CN103964866A - 一种利用高铝粉煤灰制备莫来石质轻质耐火材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用高铝粉煤灰制备莫来石质轻质耐火材料的方法，涉及固体废弃物综合利用、耐火材料技术领域。本发明以电厂废弃物高铝粉煤灰为原料，添加工业氧化铝进行组分设计，烧成并破碎制得不同粒度的莫来石轻质骨料和轻质细粉，然后外加二氧化硅微粉，以聚苯乙烯球或木屑作为造孔剂，以铝酸盐水泥为胶凝剂，以六偏磷酸钠为减水剂，通过振动浇注成型、养护、干燥、烧成等工艺过程制备莫来石质轻质耐火材料。该轻质耐火材料的主要耐高温物相为莫来石相和刚玉相，主要化学成分为：Al₂O₃55.0％～70.0wt.％，SiO₂25.0～40.0wt.％，其它杂质总含量小于5.0wt.％。同现有技术相比，本发明方法具有原料来源广、生产成本低、能耗小，莫来石含量高、性能好、长寿命、制备工艺操作简单的特点，能产生显著的经济与环境效益。

Description

一种利用高铝粉煤灰制备莫来石质轻质耐火材料的方法

技术领域：

本发明涉及一种利用高铝粉煤灰制备莫来石质轻质耐火材料的方法，涉及固体废弃物综合利用、耐火材料技术领域。

背景技术：

工业炉窑是工业生产中的主要耗能设备，每年能耗数量十分巨大，尤其在冶金、建材、陶瓷、玻璃、化工及机电企业中的热加工过程中，工业窑炉的能耗可占总能耗的40～70％。然而，各种工业窑炉的热损失一般都很大，在大多数情况下，它们的热效率都较低，能源利用率不到30％，有30～60％的热量损失是通过窑炉隔热材料的蓄热和散热造成的。为了提高能源利用率，我国迫切的需要优质高性能的轻质隔热材料，以降低大量能量的散热损失和蓄热损失，达到节能的目的。

目前，应用于各种窑炉内衬的隔热材料用量较大的硅酸铝类耐火纤维，由于其导热系数较小(0.14～0.16W/m·K，800℃)，窑炉节能效果较好，但存在价格昂贵、强度较低、在1200℃高温长期使用时结构会发生重大改变而降低其隔热性能等问题，使用寿命一般只有耐火砖的1/2～1/5。另外，硅酸铝类耐火纤维对呼吸系统有致癌的可能，欧共体己将硅酸铝耐火纤维列为二类致癌物质并限制生产。我国目前虽然对纤维的使用在法律上尚未加以限制，但是采用环保安全的隔热保温耐火材料替代陶瓷纤维是隔热耐火材料发展的一个必然趋势。

国内外一些耐火材料生产商相继开发出了一些轻质耐火砖作为窑炉的耐火内衬材料，其中包括钙长石质轻质耐火砖和莫来石质轻质耐火砖。钙长石系列轻质耐火砖由于钙长石的强度较低和熔点较低(1550℃)而影响其使用温度和使用寿命，因而限制了其广泛应用。莫来石的熔点高(1850℃)，强度较高，具有高温稳定、热导率低、热膨胀系数低、抗蠕变性能好以及抗热震稳定性好等优异性能，因而，以莫来石为主晶相的轻质耐火砖使用温度较高。如英国摩根公司开发出的莫来石轻质耐火砖，主晶相为莫来石，使用温度从1430℃至1540℃，体积密度最低为0.78g/cm³～0.88g/cm³，导热系数(600℃)为0.31～0.36W/m·K。工业制备莫来石轻质耐火砖所使用的原料主要为高品位铝矾土。

近几十年来，由于铝矾土的采矿管理不力，在铝矾土矿开采过程中，由于采富弃贫产生了大量低品位铝矾土矿，受传统炼铝工艺的限制，基本没有被有效增值利用而造成大量含Al₂O₃矿物资源的浪费。随着我国铝矾土资源的过度开采和大量出口，大多数高品位高质量的铝矾土矿物资源日显枯竭。优质耐火铝矾土矿物资源迅速枯竭的瓶颈问题，已严重制约了我国耐火材料工业的可持续发展。

高铝粉煤灰是燃煤电厂排出的固体废弃物，大量的粉煤灰排放堆积地表给我国的生态环境造成了巨大的影响。因此，对粉煤灰的综合利用，变废为宝，是解决我国电力生产环境污染，资源缺乏的矛盾的重要手段。目前，粉煤灰经开发利用后在建工、建材、水利等各部门得到了较广泛的应用。

因此，本发明以电厂废弃物高铝粉煤灰为原料制备高性能的莫来石质轻质耐火材料对我国高温窑炉行业的节能减排、固体废弃物资源综合高效利用以及环境保护具有重要意义。

发明内容：

本发明是一种利用高铝粉煤灰制备莫来石质轻质耐火材料的方法，其特征在于：该轻质耐火材料的主要耐高温物相为莫来石相和刚玉相，主要化学成分为：Al₂O₃55.0％～70.0wt.％，SiO₂25.0～40.0wt.％，其它杂质总含量小于5.0wt.％。

本发明制备过程中配料时各原料的加入量及质量要求如下：高铝粉煤灰要求Al₂O₃含量≥40.0wt.％，SiO₂含量≥40.0wt.％，Fe₂O₃含量≤3.0wt.％，TiO₂含量≤3.0wt.％，粒径小于0.1mm，加入量1.0～70.0wt.％；工业氧化铝要求α-Al₂O₃≥98.0wt.％，粒径小于0.10mm，加入量1.0～50.0wt.％；铝酸盐水泥为CA-70型普通铝酸盐耐火水泥，加入量1.0～8.0wt.％；二氧化硅微粉要求SiO₂≥98.0wt.％，加入量2.0wt.％；六偏磷酸钠加入量0.05～0.3wt.％。

本发明提出的一种多孔轻质隔热保温耐火材料及其制备方法，其特征在于：所述方法首先是将原料高铝粉煤灰和工业氧化铝按所述的比例配料混匀后，于1550℃空气气氛中烧成并破碎制得不同粒度的莫来石轻质骨料和轻质细粉。然后利用合成的轻质骨料和轻质细粉，外加所述比例的二氧化硅微粉、六偏磷酸钠和耐火水泥，并加入占总配料的0.1～18.0wt.％烧失造孔剂(烧失造孔剂为木屑锯末或聚苯乙烯球或二者的混合物，其粒径≤2.0mm)和5.0～15.0wt.％的自来水一起搅拌混合，直到骨料和粉料充分混合并具有一定流动性。得到的浆料采用振动浇注成形法成形(也可用挤泥机挤出成形或手工捣打或浇注成形)，成形后的湿坯在室温下自然养护12～24h，然后在干燥窑中于50～200℃进行烘干。将干燥好的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1300～1550℃，将烧成出窑冷却后的砖坯按要求尺寸进行切割，即得到本发明所述的莫来石质轻质耐火材料。该轻质耐火材料的主要耐高温物相为莫来石相和刚玉相，主要化学成分为：Al₂O₃55.0％～70.0wt.％，SiO₂25.0～40.0wt.％，其它杂质总含量小于5.0wt.％，相关性能达到：体积密度≤1.70g/cm³，线变化率≤4.5％，700℃导热系数≤0.70w/m.k，耐压强度≥8.0MPa。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：

本发明的原料和配方为：高铝粉煤灰要求Al₂O₃含量≥40.0wt.％，SiO₂含量≥40.0wt.％，Fe₂O₃含量≤3.0wt.％，TiO₂含量≤3.0wt.％，粒径小于0.1mm，加入量1.0～70.0wt.％；工业氧化铝要求α-Al₂O₃≥98.0wt.％，粒径小于0.10mm，加入量1.0～50.0wt.％；铝酸盐水泥为CA-70型普通铝酸盐耐火水泥，加入量1.0～8.0wt.％；二氧化硅微粉要求SiO₂≥98.0wt.％，加入量2.0wt.％；六偏磷酸钠加入量0.05～0.25wt.％。

本发明提出的一种多孔轻质隔热保温耐火材料及其制备方法，其特征在于：所述方法首先是将原料高铝粉煤灰和工业氧化铝按所述的比例配料混匀后，于1550℃空气气氛中烧成并破碎制得不同粒度的莫来石轻质骨料和轻质细粉。然后利用合成的轻质骨料和轻质细粉，外加所述比例的二氧化硅微粉、六偏磷酸钠和耐火水泥，并加入占总配料的0.1～18.0wt.％烧失造孔剂(烧失造孔剂为木屑锯末或聚苯乙烯球，其粒径≤2.0mm)和5.0～15.0wt.％的自来水一起搅拌混合，直到骨料和粉料充分混合并具有一定流动性。得到的浆料采用振动浇注成形法成形(也可用挤泥机挤出成形或手工捣打或浇注成形)，成形后的湿坯在室温下自然养护12～24h，然后在干燥窑中于50～200℃进行烘干。将干燥好的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1300～1550℃，将烧成出窑冷却后的砖坯按要求尺寸进行切割，即得到本发明所述的莫来石质轻质耐火材料。

实施例1

原料及配比：

高铝粉煤灰加入量为60.0wt.％，要求Al₂O₃含量≥40.0wt.％，SiO₂含量≥40.0wt.％，Fe₂O₃含量≤3.0wt.％，TiO₂含量≤3.0wt.％，粒径小于0.1mm；工业氧化铝加入量40.0wt.％，要求要求α-Al₂O₃≥98.0wt.％，粒径小于0.10mm；铝酸盐水泥加入量6.0wt.％；二氧化硅微粉加入量2.0wt.％，要求SiO₂≥98.0wt.％；六偏磷酸钠加入量0.18wt.％；烧失造孔剂为木屑锯末，加入量占上述总配料的15.0wt.％，其粒径≤2.0mm。

合成莫来石：

首先将原料高铝粉煤灰和工业氧化铝按照上述比例混合，经球磨8h、150℃干燥12h并在1550℃空气气氛中保温4h烧成，然后破碎和磨细等工艺制得不同粒度的莫来石轻质骨料和轻质细粉。

制备莫来石质轻质耐火材料：

利用合成的轻质骨料和轻质细粉，外加上述比例的二氧化硅微粉、六偏磷酸钠和耐火水泥进行搅拌混合均匀；在混合料中加入烧失造孔剂木屑锯末一起搅拌混合10min，再加入12.0wt.％的自来水一起搅拌混合15min，使骨料和粉料充分混合并具有一定流动性；得到的浆料采用振动浇注成形法成形。

坯体养护和干燥：

成形后的湿坯在室温下自然养护24h，然后在干燥窑中于150℃干燥4h，再于200℃烘干8h，使生坯的含水率≤3.0％。

烧成：

将干燥好的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1500℃，烧成制度为：900℃保温4h，1300℃保温4h，1500℃保温5h。

加工、检验：

将烧成出窑冷却后的砖坯按要求尺寸进行切割，即得到本发明所述的莫来石质轻质耐火材料。

所得制品的主要性能指标如下：

适宜使用温度：1400℃；体积密度：1.68g/cm³；线变化率：-4.15％(-号代表发生收缩)；常温耐压强度：20.8MPa；700℃导热系数为0.64W/m.k。

实施例2

原料及配比：

高铝粉煤灰加入量为55.0wt.％，要求Al₂O₃含量≥40.0wt.％，SiO₂含量≥40.0wt.％，Fe₂O₃含量≤3.0wt.％，TiO₂含量≤3.0wt.％，粒径小于0.1mm；工业氧化铝加入量45.0wt.％，要求要求α-Al₂O₃≥98.0wt.％，粒径小于0.10mm；铝酸盐水泥加入量8.0wt.％;二氧化硅微粉加入量2.0wt.％，要求SiO₂≥98.0wt.％；六偏磷酸钠加入量0.2wt.％；烧失造孔剂加入量占上述总配料的10.0wt.％，为5.0％的聚苯乙烯球和5.0％的木屑锯末，其粒径≤2.0mm，。

合成莫来石：

首先将原料高铝粉煤灰和工业氧化铝按照上述比例混合，经球磨8h、150℃干燥12h并在1550℃空气气氛中保温4h烧成，然后破碎和磨细等工艺制得不同粒度的莫来石轻质骨料和轻质细粉。

制备莫来石质轻质耐火材料：

利用合成的轻质骨料和轻质细粉，外加上述比例的二氧化硅微粉、六偏磷酸钠和耐火水泥进行搅拌混合均匀；在混合料中加入烧失造孔剂(5.0％的聚苯乙烯球和5.0％的木屑锯末)一起搅拌混合20min，再加入12.0wt.％的自来水一起搅拌混合10min，使骨料和粉料充分混合并具有一定流动性；得到的浆料采用振动浇注成形法成形。

坯体养护和干燥：

成形后的湿坯在室温下自然养护20h，然后在干燥窑中于150℃干燥4h，再于200℃烘干12h，使生坯的含水率≤3.0％。

烧成：

将干燥好的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1500℃，烧成制度为：900℃保温4h，1300℃保温5h，1500℃保温4h。

加工、检验：

将烧成出窑冷却后的砖坯按要求尺寸进行切割，即得到本发明所述的莫来石质轻质耐火材料。

所得制品的主要性能指标如下：

适宜使用温度：1400℃；体积密度：1.73g/cm³；线变化率：-4.71％(-号代表发生收缩)；常温耐压强度：35.6MPa；700℃导热系数为0.69W/m·k。

实施例3

原料及配比：

高铝粉煤灰加入量为58.0wt.％，要求Al₂O₃含量≥40.0wt.％，SiO₂含量≥40.0wt.％，Fe₂O₃含量≤3.0wt.％，TiO₂含量≤3.0wt.％，粒径小于0.1mm；工业氧化铝加入量42.0wt.％，要求要求α-Al₂O₃≥98.0wt.％，粒径小于0.10mm；铝酸盐水泥加入量5.0wt.％；二氧化硅微粉加入量2.0wt.％，要求SiO₂≥98.0wt.％；六偏磷酸钠加入量0.18wt.％；烧失造孔剂聚苯乙烯球的加入量占上述总配料的14.0wt.％，其粒径≤2.0mm。

合成莫来石：

首先将原料高铝粉煤灰和工业氧化铝按照上述比例混合，经球磨8h、150℃干燥12h并在1550℃空气气氛中保温4h烧成，然后破碎和磨细等工艺制得不同粒度的莫来石轻质骨料和轻质细粉。

制备莫来石质轻质耐火材料：

利用合成的轻质骨料和轻质细粉，外加上述比例的二氧化硅微粉、六偏磷酸钠和耐火水泥进行搅拌混合均匀；在混合料中加入烧失造孔剂聚苯乙烯球一起搅拌混合10min，再加入15.0wt.％的自来水一起搅拌混合20min，使骨料和粉料充分混合并具有一定流动性；得到的浆料采用振动浇注成形法成形。

坯体养护和干燥：

成形后的湿坯在室温下自然养护18h，然后在干燥窑中于150℃干燥4h，再于200℃烘干8h，使生坯的含水率≤3.0％。

烧成：

将干燥好的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1450℃，烧成制度为：900℃保温4h，1300℃保温4h，1450℃保温5h。

加工、检验：

将烧成出窑冷却后的砖坯按要求尺寸进行切割，即得到本发明所述的莫来石质轻质耐火材料。

所得制品的主要性能指标如下：

适宜使用温度：1350℃；体积密度：1.76g/cm³；线变化率：-4.55％(-号代表发生收缩)；常温耐压强度：27.8MPa；700℃导热系数为0.70W/m·k。

Claims (3)

1.本发明是一种利用高铝粉煤灰制备莫来石质轻质耐火材料的方法，其特征在于：该轻质耐火材料的主要耐高温物相为莫来石相和刚玉相，主要化学成分为：Al₂O₃55.0％～70.0wt.％，SiO₂25.0～40.0wt.％，其它杂质总含量小于5.0wt.％。

2.如权利要求1所述的利用高铝粉煤灰制备莫来石质轻质耐火材料的方法，其特征在于：高铝粉煤灰要求Al₂O₃含量≥40.0wt.％，SiO₂含量≥40.0wt.％，Fe₂O₃含量≤3.0wt.％，TiO₂含量≤3.0wt.％，粒径小于0.1mm，加入量1.0～70.0wt.％；工业氧化铝要求α-Al₂O₃≥98.0wt.％，粒径小于0.10mm，加入量1.0～50.0wt.％；铝酸盐水泥为CA-70型普通铝酸盐耐火水泥，加入量1.0～8.0wt.％；二氧化硅微粉要求SiO₂≥98.0wt.％，加入量2.0wt.％；六偏磷酸钠加入量0.05～0.3wt.％。

3.一种制备如权利要求1和2所述的利用高铝粉煤灰制备莫来石质轻质耐火材料的方法，其特征在于：所述方法首先是将原料高铝粉煤灰和工业氧化铝按所述的比例配料混匀后，于1550℃空气气氛中烧成并破碎制得不同粒度的莫来石轻质骨料和轻质细粉。然后利用合成的轻质骨料和轻质细粉，外加所述比例的二氧化硅微粉、六偏磷酸钠和耐火水泥，并加入占总配料的0.1～18.0wt.％烧失造孔剂(烧失造孔剂为木屑锯末或聚苯乙烯球，其粒径≤2.0mm)和5.0～15.0wt.％的自来水一起搅拌混合，直到骨料和粉料充分混合并具有一定流动性。得到的浆料采用振动浇注成形法成形(也可用挤泥机挤出成形或手工捣打或浇注成形)，成形后的湿坯在室温下自然养护12～24h，然后在干燥窑中于50～200℃进行烘干。将干燥好的砖坯装入窑中烧成，最终烧成温度1300～1550℃，将烧成出窑冷却后的砖坯按要求尺寸进行切割，即得到本发明的莫来石质轻质耐火材料。