CN102491761A

CN102491761A - 一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法

Info

Publication number: CN102491761A
Application number: CN2011103633676A
Authority: CN
Inventors: 尹洪基; 吴爱军; 张涛; 胡飘; 朱德先; 李坚强; 石鹏坤; 谭清华; 王晗; 马旭峰
Original assignee: Sinosteel Luoyang Institute of Refractories Research Co Ltd
Current assignee: Sinosteel Luoyang Institute of Refractories Research Co Ltd
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2031-11-16
Also published as: CN102491761B

Abstract

本发明属于耐火材料技术领域，涉及一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法。其技术方案是：在氧化铝空心球中加入有机结合剂均匀混合后加水搅拌，使有机结合剂充分润湿并附着氧化铝空心球表面后；再加入粘土和α-Al₂O₃微粉的混合粉，混合均匀；制备的定型制品经100-110℃干燥后于1550-1650℃保温烧成。本发明利用了粘土与α-Al₂O₃微粉易于合成莫来石相，而莫来石具有热膨胀率低，抗热震性能优，抗高温蠕变性好的特征，采用有机结合剂可以有效避免粘土中杂质在制品干燥和烧成过程中的富集，从而使采用该方法制备的氧化铝空心球隔热耐火材料具有少量杂质分布均匀，外观洁白，抗热震性能优，体积密度低，热导率低的特点。

Description

一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法

技术领域

本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法。

背景技术

在能源价格日益高昂，传统能源供应紧缺，且环境保护日趋严格，而新能源开发缓慢的今天，当前最迫切的任务是开发轻质多孔、热导率低、抗热震性能好，耐火度高、高温使用体积稳定性优且使用温度高，能满足轻质结构高温窑炉所需的隔热耐火材料，以改变传统高温窑炉采用的重质材料所存在的热容量大、升温速率慢、热导率高、窑炉表面温度高、能耗大、使用寿命短等缺点。氧化铝隔热耐火材料的使用能够实现节能降耗和低碳经济，为社会的可持续发展提供有力支持。轻质隔热耐火材料制品通常采用在无机氧化物细粉中引入聚轻球、锯末或柏油等有机烧失物来造孔，增加材料的气孔率，从而获得热导率低，然而大量气孔的存在导致了制品加热永久线变化过大，耐压强度下降，高温体积稳定性变差，从而使制品的应用受到较大局限。同时作为内衬材料的隔热耐火材料制品，使用过程中受到高温变形、烟气中杂质的冲刷和侵蚀，窑炉使用中的周期温度波动所产生的热应力损坏，使用环境非常苛刻。

氧化铝隔热制品作为窑炉工作内衬已是常见的选择。其通常以氧化铝空心球为骨料，以α-Al₂O₃微粉为基质，添加少量粘土、硫酸铝、磷酸或磷酸盐等酸性结合剂，烘干后经1650-1700℃保温2-8h烧成。该种方法引入了粘土，由于粘土为原生矿物，其中含有少量的TiO₂、Fe₂O₃及碱金属氧化物，易溶于酸性结合剂，在干燥和烧成过程中，迁移并富集于制品表面，引起制品着色，同时易受烟气中的杂质侵蚀。

氧化铝空心球已经在隔热耐火材料中得到了广泛应用，其利用了氧化铝空心球的密闭内腔，隔热效果好，强度高，使用温度高和荷重软化温度高等优点。可以直接接触火焰和烟气，还可作为隔热层。“一种制备轻质高强度氧化铝空心球陶瓷的制备方法”(CN 1223547C)的专利技术中，以α-Al₂O₃微粉和氧化铝空心球为原料，以磷酸溶液为结合剂，制备的轻质隔热砖体积密度较低，抗折耐压强度较高，但该方法制备的隔热砖，由于只有氧化铝空心球和α-Al₂O₃微粉，而高纯α-Al₂O₃微粉在高温下难以烧结，需要更高温烧成，造成烧成成本较高，同时该砖基质相为致密刚玉相，导致了其热导率较高，同时抗热震性能差；而“一种氧化铝空心球轻质隔热砖及其制备方法”(申请号：201110023753.0)的专利技术中，以α-Al₂O₃微粉、ρ-Al₂O₃微粉、硅微粉和空心球为原料，加入有机聚合物，制备的轻质隔热制品体积密度低，耐压强度高，但其采用了ρ-Al₂O₃微粉和硅微粉在基质中合成部分莫来石，而ρ-Al₂O₃微粉和硅微粉合成莫来石比较困难，也需要高温烧成，且其原料成本高，造成了其生产成本较高，同时其莫来石相含量较低。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术缺陷，提供一种工艺简单、成本低廉的氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

分别将粘土和α-Al₂O₃微粉按照占氧化铝空心球隔热耐火材料重量的15-25%和15-25%进行称量，放置在混料设备进行30-60分钟混合，用作基质；

将氧化铝空心球按小于等于3 mm、大于2 mm，小于等于2 mm、大于1 mm，小于等于1mm、大于0.2 mm筛选分级后，并按照占氧化铝空心球隔热耐火材料重量的10-30%、10-30%、10-30%的比例进行骨料级配；

在级配好的氧化铝空心球中先加入有机结合剂，充分搅拌达到均匀混合后；再加入一定量的水，搅拌，使有机结合剂充分润湿并附着氧化铝空心球表面后；再加入作为基质的粘土和α-Al₂O₃微粉的混合粉，混合均匀；

采用加压震动方式制备各种所需尺寸的定型制品，经100-110℃干燥24-36小时后于1550-1650℃保温6-10小时烧成。

所述的有机结合剂为淀粉、葡萄糖、糊精、其它具有粘性的有机物质中的一种或任意两种的组合，其粒度通过320目；或者为有机结合剂与水混合的有机结合剂溶液。

有机结合剂的加入量为上述原料总重量的0.25-2.5%。

水的加入量为上述原料总重量的5-10%。

所述的氧化铝空心球隔热耐火材料中， Al₂O₃≥87%，SiO₂：5-12%。

所述氧化铝空心球中的Al₂O₃含量≥99%。

所述α-Al₂O₃微粉的粒度在320目以下，Al₂O₃含量≥99%。

所述有机结合剂的粒度在320目以下。

所述粘土的粒度在320目以下，粘土中的Al₂O₃为35-48%(扣除灼减后的化学成分)，粘土中的Al₂O₃+SiO₂≥96%(扣除灼减后的化学成分)。

本发明制备方法利用了粘土与α-Al₂O₃微粉易于合成莫来石相，而莫来石具有热膨胀率低，抗热震性能优，抗高温蠕变性好的特征，采用有机结合剂可以有效避免粘土中杂质在制品干燥和烧成过程中的富集，从而使采用该方法制备的氧化铝空心球隔热耐火材料与传统隔热材料相比，具有少量杂质分布均匀，外观洁白，抗热震性能优，体积密度低，热导率低的特点。

本发明所述的一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法。采用了有机结合剂，从而使粘土所引入的少量杂质能在制品中均匀分布，制品外观具有均匀洁白的特点。

(1) 避免了粘土中的杂质(如氧化钛、氧化铁等)易溶于酸性结合剂并富集的缺陷。粘土中的杂质易溶于酸性结合剂，且在氧化铝空心球隔热耐火材料的半成品干燥和烧成过程中，随着水分迁移、蒸发，溶于酸性结合剂的粘土杂质也将随之迁移，并富集于制品表面，引起制品外观着色；富集于制品表面的杂质属于低熔点物质，耐火度较低，同时易与烟气中杂质结合，引起氧化铝空心球隔热耐火材料使用性能下降，而有机结合剂则避免了该问题；

(2) 粘土作为一种来源广泛的耐火原料，储量丰富且具有成本低廉的特征，同时利用粘土与α-Al₂O₃微粉能够低温合成莫来石相的特点，综合降低氧化铝空心球隔热制品的制造成本。合成莫来石是一种体积膨胀过程，制品的体积密度可以控制的较低；同时莫来石相的热膨胀系数小于刚玉相，因而制品的抗热震性能优于高纯氧化铝空心球隔热制品；同时莫来石作为结合相与氧化铝空心球形成复相结构，其导热系数亦小于高纯氧化铝空心球隔热制品。

具体实施方式

本发明根据不连续尺寸颗粒的堆积和连续尺寸颗粒的分布与堆积对氧化铝空心球进行最佳匹配，利用粘土和α-Al₂O₃微粉，并采用有机结合剂作为结合剂制备出性能优良，杂质分布均匀，外观均匀洁白的氧化铝空心球隔热耐火材料。其中本发明所述的隔热耐火材料不限于实施例中提到的几种化学组成，只要氧化铝隔热耐火材料中氧化铝和氧化硅含量(按重量百分比计)位于本发明内(Al₂O₃≥87%，SiO₂：5-12%)，且采用了本发明所述的原料和有机结合剂方式，均属于本发明的保护范围。在以下实施方式中，氧化铝空心球中的Al₂O₃含量≥99%；α-Al₂O₃微粉的粒度在320目以下，Al₂O₃含量≥99%；有机结合剂的粒度在320目以下；粘土的粒度在320目以下，粘土中的Al₂O₃为35-48%(扣除灼减后的化学成分)，粘土中的Al₂O₃+SiO₂≥96%(扣除灼减后的化学成分)。

实施例1：一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法。先将分别占氧化铝空心球隔热耐火材料重量20%的粘土和20%的α-Al₂O₃微粉进行预混合备用。在占氧化铝空心球隔热耐火材料重量60%的氧化铝空心球中先加入上述原料重量1%的有机结合剂进行混合，再加入上述原料重量5%的水进行搅拌，加入预先混合的粘土和α-Al₂O₃微粉进行充分混合，经加压震动成型；在110℃条件下干燥24小时，最终在1580℃条件下保温8小时烧成。

在本实施例中：有机结合剂为糊精；氧化铝空心球的颗粒级配为：小于等于3 mm、大于2 mm的氧化铝空心球25%，小于等于2 mm、大于1 mm的氧化铝空心球20%，小于等于1mm、大于0.2 mm的氧化铝空心球15%。

同时在本实施例中也采用一种对比例，其与本实施例的差异体现在加入的结合剂不同，在对比例中外加了8%的磷酸二氢铝溶液，磷酸二氢铝溶液的浓度为30%。

本实施例所获得的氧化铝空心球隔热耐火材料的体积密度为1.2-1.4 g/cm³，常温耐压强度为10-12MPa，导热系数为0.5-0.6 W/(M·K)，Al₂O₃：89.8%，加热永久线变化[1600℃×3h]；-0.1%；而对比例所获得的氧化铝空心球隔热耐火材料的体积密度为1.3-1.5 g/cm³，常温耐压强度为8-9 MPa，导热系数为0.6-0.7 W/(M·K)，Al₂O₃：90.4%，加热永久线变化[1600℃×3h]；-0.2%。但其外观有明显差异。

实施例2：一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法。先将分别占氧化铝空心球隔热耐火材料重量25%的粘土和15%的α-Al₂O₃微粉进行预混合备用。在占氧化铝空心球隔热耐火材料重量60%的氧化铝空心球中先加入上述原料重量1.5%的有机结合剂进行混合，再加入上述原料重量10%的水进行搅拌，加入预先混合好的粘土和α-Al₂O₃微粉进行充分搅拌混合，经加压震动成型；在100℃条件下干燥36小时，最终在1550℃条件下保温8小时烧成。

在本实施例中：有机结合剂为淀粉，氧化铝空心球的颗粒级配为：小于等于3 mm、大于2 mm的氧化铝空心球20%，小于等于2 mm、大于1 mm的氧化铝空心球30%，小于等于1mm、大于0.2 mm的氧化铝空心球10%。

本实施例所获得的氧化铝空心球隔热耐火材料的体积密度为1.1-1.4 g/cm³，常温耐压强度为8-9 MPa，导热系数为0.5-0.6 W/(M·K)，Al₂O₃：87.5%。

实施例3：一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法。先将分别占氧化铝空心球隔热耐火材料重量15%的粘土和20%的α-Al₂O₃微粉进行预混合备用。在占氧化铝空心球隔热耐火材料重量65%的氧化铝空心球中先加入上述原料重量2%的有机结合剂进行混合，再加入上述原料重量8%的水进行搅拌，加入预先混合的粘土和α-Al₂O₃微粉进行充分混合，经加压震动成型；在100℃条件下干燥30小时，最终在1650℃条件下保温8小时烧成。

在本实施例中：有机结合剂为糊精；氧化铝空心球的颗粒级配为：小于等于3 mm、大于2 mm的氧化铝空心球25%，小于等于2 mm、大于1 mm的氧化铝空心球10%，小于等于1mm、大于0.2 mm的氧化铝空心球30%。

本实施例所获得的氧化铝空心球隔热耐火材料的体积密度为1.3-1.5 g/cm³，常温耐压强度为9-10 MPa，导热系数为0.5-0.6 W/(M·K)，Al₂O₃：92.3%。

实施例4：一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法。先将分别占氧化铝空心球隔热耐火材料重量20%的粘土和20%的α-Al₂O₃微粉进行预混合备用。在占氧化铝空心球隔热耐火材料重量60%的氧化铝空心球中先加入上述原料重量0.5%的有机结合剂进行混合，再加入上述原料重量10%的水进行搅拌，加入预先混合的粘土和α-Al₂O₃微粉进行充分混合，经加压震动成型；在110℃条件下干燥26小时，最终在1600℃条件下保温8小时烧成。

在本实施例中：有机结合剂为0.5%的糊精和0.5%的淀粉；氧化铝空心球的颗粒级配为：小于等于3 mm、大于2 mm的氧化铝空心球10%，小于等于2 mm、大于1 mm的氧化铝空心球25%，小于等于1mm、大于0.2 mm的氧化铝空心球25%。

本实施例所获得的氧化铝空心球隔热耐火材料的体积密度为1.2-1.4 g/cm³，常温耐压强度为11-14MPa，导热系数为0.5-0.6 W/(M·K)，Al₂O₃：89.8%。

实施例5：一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法。先将分别占氧化铝空心球隔热耐火材料重量20%的粘土和20%的α-Al₂O₃微粉进行预混合备用。在占氧化铝空心球隔热耐火材料重量60%的氧化铝空心球中先加入上述原料重量2.5%的有机结合剂进行混合，再加入上述原料重量5%的水进行搅拌，加入预先混合的粘土和α-Al₂O₃微粉进行充分混合，经加压震动成型；在110℃条件下干燥24小时，最终在1600℃条件下保温8小时烧成。

在本实施例中：有机结合剂为葡萄糖；氧化铝空心球的颗粒级配为：氧化铝空心球的颗粒级配为：小于等于3 mm、大于2 mm的氧化铝空心球30%，小于等于2 mm、大于1 mm的氧化铝空心球15%，小于等于1mm、大于0.2 mm的氧化铝空心球15%。

本实施例所获得的氧化铝空心球隔热耐火材料的体积密度为1.1-1.3 g/cm³，常温耐压强度为7-9 MPa，导热系数为0.4-0.5 W/(M·K)，Al₂O₃：89.8%。

Claims

1.一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法，其特征在于：

2.按照权利要求1所述的一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法，其特征在于：所述的有机结合剂为淀粉、葡萄糖、糊精、其它具有粘性的有机物质中的一种或任意两种的组合，其粒度通过320目；或者为有机结合剂与水混合的有机结合剂溶液。

3.按照权利要求1或2所述的一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法，其特征在于：有机结合剂的加入量为上述原料总重量的0.25-2.5%。

4.按照权利要求1所述的一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法，其特征在于：水的加入量为上述原料总重量的5-10%。

5.按照权利要求1所述的一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法，其特征在于：所述的氧化铝空心球隔热耐火材料中， Al₂O₃≥87%，SiO₂：5-12%。

6.按照权利要求1所述的一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法，其特征在于：所述氧化铝空心球中的Al₂O₃含量≥99%。

7.按照权利要求1所述的一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法，其特征在于：所述α-Al₂O₃微粉的粒度在320目以下，Al₂O₃含量≥99%。

8.按照权利要求1所述的一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法，其特征在于：所述有机结合剂的粒度在320目以下。

9.按照权利要求1所述的一种氧化铝空心球隔热耐火材料的制备方法，其特征在于：所述粘土的粒度在320目以下，粘土中的Al₂O₃为35-48%(扣除灼减后的化学成分)，粘土中的Al₂O₃+SiO₂≥96%(扣除灼减后的化学成分)。