CN103804002B

CN103804002B - 一种轻质刚玉-莫来石耐火砖及其制备方法

Info

Publication number: CN103804002B
Application number: CN201410058798.5A
Authority: CN
Inventors: 鄢文; 陈俊峰; 李楠; 魏耀武; 韩兵强; 李友胜
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: CN103804002A

Abstract

本发明涉及一种轻质刚玉-莫来石耐火砖及其制备方法。其方案是：先将0.5~1wt%的氧化硅微粉和2~4wt%的活性α氧化铝微粉均匀分散在5~8wt%的硅溶胶中，得到改性硅溶胶；再将40~70wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒置于真空搅拌机中，抽真空至2.5kPa以下，保持恒压3分钟，然后将所述改性硅溶胶倒入所述真空搅拌机中，搅拌10分钟，关闭抽真空系统；将10~25wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉、10~20wt%的刚玉细粉、1.5~4wt%的氧化硅微粉和1~3wt%的活性α氧化铝微粉倒入真空搅拌机中，搅拌，机压成型；干燥，最后在1400~1600℃条件保温2~10小时。本发明所制备产品具有显气孔率和气孔尺寸可控、热导率低、强度高、热震稳定性好和抗介质侵蚀能力强的特点。

Description

一种轻质刚玉-莫来石耐火砖及其制备方法

技术领域

本发明属于轻质耐火砖技术领域。具体涉及一种轻质刚玉-莫来石耐火砖及其制备方法。

背景技术

轻质刚玉-莫来石耐火材料具有低的导热系数和优良的高温性能，已广泛应用作高温容器的保温衬。目前关于轻质刚玉-莫来石耐火材料的研制包括两个方面：

（一）具有均质结构的轻质刚玉-莫来石耐火材料。如利用凝胶注模工艺、以高铝矾土、硅灰和聚苯乙烯球造孔剂为原料制备莫来石-刚玉轻质砖（杨道媛等，高强低导热莫来石-刚玉轻质砖的制备，稀有金属材料与工程，2009，38（2）：1237-1240），利用高铝矾土细粉和聚苯乙烯球造孔剂为原料制备刚玉-莫来石轻质砖（一种刚玉-莫来石轻质砖及其制备方法（CN201110207949.5）），利用原位分解法制备多孔刚玉-莫来石陶瓷等（一种多孔莫来石陶瓷材料及其制备方法（ZL200610019552.2））等。这些轻质刚玉-莫来石材料只含有基质，不含骨料，虽然其孔隙与基质分布均匀，且具有较好的保温性能，但其抗热震稳定性和抗介质侵蚀能力较差，难以用于直接向火的工作面。

（二）含轻质骨料的刚玉-莫来石耐火材料。如利用重质刚玉-莫来石材料、轻质骨料和粉料等为原料制备重质工作层和轻质隔热层复合砖（一种刚玉莫来石质结构隔热一体化复合砖及制备方法（CN 201110150461.3）），尽管保温性能良好，但容易因热膨胀性不匹配及烧结影响，在重质层与轻质层界面产生裂纹，影响使用寿命；又如利用多孔刚玉-莫来石陶瓷为骨料制备轻质多孔骨料铝硅质耐火砖（一种含轻质多孔骨料铝硅质耐火砖及其制备方法（CN200710052470.2）），尽管具有较高的强度，但多孔骨料与基质界面之间没能形成高强度的桥接，且多孔骨料与基质界面的孔隙呈贯通状态，不能最大限度提高高温强度和抗侵蚀性能；再如，利用刚玉空心球、刚玉莫来石空心球等为原料制备中密度砖（回转窑用中密度砖及其制备方法（CN201310029113.X）），尽管导热系数低、抗热震性能好，但一方面，空心球需经高温熔融吹炼而成，能耗严重，另一方面，空心球表面光滑，与基质相容性不好，限制了高温性能。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种节能高效的轻质刚玉-莫来石耐火砖的制备方法，用该方法制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖不仅具有骨料与基质界面相容性好、骨料表面气孔以封闭气孔为主的特点，且具有显气孔率和气孔尺寸可控、热导率低、强度高和抗介质侵蚀能力强的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：先将0.5~1wt%的氧化硅微粉和2~4wt%的活性α氧化铝微粉均匀分散在5~8wt%的硅溶胶中，得到改性硅溶胶；再将40~70wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒置于真空搅拌机中，抽真空至2.5kPa以下，保持恒压3分钟，然后在相同压力条件下，将所述改性硅溶胶倒入所述真空搅拌机中，搅拌10分钟，关闭抽真空系统；接着将10~25wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉、10~20wt%的刚玉细粉、1.5~4wt%的氧化硅微粉和1~3wt%的活性α氧化铝微粉倒入所述真空搅拌机中，在常压条件下搅拌均匀，机压成型；再将成型后的坯体在110℃条件下干燥24~48小时，最后在1400~1600℃条件下保温2~10小时，即得轻质刚玉-莫来石耐火砖。

在上述技术方案中：所述的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒和多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉的制备方法是：以10~40wt%的煤矸石粉和60~90wt%的Al(OH)₃粉为混合料，外加所述混合料2~10wt%的水和0.05~3wt%的MgCO₃粉，搅拌，成型，成型坯体在110℃下干燥4~24小时；然后在1450~1600℃条件下或在1600~1650℃条件下烧成，保温1~8小时，即得多孔刚玉-莫来石陶瓷；最后将多孔刚玉-莫来石陶瓷破碎，筛分，选取粒径为5~0.1mm的颗粒为多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒；选取粒径小于88μm的细粉为多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉。

所述的氧化硅微粉中的SiO₂含量大于94wt%，粒径小于2μm。

所述的活性α氧化铝微粉中的Al₂O₃含量大于97wt%，粒径小于2μm。

所述的硅溶胶浓度为20~40wt%。

所述的刚玉细粉为电熔白刚玉细粉和烧结板状刚玉细粉中的一种或两种。

所述的成型的压力为50~150MPa。

由于采用上述技术方案，本发明制得以Al₂O₃和SiO₂为主要化学成分、以刚玉和莫来石为主晶相的轻质刚玉-莫来石耐火砖。所制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖：显气孔率为31~53%，平均孔径为3~15μm，体积密度为1.57~2.26 g/cm³，抗折强度为4~18MPa。

本发明的创新之处在于在申请人申请的“一种多孔莫来石陶瓷材料及其制备方法（CN 200610019552.2）”专利技术基础上，以多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒为骨料，以经氧化硅微粉和活性α氧化铝微粉改性的硅溶胶为结合剂，利用真空环境将结合剂中Al₂O₃和SiO₂原料吸入及粘附到多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒表面。高温烧成后，一方面，结合剂中Al₂O₃和SiO₂及骨料中Al₂O₃原位形成莫来石，利用形成莫来石的膨胀堵塞骨料表面气孔，另一方面，结合剂中Al₂O₃和SiO₂及基质中Al₂O₃和SiO₂原位形成莫来石桥接，制备具有骨料与基质界面相容性好、骨料表面气孔以封闭气孔为主的特点的轻质刚玉-莫来石耐火砖。通过该方法使所制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖：显气孔率为31~53%，平均孔径为3~15μm，体积密度为1.57~2.26 g/cm³，抗折强度为4~18MPa。具有显气孔率和气孔尺寸可控的特点，又具有热导率低、强度高和抗介质侵蚀能力强的优点。

因此，本发明具有骨料与基质界面桥接状态可控和骨料表面气孔的封闭状态可控的优点；所制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖具有显气孔率高、平均孔径小、强度高、热导率低、热震稳定性好和抗介质侵蚀能力强的特点，适用于工作温度低于1600℃的高温窑炉或容器的永久层和工作层。

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，先将本具体实施方式中的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：

多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒和多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉的制备方法是：以10~40wt%的煤矸石粉和60~90wt%的Al(OH)₃粉为混合料，外加所述混合料2~10wt%的水和0.05~3wt%的MgCO₃粉，搅拌，成型，成型坯体在110℃下干燥4~24小时；然后在1450~1600℃条件下或在1600~1650℃条件下烧成，保温1~8小时，即得多孔刚玉-莫来石陶瓷；最后将多孔刚玉-莫来石陶瓷破碎，筛分，选取粒径为5~0.1mm的颗粒为多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒；选取粒径小于88μm的细粉为多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉。

氧化硅微粉中的SiO₂含量大于94wt%，粒径小于2μm。

活性α氧化铝微粉中的Al₂O₃含量大于97wt%，粒径小于2μm。

硅溶胶浓度为20~40wt%。

实施例1

一种轻质刚玉-莫来石耐火砖及其制备方法：先将0.5~0.8wt%的氧化硅微粉、3~4wt%的活性α氧化铝微粉均匀分散在5~7wt%的硅溶胶中，得到改性硅溶胶；再将16~24wt%的粒径为5~3mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒、24~42wt%的粒径为3~1mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒和10~14wt%的粒径为1~0.1mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒置于真空搅拌机中，抽真空至2.5kPa以下，保持恒压3分钟，然后在相同压力条件下，将所述改性硅溶胶倒入所述真空搅拌机中，搅拌10分钟，关闭抽真空系统；接着将10~20wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉、10~15wt%的刚玉细粉、1.5~2.5wt%的氧化硅微粉和2~3wt%的活性α氧化铝微粉倒入所述真空搅拌机中，在常压条件下搅拌均匀，在100~150MPa压力下机压成型；再将成型后的坯体在110℃条件下干燥24~36小时，最后在1500~1600℃条件下保温5~10小时，即得轻质刚玉-莫来石耐火砖。

本实施例中：多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒的显气孔率为30~40%，平均孔径为5~15μm；多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉的平均孔径为5~15μm；刚玉细粉为电熔白刚玉细粉，粒径小于88μm。

本实施例制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖：显气孔率为31~41%；体积密度为1.95~2.26g/cm³；平均孔径为4~14μm；抗折强度为10~18MPa。

实施例2

一种轻质刚玉-莫来石耐火砖及其制备方法：先将0.8~1wt%的氧化硅微粉、2~3wt%的活性α氧化铝微粉均匀分散在6~8wt%的硅溶胶中，得到改性硅溶胶；再将13~19wt%的粒径为5~3mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒、17~25wt%的粒径为3~1mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒和10~16wt%的粒径为1~0.1mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒置于真空搅拌机中，抽真空至2.5kPa以下，保持恒压3分钟，然后在相同压力条件下，将所述改性硅溶胶倒入所述真空搅拌机中，搅拌10分钟，关闭抽真空系统；接着将15~25wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉、15~20wt%的刚玉细粉、2~3wt%的氧化硅微粉和1~2wt%的活性α氧化铝微粉倒入所述真空搅拌机中，在常压条件下搅拌均匀，在50~100MPa压力下机压成型；再将成型后的坯体在110℃条件下干燥36~48小时，最后在1450~1550℃条件下保温3~8小时，即得轻质刚玉-莫来石耐火砖。

本实施例中：多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒的显气孔率为38~45%，平均孔径为1~10μm；多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉的平均孔径为1~10μm；刚玉细粉为烧结板状刚玉细粉，粒径小于88μm。

本实施例制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖：显气孔率为39~46%，体积密度为1.79~2.01g/cm³，平均孔径为3~12μm，抗折强度为5~10MPa。

实施例3

一种轻质刚玉-莫来石耐火砖及其制备方法：先将0.5~0.8wt%的氧化硅微粉、3~4wt%的活性α氧化铝微粉均匀分散在7~8wt%的硅溶胶中，得到改性硅溶胶；再将20~35wt%的粒径为3~1mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒和20~35wt%的粒径为1~0.1mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒置于真空搅拌机中，抽真空至2.5kPa以下，保持恒压3分钟，然后在相同压力条件下，将所述改性硅溶胶倒入所述真空搅拌机中，搅拌10分钟，关闭抽真空系统；接着将10~25wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉、10~20wt%的刚玉细粉、3~4wt%的氧化硅微粉和2~3wt%的活性α氧化铝微粉倒入所述真空搅拌机中，在常压条件下搅拌均匀，在60~120MPa压力下机压成型；再将成型后的坯体在110℃条件下干燥28~40小时，最后在1400~1500℃条件下保温2~6小时，即得轻质刚玉-莫来石耐火砖。

本实施例中：多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒的显气孔率为45~55%，平均孔径为4~16μm；多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉的平均孔径为4~16μm；刚玉细粉的组成为：电熔白刚玉细粉占原料5~10wt%，烧结板状刚玉细粉占原料5~10wt%，粒径均小于88μm。

本实施例制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖：显气孔率为43~53%，体积密度为1.57~1.88g/cm³，平均孔径为3~12μm，抗折强度为4~8MPa。

实施例4

一种轻质刚玉-莫来石耐火砖及其制备方法：先将0.8~1wt%的氧化硅微粉、2~3wt%的活性α氧化铝微粉均匀分散在7~8wt%的硅溶胶中，得到改性硅溶胶；再将13~19wt%的粒径为5~3mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒、17~25wt%的粒径为3~1mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒和10~16wt%的粒径为1~0.1mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒置于真空搅拌机中，抽真空至2.5kPa以下，保持恒压3分钟，然后在相同压力条件下，将所述改性硅溶胶倒入所述真空搅拌机中，搅拌10分钟，关闭抽真空系统；接着将15~25wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉、15~20wt%的刚玉细粉、2~3wt%的氧化硅微粉和1~3wt%的活性α氧化铝微粉倒入所述真空搅拌机中，在常压条件下搅拌均匀，在70~130MPa压力下机压成型；再将成型后的坯体在110℃条件下干燥36~48小时，最后在1450~1550℃条件下保温3~7小时，即得轻质刚玉-莫来石耐火砖。

本实施例中：多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒的显气孔率为40~48%，平均孔径为5~15μm；多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉的平均孔径为5~15μm；刚玉细粉为电熔白刚玉细粉，粒径小于44μm。

本实施例制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖：显气孔率为39~48%，体积密度为1.73~2.01g/cm³，平均孔径为5~15μm，抗折强度为6~14MPa。

实施例5

一种轻质刚玉-莫来石耐火砖及其制备方法：先将0.6~0.9wt%的氧化硅微粉、2.5~3.5wt%的活性α氧化铝微粉均匀分散在5~7wt%的硅溶胶中，得到改性硅溶胶；再将16~24wt%的粒径为5~3mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒、24~42wt的粒径为3~1mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒和10~14wt%的粒径为1~0.1mm的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒、置于真空搅拌机中，抽真空至2.5kPa以下，保持恒压3分钟，然后在相同压力条件下，将所述改性硅溶胶倒入所述真空搅拌机中，搅拌10分钟，关闭抽真空系统；接着将10~20wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉、10~15wt%的刚玉细粉、1~2wt%的氧化硅微粉和2~3wt%的活性α氧化铝微粉倒入所述真空搅拌机中，在常压条件下搅拌均匀，在80~140MPa压力下机压成型；再将成型后的坯体在110℃条件下干燥24~36小时，最后在1450~1550℃条件下保温4~8小时，即得轻质刚玉-莫来石耐火砖。

本实施例中：多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒的显气孔率为33~40%，平均孔径为5~15μm；多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉的平均孔径为5~15μm；刚玉细粉的组成为：粒径小于44μm的电熔白刚玉细粉占原料4~6wt%，粒径小于88μm的烧结板状刚玉细粉占原料6~9wt%。

本实施例制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖：显气孔率为32~38%，体积密度为2.04~2.23g/cm³，平均孔径为6~15μm，抗折强度为9~16MPa。

本具体实施方式采用申请人申请的“一种多孔莫来石陶瓷材料及其制备方法（CN 200610019552.2）”专利技术基础上，以多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒为骨料，以经氧化硅微粉和活性α氧化铝微粉改性的硅溶胶为结合剂，利用真空环境将结合剂中Al₂O₃和SiO₂原料吸入及粘附到多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒表面。高温烧成后，一方面，结合剂中Al₂O₃和SiO₂及骨料中Al₂O₃原位形成莫来石，利用形成莫来石的膨胀堵塞骨料表面气孔，另一方面，结合剂中Al₂O₃和SiO₂及基质中Al₂O₃和SiO₂原位形成莫来石桥接，制备具有骨料与基质界面相容性好、骨料表面气孔以封闭气孔为主的特点的轻质刚玉-莫来石耐火砖。通过该方法使所制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖既具有显气孔率和气孔尺寸可控的特点，又具有热导率低、强度高和抗介质侵蚀能力强的优点。

本具体实施方式制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖经检测：显气孔率为31~53%，平均孔径为3~15μm，体积密度为1.57~2.26 g/cm³，抗折强度为4~18MPa。

因此，本具体实施方式具有骨料与基质界面桥接状态可控和骨料表面气孔的封闭状态可控的优点；所制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖具有显气孔率高、平均孔径小、强度高、热导率低、热震稳定性好和抗介质侵蚀能力强的特点，适用于工作温度低于1600℃的高温窑炉或容器的永久层和工作层。

Claims

1.一种轻质刚玉-莫来石耐火砖的制备方法，其特征在于先将0.5~1wt%的氧化硅微粉和2~4wt%的活性α氧化铝微粉均匀分散在5~8wt%的硅溶胶中，得到改性硅溶胶；再将40~70wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷颗粒置于真空搅拌机中，抽真空至2.5kPa以下，保持恒压3分钟，然后在相同压力条件下，将所述改性硅溶胶倒入所述真空搅拌机中，搅拌10分钟，关闭抽真空系统；接着将10~25wt%的多孔刚玉-莫来石陶瓷细粉、10~20wt%的刚玉细粉、1.5~4wt%的氧化硅微粉和1~3wt%的活性α氧化铝微粉倒入所述真空搅拌机中，在常压条件下搅拌均匀，机压成型；再将成型后的坯体在110℃条件下干燥24~48小时，最后在1400~1600℃条件下保温2~10小时，即得轻质刚玉-莫来石耐火砖；

2.根据权利要求1所述的轻质刚玉-莫来石耐火砖的制备方法，其特征在于所述的氧化硅微粉中的SiO₂含量大于94wt%，粒径小于2μm。

3.根据权利要求1所述的轻质刚玉-莫来石耐火砖的制备方法，其特征在于所述的活性α氧化铝微粉中的Al₂O₃含量大于97wt%，粒径小于2μm。

4.根据权利要求1所述的轻质刚玉-莫来石耐火砖的制备方法，其特征在于所述的硅溶胶浓度为20~40wt%。

5.根据权利要求1所述的轻质刚玉-莫来石耐火砖的制备方法，其特征在于所述的刚玉细粉为电熔白刚玉细粉和烧结板状刚玉细粉中的一种或两种。

6.一种轻质刚玉-莫来石耐火砖，其特征在于所述轻质刚玉-莫来石耐火砖是根据权利要求1~5项中任一项所述的轻质刚玉-莫来石耐火砖的制备方法所制备的轻质刚玉-莫来石耐火砖。