee: China University of Geosciences Beijing
Current assignee: China University of Geosciences; China University of Geosciences Beijing
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2009-04-29
Anticipated expiration: 2028-11-10
Also published as: CN101417888B

Abstract

本发明涉及一种工业窑炉用隔热保温耐火材料，它具有多孔轻质、导热系数低、强度高、隔热保温效果好的特点，属于耐火材料技术领域。本发明以石灰石或石灰、蓝晶石、煅烧高铝低铁粘土或矾土、工业氧化铝、半水石膏等原料通过组分设计和调控、添加有机/无机复合造孔剂、半干振动浇注成型、调湿可控干燥、高温引气造孔、一步原位反应烧结、切割加工等工艺过程，制备一种多孔轻质导热系数低强度高隔热保温效果好的隔热保温耐火材料。该发明涉及的隔热保温耐火材料的主要物相为莫来石相和钙长石相；其主要化学成分Al₂O₃+SiO₂+CaO大于90wt.％。所述的隔热保温耐火材料是一种高效节能、长寿命的高温窑炉内衬用轻质耐火砖，可为工业炉设备提供高效节能的隔热保温材料保证。

Description

一种多孔轻质隔热保温耐火材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种工业窑炉用多孔轻质隔热保温耐火材料及其制备方法，属于耐火材料领域。

背景技术：

工业窑炉是工业生产中的主要耗能设备，每年能耗数量巨大，尤其在冶金、建材、陶瓷、玻璃、化工及机电企业中的热加工过程中，工业窑炉的能耗可占总能耗的40-70％。然而各种工业窑炉的热损失一般都很大，在大多数情况下，它们的热效率都较低，能源利用率不到30％，因此，迫切需要优质的隔热保温耐火材料，以降低大量能量的散热损失和蓄热损失，达到节能的目的。

目前应用于各种窑炉内衬的隔热材料用量较大的硅酸铝类耐火纤维，由于其导热系数较小(0.14-0.16W/m·K，800℃)，在窑炉节能效果方面已经得到充分的证实，但存在价格昂贵、强度较低、在高温下长期使用时结构会发生重大改变而降低其隔热性能等问题，因此耐火纤维长期使用的耐热极限多在1200℃以下，同时耐火纤维在极限温度下使用时使用寿命很短，一般只有耐火砖的1/2-1/5。另外，硅酸铝类耐火纤维对呼吸系统有致癌的可能，欧共体已将硅酸铝耐火纤维列为二类致癌物质并限制生产。我国目前虽然对纤维的使用在法律上尚未加以限制，但是采用环保安全的隔热保温耐火材料替代陶瓷纤维是隔热耐火材料发展的一个必然趋势。

因此，国内外一些耐火材料生产商相继开发出了一些轻质耐火砖作为窑炉的耐火内衬材料，其中包括钙长石系列轻质耐火砖和莫来石轻质耐火砖。由于钙长石具有密度小、热膨胀系数低、热导率低等特点，因此一些国家(如美国、英国、日本等)相继开发出以钙长石为主晶相的隔热耐火材料。如英国摩根公司开发出的钙长石系列轻质耐火砖，主晶相为钙长石，使用温度从1100℃至1260℃，体积密度低到小于0.48g/cm³，导热系数(800℃)为0.18W/m·K。莫来石熔点较高(熔点为1850℃)，强度较高，以其为主晶相的轻质耐火砖使用温度较高。如英国摩根公司开发出的莫来石轻质耐火砖，主晶相为莫来石，使用温度从1430℃至1540℃，体积密度最低为0.78g/cm³～0.88g/cm³，导热系数(600℃)为0.31～0.36W/m·K。钙长石系列轻质耐火砖虽然导热系数小，但钙长石的强度较低和熔点较低(熔点为1550℃)而影响其使用温度和使用寿命，在较高的温度下使用容易变形，使用温度较低的缺陷限制了其广泛的应用。莫来石轻质耐火砖虽然有较高的使用温度，但导热系数较高，节能效果受到影响。因此，开发一种低导热系数、高强度的多孔轻质耐火砖对我国高温窑炉行业的节能具有重要意义。

发明内容：

本发明目的是针对目前窑炉内衬用钙长石系列轻质耐火砖存在使用温度不高且强度较低影响使用寿命，莫来石轻质耐火砖导热系数较高而影响节能效果等问题，利用莫来石耐高温性能好、钙长石导热系数低的特点，提出一种含莫来石和钙长石的多孔轻质隔热保温耐火砖及其制备方法，来达到制备高效节能、高强度、长寿命的高温工业窑炉内衬用的轻质耐火砖的目的，从而为高温工业的节能做出贡献。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明是一种多孔轻质导热系数低强度高隔热保温效果好的隔热保温耐火砖，其特征在于：该耐火砖的主要耐高温物相为莫来石相和钙长石相；该耐火砖的主要化学成分为：Al₂O₃30.0％～53.9wt.％，SiO₂ 30.0～39.9wt.％，CaO 2.1～20.0wt.％，其它杂质总含量小于5.0wt.％。

本发明制备过程中配料时各原料的加入量及质量要求如下：石灰石要求CaCO₃≥98.0％，小于0.10mm，加入量为0.1～35wt.％；可用石灰(生石灰或熟石灰，主要含氧化钙或氢氧化钙)代替石灰石，石灰的要求为氧化钙或氢氧化钙均≥98.0％，小于0.10mm；石灰石和石灰的合计加入量为0.1～35wt.％，石灰石和石灰的比例任意可调；煅烧高铝低铁粘土或矾土加入量7.0～80wt.％，要求Al₂O₃含量为大于30.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.2wt.％，TiO₂含量为≤1.0wt.％，小于0.10mm；也可用未经过煅烧的高铝低铁粘土或矾土代替煅烧高铝低铁粘土或矾土，加入量和质量要求不变；蓝晶石加入量1～19.9wt.％，要求Al₂O₃含量为大于40.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.0wt.％，TiO₂含量为≤0.7wt.％；半水石膏加入量1.0～40.0wt.％，要求CaSO₄·1/2H₂O≥98.0％，小于0.10mm；工业氧化铝加入量1～60.0％，要求γ-Al₂O₃≥98.0％，小于0.10mm。

本发明提出的一种多孔轻质隔热保温耐火材料及其制备方法，其特征在于：所述方法首先是将所述的各种原料按所述的比例配料后，先混合均匀，然后一起磨细到小于0.060mm的孔径筛的筛余量小于2.0wt.％；将从磨机中取出粉料再加入占总配料的0.1～17.0％烧失造孔剂(烧失造孔剂可以选择为木屑锯末或其它植物粉末或聚苯乙烯球或焦炭粉或煤炭粉或活性碳等其中的一种或几种可以在大于1000℃烧失的物质作为烧失造孔剂，其粒径≤3.0mm)一起搅拌混合约5～30分钟，混合均匀后再加入6～30％的可饮用水搅拌1～10分钟，得到的泥料用挤泥机挤出成形或手工捣打或浇注成形或振动浇注成形。成形后的湿坯在室温下自然干燥12～24h，然后在湿度可控的干燥窑中于50～200℃进行烘干6～36h。将干燥完的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1300～1550℃，将烧成出窑冷却后的砖坯按要求尺寸进行切割，即得到本发明的多孔轻质导热系数低强度高隔热保温效果好的隔热保温耐火砖。该多孔轻质隔热保温耐火砖的相关性能达到：体积密度≤0.48g/cm³，400℃导热系数≤0.13w/m·k，800℃导热系数≤0.20w/m·k，抗折强度≥1.0MPa，耐压强度≥1.2MPa。

附图说明：

图1是实施例1中制备的多孔轻质隔热保温耐火砖的XRD图谱；

图2是实施例1中制备的多孔轻质隔热保温耐火砖的SEM照片；

图3是实施例2中制备的多孔轻质隔热保温耐火砖的XRD图谱；

图4是实施例2中制备的多孔轻质隔热保温耐火砖的SEM照片；

图5是实施例3中制备的多孔轻质隔热保温耐火砖的XRD图谱；

图6是实施例3中制备的多孔轻质隔热保温耐火砖的SEM照片。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：

本发明的原料和配方为：石灰石要求CaCO₃≥98.0％，小于0.10mm，加入量为0.1～35wt.％；可用石灰(生石灰或熟石灰，主要含氧化钙或氢氧化钙)代替石灰石，石灰的要求为氧化钙或氢氧化钙均≥98.0％，小于0.10mm；石灰石和石灰的合计加入量为0.1～35wt.％，石灰石和石灰的比例任意可调；煅烧高铝低铁粘土或矾土加入量7.0～80wt.％，要求Al₂O₃含量为大于30.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.2wt.％，TiO₂含量为≤1.0wt.％，小于0.10mm；也可用未经过煅烧的高铝低铁粘土或矾土代替煅烧高铝低铁粘土或矾土，加入量和质量要求不变；蓝晶石加入量1～19.9wt.％，要求Al₂O₃含量为大于40.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.0wt.％，TiO₂含量为≤0.7wt.％；半水石膏加入量1.0～40.0wt.％，要求CaSO₄·1/2H₂O≥98.0％，小于0.10mm；工业氧化铝加入量1～60.0％，要求γ-Al₂O₃≥98.0％，小于0.10mm。

本发明提出的一种多孔轻质隔热保温耐火材料及其制备方法，其特征在于：所述方法首先是将所述的各种原料按所述的比例配料后，先混合均匀，然后一起磨细到小于0.060mm的孔径筛的筛余量小于2.0wt.％；将从球磨机中取出粉料再加入占总配料的0.1～17.0％烧失造孔剂(烧失造孔剂可以选择为木屑锯末或其它植物粉末或聚苯乙烯球或焦炭粉或煤炭粉或活性碳等其中的一种或几种可以在大于1000℃烧失的物质作为烧失造孔剂，其粒径≤3.0mm)一起搅拌混合约5～30分钟，混合均匀后再加入6～30％的可饮用水搅拌1～10分钟，得到的泥料用挤泥机挤出成形或手工捣打或浇注成形或振动浇注成形。成形后的湿坯在室温下自然干燥12～24h，然后在湿度可控的干燥窑中于50～200℃进行烘干6～36h。将干燥完的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1300～1550℃，将烧成出窑冷却后的砖坯按要求尺寸进行切割，即得到本发明的多孔轻质导热系数低强度高隔热保温效果好的隔热保温耐火砖。

一种多孔轻质隔热保温耐火材料的制备工艺流程为：

原料→配料→干法球磨→加造孔剂→搅拌→成形→干燥→烧成→加工→检验

实施例1

原料及配比：

石灰石加入量为7.5wt.％，要求CaCO₃≥98.0％，小于0.10mm；煅烧高铝低铁粘土加入量40.5wt.％，要求Al₂O₃含量大于30.0wt.％，SiO₂含量大于35.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.2wt.％，TiO₂含量为≤1.0wt.％，小于0.10mm；蓝晶石加入量13.0wt.％，要求Al₂O₃含量为大于40.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.0wt.％，TiO₂含量为≤0.7wt.％；半水石膏加入量5.0wt.％，要求CaSO₄·1/2H₂O≥98.0％，小于0.10mm；工业氧化铝加入量34.0wt.％，要求γ-Al₂O₃≥98.0％，小于0.10mm。

配料、磨细：

首先将各种原料按照上述的比例装入磨机中磨细到小于0.060mm的孔径筛的筛余量小于2.0wt.％。

加造孔剂搅拌成形：

加入占总配料的8.0％聚苯乙烯球(要求其粒径≤3.0mm)，将球磨好的混合料与聚苯乙烯球一起搅拌混合10分钟，再加入6％的可饮用水搅拌5分钟，得到的泥料用加压振动浇注成形。

干燥：

成形后的湿坯在室温下自然干燥12h，然后在干燥窑中先于100℃干燥4h，再于200℃烘干8h，使生坯的含水率≤3.0％。

烧成：

将干燥好的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1500℃。烧成制度为：900℃保温4h，1300℃保温4h，1500℃保温5h。

加工、检验：

将烧成后的砖坯按要求尺寸进行切割即得到相应的多孔轻质隔热保温耐火砖。

烧结后多孔轻质隔热保温耐火砖试样的产物的XRD图谱如图1所示，其主晶相为钙长石相和莫来石相；SEM照片如图2所示，呈现多孔的结构特征。

所得制品的主要性能指标如下：

适宜使用温度：1400℃；体积密度：0.47g/cm³；常温抗折强度1.6MPa；常温耐压强度：2.5MPa；400℃导热系数为0.12w/m·k，800℃导热系数为0.19w/m·k。

实施例2

原料及配比：

生石灰加入量为9.2wt.％，要求CaO≥98.0％，小于0.10mm；煅烧高铝低铁粘土加入量45.5wt.％，要求Al₂O₃含量大于30.0wt.％，SiO₂含量大于35.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.2wt.％，TiO₂含量为≤1.0wt.％，小于0.10mm；蓝晶石加入量12.0wt.％，要求Al₂O₃含量为大于40.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.0wt.％，TiO₂含量为≤0.7wt.％；半水石膏加入量7.0wt.％，要求CaSO₄·1/2H₂O≥98.0％，小于0.10mm；工业氧化铝加入量26.3wt.％，要求γ-Al₂O₃≥98.0％，小于0.10mm。

配料、球磨：

首先将各种原料按照上述的比例装入球磨机球磨12h，将原料磨细到小于0.060mm的孔径筛的筛余量小于2.0wt.％。

加造孔剂搅拌成形：

加入占总配料质量10.0％的造孔剂(5.0％的聚苯乙烯球和5.0％的木屑锯末，要求其粒径≤3.0mm)，将球磨好的混合料与造孔剂一起搅拌混合10分钟，再加入10％的可饮用水搅拌8分钟，得到的泥料用振动浇注成形得到坯体。

干燥：

烧成：

将干燥好的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1400℃。烧成制度为：900℃保温4h，1300℃保温4h，1400℃保温5h。

加工、检验：

烧结后多孔轻质隔热保温耐火砖试样的产物的XRD图谱如图3所示，其主晶相为钙长石相和莫来石相；SEM照片如图4所示，呈现多孔的结构特征。

所得制品的主要性能指标如下：

适宜使用温度：1350℃；体积密度：0.46g/cm³；常温抗折强度1.4MPa；常温耐压强度：2.2MPa；400℃导热系数为0.11w/m·k，800℃导热系数为0.17w/m·k。

实施例3

原料及配比：

熟石灰加入量为14.5wt.％，要求Ca(OH)₂≥98.0％，小于0.10mm；煅烧高铝低铁粘土加入量55.5wt.％，要求Al₂O₃含量大于30.0wt.％，SiO₂含量大于35.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.2wt.％，TiO₂含量为≤1.0wt.％，小于0.10mm；蓝晶石加入量10.0wt.％，要求Al₂O₃含量为大于40.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.0wt.％，TiO₂含量为≤0.7wt.％；半水石膏加入量4.0wt.％，要求CaSO₄·1/2H₂O≥98.0％，小于0.10mm；工业氧化铝加入量16.0wt.％，要求γ-Al₂O₃≥98.0％，小于0.10mm。

配料、球磨：

加造孔剂搅拌成形：

加入占总配料的11.0％焦炭粉和4.0％的木屑锯末(要求其粒径≤3.0mm)，将混合料与焦炭粉一起搅拌混合30分钟，再加入13％的可饮用水搅拌5分钟，得到的泥料用振动浇注成形得到坯体。

干燥：

烧成：

将干燥完的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1400℃。烧成制度为：900℃保温4h，1300℃保温4h，1400℃保温5h。

加工、检验：

烧结后多孔轻质隔热保温耐火砖试样的产物的XRD图谱如图5所示，其主晶相为钙长石相和莫来石相；SEM照片如图6所示，呈现多孔的结构特征。

所得制品的主要性能指标如下：

适宜使用温度：1300℃；体积密度：0.45g/cm³；常温抗折强度1.2MPa；常温耐压强度：1.8MPa；400℃导热系数为0.10w/m·k，800℃导热系数为0.16w/m·k。

Claims

1、本发明是一种多孔轻质导热系数低强度高隔热保温效果好的隔热保温耐火砖，其特征在于：该耐火砖的主要耐高温物相为莫来石相和钙长石相；该耐火砖的主要化学成分为：Al₂O₃30.0％～53.9wt％，SiO₂ 30.0～39.9wt.％，CaO 2.1～20.0wt.％，其它杂质总含量小于5.0wt％。

2、如权利要求1所述的轻质隔热保温耐火砖，其特征在于：配料时各种原料的加入量及质量要求如下：

石灰石要求CaCO₃≥98.0％，小于0.10mm，加入量为0.1～35wt.％；可用石灰(生石灰或熟石灰，主要含氧化钙或氢氧化钙)代替石灰石，石灰的要求为氧化钙或氢氧化钙均≥98.0％，小于0.10mm；石灰石和石灰的合计加入量为0.1～35wt.％，石灰石和石灰的比例任意可调；煅烧高铝低铁粘土或矾土加入量7.0～80wt.％，要求Al₂O₃含量为大于30.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.2wt.％，TiO₂含量为≤1.0wt.％，小于0.10mm；也可用未经过煅烧的高铝低铁粘土或矾土代替煅烧高铝低铁粘土或矾土，加入量和质量要求不变；蓝晶石加入量1～19.9wt.％，要求Al₂O₃含量为大于40.0wt.％，Fe₂O₃含量为≤1.0wt.％，TiO₂含量为≤0.7wt.％；半水石膏加入量1.0～40.0wt.％，要求CaSO₄·1/2H₂O≥98.0％，小于0.10mm；工业氧化铝加入量1～60.0％，要求γ-Al₂O₃≥98.0％，小于0.10mm。

3、一种制备如权利要求1和2所述的含莫来石和钙长石的多孔轻质隔热保温耐火砖的方法，其特征在于：所述方法首先是将各种原料按所述的比例配料后，先混合均匀，然后一起磨细到小于0.060mm的孔径筛的筛余量小于2.0wt.％；将从磨机中取出的粉料再加入占总配料的0.1～17.0％烧失造孔剂(烧失造孔剂可以选择为木屑锯末或其它植物粉末或聚苯乙烯球或焦炭粉或煤炭粉或活性碳等其中的一种或几种可以在大于1000℃烧失的物质作为烧失造孔剂，其粒径≤3.0mm)一起搅拌混合，混合均匀后再加入6～30％的可饮用水搅拌，得到的泥料采用振动浇注成形方法成形(也可用挤泥机挤出成形或手工捣打或浇注成形)。成形后的湿坯在室温下自然干燥12～24h，然后在干燥窑中于50～200℃进行烘干。将干燥好的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1300～1550℃，将烧成出窑冷却后的砖坯按要求尺寸进行切割，即得到本发明的多孔轻质导热系数低强度高隔热保温效果好的隔热保温耐火砖。