CN101928155A - 一种堇青石质多孔耐火材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种堇青石质多孔耐火材料及其制备方法，属于耐火材料技术领域。其特征是以粉煤灰和天然矿物原料菱镁矿或其尾矿为主要原料经配料混料、成型、干燥、烧结等工艺过程制备堇青石质多孔耐火材料。本发明的原料配比中粉煤灰添加量为2.0wt％～99.0wt％，菱镁矿添加量为1.0wt％～96.0wt％，外加造孔剂0.0wt％～20.0wt％，外加结合剂0.1wt％～10.0wt％，通过高温烧成所制多孔耐火材料中主要物相为堇青石和镁橄榄石，它具有气孔率高、体积密度小、强度高、隔热效果好、成本低等特点。本发明为粉煤灰等固体废弃物和菱镁矿的高效增值利用提供一条新的技术途径。

Description

一种堇青石质多孔耐火材料及其制备方法

所属技术领域

本发明涉及一种堇青石质耐火材料及其制备方法，属于耐火材料技术领域。

背景技术

黏土质耐火砖广泛应用于热工设备和工业窑炉的隔热层，但存在抗热震稳定性较差、耐火度不高、强度偏低、且生产能耗大、耐火粘土资源消耗大等问题。为改善黏土砖具有优良的抗热震性和高温性能，需要采用优质的矿物原料且一般在1500℃左右的高温烧成，生产成本较高。我国在2010年1月出台了关于采取综合措施控制开采耐火粘土和萤石的通知，将可能进一步限制采用优质粘土矿物原料来生产高性能黏土质隔热耐火砖。为解决这一问题，开发新型的使用温度高、抗热震稳定性好、生产成本低的隔热耐火材料十分必要和迫切。

堇青石材料具有热膨胀系数低、抗热震稳定性好和导热率低等特点，可用于高温环境且温度变化较大的工况。以堇青石为主要物相的多孔耐火材料具有优良的高温热学性能和力学性能，表现为热膨胀系数小，耐火度高，是热工窑炉以及热工设备中理想的耐火材料。但是，目前堇青石质多孔耐火材料工业化生产原料多采用高岭土、滑石或纯氧化物化工原料等，成本较高。所以，研究选用低成本原料，尤其是采用工业固体废弃物为主要原料制备堇青石质多孔材料将体现出重要的意义和应用价值。

粉煤灰是火电厂排放的工业废弃物，大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。近年来，我国火电工业的迅速发展导致了粉煤灰排放量急剧增加，这给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大压力。

粉煤灰主要成分为SiO₂和Al₂O₃，目前国内外粉煤灰的综合利用主要是筑路、建材等，此外还能利用其制备介孔催化材料、多孔陶瓷等。本方法制备的堇青石质多孔耐火材料，为堇青石质多孔耐火材料和粉煤灰的高效利用提供重要的技术，在一定程度上降低了生产成本。

发明内容

为了实现低成本制备堇青石质多孔耐火材料，并有效利用粉煤灰等固体废物资源，本制备方法以粉煤灰以及我国储量丰富的菱镁矿或其尾矿为原料，通过在粉煤灰中添加菱镁矿制备堇青石质多孔耐火材料。

本发明涉及一种堇青石质多孔耐火材料的制备方法，其特征在于：以粉煤灰和矿物原料菱镁矿或其尾矿为主要原料，外加造孔剂与常温结合剂，并将其按一定比例混合，然后经成型(干压成型、半干压成型)、干燥、装窑、烧成等工艺过程制备出堇青石质多孔耐火材料。所述堇青石质多孔耐火材料具有气孔率高、体积密度小、强度高等优异性能。这种堇青石质多孔耐火材料可以广泛应用于现代工业设备和热工窑炉。

所述粉煤灰为火力发电厂或其他热电厂排放的煤燃烧后的产物，其质量要求为SiO₂含量30.0wt％～90.0wt％，Al₂O₃含量3.0wt％～60.0wt％，其它杂质含量没有特殊要求，其粒度要求为最大粒径＜300μm。

所述矿物原料菱镁矿的质量要求为MgCO₃的含量80.0wt％～100.0wt％，其它杂质含量没有特殊要求，其粒度要求为最大粒径＜300μm。

所述造孔剂可以为淀粉、木屑、聚苯乙烯球等多孔材料常用造孔剂，均为市售工业原料，其用法可以是分别单独加入或者是它们的混合物加入，各造孔剂之间的混合比例没有特殊要求，其粒度要求为最大粒径＜300μm。

所述结合剂可以为硅溶胶、磷酸二氢铝、聚乙烯醇、焦油、水玻璃、耐高温水泥、酚醛树脂、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇缩丁醛等耐火材料常用结合剂，均为市售工业原料，其用法可以是分别单独加入或者是它们的混合物加入，各结合剂之间的混合比例没有特殊要求。

所述发明技术方案如下：

1、堇青石质多孔耐火材料，其原料组成及重量百分数为：粉煤灰添加量为2.0wt％～99.0wt％，菱镁矿添加量为1.0wt％～96.0wt％，外加造孔剂0.0wt％～20.0wt％，外加结合剂0.1wt％～10.0wt％。所述各原料经配料、混料、干燥、装窑、烧成等工艺过程制备的多孔耐火材料的主要物相为堇青石相，次晶相为镁橄榄石相。

2、一种堇青石质多孔耐火材料的制备方法，其具体工艺过程为：

首先，将粉煤灰、菱镁矿、造孔剂以及结合剂按一定配比混合后加入球磨机中球磨0.1h～24h至混合均匀。球磨的方式可以选用干法球磨或湿法球磨，其中球磨介质可以选用金属球、陶瓷球或玛瑙球等，湿法球磨选用的球磨液可以是水或无水乙醇等。然后将混合均匀的原料经过成型、干燥等工艺过程制成坯体，其中成型工艺可以是干压成型、半干压成型和浇注成型。

然后，将上述干燥好的坯体置于热工窑炉中实现烧成工艺，其中热工窑炉可以是电炉、马弗式燃气窑或燃煤窑或燃油窑、隧道窑。坯体经过常温至1100℃至1550℃温度范围内的烧成过程中升温速度没有特定要求，但在700℃左右需要保温10min～1000min，以1100℃至1550℃的温度范围内的任意一个温度作为最终的烧成温度，在最终烧成温度下保温1min～290h，待自然冷却至室温即可得到所述的堇青石质多孔耐火材料。

本发明实现了粉煤灰的再利用以及矿物原料菱镁矿的高附加值利用，所述堇青石质多孔耐火材料原料成本低，工艺设备简单，经济效益和社会效益显著，具有很强的市场竞争力，有着非常重要的环保意义。

具体实施方式

本发明是以粉煤灰为主要原料制备堇青石质多孔耐火材料，所述粉煤灰原料中的主要物相为莫来石和方石英，化学组成主要有SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe2O₃、MgO等，在粉煤灰中添加含MgO的原料可以获得堇青石相。本发明通过菱镁矿获取MgO并利用菱镁矿在700℃发生的分解反应产生的CO₂气体和外加造孔剂的高温分解生成的气体实现造孔。通过粉煤灰和MgO的反应获取堇青石相，通过菱镁矿分解产生的CO₂和外加造孔剂高温分解生成的气体在基体中形成孔道结构，从而获得堇青石质多孔耐火材料。

1、堇青石质多孔耐火材料，其原料组成及重量百分数为：粉煤灰添加量2.0wt％～99.0wt％，最大粒径＜300μm；菱镁矿添加量为1.0wt％～96.0wt％，最大粒径＜300μm；外加造孔剂0.0wt％～20.0wt％，最大粒径＜300μm；外加结合剂0.1wt％～10.0wt％。所述原料经本方法制备后，所得产物存在的主要物相为堇青石相，镁橄榄石相为次晶相。

2、堇青石质多孔耐火材料的制备方法，其具体工艺过程为：

首先，将粉煤灰、菱镁矿、造孔剂以及结合剂按一定配比混合后加入球磨机中球磨0.1h～24h至混合均匀。球磨的方式可以选用干法球磨或湿法球磨，其中球磨介质可以选用金属球、陶瓷球或玛瑙球等，湿法球磨选用的球磨液可以是水或无水乙醇等。然后将混合均匀的原料经过成型、干燥等工艺过程制成坯体，其中成型工艺可以是干压成型、半干压成型和浇注成型。

然后，将上述干燥好的坯体置于热工窑炉中实现烧成工艺，其中热工窑炉可以是电炉、马弗式燃气窑或燃煤窑或燃油窑、隧道窑。坯体经过常温至1100℃至1550℃温度范围内的烧成过程中升温速度没有特定要求，但在700℃左右需要保温10min～1000min，以1100℃至1550℃的温度范围内的任意一个温度作为最终的烧成温度，在最终烧成温度下保温1min～290h，待自然冷却至室温即可得到所述的堇青石质多孔耐火材料。

3、该方法制备的堇青石质多孔耐火材料的性能：体积密度为0.50g/cm³～2.00g/cm³，气孔率为40％～75％，抗压强度为8MPa～30MPa，抗折强度2MPa～15MPa。

实施例1：

以粉煤灰为主要原料，在其中添加菱镁矿，外加淀粉为造孔剂，外加硅溶胶为结合剂制备堇青石质多孔耐火材料。

原料配比为：

粉煤灰加入量为75.0wt％，最大粒度＜300μm；菱镁矿加入量为25.0wt％，最大粒度＜300μm；外加的造孔剂淀粉的加入量为5.0wt％，最大粒度＜300μm；外加结合剂硅溶胶的加入量为2.5wt％。

堇青石质多孔耐火材料的制备方法，其具体工艺过程为：

配料、混料：

首先将粉煤灰、菱镁矿、造孔剂以及结合剂按一定配比混合后加入球磨机中球磨12h至混合均匀，最大粒度＜300μm，球磨的方式为湿法球磨，以可饮用水作为球磨液。

成型：

将混合均匀的原料经过成型、干燥等工艺过程制成坯体，成型工艺为干压成型，成型压力为30.0MPa。

烧成：

将上述干燥好的坯体置于热工窑炉中实现烧成工艺，其中热工窑炉是马弗式燃气窑炉。坯体经过常温至1220℃的温度范围内的烧成过程中升温速度为10℃/min，但在700℃需要保温30min，在最终烧成温度下保温3h，然后自然冷却至室温即可得到所述的堇青石质多孔耐火材料。

经上述方法制备的堇青石质多孔耐火材料的性能为：体积密度为1.02g/cm³，气孔率为58％，抗压强度为14.7MPa，抗折强度7.8MPa。材料的物相主要为堇青石和镁橄榄石。

实施例2：

以粉煤灰为主要原料，在其中添加菱镁矿，外加木屑为造孔剂，外加酚醛树脂为结合剂制备堇青石质多孔耐火材料。

原料配比为：

粉煤灰加入量为80.0wt％，最大粒度＜300μm；菱镁矿加入量为20.0wt％，最大粒度＜300μm；外加造孔剂木屑加入量为8.0wt％，最大粒度＜300μm；外加结合剂酚醛树脂加入量为2.0wt％。

堇青石质多孔耐火材料的制备方法，其具体工艺过程为：

配料、混料：

首先将粉煤灰、菱镁矿、造孔剂以及结合剂按一定配比混合后加入球磨机中球磨15h至混合均匀，最大粒度＜300μm，球磨的方式为干法球磨。

成型：

将混合均匀的原料经过成型、干燥等工艺过程制成坯体，成型工艺为半干压成型，成型压力为10.0MPa。

烧成：

将上述干燥好的坯体置于热工窑炉中实现烧成工艺，其中热工窑炉为电炉。坯体经过常温至1250℃的温度范围内的烧成过程中升温速度为10℃/min，但在700℃需要保温40min，在最终烧成温度下保温2h，然后自然冷却至室温即可得到所述的堇青石质多孔耐火材料。

经上述方法制备的堇青石质多孔耐火材料的性能为：体积密度为0.87g/cm³，气孔率为67％，抗压强度为10.9MPa，抗折强度5.3MPa。材料的物相主要为堇青石和镁橄榄石。

实施例3：

以粉煤灰为主要原料，在其中添加菱镁矿，外加聚苯乙烯球为造孔剂，外加聚乙烯醇为结合剂制备堇青石质多孔耐火材料。

原料配比为：

粉煤灰加入量为85.0wt％，最大粒度＜300μm；菱镁矿加入量为15.0wt％，最大粒度＜300μm；外加造孔剂聚苯乙烯球的加入量为3.0wt％，最大粒度＜300μm；外加结合剂聚乙烯醇加入量为3.0wt％。

堇青石质多孔耐火材料的制备方法，其具体工艺过程为：

配料、混料：

首先将粉煤灰、菱镁矿、造孔剂以及结合剂按一定配比混合后加入球磨机中球磨18h至混合均匀，最大粒度＜300μm球磨的方式为湿法球磨，球磨液为可饮用水。

成型：

将混合均匀的原料经过成型、干燥等工艺过程制成坯体，成型工艺为浇注成型。

烧成：

将上述干燥好的坯体置于热工窑炉中实现烧成工艺，其中热工窑炉为马弗式燃气窑炉。坯体经过常温至1280℃的温度范围内的烧成过程中升温速度没为10℃/min，但在700℃需要保温50min，在最终烧成温度下保温2.5h，然后自然冷却至室温即可得到所述的堇青石质多孔耐火材料。

经上述方法制备的堇青石质多孔耐火材料的性能为：体积密度为0.75g/cm³，气孔率为73％，抗压强度为8.3MPa，抗折强度3.2MPa。材料的物相主要为堇青石和镁橄榄石。

Claims (5)

1.一种堇青石质多孔耐火材料及其制备方法，其特征是以粉煤灰和天然矿物原料菱镁矿或其尾矿为主要原料，外加造孔剂、结合剂，经配料混料、成型、干燥、烧结等工艺过程制备堇青石质多孔耐火材料，本发明所制多孔材料中主要物相为堇青石和镁橄榄石。

2.根据权利要求1所述的一种堇青石质多孔耐火材料及其制备方法，其特征为：所述粉煤灰为火力发电厂或其他热电厂排放的煤燃烧后的产物，其质量要求为SiO₂含量30.0wt％～90.0wt％，Al₂O₃含量3.0wt％～60.0wt％，其它杂质含量没有特殊要求，其粒度要求为最大粒径＜300μm。

3.根据权利要求1所述的一种堇青石质多孔耐火材料及其制备方法，其特征为：所述矿物原料菱镁矿的质量要求为MgCO₃的含量80.0wt％～100.0wt％，其它杂质含量没有特殊要求，其粒度要求为最大粒径＜300μm。

4.根据权利要求1所述的一种堇青石质多孔耐火材料及其制备方法，其特征为：所述粉煤灰的添加量为2.0wt％～99.0wt％，所述菱镁矿添加量为1.0wt％～96.0wt％，所述外加造孔剂0.0wt％～20.0wt％，造孔剂可以为淀粉、木屑、聚苯乙烯球等多孔材料常用造孔剂，均为市售工业原料，其用法可以是分别单独加入或者是它们混合物加入，各造孔剂之间的混合比例没有特殊要求，其粒度要求为最大粒径＜300μm。所述外加结合剂0.1wt％～10.0wt％，结合剂可以为硅溶胶、磷酸二氢铝、聚乙烯醇、焦油、水玻璃、耐高温水泥、酚醛树脂、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇缩丁醛等耐火材料常用结合剂，均为市售工业原料，其用法可以是分别单独加入或者是它们混合物加入，各结合剂之间的混合比例没有特殊要求。

5.根据权利要求1所述的一种堇青石质多孔耐火材料及其制备方法，其制备工艺过程为：

首先，将粉煤灰、菱镁矿、造孔剂以及结合剂按一定配比混合后加入球磨机中球磨0.1h～24h至混合均匀。球磨的方式可以选用干法球磨或湿法球磨，其中球磨介质可以选用金属球、陶瓷球或玛瑙球等，湿法球磨选用的球磨液可以是水或无水乙醇等。然后将混合均匀的原料经过成型、干燥等工艺过程制成坯体，其中成型工艺可以是干压成型、半干压成型和浇注成型。

然后，将上述干燥好的坯体置于热工窑炉中实现烧成工艺，其中热工窑炉可以是电炉、马弗式燃气窑或燃煤窑或燃油窑、隧道窑。坯体经过常温至1100℃至1550℃温度范围内的烧成过程中升温速度没有特定要求，但在700℃左右需要保温10min～1000min，以1100℃至1550℃的温度范围内的任意一个温度作为最终的烧成温度，在最终烧成温度下保温1min～290h，待自然冷却至室温即可得到所述的堇青石质多孔耐火材料。