CN102432319B - 适用于高温冶金容器的纳米超级绝热板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于高温冶金容器的纳米超级绝热板及其制造方法。所述纳米超级绝热板包括芯材和包覆所述芯材的防水膜，其特征在于：所述芯材由芯材复合粉末制成，在芯材中间设有一层高强玻璃纤维网格布。本发明通过在芯材中间设有一层高强玻璃纤维网格布，可防止纳米超级绝热板产生穿透性裂纹。芯材复合粉末组分合理，并用纳米包覆机进行干法分散工艺混合，其中的增强纤维单丝不互相接触，其它粉末颗粒也都均匀地分散在纳米氧化物粉末中，可引入更多的增强纤维，提高材料强度，而固体热传导并没有增加；红外遮光剂高度分散，抑制高温热辐射效果显著；烧结抑制剂在纳米氧化硅粉体中高度分散，以较少的量就可以达到很好的抑制效果。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料领域，具体是涉及一种适用于高温冶金容器的纳米超级绝热板及其制造方法。
背景技术
含炭耐火材料、氧化物-非氧化物复合耐火材料，具有优越的抗侵蚀性能和抗热震性能，在钢铁工业高温冶金容器中得到广泛应用。然而，由于炭等非氧化物的存在，耐火材料的导热系数变大，导致冶金容器外壳温度大大升高。由此带来的主要问题有：一是通过炉衬的热损耗明显增加，二是带来钢（铁）液温度的下降，三是高温引起壳体材料的力学性能劣化。鉴于此，对高温冶金容器的绝热材料提出了如下的要求：（1）绝热性能：要求绝热材料厚度保持不变或更小时，也能达到理想的绝热效果，即要求使用温度下导热系数小；（2）使用温度：由于受热面温度明显提高，需要800-1000℃更高使用温度的绝热材料。除此之外，绝热材料还要满足高温冶金容器的其它使用环境要求，如①要有较好的抗压强度，荷载下压缩形变小；②使用温度及荷载共同作用下体积收缩小；③材料易于施工，可弯曲成一定弧形，以适合壳体弧度变化；④材料防水，耐火浇注料施工时不会破坏材料结构；⑤材料绿色环保，无毒无害，且可回收利用等。
目前，可用于高温冶金装置的绝热材料有高强蛭石板、高密度硬硅钙石板、多晶陶瓷纤维硬板、复合反射绝热板和气凝胶复合超级绝热材料板等。由于高强蛭石板、高密度硬硅钙石板和多晶陶瓷纤维硬板相对而言具有较高的导热系数值（其导热系数均高于静止空气对应值），使用效果有限。
在中国专利局授权的专利号为ZL02125947.X的专利文献中公开了一种复合反射绝热、阻尼减振降噪板及其制造工艺，按此专利生产的复合反射绝热、阻尼减振降噪板绝热效果比传统材料提高2-3倍，可用于高温冶金容器中。如在40吨钢水罐上安装20mm厚复合反射绝热、阻尼减振降噪板，其比安装25mm厚多晶陶瓷纤维硬板的钢水罐外壁温度可下降96℃，对于100吨钢水罐，温度可下降141℃。
然而，该复合反射绝热板采用乳胶等粘结剂，虽然其高温导热系数可做到低于静止空气值，但相对气凝胶材料而言，导热系数仍偏高。而且这种反射绝热板采用连续金属箔作为多层反射材料，使用时金属层易与径向的罐体锚固件接触，引起热量的定向传导，从而不能充分发挥其优越的绝热性能。
采用矿物粉末作为红外遮光剂的气凝胶复合超级绝热材料板，具有极低的导热系数，且可以避免热量的定向传导。这种材料根据其制备工艺，可分成溶胶-凝胶法气凝胶复合材料和粉末法气凝胶复合材料两种。其中的溶胶-凝胶法气凝胶复合材料（如中国专利局公告的CN 1749241A、CN 1654324A专利中所述的材料）需要超临界干燥过程，工艺繁杂，且抗压强度小。
而粉末法气凝胶复合材料（如中国专利局公告的CN 101671157A、CN101219873B专利中所述的材料），即采用纳米氧化物粉末与红外遮光剂、增强纤维及其它材料混合后，经不同条件成型得到，工艺相对简便。然而用在高温冶金装置作为绝热材料时，存在明显的不足，如当粉末法气凝胶复合材料中不采用粘结剂（即干法工艺）时，由于实际的增强纤维加入量在10%以下（如CN101671157A实际增强纤维加入量为5%），导致材料强度低，易脆断产生穿透性裂纹；当采用粘结剂的湿法工艺时，纳米结构受到破坏，材料的导热系数提高。
发明内容
本发明目的在于克服现有粉末法气凝胶复合材料的缺陷，提供一种适合于高温冶金容器用的纳米超级绝热板及其制造方法。
按照本发明提供的技术方案：一种适用于高温冶金容器的纳米超级绝热板，包括芯材和包覆所述芯材的防水膜，其特征在于：所述芯材由芯材复合粉末制成，在芯材中间设有一层高强玻璃纤维网格布。
作为本发明的进一步改进，所述纳米超级绝热板的总厚度为3mm-6mm，高强玻璃纤维网格布的厚度为100-250μm，网格尺寸为3mm×3mm至10mm×10mm。所述纳米超级绝热板可弯曲成一定弧度，施工时可将纳米超级绝热板多层拼装，拼接缝错开；所述高强玻璃纤维网格布的作用主要是防止穿透性裂纹产生。当纳米超级绝热板折弯超过弹性极限时，受张拉一侧出现垂直于板面的纵向裂纹，并开始扩展，当裂纹扩展到网格布时受网格布影响，裂纹转向沿平行网格布表面扩展成横向裂纹，这样就避免了穿透性裂纹的产生。
作为本发明的进一步改进，所述芯材复合粉末包括以下重量份数比的组分：纳米氧化物粉末40-80份、烧结抑制剂0-20份、红外遮光剂5-40份和短切高温增强纤维10-25份。上述组分经特殊干法分散工艺混合，这种特殊干法分散混合工艺由纳米包覆机实现。
作为本发明的进一步改进，所述纳米氧化物粉末是比表面积为150-200m2/g的纳米氧化硅粉末。由于纳米氧化硅压制体在温度超过800℃后，会因烧结作用而发生强烈的体积收缩，所以需要加入烧结抑制剂，以抑制纳米氧化硅在高温下的烧结收缩，使整体材料使用温度提高到1000℃，这些烧结抑制剂在高温下具有一定的惰性，它的引入可以改变体系的扩散机制，减缓SiO2颗粒的高温收缩。
作为本发明的进一步改进，所述烧结抑制剂是纳米金属氧化物粉末和/或纳米金属氮化物粉末和/或纳米金属碳化物粉末。
作为本发明的进一步改进，所述纳米金属氧化物粉末是比表面积为50-150m2/g的纳米Al2O3粉末，所述纳米金属氮化物粉末是比表面积为20-50m2/g的纳米AlN粉末，所述纳米金属碳化物粉末是比表面积为20-50m2/g的纳米ZrC粉末。
作为本发明的进一步改进，所述红外遮光剂是平均粒径为0.5-3μm的SiC粉末或平均粒径为1-5μm的锆英石粉末。
作为本发明的进一步改进，所述短切高温增强纤维为玄武岩纤维、硅酸铝纤维、硅酸镁纤维、硅酸钙镁纤维或石英玻璃纤维，增强纤维的直径为1-10μm，增强纤维长度为3mm-6mm。
作为本发明的进一步改进，所述防水膜是至少为一层的水密性聚乙烯或聚丙烯材料。
一种适合于高温冶金装置的纳米超级绝热板的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）按重量份数比称取下述组分：纳米氧化物粉末40-80份、烧结抑制剂0-20份、红外遮光剂5-40份和短切高温增强纤维10-25份，放入锥形搅拌机中，密封后以100rpm-600rpm的转速预混合5min-20min，得到预混合料，并经过机械提升装置加入到纳米包覆机中；
（2）上述的预混合料在纳米包覆机中同时受挤压力和剪切力作用，短切高温增强纤维分散成纤维单丝，大量的增强纤维单丝高度分散于纳米粉末中，并且经过一定程度的“压实”作用形成芯材复合粉末，所形成的芯材复合粉末具有较高的松散堆积密度，芯材复合粉末由纳米包覆机出料口放出；所述纳米包覆机的转速为600rpm-1000rpm，混合时间为10min-60min；
（3）将经过纳米包覆机混合后的纳米复合粉末以两层铺装，内夹高强玻璃纤维网格布，然后用真空压力成型机经3.0-7.0MPa的压力压实成体积密度为350-500kg/m3、厚度为3mm-6mm的块体，然后将块体切割成所要求的规格芯材；
（4）在芯材外包覆防水膜并热封装，即得到最终的纳米超级绝热板产品。
本发明与现有技术相比，优点在于：（1）在芯材中间设有一层高强玻璃纤维网格布，可防止纳米超级绝热板产生穿透性裂纹。（2）芯材复合粉末组分合理，并经特殊干法分散工艺混合，其中的增强纤维单丝并不互相接触，其它粉末颗粒也都均匀地分散在纳米氧化物粉末中，这样的效果是可以引入更多的增强纤维，提高材料的强度，而固体热传导并没有增加；而且红外遮光剂高度分散，抑制高温热辐射效果显著；由于纳米金属氧化物粉末、纳米金属氮化物粉末和纳米金属碳化物粉末等烧结抑制剂的价格上比纳米氧化硅高出8-20倍，这些烧结抑制剂在纳米氧化硅粉体中的高度分散，从而可以做到以较少的量就可以达到很好的抑制效果，而总体材料成本仅略有提高。
附图说明
图1为纳米超级绝热板结构示意图。
图2为纳米超级绝热板弯曲成一定弧度时示意图。
图3为图1中A部放大示意图。
图4为纳米超级绝热板与某复合反射绝热板的背温试验曲线对比图。
图中，1：芯材；2：防水膜；3：网格布；4：背温试验中复合反射绝热板的热面温度变化曲线；5：背温试验中复合反射绝热板的冷面温度变化曲线；6：背温试验中本发明的纳米超级绝热板的热面温度变化曲线；7：背温试验中本发明的纳米超级绝热板的冷面温度变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1-图3所示，本发明的适用于高温冶金容器的纳米超级绝热板主要由芯材1和包覆所述芯材1的防水膜2组成，所述芯材1由芯材复合粉末制成，在芯材1中间设有一层高强玻璃纤维网格布3，该纳米超级绝热板具一定弹性。
实施例1
（1）按重量份数比称取下述组分：比表面积为200m2/g的纳米氧化硅粉末70份，平均粒径为3.5μm的SiC粉末20份，平均长度为5mm的短切硅酸铝纤维10份，放入锥形搅拌机中，密封后以600rpm的转速预混合10min，得到预混合料，经过机械提升装置加入到纳米包覆机中；
（2）上述的预混合料放入纳米包覆机中，控制纳米包覆机的转速为1000rpm，混合时间为10min；
（3）将经过纳米包覆机混合后的纳米复合粉末以两层铺装，内夹网格尺寸为5mm×5mm的高强玻璃纤维网格布3，然后用真空压力成型机经3.0MPa的压力压实成体积密度为400kg/m3、厚度为5.3mm的块体，然后将块体切割成所要求的规格芯材1，然后对芯材1进行理化性能测试，测试结果如表1所示；
（4）在芯材1外包覆二层聚乙烯膜并热封装，即得到最终的纳米超级绝热板产品，该纳米超级绝热板具一定弹性，然后对纳米超级绝热板进行强度测定，并与芯材1进行对比，结果如表1所示；
表1：
| 技术性能指标 | 实施例1产品 |
| 最高使用温度，℃ | 800 |
| 体积密度，kg/m3 | 394 |
| 常温导热系数，W/(m·K) | 0.022 |
| 热面800℃导热系数，W/(m·K) | 0.030 |
| 常温抗压强度，MPa（10%形变） | 芯材0.7，绝热板0.7 |
| 常温抗折强度，MPa | 芯材0.2，绝热板0.3 |
将实施例1中得到的纳米超级绝热板拼装成厚度为10.6mm的绝热板产品，与厚度为12.34mm的含锆多晶硅酸铝纤维板（体积密度461kg/m3）进行温度加热模拟试验，热面温度750℃。在相同试验条件下，实施例1的背火面温度稳定在246℃左右，而含锆多晶硅酸铝纤维板的背火面温度稳定在316℃左右，二者相差70℃。
实施例2
（1）按重量份数比称取下述组分：比表面积为200m2/g的纳米氧化硅粉末56份，比表面积为100m2/g的纳米Al2O3粉末14份，平均粒径为2.5μm的SiC粉末15份，平均长度为3mm的短切硅酸铝纤维15份，放入锥形搅拌机中，密封后以500rpm的转速预混合15min，得到预混合料，经过机械提升装置加入到纳米包覆机中；
（2）上述的预混合料放入纳米包覆机中，控制纳米包覆机的转速为1000rpm，混合时间为20min；
（3）将经过纳米包覆机混合后的纳米复合粉末以两层铺装，内夹网格尺寸为3mm×3mm的高强玻璃纤维网格布3，然后用真空压力成型机经5.5MPa的压力压实成体积密度为450kg/m3、厚度为5mm的块体，然后将块体切割成所要求的规格芯材1，然后对芯材1进行理化性能测试，测试结果如表2所示；
（4）在芯材1外包覆二层聚乙烯膜并热封装，即得到最终的纳米超级绝热板产品，该纳米超级绝热板具一定弹性，然后对纳米超级绝热板进行强度测定，并与芯材1进行对比，结果如表2所示；
表2：
| 技术性能指标 | 实施例2产品 |
| 最高使用温度，℃ | 1000 |
| 体积密度，kg/m3 | 450 |
| 常温导热系数，W/(m·K) | 0.022 |
| 热面800℃导热系数，W/(m·K) | 0.032 |
| 常温抗压强度，MPa（10%形变） | 芯材1.0，绝热板1.0 |
| 常温抗折强度，MPa | 芯材0.4，绝热板0.5 |
将实施例2中得到的纳米超级绝热板拼装成厚度为20mm的绝热板产品，与厚度为20mm的复合反射绝热板（体积密度550kg/m3）进行温度加热模拟试验，如图4所示，在相同试验条件下，实施例2的热面温度平衡于668℃时，其背火面温度稳定在140℃，而复合反射绝热板热面温度平衡于641℃时，其背火面温度稳定在229℃。芯材1的热冷面温差为528℃，复合反射绝热板热冷面温差仅412℃，二者相差达116℃。
实施例3
（1）按重量份数比称取下述组分：比表面积为150m2/g的纳米氧化硅粉末56份，比表面积为100m2/g的纳米Al2O3粉末14份，平均粒径为1.0μm的锆英石粉末10份，平均长度为3mm的短切玄武岩纤维20份，放入锥形搅拌机中，密封后以500rpm的转速预混合15min，得到预混合料，经过机械提升装置加入到纳米包覆机中；
（2）上述的预混合料放入纳米包覆机中，控制纳米包覆机的转速为1000rpm，混合时间为20min；
（3）将经过纳米包覆机混合后的纳米复合粉末以两层铺装，内夹网格尺寸为3mm×3mm的高强玻璃纤维网格布3，然后用真空压力成型机经5.0MPa的压力压实成体积密度为450kg/m3、厚度为4.5mm的块体，然后将块体切割成所要求的规格芯材1，然后对芯材1进行理化性能测试，测试结果如表3所示；
（4）在芯材1外包覆二层聚乙烯膜并热封装，即得到最终的纳米超级绝热板产品，该纳米超级绝热板具一定弹性，然后对纳米超级绝热板进行强度测定，并与芯材1进行对比，结果如表3所示；
表3：
| 技术性能指标 | 实施例3产品 |
| 最高使用温度，℃ | 1000 |
| 体积密度，kg/m3 | 454 |
| 常温导热系数，W/(m·K) | 0.025 |
| 热面800℃导热系数，W/(m·K) | 0.038 |
| 常温抗压强度，MPa(10%形变） | 芯材0.9，绝热板0.9 |
| 常温抗折强度，MPa | 芯材0.5，绝热板0.6 |
实施例4
（1）按重量份数比称取下述组分：比表面积为150m2/g的纳米氧化硅粉末55份，比表面积为100m2/g的纳米Al2O3粉末5份，比表面积为50m2/g的纳米AlN粉末10份，平均粒径为1.0μm的锆英石粉末15份，平均长度为3mm的短切玄武岩纤维15份，放入锥形搅拌机中，密封后以600rpm的转速预混合15min，得到预混合料，经过机械提升装置加入到纳米包覆机中；
（2）上述的预混合料放入纳米包覆机中，控制纳米包覆机的转速为1000rpm，混合时间为25min；
（3）将经过纳米包覆机混合后的纳米复合粉末以两层铺装，内夹网格尺寸为5mm×5mm的高强玻璃纤维网格布3，然后用真空压力成型机经6.5MPa的压力压实成体积密度为460kg/m3、厚度为4.3mm的块体，然后将块体切割成所要求的规格芯材1，然后对芯材1进行理化性能测试，测试结果如表4所示；
（4）在芯材1外包覆二层聚乙烯膜并热封装，即得到最终的纳米超级绝热板产品，该纳米超级绝热板具一定弹性，然后对纳米超级绝热板进行强度测定，并与芯材1进行对比，结果如表4所示；
表4：
| 技术性能指标 | 实施例4产品 |
| 最高使用温度，℃ | 1000 |
| 体积密度，kg/m3 | 461 |
| 常温导热系数，W/(m·K) | 0.024 |
| 热面800℃导热系数，W/(m·K) | 0.036 |
| 常温抗压强度，MPa（10%形变） | 芯材0.9，绝热板0.9 |
| 常温抗折强度，MPa | 芯材0.5，绝热板0.6 |
Claims (2)
1.一种适用于高温冶金容器的纳米超级绝热板，包括芯材（1）和包覆所述芯材（1）的防水膜（2），其特征在于：所述芯材（1）由芯材复合粉末制成，在芯材（1）中间设有一层高强玻璃纤维网格布（3）；
所述纳米超级绝热板的总厚度为3mm-6mm，高强玻璃纤维网格布（3）的厚度为100-250μm，网格尺寸为3mm×3mm至10mm×10mm；
所述芯材复合粉末包括以下重量份数比的组分：纳米氧化物粉末40-80份、烧结抑制剂0-20份、红外遮光剂5-40份和短切高温增强纤维10-25份；
所述纳米氧化物粉末是比表面积为150-200m2/g的纳米氧化硅粉末；
所述烧结抑制剂是纳米金属氧化物粉末和/或纳米金属氮化物粉末和/或纳米金属碳化物粉末；
所述纳米金属氧化物粉末是比表面积为50-150m2/g的纳米Al2O3粉末，所述纳米金属氮化物粉末是比表面积为20-50m2/g的纳米AlN粉末，所述纳米金属碳化物粉末是比表面积为20-50m2/g的纳米ZrC粉末；
所述红外遮光剂是平均粒径为0.5-3μm的SiC粉末或平均粒径为1-5μm的锆英石粉末；
所述短切高温增强纤维为玄武岩纤维、硅酸铝纤维、硅酸镁纤维、硅酸钙镁纤维或石英玻璃纤维，增强纤维的直径为1-10μm，增强纤维长度为3mm-6mm；
所述防水膜（2）是至少为一层的水密性聚乙烯或聚丙烯材料。
2.一种适合于高温冶金装置的如权利要求1所述的纳米超级绝热板的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）按重量份数比称取下述组分：纳米氧化物粉末40-80份、烧结抑制剂0-20份、红外遮光剂5-40份和短切高温增强纤维10-25份，放入锥形搅拌机中，密封后以100rpm-600rpm的转速预混合5min-20min，得到预混合料，并经过机械提升装置加入到纳米包覆机中；
（2）上述的预混合料在纳米包覆机中同时受挤压力和剪切力作用，短切高温增强纤维分散成纤维单丝，大量的增强纤维单丝高度分散于纳米粉末中，并且经过一定程度的“压实”作用形成芯材复合粉末，所形成的芯材复合粉末具有较高的松散堆积密度，芯材复合粉末由纳米包覆机出料口放出；所述纳米包覆机的转速为600rpm -1000rpm，混合时间为10min -60min；
（3）将经过纳米包覆机混合后的纳米复合粉末以两层铺装，内夹高强玻璃纤维网格布（3），然后用真空压力成型机经3.0-7.0MPa的压力压实成体积密度为350-500kg/m3、厚度为3mm-6mm的块体，然后将块体切割成所要求的规格芯材（1）；
（4）在芯材（1）外包覆防水膜（2）并热封装，即得到最终的纳米超级绝热板产品。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |