CN102432304B - 一种堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，其特征在于基本由以下组分的基料在1400℃烧结16小时制备而成，所述的基料为电熔莫来石：15-42wt％、棕刚玉：5-18wt％、板状刚玉：10-32wt％、红柱石：5-20wt％、氧化铝微粉：3-10wt％、堇青石：5-12wt％、粘土：3-6wt％；抗热震砖成品中Al2O3≥60wt％、Fe2O3≤0.4wt％、K2O+Na2O≤0.3wt％。本发明中引入了板状刚玉和棕刚玉，在提高了耐火砖荷重软化温度、高温蠕变性能的基础上，提高了产品的抗热震稳定性，作为耐高温陶瓷燃烧器的耐火砖材料能够显著地延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种保温耐火材料，具体地说，本发明涉及一种炼铁热风炉陶瓷燃烧器用高热震性耐火材料。
背景技术
钢厂炼铁热风炉常年使用温度在1200-1350℃左右，并且补冷风过程使得炉内温度变化剧烈，以及需经受高炉煤气带入灰尘的化学侵蚀，燃烧气体强烈冲刷以及机械载荷等苛刻条件，要求热风炉陶瓷燃烧器用耐火材料除具备通常耐火材料的蠕变小、荷重软化温度高、热容量大的特点之外，还要求具备抗热震稳定性好、强度高。
现有技术中通常使用高铝质堇青石耐火材料作为抗热震砖的主晶相，原因是堇青石是所有已知硅酸盐矿物中热膨胀系数最低的矿物，因而以堇青石为主晶相的制品都具有很好地耐急冷急热的性能。轻质耐火砖多用于间歇式窑炉的耐火内衬，这些轻质耐火砖的使用寿命主要受到耐急冷急热性能的影响。因此具有较低热膨胀系数的堇青石-莫来石轻质耐火砖用于频繁升温、降温的间歇式窑炉将会使得炉衬有长的使用寿命。同时莫来石和少量尖晶石的存在使得这种轻质耐火砖具有较高的使用温度。
专利200510107319.5公开了一种泥浆结合成型的抗热震耐火砖，它是由35-65wt％的莫来石、5-15wt％的堇青石粉、5-15wt％的红柱石、5-10wt％的硅线石粉、5-10wt％的高铝粉和8-15wt％的白泥构成基料，与基料总重量3-15wt％的泥浆结合制成。虽然该耐火材料的热震稳定性能够达到110次以上，但是其荷重软化温度以及强度相对较低，并不适用于炼铁热风炉陶瓷燃烧器。
专利200510107317.6公开了一种泥浆结合成型的抗热震耐火砖，它是由45-75wt％的莫来石、5-15wt％的堇青石粉、5-15wt％的红柱石、5-10wt％的氧化铝微粉和8-15wt％的白泥构成基料，与基料总重量3-15wt％的泥浆结合制成。虽然该耐火材料的热震稳定性能够达到110次以上，但是其荷重软化温度以及强度相对较低，适用于炼铁热风炉蓄热室，但用于燃烧室时容易导致软化、碎裂，因此使用寿面很短。
专利200610037794.4公开了一种高热震性莫来石-堇青石耐火砖，它是由30-50wt％的合成莫来石、15-25wt％的合成堇青石、10-20wt％的硅线石、5-10wt％的红柱石、5-10wt％的氧化铝微粉和4-6wt％的粘土制成。该耐火材料的热震稳定性能够达到120次以上，但是其荷重软化温度以及常温耐压强度仍然偏低，而且高温蠕变率高、体积密度低、孔隙率偏高，用于高温燃烧室时容易导致软化、碎裂，使用寿面有待进一步提高。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明的目的是提供一种炼铁热风炉陶瓷燃烧器用的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖及其制备方法。本发明的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖具有显气孔率低、体积密度高、常温耐压强度高、荷重软化温度高、热震稳定性能优异、高温蠕变率低的特点，它能够完全满足现代长寿高炉球式热风炉耐高温陶瓷燃烧器的技术要求，具有优异的综合性能，作为耐高温陶瓷燃烧器的耐火砖材料能够显著地延长使用寿命。
新一代热风炉陶瓷燃烧器由于温度高(高达1450℃)，并且温度变化频繁，是高炉热风炉最易损坏的部位；为了进一步提高现有技术中耐火砖的荷重软化温度、高温蠕变性能，本发明的发明人创造性的在莫来石-堇青石耐火砖中引入了板状刚玉和棕刚玉，在提高了耐火砖荷重软化温度、高温蠕变性能的基础上，通过合理的组分配置，还提高了产品的抗热震稳定性；此外，通过严格控制矿物原料中的杂质组分，进一步提高了耐火砖的综合性能。
本发明通过以下技术方案实现：
一种堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，其特征在于基本由以下组分的基料在1400℃烧结16小时制备而成，所述的基料为电熔莫来石：15-42wt％、棕刚玉：5-18wt％、板状刚玉：10-32wt％、红柱石：5-20wt％、氧化铝微粉：3-10wt％、堇青石：5-12wt％、粘土：3-6wt％；抗热震砖成品中Al2O3≥60wt％、Fe2O3≤0.4wt％、K2O+Na2O≤0.3wt％。
优选地，本发明的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，基本由以下组分的基料制成：所述的基料为电熔莫来石：25-35wt％、棕刚玉：8-15wt％、板状刚玉：15-27wt％、红柱石：8-15wt％、氧化铝微粉：5-10wt％、堇青石：8-12wt％、粘土：3-6wt％；抗热震砖成品中Al2O3≥60wt％、Fe2O3≤0.4wt％、K2O+Na2O≤0.25wt％。
更优选地，本发明的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，基本由以下组分的基料制成：所述的基料为电熔莫来石：28wt％、棕刚玉：15wt％、板状刚玉：22wt％、红柱石：12wt％、氧化铝微粉：8wt％、堇青石：12wt％、粘土：3wt％；抗热震砖成品中Al2O3≥60wt％、Fe2O3≤0.4wt％、K2O+Na2O≤0.3wt％。
本发明制备的抗热震砖体积密度大于2.8g/m3，显气孔率小于20％、荷重软化温度(0.2MPa)大于等于1650℃、常温耐压强度大于等于80MPa，热震稳定性(1100℃水冷)高于120次。
本发明的抗热震砖使用的基料中：
电熔莫来石的粒度小于3.5mm；化学组成中Al2O3＞75wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.4wt％。
棕刚玉的粒度小于0.088mm；化学组成中Al2O3＞95wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.3wt％。
板状刚玉的粒度小于3.5mm；化学组成中Al2O3＞99wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.3wt％。
红柱石的粒度小于0.5mm；化学组成中Al2O3＞55wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.2wt％。
氧化铝微粉的粒度小于0.037mm；化学组成中Al2O3＞99.5wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.15wt％。
堇青石的粒度小于0.074mm；化学组成中Al2O3＞35wt％、Fe2O3＜0.8wt％、K2O+Na2O＜0.5wt％。
粘土的粒度小于0.074mm；化学组成中Al2O3＞35wt％、Fe2O3＜1.5wt％、K2O+Na2O＜1.5wt％。
优选地，为了进一步提高抗热震砖的抗热震性能，本发明的基料中还含有1.5-2.5wt％的多晶MgAl2O4。多晶MgAl2O4的粒度小于0.5mm。抗热震砖中均匀分散的多晶MgAl2O4有利于制品在温度距离变化时产生缓冲作用，从而有利于提高耐火砖的热震稳定性，通常的，可以提高抗热震稳定性约25-35次。
本发明中加入堇青石的目的是提高抗热震砖的抗热震性，加入棕刚玉和板状刚玉能够提高抗热震砖的密度、常温耐压强度、荷重软化温度，加入粘土和氧化铝微粉的目的是起结合剂和烧结剂作用，降低烧成温度、提高高温使用性能等；本发明的发明人通过实验发现通过控制原料组分中Fe2O3、K2O、Na2O的含量，进而控制抗热震砖成品中的Fe2O3≤0.4wt％、K2O+Na2O≤0.3wt％的时候，出人意料的可以显著地提高抗热震砖的常温耐压强度、荷重软化温度和热震稳定性；进而申请人完成了本发明。
本发明所述的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖的制备方法如下：
本发明的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，基本由以下组分的基料制备而成，所述的基料为电熔莫来石：15-42wt％、棕刚玉：5-18wt％、板状刚玉：10-32wt％、红柱石：5-20wt％、氧化铝微粉：3-10wt％、堇青石：5-12wt％、粘土：3-6wt％；其特征在于所述的制备方法包括以下工艺：
(1)原料准备：将糊精在打浆机中用热水配置成密度为1.16-1.20g/cm3的糊精液；按上述比例的基料采用干法共混的方法制备成细粉料；
(2)混碾：在细粉料中加入占基料质量5-12wt％的糊精液，糊精液的密度为1.16-1.20g/cm3，并将基料碾匀；
(3)机压成型：将混碾料由成型机压制成砖坯；
(4)砖坯干燥：砖坯首先自然干燥12-36小时，然后由烘干炉进行烘干，使得其残余水分低于1.0％；
(5)将干燥后的砖坯置于烧结炉中在1400℃烧结16小时，自然降温冷却后得到抗热震砖成品。
优选地，为了进一步提高抗热震砖的抗热震性能，本发明的基料中还含有1.5-2.5wt％的多晶MgAl2O4。
优选地，本发明的抗热震砖使用的基料中：
电熔莫来石的粒度小于3.5mm；化学组成中Al2O3＞75wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.4wt％；棕刚玉的粒度小于0.088mm；化学组成中Al2O3＞95wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.3wt％；板状刚玉的粒度小于3.5mm；化学组成中Al2O3＞99wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.3wt％；红柱石的粒度小于0.5mm；化学组成中Al2O3＞55wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.2wt％；氧化铝微粉的粒度小于0.037mm；化学组成中Al2O3＞99.5wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.15wt％；堇青石的粒度小于0.074mm化学组成中Al2O3＞35wt％、Fe2O3＜0.8wt％、K2O+Na2O＜0.5wt％；粘土的粒度小于0.074mm；化学组成中Al2O3＞35wt％、Fe2O3＜1.5wt％、K2O+Na2O＜1.5wt％。
本发明的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，由于在其中引入了板状刚玉和棕刚玉，并对原料与成品中的Fe2O3、K2O、Na2O进行了严格的限定，与现有技术中的堇青石-莫来石抗热震砖相比，不仅提高了抗热震砖的密度、常温耐压强度、荷重软化温度；而且还出人意料地，极大地提高了抗热震性，具有非常优异的综合性能，作为耐高温陶瓷燃烧器的耐火砖材料能够显著地延长陶瓷燃烧器的使用寿命。
具体实施方式
本发明实施例中的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖的基料：
电熔莫来石的粒度小于3.5mm；化学组成中Al2O3＞75wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.4wt％。
棕刚玉的粒度小于0.088mm；化学组成中Al2O3＞95wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.3wt％。
板状刚玉的粒度小于3.5mm；化学组成中Al2O3＞99wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.3wt％。
红柱石的粒度小于0.5mm；化学组成中Al2O3＞55wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.2wt％。
氧化铝微粉的粒度小于0.037mm；化学组成中Al2O3＞99.5wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.15wt％。
堇青石的粒度小于0.074mm；化学组成中Al2O3＞35wt％、Fe2O3＜0.8wt％、K2O+Na2O＜0.5wt％。
粘土的粒度小于0.074mm；化学组成中Al2O3＞35wt％、Fe2O3＜1.5wt％、K2O+Na2O＜1.5wt％。
实施例1
一种堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，其配比为：电熔莫来石：15wt％、棕刚玉：5wt％、板状刚玉：32wt％、红柱石：20wt％、氧化铝微粉：10wt％、堇青石：12wt％、粘土：6wt％。矿物颗粒采用干法共混的方法制备成细粉料；细粉料中加入密度为1.20g/cm3的糊精液混碾均匀；用成型机将混碾料制成砖坯，砖坯经自然干燥和烘干炉烘干后使其水分低于1.0％，然后在烧结炉中在1400℃烧结16小时。
实施例2
一种堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，其配比为：电熔莫来石：42wt％、棕刚玉：5wt％、板状刚玉：10wt％、红柱石：15wt％、氧化铝微粉：10wt％、堇青石：12wt％、粘土：6wt％。矿物颗粒采用干法共混的方法制备成细粉料；细粉料中加入密度为1.20g/cm3的糊精液混碾均匀；用成型机将混碾料制成砖坯，砖坯经自然干燥和烘干炉烘干后使其水分低于1.0％，然后在烧结炉中在1400℃烧结16小时。
实施例3
一种堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，其配比为：电熔莫来石：25wt％、棕刚玉：15wt％、板状刚玉：25wt％、红柱石：15wt％、氧化铝微粉：5wt％、堇青石：12wt％、粘土：3wt％。矿物颗粒采用干法共混的方法制备成细粉料；细粉料中加入密度为1.20g/cm3的糊精液混碾均匀；用成型机将混碾料制成砖坯，砖坯经自然干燥和烘干炉烘干后使其水分低于1.0％，然后在烧结炉中在1400℃烧结16小时。
实施例4
一种堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，其配比为：电熔莫来石：35wt％、棕刚玉：10wt％、板状刚玉：15wt％、红柱石：15wt％、氧化铝微粉：10wt％、堇青石：12wt％、粘土：3wt％。矿物颗粒采用干法共混的方法制备成细粉料；细粉料中加入密度为1.20g/cm3的糊精液混碾均匀；用成型机将混碾料制成砖坯，砖坯经自然干燥和烘干炉烘干后使其水分低于1.0％，然后在烧结炉中在1400℃烧结16小时。
实施例5
一种堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，其配比为：电熔莫来石：28wt％、棕刚玉：15wt％、板状刚玉：22wt％、红柱石：12wt％、氧化铝微粉：8wt％、堇青石：12wt％、粘土：3wt％。矿物颗粒采用干法共混的方法制备成细粉料；细粉料中加入密度为1.20g/cm3的糊精液混碾均匀；用成型机将混碾料制成砖坯，砖坯经自然干燥和烘干炉烘干后使其水分低于1.0％，然后在烧结炉中在1400℃烧结16小时。
实施例6
一种堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，其配比为：电熔莫来石：28wt％、棕刚玉：15wt％、板状刚玉：22wt％、红柱石：10wt％、氧化铝微粉：8wt％、堇青石：12wt％、多晶MgAl2O4：2wt％、粘土：3wt％。矿物颗粒采用干法共混的方法制备成细粉料；细粉料中加入密度为1.20g/cm3的糊精液混碾均匀；用成型机将混碾料制成砖坯，砖坯经自然干燥和烘干炉烘干后使其水分低于1.0％，然后在烧结炉中在1400℃烧结16小时。
比较例1
与实施例5相比，区别仅在于使用37wt％的棕刚玉替代了15wt％的棕刚玉、22wt％的板状刚玉。
比较例2
与实施例5相比，区别仅在于使用37wt％的板状刚玉替代了15wt％的棕刚玉、22wt％的板状刚玉。
比较例3
与实施例5相比，使用的基料没有控制其中的Fe2O3、K2O+Na2O的含量，使得抗热震砖成品中Fe2O3的含量为1.52wt％、K2O+Na2O的含量为1.23wt％。
比较例4
与实施例5相比，使用的基料中仅控制部分原料的Fe2O3、K2O+Na2O的含量，使得抗热震砖成品中Fe2O3的含量为1.22wt％、K2O+Na2O的含量为1.05wt％。
比较例5
与实施例5相比，使用的基料中仅控制部分原料的Fe2O3、K2O+Na2O的含量，使得抗热震砖成品中Fe2O3的含量为0.78wt％、K2O+Na2O的含量为0.68wt％。
比较例6
与实施例5相比，使用的基料中仅控制部分原料的Fe2O3、K2O+Na2O的含量，使得抗热震砖成品中Fe2O3的含量为0.45wt％、K2O+Na2O的含量为0.36wt％。
对实施例1-6以及比较例1-6所制备的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖的各技术指标进行测试。测试所得的技术指标数据在表1中列出。实施例1-6以及比较例1-6所制备的抗热震砖的化学分析结果显示在表2中。
表1：实施例以及比较例的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖技术指标数据
实施例1-6所得的抗热震砖在1450℃施加2N/mm2的力，持续时间50小时后检查其最大蠕变率小于0.2％。
由实施例5与比较例1-2的性能对比可知，在刚玉总量一致的前提下，使用棕刚玉和板状刚玉为原料，比单独添加棕刚玉或者板状刚玉，显著提高了抗热震砖的热震稳定性，这完全出乎了预料，产生了意料不到的技术效果，这是本发明的第一个主要贡献点。
由比较例3-6可知，当砖成品中的Fe2O3含量高于0.45wt％，K2O+Na2O的含量高于0.％，通过控制原料中的Fe2O3、K2O、Na2O的含量，并不能明显提高抗热震砖的常温耐压强度、荷重软化温度以及热震稳定性。而只有如本发明那样的砖成品中的Fe2O3含量控制不高于0.4wt％，K2O+Na2O的含量不高于0.3wt％的时候，抗热震砖的性能才会有质的飞跃，这是本发明的第二个主要贡献点。
由实施例6与实施例5的比较可知，添加1wt％的多晶MgAl2O4可以显著提高抗热震砖的热震稳定性。这也是本发明的一个贡献点。
表2：实施例以及比较例中的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖的化学分析结果
| 编号 | Fe2O3wt％ | K2O+Na2O wt％ |
| 实施例1 | 0.32 | 0.22 |
| 实施例2 | 0.35 | 0.26 |
| 实施例3 | 0.35 | 0.25 |
| 实施例4 | 0.33 | 0.23 |
| 实施例5 | 0.32 | 0.24 |
| 实施例6 | 0.32 | 0.24 |
| 比较例1 | 1.15 | 0.25 |
| 比较例2 | 1.12 | 0.25 |
| 比较例3 | 1.52 | 1.23 |
| 比较例4 | 1.22 | 1.05 |
| 比较例5 | 0.78 | 0.68 |
| 比较例6 | 0.45 | 0.36 |
以上所述，仅为本发明的优选的实施例，不能解释为以此限定本发明的范围，凡在本发明的权利要求书要求保护的范围内所做出的等同的变形和改变的实施方式均在本发明要求保护的范围内。
Claims (3)
1.一种堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，其特征在于基本由以下组分的基料在1400℃烧结16小时制备而成，所述的基料为电熔莫来石：28wt％、棕刚玉：15wt％、板状刚玉：22wt％、红柱石：10wt％、氧化铝微粉：8wt％、堇青石：12wt％、多晶MgAl2O4：2wt％、粘土：3wt％；抗热震砖成品中Al2O3≥60wt％、Fe2O3≤0.4wt％、K2O+Na2O≤0.3wt％。
2.如权利要求1所述的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖，其特征在于所述的抗热震砖的体积密度为3.15g/cm3，显气孔率为18.3％、0.2MPa载荷下荷重软化温度等于1710℃、常温耐压强度等于83MPa，1100℃下反复水冷的热震稳定性达到185次。
3.如权利要求1所述的堇青石-莫来石-红柱石抗热震砖的制备方法，基本由以下组分的基料制备而成，所述的基料为电熔莫来石：28wt％、棕刚玉：15wt％、板状刚玉：22wt％、红柱石：10wt％、氧化铝微粉：8wt％、堇青石：12wt％、多晶MgAl2O4：2wt％、粘土：3wt％；抗热震砖成品中Al2O3≥60wt％、Fe2O3≤0.4wt％、K2O+Na2O≤0.3wt％；其特征在于所述的制备方法包括以下工艺：
(1)原料准备：将糊精在打浆机中用热水配置成密度为1.16-1.20g/cm3的糊精液；按上述比例的基料采用干法共混的方法制备成细粉料；
(2)混碾：在细粉料中加入占基料质量5-12wt％的糊精液，糊精液的密度为1.16-1.20g/cm3，并将基料碾匀；
(3)机压成型：将混碾料由成型机压制成砖坯；
(4)砖坯干燥：砖坯首先自然干燥12-36小时，然后由烘干炉进行烘干，使得其残余水分低于1.0％；
(5)将干燥后的砖坯置于烧结炉中在1400℃烧结16小时，自然降温冷却后得到抗热震砖成品；其中电熔莫来石的粒度小于3.5mm；化学组成中Al2O3＞75wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.4wt％；棕刚玉的粒度小于0.088mm；化学组成中Al2O3＞95wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.3wt％；板状刚玉的粒度小于3.5mm；化学组成中Al2O3＞99wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.3wt％；红柱石的粒度小于0.5mm；化学组成中Al2O3＞55wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.2wt％；氧化铝微粉的粒度小于0.037mm；化学组成中Al2O3＞99.5wt％、Fe2O3＜0.1wt％、K2O+Na2O＜0.15wt％；堇青石的粒度小于0.074mm；化学组成中Al2O3＞35wt％、Fe2O3＜0.8wt％、K2O+Na2O＜0.5wt％；粘土的粒度小于0.074mm；化学组成中Al2O3＞35wt％、Fe2O3＜1.5wt％、K2O+Na2O＜1.5wt％。
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