CN105060901A - 一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。其技术方案是：以40~60wt%的γ-Al₂O₃细粉、30~50wt%的α-Al₂O₃微粉、1~5wt%的Al(OH)₃微粉、1~5wt%的纳米氧化铝微粉、1~10wt%的糖类聚合物和0.1%~5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料20~70wt%的水，用行星球磨机湿磨0.5~3小时；将湿磨后的料浆置于模具中，于-30~-90℃条件下冰冻6~24小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在300~800℃条件下保温3~6小时；最后镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm，在500~900℃条件下保温3~6小时，在1600~1900℃条件下烧结1~5小时，即得轻量刚玉耐火骨料。本发明所制备的轻量刚玉耐火骨料具有体积密度小、闭口气孔率高和抗熔渣侵蚀能力强的特点。

Description

一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法

技术领域

本发明属于刚玉质耐火骨料技术领域。具体涉及一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。

背景技术

工作衬耐火材料轻量化是目前耐火材料行业的一个重要研究方向。首先，隔热耐火材料越靠近工作面，其隔热节能效果越好，工作衬耐火材料轻量化能有效降低热量散失，减少生产成本，达到节能减排的作用；第二，由于轻量耐火材料中具有较多的气孔，在温度剧变时能够有效容纳热应力，提升材料抗热剥落性能。因此，工作衬用轻量耐火材料的研究受到耐火材料行业的广泛关注。然而，由于轻量骨料中含有大量气孔，开发工作层用轻量耐火材料的重点在于提升材料抗渣性能。

耐火骨料轻量化是实现工作衬耐火材料轻量化的主要途径。目前报道的轻量骨料制备方法主要有：有机物分解法、原位发泡成孔技术及氢氧化物等无机物分解法。O. Lyckfeldt等人采用淀粉作为结合剂及发泡剂，制备了多孔氧化铝（O. Lyckfeldt, J. M. F. Ferreira, Processing of porous ceramics by starch consolidation, J. Eur. Ceram. Soc. 18 (2) (1998) 131–140.），所制备骨料的体积密度虽明显降低，但显气孔率及孔径较大；S. J. Li等人采用高岭石作为发泡剂，制备了多孔刚玉-莫来石骨料（S. J. Li, N. Li, Effects of composition and temperature on porosity and pore size distribution of porous ceramics prepared from Al(OH)₃ and kaolinite gangue, Ceram. Int. 33 (4) (2007) 551-556.），所制备骨料平均孔径虽较小，但显气孔率高达40%；R. Salomãoa 等人利用水滑石的原位分解，制备了多孔刚玉-尖晶石骨料（R. Salomãoa, M.V. Bôasa, V.C. Pandolfellia, Porous alumina-spinel ceramics for high temperature applications, Ceram. Int. 37 (4) (2011) 1393-1399.），所制备骨料显气孔率及孔径尺寸也较大，耐渣蚀方面无法达到高温热面使用要求。

综上所述，目前所制备的轻量耐火骨料均存在显气孔率高、平均孔径大、不耐渣蚀的缺陷，难以达到实际工业生产和使用的要求。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，任务是提供一种体积密度小、闭口气孔率高、热导率低和抗熔渣侵蚀能力强的轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。

为实现上述任务，本发明所采用的技术方案的具体步骤是：

步骤一、以40~60wt%的γ-Al₂O₃细粉、30~50wt%的α-Al₂O₃微粉、1~5wt%的Al(OH)₃微粉、1~5wt%的纳米氧化铝微粉、1~10wt%的糖类聚合物和0.1~5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料20~70wt%的水，用行星球磨机湿磨0.5~3小时，制得料浆。

步骤二、将所述料浆置于模具中，在-30~-90℃条件下冰冻6~24小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在300~800℃条件下保温3~6小时，得到预制多孔刚玉骨料。

步骤三、对所述预制多孔刚玉骨料镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm；然后在500~900℃条件下保温3~6小时，在1600~1900℃条件下烧结1~5小时，即得轻量刚玉耐火骨料。

所述γ-Al₂O₃细粉的Al₂O₃含量>99wt%，粒径为0.045~0.088mm。

所述α-Al₂O₃微粉的Al₂O₃含量>99wt%，粒径D₅₀为1~5μm。

所述纳米氧化铝微粉的Al₂O₃含量>99wt%，平均粒径为20~50nm。

所述Al(OH)₃微粉的Al(OH)₃含量>98wt%，粒径D₅₀为1~5μm。

所述糖类聚合物为糊精、淀粉、甲壳素中的一种以上。

所述行星球磨机的研磨球为刚玉质球。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明引入的不同晶型和尺寸的氧化铝粉能够共同形成致密堆积，采用水作为原位成孔介质，通过冰冻技术，使得水结冰；利用抗冻蛋白抑制冰晶的长大，保证在未热处理的材料中预形成气孔尺寸分布集中的微多孔结构；进一步利用不同晶型和尺寸的氧化铝粉共同形成纳-微米双尺度烧结模型，在高温烧成过程中，由于不同粒度氧化铝原料烧结性能的差异性，原位形成内部应力驱动晶界快速扩散，将均匀分布的气孔缩小并封闭，形成轻量刚玉耐火骨料；同时，骨料外部的铝镀层在热处理过程中熔融，能够堵塞材料裂纹和外表面的气孔，并快速氧化形成致密的微孔氧化铝包裹层，与熔渣反应时，该包裹层能够有效阻止熔渣侵蚀及渗透，从而达到形成高耐蚀的轻量刚玉耐火骨料的目的。

本发明所制备的轻量刚玉耐火骨料经检测：体积密度为2.5~2.8g/cm³，闭口气孔率为10~30%。

因此，本发明所制备的轻量刚玉耐火骨料具有体积密度小、闭口气孔率高、热导率低和抗熔渣侵蚀能力强的特点。

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，并非对保护范围的限制：

为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的原料和工艺参数统一描述如下，实施例中不再赘述：

所述γ-Al₂O₃细粉的Al₂O₃含量>99wt%，粒径为0.045~0.088mm。

所述α-Al₂O₃微粉的Al₂O₃含量>99wt%，粒径D₅₀为1~5μm。

所述纳米氧化铝微粉的Al₂O₃含量>99wt%，平均粒径为20~50nm。

所述Al(OH)₃微粉的Al(OH)₃含量>98wt%，粒径D₅₀为1~5μm。

所述行星球磨机的研磨球为刚玉质球。

实施例 1

一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、以40~45wt%的γ-Al₂O₃细粉、45~50wt%的α-Al₂O₃微粉、1~3wt%的Al(OH)₃微粉、3~5wt%的纳米氧化铝微粉、1~5wt%的糖类聚合物和2.5~5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料40~70wt%的水，用行星球磨机湿磨0.5~1.5小时，制得料浆。

步骤二、将所述料浆置于模具中，在-30~-60℃条件下冰冻15~24小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在300~600℃条件下保温4~6小时，得到预制多孔刚玉骨料。

步骤三、对所述预制多孔刚玉骨料镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm；然后在500~700℃条件下保温4~6小时，在1600~1750℃条件下烧结3~5小时，即得轻量刚玉耐火骨料。

本实施例所述糖类聚合物为糊精。

本实施例所制备的轻量刚玉耐火骨料经检测：体积密度为2.6~2.7g/cm³；闭口气孔率为18~24%。

实施例 2

一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、以40~45wt%的γ-Al₂O₃细粉、45~50wt%的α-Al₂O₃微粉、1~3wt%的Al(OH)₃微粉、3~5wt%的纳米氧化铝微粉、1~5wt%的糖类聚合物和2.5~5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料40~70wt%的水，用行星球磨机湿磨0.5~1.5小时，制得料浆。

步骤二、将所述料浆置于模具中，在-60~-90℃条件下冰冻6~15小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在500~800℃条件下保温3~5小时，得到预制多孔刚玉骨料。

步骤三、对所述预制多孔刚玉骨料镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm；然后在700~900℃条件下保温3~5小时，在1750~1900℃条件下烧结1~3小时，即得轻量刚玉耐火骨料。

本实施例所述糖类聚合物为淀粉。

本实施例所制备的轻量刚玉耐火骨料经检测：体积密度为2.55~2.65g/cm³；闭口气孔率为18~26%。

实施例 3

一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、以45~50wt%的γ-Al₂O₃细粉、40~45wt%的α-Al₂O₃微粉、1~3wt%的Al(OH)₃微粉、3~5wt%的纳米氧化铝微粉、5~10wt%的糖类聚合物和2.5~5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料40~70wt%的水，用行星球磨机湿磨0.5~1.5小时，制得料浆。

步骤二、将所述料浆置于模具中，在-30~-60℃条件下冰冻15~24小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在300~600℃条件下保温4~6小时，得到预制多孔刚玉骨料。

步骤三、对所述预制多孔刚玉骨料镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm；然后在500~700℃条件下保温4~6小时，在1600~1750℃条件下烧结3~5小时，即得轻量刚玉耐火骨料。

本实施例所述糖类聚合物为甲壳素。

本实施例所制备的轻量刚玉耐火骨料经检测：体积密度为2.55~2.65g/cm³；闭口气孔率为20~26%。

实施例 4

一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、以45~50wt%的γ-Al₂O₃细粉、40~45wt%的α-Al₂O₃微粉、1~3wt%的Al(OH)₃微粉、3~5wt%的纳米氧化铝微粉、5~10wt%的糖类聚合物和2.5~5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料40~70wt%的水，用行星球磨机湿磨0.5~1.5小时，制得料浆。

步骤二、将所述料浆置于模具中，在-60~-90℃条件下冰冻6~15小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在500~800℃条件下保温3~5小时，得到预制多孔刚玉骨料。

步骤三、对所述预制多孔刚玉骨料镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm；然后在700~900℃条件下保温3~5小时，在1750~1900℃条件下烧结1~3小时，即得轻量刚玉耐火骨料。

本实施例所述糖类聚合物为糊精和淀粉的混合物。

本实施例所制备的轻量刚玉耐火骨料经检测：体积密度为2.5~2.6g/cm³；闭口气孔率为22~30%。

实施例 5

一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、以50~55wt%的γ-Al₂O₃细粉、35~40wt%的α-Al₂O₃微粉、3~5wt%的Al(OH)₃微粉、1~3wt%的纳米氧化铝微粉、1~5wt%的糖类聚合物和0.1~2.5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料20~40wt%的水，用行星球磨机湿磨1.5~3小时，制得料浆。

步骤二、将所述料浆置于模具中，在-30~-60℃条件下冰冻15~24小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在300~600℃条件下保温4~6小时，得到预制多孔刚玉骨料。

步骤三、对所述预制多孔刚玉骨料镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm；然后在500~700℃条件下保温4~6小时，在1600~1750℃条件下烧结3~5小时，即得轻量刚玉耐火骨料。

本实施例所述糖类聚合物为糊精和甲壳素的混合物。

本实施例所制备的轻量刚玉耐火骨料经检测：体积密度为2.65~2.8g/cm³；闭口气孔率为10~18%。

实施例 6

一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、以50~55wt%的γ-Al₂O₃细粉、35~40wt%的α-Al₂O₃微粉、3~5wt%的Al(OH)₃微粉、1~3wt%的纳米氧化铝微粉、1~5wt%的糖类聚合物和0.1~2.5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料20~40wt%的水，用行星球磨机湿磨1.5~3小时，制得料浆。

步骤二、将所述料浆置于模具中，在-60~-90℃条件下冰冻6~15小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在500~800℃条件下保温3~5小时，得到预制多孔刚玉骨料。

步骤三、对所述预制多孔刚玉骨料镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm；然后在700~900℃条件下保温3~5小时，在1750~1900℃条件下烧结1~3小时，即得轻量刚玉耐火骨料。

本实施例所述糖类聚合物为淀粉和甲壳素的混合物。

本实施例所制备的轻量刚玉耐火骨料经检测：体积密度为2.6~2.75g/cm³；闭口气孔率为12~21%。

实施例 7

一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、以55~60wt%的γ-Al₂O₃细粉、30~35wt%的α-Al₂O₃微粉、3~5wt%的Al(OH)₃微粉、1~3wt%的纳米氧化铝微粉、5~10wt%的糖类聚合物和0.1~2.5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料20~40wt%的水，用行星球磨机湿磨1.5~3小时，制得料浆。

步骤二、将所述料浆置于模具中，在-30~-60℃条件下冰冻15~24小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在300~600℃条件下保温4~6小时，得到预制多孔刚玉骨料。

步骤三、对所述预制多孔刚玉骨料镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm；然后在500~700℃条件下保温4~6小时，在1600~1750℃条件下烧结3~5小时，即得轻量刚玉耐火骨料。

本实施例所述糖类聚合物为糊精、淀粉和甲壳素的混合物。

本实施例所制备的轻量刚玉耐火骨料经检测：体积密度为2.6~2.7g/cm³；闭口气孔率为13~23%。

实施例 8

一种轻量刚玉耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、以55~60wt%的γ-Al₂O₃细粉、30~35wt%的α-Al₂O₃微粉、3~5wt%的Al(OH)₃微粉、1~3wt%的纳米氧化铝微粉、5~10wt%的糖类聚合物和0.1~2.5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料20~40wt%的水，用行星球磨机湿磨1.5~3小时，制得料浆。

步骤二、将所述料浆置于模具中，在-60~-90℃条件下冰冻6~15小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在500~800℃条件下保温3~5小时，得到预制多孔刚玉骨料。

步骤三、对所述预制多孔刚玉骨料镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm；然后在700~900℃条件下保温3~5小时，在1750~1900℃条件下烧结1~3小时，即得轻量刚玉耐火骨料。

本实施例所述糖类聚合物为糊精、淀粉和甲壳素的混合物。

本实施例所制备的轻量刚玉耐火骨料经检测：体积密度为2.55~2.7g/cm³；闭口气孔率为16~24%。

由于采用上述技术方案，本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

本具体实施方式引入的不同晶型和尺寸的氧化铝粉能够共同形成致密堆积，采用水作为原位成孔介质，通过冰冻技术，使得水结冰；利用抗冻蛋白抑制冰晶的长大，保证在未热处理的材料中预形成气孔尺寸分布集中的微多孔结构；进一步利用不同晶型和尺寸的氧化铝粉能够共同形成纳-微米双尺度烧结模型，在高温烧成过程中，由于不同粒度氧化铝原料烧结性能的差异性，原位形成内部应力驱动晶界快速扩散，将均匀分布的气孔缩小并封闭，形成轻量刚玉耐火骨料；同时，骨料外部铝镀层在热处理过程中熔融，能够堵塞材料裂纹和外表面的气孔，并快速氧化形成致密的微孔氧化铝包裹层，与熔渣反应时，该包裹层能够有效阻止熔渣侵蚀及渗透，从而达到形成高耐蚀的轻量刚玉耐火骨料的目的。

本具体实施方式所制备的轻量刚玉耐火骨料经检测：体积密度为2.5~2.8g/cm³，闭口气孔率为10~30%。

因此，本具体实施方式所制备的轻量刚玉耐火骨料具有体积密度小、闭口气孔率高、热导率低和抗熔渣侵蚀能力强的特点。

Claims (8)

1.一种轻量刚玉耐火骨料的制备方法，其特征在于所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、以40~60wt%的γ-Al₂O₃细粉、30~50wt%的α-Al₂O₃微粉、1~5wt%的Al(OH)₃微粉、1~5wt%的纳米氧化铝微粉、1~10wt%的糖类聚合物和0.1~5wt%的抗冻蛋白为原料，外加所述原料20~70wt%的水，用行星球磨机湿磨0.5~3小时，制得料浆；

步骤二、将所述料浆置于模具中，在-30~-90℃条件下冰冻6~24小时，脱模；然后在110~200℃条件下干燥12~36小时，在300~800℃条件下保温3~6小时，得到预制多孔刚玉骨料；

步骤三、对所述预制多孔刚玉骨料镀铝，镀层厚度为0.1~0.5mm，然后在500~900℃条件下保温3~6小时，在1600~1900℃条件下烧结1~5小时，即得轻量刚玉耐火骨料。

2.根据权利要求1所述的轻量刚玉耐火骨料的制备方法，其特征在于所述γ-Al₂O₃细粉的Al₂O₃含量>99wt%，粒径为0.045~0.088mm。

3.根据权利要求1所述的轻量刚玉耐火骨料的制备方法，其特征在于所述α-Al₂O₃微粉的Al₂O₃含量>99wt%，粒径D₅₀为1~5μm。

4.根据权利要求1所述的轻量刚玉耐火骨料的制备方法，其特征在于所述纳米氧化铝微粉的Al₂O₃含量>99wt%，平均粒径为20~50nm。

5.根据权利要求1所述的轻量刚玉耐火骨料的制备方法，其特征在于所述Al(OH)₃微粉的Al(OH)₃含量>98wt%，粒径D₅₀为1~5μm。

6.根据权利要求1所述的的轻量刚玉耐火骨料的制备方法，其特征在于所述糖类聚合物为糊精、淀粉、甲壳素中的一种以上。

7.根据权利要求1所述的轻量刚玉耐火骨料的制备方法，其特征在于所述行星球磨机的研磨球为刚玉质球。

8.一种轻量刚玉耐火骨料，其特征在于所述的轻量刚玉耐火骨料是根据权利要求书1~7项中任一项所述的轻量刚玉耐火骨料的制备方法所制备的轻量刚玉耐火骨料。