CN102432312A

CN102432312A - 一种微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102432312A
Application number: CN2011102696339A
Authority: CN
Inventors: 桑绍柏; 李亚伟; 李远兵; 赵雷; 金胜利; 李淑静
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-09-13
Also published as: CN102432312B

Abstract

本发明涉及一种微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料及其制备方法，按质量百分含量计，以3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒25～30％(d表示粒度)、1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒24～27％、1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒10～15％、d＜0.074mm的特级矾土细粉10～15％、d＜0.088mm的红柱石细粉5～10％、d＜0.088mm的叶蜡石细粉2～5％、活性α-Al₂O₃微粉3～5％、SiO₂微粉3～5％、广西白泥4～6％、单质Si粉1～3％和Al粉1～2％为原料，外加糊精1～2％、木质素磺酸钙0.4～0.6％和水2～4％；经混练、困料、成型、干燥和烧成工艺制成。所得制品结构均匀，平均孔径小于5μm，具有高强耐磨、保温性能好且抗碱、氯、硫化合物侵蚀性能优良的特点，能满足新型干法水泥生产的需要。

Description

一种微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料及其制备方法

技术领域

本发明属于耐火材料领域，尤其是涉及一种微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料及其制备方法。

背景技术

莫来石-碳化硅复相耐火材料是目前新型干法水泥回转窑上下过渡带、次烧成带广泛使用的耐火材料。新型干法水泥生产技术大幅提高了水泥生产系统的热效率和产量，推动水泥生产朝着优质、高效、大型化和自动化方向发展，代表着当今世界水泥生产的潮流。然而，在新型干法水泥生产技术中，不仅回转窑窑径大、窑速快和窑温高，材料热应力和机械应力非常大；而且为充分利用余热预热生料和大量采用废弃物作为替代原料或替代燃料，导致碱、氯、硫化合物在水泥窑内循环富集，造成耐火材料损毁严重，往往导致计划外停窑检修，成为影响水泥窑优质、高产和低耗的瓶颈。随着我国新型干法水泥回转窑的大型化和数量的增加，低成本、高质量莫来石-碳化硅复相耐火材料需求也随之增加。

“大型水泥窑用硅莫红砖及其制造方法”(ZL 200610097276.1)专利技术，采用特级矾土骨料、碳化硅、电熔白刚玉粉和红柱石粉为主要原料制成硅莫红砖，隔热效果虽较好，但其烧成温度较高，并且其抗气态碱、氯、硫化合物侵蚀性能仍较差。“高强致密硅莫砖及其制作方法”(CN200910095683.2)专利技术和“特种硅莫砖”(CN201010288841.9)专利技术，所制得的硅莫砖虽耐压强度高和热震稳定性好，但其抗碱、氯、硫化合物侵蚀性能也较差。“一种硅莫砖”(CN201010143497.4)专利技术，制得的硅莫砖虽强度高和保温效果好，但同样未解决抗气态碱、氯、硫化合物侵蚀性能差的问题。“硅莫耐磨复合砖”(ZL 200610128393.X)专利技术和“一种硅莫结构隔热一体化复合砖及制备方法”(CN201010192172.5)专利技术主要解决的是降低水泥回转窑简体散热问题，但也同样未解决抗气态碱、氯、硫化合物侵蚀性能差的问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种高强耐磨、保温性能好且抗碱、氯、硫化合物侵蚀性能优良的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料及其制备方法。

为实现上述目的，该耐火材料的原料及其质量百分含量如下，其中，d表示粒度：

3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒 25～30％；

1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒 24～27％；

1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒 10～15％；

d＜0.074mm的特级矾土细粉 10～15％；

d＜0.088mm的红柱石细粉 5～10％；

d＜0.088mm的叶蜡石细粉 2～5％；

α-Al₂O₃微粉 3～5％；

SiO₂微粉 3～5％；

广西白泥 4～6％；

单质Si粉 1～3％；

Al粉 1～2％。

以下外加剂为上述原料总质量的百分含量：

糊精 1～2％；

木质素磺酸钙 0.4～0.6％；

水 2～4％。

按上述原料和外加剂的各自质量百分含量，制备微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料，其制备步骤是：

(1)将木质素磺酸钙溶于水中，制成溶有木质素磺酸钙的水溶液，备用；

(2)将α-Al₂O₃微粉、SiO₂微粉、广西白泥、单质Si粉和Al粉共混，制成预混合粉；

(3)先将3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒、粒度1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒、1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒和糊精在湿碾机中共混1～2分钟，加入步骤(1)的溶有木质素磺酸钙的水溶液，再混2～4分钟，制成混合物A；然后将d＜0.074mm的特级矾土细粉、d＜0.088mm的红柱石细粉、粒度d＜0.088mm的叶蜡石细粉和步骤(2)所制的预混合粉加入到混合物A中，混练20～40分钟，制成泥料；

(4)将步骤(3)所制泥料困料24～36小时，机压成型；

(5)将成型后的坯体在90～110℃条件下干燥；在1250～1450℃条件下烧成，烧成的升温速度为1～2.5℃/分钟。

在上述技术方案中：3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒、1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒和d＜0.074mm的特级矾土细粉中的Al₂O₃含量≥86wt％；1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒中SiC含量≥94wt％；d≤0.088mm红柱石细粉中Al₂O₃含量≥57wt％；α-Al₂O₃微粉的平均粒径为1～4μm；SiO₂微粉的平均粒径小于2μm。

由于采用上述技术方案，本发明在制备过程中以3mm为临界粒度，同时采用了优化比例的α-Al₂O₃微粉和SiO₂微粉，这些微粉可以填充到更为细小的孔隙中，尽可能满足颗粒紧密堆积的需要。在原料中引入的红柱石细粉和叶蜡石细粉在烧成过程中会转化成莫来石相并分解出无定形SiO₂，将会产生一定的体积膨胀，降低材料中的孔径尺寸，而且分解出的高活性SiO₂能起到促烧结作用，提高制品的强度。

在原料中添加单质Si粉和Al粉，不仅能起到促进烧结的作用，提高制品的强度，而且Si和Al在烧成过程中会发生氧化或氮化，同样存在一定的体积膨胀效应，能进一步降低材料中的孔隙尺寸。与以往的莫来石-碳化硅复相耐火材料相比，本发明的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料最大特征是材料结构均匀，材料内部气孔尺寸较小，其平均孔径一般在5μm以下。随着材料中气孔直径的减小，气孔中气体分子的运动受固体骨架的限制会加大，参与热传递程度降低，从而导致材料导热系数的下降；并且，碱、氯、硫化合物通常以气态形式由材料开口气孔侵入，将材料中孔径尺寸降至微米尺度，可以大幅增加碱、氯、硫气态化合物侵入阻力，从而能有效降低碱、氯、硫化合物的侵蚀。

因此，本发明制备的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料具有高强耐磨、保温性能好且抗碱、氯、硫化合物侵蚀性能优良的特点，能够满足新型干法水泥生产的需要。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，现将本具体实施方式所涉及到的原料的理化参数统一描述如下，实施例中不再赘述：3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒、1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒和d＜0.074mm的特级矾土细粉中的Al₂O₃含量≥86wt％；1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒中SiC含量≥94wt％；d≤0.088mm红柱石细粉中Al₂O₃含量≥57wt％；α-Al₂O₃微粉的平均粒径为1～4μm；SiO₂微粉的平均粒径小于2μm。

实施例1：

一种微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料及其制备方法，该耐火材料的原料及其质量百分含量如下(其中，d表示粒度，下同)：

3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒 25～27％；

1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒 26～27％；

1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒 10～12％；

d≤0.074mm的特级矾土细粉 10～12％；

d≤0.088mm的红柱石细粉 8～10％；

d≤0.088mm的叶蜡石细粉 3～5％；

α-Al₂O₃微粉 3～4％；

SiO₂微粉 4～5％；

广西白泥 5～6％；

单质Si粉 1～2％；

Al粉 1～1.5％。

以下外加剂为上述原料总质量的百分含量：

糊精 1～2％；

木质素磺酸钙 0.4～0.6％；

水 2～4％。

按上述原料和外加剂的各自质量百分含量，制备微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料，本实施例的制备步骤是：

(4)将步骤(3)所制泥料困料24～36小时，机压成型；

(5)将成型后的坯体在90～110℃条件下干燥；在1350～1450℃条件下烧成，烧成的升温速度为1～2.5℃/分钟。

本实施例所制得的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的体积密度为2.6～2.7g/cm³，显气孔率≤19％，平均孔径≤4.5μm，耐压强度≥87MPa，常温导热系数≤2.1w/m·k，抗碱、氯、硫化合物侵蚀性能优良。

实施例2：

一种微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料及其制备方法，该耐火材料的原料及其质量百分含量如下：

3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒 28～30％；

1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒 24～25％；

1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒 13～15％；

d≤0.074mm的特级矾土细粉 10～12％；

d≤0.088mm的红柱石细粉 6～8％；

d≤0.088mm的叶蜡石细粉 2～4％；

α-Al₂O₃微粉 4～5％；

SiO₂微粉 3～4％；

广西白泥 4～5％；

单质Si粉 1～2％；

Al粉 1.5～2％。

本实施例中的外加剂与实施例1相同。

本实施例的制备步骤中，除步骤(5)中的1250～1350℃条件下烧成外，其余同实施例1。

本实施例所制得的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的体积密度为2.6～2.7g/cm³，显气孔率≤18％，平均孔径≤3.8μm，耐压强度≥94MPa，常温导热系数≤2.2w/m·k，抗碱、氯、硫化合物侵蚀性能优良。

实施例3：

3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒 26～28％；

1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒 25～26％；

1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒 11～13％；

d≤0.074mm的特级矾土细粉 13～15％；

d≤0.088mm的红柱石细粉 5～7％；

d≤0.088mm的叶蜡石细粉 2～4％；

α-Al₂O₃微粉 3～4％；

SiO₂微粉 3～4％；

广西白泥 5～6％；

单质Si粉 2～3％；

Al粉 1～1.5％。

本实施例中的外加剂与实施例1相同。

本实施例的制备步骤中，除步骤(5)中的1300～1400℃条件下烧成外，其余同实施例1。

本实施例所制得的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的体积密度为2.6～2.7g/cm³，显气孔率≤17％，平均孔径≤3.5μm，耐压强度≥103MPa，常温导热系数≤1.8w/m·k，抗碱、氯、硫化合物侵蚀性能优良。

实施例4：

3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒 27～29％；

1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒 24～25％；

1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒 10～12％；

d≤0.074mm的特级矾土细粉 12～14％；

d≤0.088mm的红柱石细粉 6～8％；

d≤0.088mm的叶蜡石细粉 2～4％；

α-Al₂O₃微粉 3～4％；

SiO₂微粉 3～4％；

广西白泥 4～5％；

单质Si粉 2～3％；

Al粉 1～1.5％。

本实施例中的外加剂和制备步骤均同实施例1。

本实施例所制得的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的体积密度为2.6～2.7g/cm³，显气孔率≤18％，平均孔径≤4.2μm，耐压强度≥97MPa，常温导热系数≤1.7w/m·k，抗碱、氯、硫化合物侵蚀性能优良。

本具体实施方式在制备过程中以3mm为临界粒度，同时采用了优化比例的α-Al₂O₃微粉和SiO₂微粉，这些微粉可以填充到更为细小的孔隙中，尽可能满足颗粒紧密堆积的需要。在原料中引入的红柱石细粉和叶蜡石细粉在烧成过程中会转化成莫来石相并分解出无定形SiO₂，将会产生一定的体积膨胀，降低材料中的孔径尺寸，而且分解出的高活性SiO₂能起到促烧结作用，提高制品的强度。

在原料中添加单质Si粉和Al粉，不仅能起到促进烧结的作用，提高制品的强度，而且Si和Al在烧成过程中会发生氧化或氮化，同样存在一定的体积膨胀效应，能进一步降低材料中的孔隙尺寸。与以往的莫来石-碳化硅复相耐火材料相比，本具体实施方式的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料最大特征是材料结构均匀，材料内部气孔尺寸较小，其平均孔径一般在5μm以下。随着材料中气孔直径的减小，气孔中气体分子的运动受固体骨架的限制会加大，参与热传递程度降低，从而导致材料导热系数的下降；并且，碱、氯、硫化合物通常以气态形式由材料开口气孔侵入，将材料中孔径尺寸降至微米尺度，可以大幅增加碱、氯、硫气态化合物侵入阻力，从而能有效降低碱、氯、硫化合物的侵蚀。

因此，本具体实施方式制备的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料具有高强耐磨、保温性能好且抗碱、氯、硫化合物侵蚀性能优良的特点，能够满足新型干法水泥生产的需要。

Claims

1.一种微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的制备方法，其特征在于该耐火材料的原料及其质量百分含量如下，其中，d表示粒度：

3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒 25～30％，

1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒 24～27％，

1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒 10～15％，

d＜0.074mm的特级矾土细粉 10～15％，

d＜0.088mm的红柱石细粉 5～10％，

d＜0.088mm的叶蜡石细粉 2～5％，

α-Al₂O₃微粉 3～5％，

SiO₂微粉 3～5％，

广西白泥 4～6％，

单质Si粉 1～3％，

Al粉 1～2％；

以下外加剂为上述原料总质量的百分含量：

糊精 1～2％，

木质素磺酸钙 0.4～0.6％，

水 2～4％；

(4)将步骤(3)所制泥料困料24～36小时，机压成型；

(5)将成型后的坯体在90～110℃条件下干燥，在1250～1450℃条件下烧成。

2.根据权利要求1所述的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的制备方法，其特征在于所述的3mm＞d≥1mm的特级矾土颗粒、1mm＞d≥0.1mm的特级矾土颗粒和d＜0.074mm的特级矾土细粉中的Al₂O₃含量≥86wt％。

3.根据权利要求1所述的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的制备方法，其特征在于所述的1mm＞d≥0.1mm的SiC颗粒中SiC含量≥94wt％。

4.根据权利要求1所述的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的制备方法，其特征在于所述的d≤0.088mm红柱石细粉中Al₂O₃含量≥57wt％。

5.根据权利要求1所述的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的制备方法，其特征在于所述的α-Al₂O₃微粉的平均粒径为1～4μm。

6.根据权利要求1所述的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的制备方法，其特征在于所述的SiO₂微粉的平均粒径小于2μm。

7.根据权利要求1所述的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的制备方法，其特征在于所述的烧成的升温速度为1～2.5℃/分钟。

8.根据权利要求1～7项中任一项微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料的制备方法所制备的微孔莫来石-碳化硅复相耐火材料。