CN105130458A - 一种轻质硅砖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻质硅砖及其制备方法，以硅石为主原料，主原料硅石按粒径分为硅石颗粒、硅石末、硅石粗粉与硅石细粉，所述石墨烯碳化硅砖组成为：硅石颗粒、硅石末、硅石粗粉、硅石细粉、石墨烯、复合矿化剂、结合剂与碳素。本发明的硅砖抗热震性能优良，抗熔渣、碱金属侵蚀性能强，耐冲刷、隔热保温性能优异、高温体积稳定性好的轻质硅砖；石墨烯使得硅砖内部接触更加紧密，从而减小烧成时因膨胀产生的应力，防止制品疏松或开裂；石墨烯的高强度保证了硅砖的优良的力学性能，同时可以提升硅砖的抗酸碱腐蚀性能。

Description

一种轻质硅砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐火材料技术领域，尤其涉及一种抗热震性能优良，抗熔渣、碱金属侵蚀性能强，耐冲刷、隔热保温性能优异、高温体积稳定性好的轻质硅砖及其制备方法。

背景技术

随着能源的日益紧张，各国对高温工业用节能材料的研制、生产和使用日益重视。硅砖由于具有荷重软化温度点高、高温体积稳定性好、长期使用不收缩等特性，在轻质耐火材料体系中被大量应用和研究。

由于硅石在加热过程中的快速晶型转变产生较大体积膨胀，使硅砖的烧成比其他耐火材料困难。制造硅砖的核心技术是矿化剂的选择与应用，其目的是是为了控制硅砖在烧成过程中，由于硅石的晶型转变在砖内产生较大应力引起的体积膨胀，避免硅砖在烧成时开裂。硅砖烧成时要求将石英尽可能的转变为稳定的高温矿物相鳞石英和方石英，为了促进这种转化，通常在制作硅砖过程中加入矿化剂。矿化剂是可与二氧化硅反应生成液相的氧化物，其作用是在加速石英转化的同时不显著降低制品的耐火度，并能抑制砖坯烧成时因膨胀产生的应力，防止制品疏松或开裂。

目前制作硅砖实际使用的矿化剂大多是氧化铁和氧化钙，它们不仅具有上述特点，且能保证硅砖具有很好的高温力学性能。但是，生产中使用的氧化铁和氧化钙分别以细粉形式和石灰乳形式加入，前者粒度不够细，在硅砖中分散不够均匀；后者实际上加入的是氢氧化钙，其石灰乳溶液容易絮凝，不易分散，因此作为矿化剂效果较差。

2004年英国曼彻斯顿大学的Geim和Novoselov通过胶带剥离高定向石墨获得了独立存在的二维石墨烯（Gra-phene，GN）晶体以来，石墨烯已经成为材料科学领域极受关注的研究热点之一。石墨烯，实际上就是单原子层的石墨，它拥有独特的二维结构和优异的力学、热力学、光学和电学性能。

石墨烯是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，至吸收2.3%的光，导热系数高达5300W/m·k，高于碳纳米管和金刚石。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，具有强度高，比表面积大，高化学反应活性，高填充性的特点。

中国专利公布号CN102557684A，公布日2012年7月11日，名称为焦炉用硅砖，所述硅砖包括原料和辅料，以重量配比表示，原料配方中硅石粗粉200-500份，硅石中粉330-380份，硅石细粉80-130份，作为熟料粉的残硅砖80-120份，辅料包括占原料总重量1.2%的矿化剂、8%的石灰乳和1%的纸浆，矿化剂由二氧化锰含量≥25%的锰粉；氧化亚铁含量≥65%的铁磷粉按1:1的比例混合而成；将硅石粗粉、硅石中粉、硅石细粉和作为熟料粉的残硅砖加入湿碾内，再加入矿化剂干混4-5分钟，然后加入石灰乳，碾压10-15分钟后，再加入纸浆，混炼至泥料均匀，碾压，成型制坯。其不足之处在于，氧化铁粒度不够细，在硅砖中分散不够均匀；氧化钙实际上加入的是氢氧化钙，其石灰乳溶液容易絮凝，不易分散，因此作为矿化剂效果较差。

发明内容

本发明的目的在于为了解决现有硅砖制作时氧化铁粒度不够细，在硅砖中分散不够均匀；氧化钙实际上加入的是氢氧化钙，其石灰乳溶液容易絮凝，不易分散的缺陷而提供一种抗热震性能优良，抗氧化、抗熔渣、碱金属侵蚀性能强，耐冲刷、隔热保温性能优异、高温体积稳定性好的轻质硅砖。

本发明另一个目的是为了提供该硅砖的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种轻质硅砖，以硅石为主原料，主原料硅石按粒径分为硅石颗粒、硅石末、硅石粗粉与硅石细粉，所述轻质硅砖按以下重量百分比组成为：硅石颗粒15-30%、硅石末20-40%、硅石粗粉10-20%、硅石细粉14-18%、石墨烯5-15%、复合矿化剂1.5-2.5%、结合剂2-5%与碳素1.5-3%。在本技术方案中，石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，具有强度高﹑比表面积大﹑高化学反应活性﹑高填充性的特点；在硅砖中加入石墨烯使得硅砖内部接触更加紧密，从而减小烧成时因膨胀产生的应力，防止制品疏松或开裂；石墨烯的高强度保证了硅砖的优良的力学性能，同时可以提升硅砖的抗酸碱腐蚀性能与抗氧化性能。

作为优选，硅石颗粒的粒径为3.5-5mm，硅石末的粒径为1-3mm，硅石粗粉的粒径为220-400μm，硅石细粉的粒径为0.5-2μm。

作为优选，复合矿化剂的原料组成中各组分的重量份为：35份花岗石、25份萤石、30份钾长石、15份硅藻泥、3份氮化硼、4份玻璃微珠与7份纳米氧化锌。在本技术方案中，玻璃微珠粒度合适，流动性好，分散度高，在复合矿化剂中加入玻璃微珠，可以在硅砖内部高度均匀分散，促进烧结，并使得硅砖具有更均匀的组织结构，提高制品的强度和抗热震性能，纳米氧化锌的粒度细小，可以填充微细气孔，降低制品的气孔率，提高体积密度。

作为优选，所述复合矿化剂是通过以下步骤制备的：1）将花岗石、萤石、钾长石分别粉碎过100-300目筛并去除杂质；2）将步骤1）的花岗石、萤石、钾长石分别在20小时内煅烧至1150℃冷却至25℃；3）按配方称取步骤2）处理后的花岗石、萤石、钾长石，加入硅藻泥与氮化硼，采用湿法球磨磨细工艺磨成浆料，然后过400-500目筛；4）将步骤3）的浆料进行干燥，干燥温度220-280℃，干燥至水分含量≤3-5%后喷洒玻璃微珠与纳米氧化锌，喷洒的同时并超声振动，超声功率为100-120kw。

作为优选，所述结合剂为糠醛树脂、纳米碳酸钙与聚丙烯酰胺的混合物，糠醛树脂、纳米碳酸钙与聚丙烯酰胺的质量比为5:2:1。结合剂的制备方法为：将糠醛树脂加热至150℃，将聚丙烯酰胺在5-10min内缓慢加入糠醛树脂表面，超声搅拌（超声功率30kw，搅拌速度15rpm）2小时后分四次加入纳米碳酸钙，每次加入量为纳米碳酸钙总量的1/4，每加入一次提高超声功率500w与搅拌速度8rpm，待完全加入纳米碳酸钙后继续超声搅拌6小时，冷却后得到本发明所用的结合剂。

一种轻质硅砖的制备方法，所述制备方法为：各原料按以上配比称量，经混合、成型、用模压振动成型机制成砖坯，砖坯在550-650℃下烘烤20-25小时，然后将烘烤后的砖坯放入浸渍罐内抽真空处理，真空压力为0.05-0.08mpa，保压40-50分钟，然后加入浸渍剂，继续保压3-5小时，浸渍后的砖坯在1200-1285℃焙烧，保温时间75-85小时。

作为优选，浸渍剂为熔融态的石油焦，浸渍剂的加入量为液面超出砖坯上表面800-900mm。

本发明的有益效果为：

1）本发明的硅砖抗热震性能优良，抗氧化、抗熔渣、碱金属侵蚀性能强，耐冲刷、隔热保温性能优异、高温体积稳定性好的轻质硅砖；

2）在复合矿化剂中加入玻璃微珠，可以在硅砖内部高度均匀分散，促进烧结，并使得硅砖具有更均匀的组织结构，提高制品的强度和抗热震性能；

3）纳米氧化锌的粒度细小，可以填充微细气孔，降低制品的气孔率，提高体积密度；

4）石墨烯使得硅砖内部接触更加紧密，从而减小烧成时因膨胀产生的应力，防止制品疏松或开裂；

5）石墨烯的高强度保证了硅砖的优良的力学性能，同时可以提升硅砖的抗酸碱腐蚀性能；

6）本发明制备方法简单，原料丰富，适合工厂化生产。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步的解释，并非对其保护范围的限制。

本发明采用的硅石颗粒、硅石末、硅石粗粉、硅石细粉中的二氧化硅含量≥97wt%，硅石颗粒的粒径为3.5-5mm，硅石末的粒径为1-3mm，硅石粗粉的粒径为220-400μm，硅石细粉的粒径为0.5-2μm。

结合剂为糠醛树脂、纳米碳酸钙与聚丙烯酰胺的混合物，糠醛树脂、纳米碳酸钙与聚丙烯酰胺的质量比为5:2:1；

结合剂的制备方法为：将糠醛树脂加热至150℃，将聚丙烯酰胺在5-10min内缓慢加入糠醛树脂表面，超声搅拌（超声功率30kw，搅拌速度15rpm）2小时后分四次加入纳米碳酸钙，每次加入量为纳米碳酸钙总量的1/4，每加入一次提高超声功率500w与搅拌速度8rpm，待完全加入纳米碳酸钙后继续超声搅拌6小时，冷却后得到本发明所用的结合剂。

本发明中，若非特指，所采用的原料均可从市场购得或是本领域常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1

一种轻质硅砖，以硅石为主原料，主原料硅石按粒径分为硅石颗粒、硅石末、硅石粗粉与硅石细粉，所述轻质硅砖按以下重量百分比组成为：硅石颗粒15%、硅石末40%、硅石粗粉15%、硅石细粉14%、石墨烯6%、复合矿化剂2.5%、结合剂5%与碳素2.5%。

复合矿化剂的原料组成中各组分的重量份为：复合矿化剂的原料组成中各组分的重量份为：35份花岗石、25份萤石、30份钾长石、15份硅藻泥、3份氮化硼、4份玻璃微珠与7份纳米氧化锌。复合矿化剂是通过以下步骤制备的：1）将花岗石、萤石、钾长石分别粉碎过100-300目筛并去除杂质；2）将步骤1）的花岗石、萤石、钾长石分别在20小时内煅烧至1150℃冷却至25℃；3）按配方称取步骤2）处理后的花岗石、萤石、钾长石，加入硅藻泥与氮化硼，采用湿法球磨磨细工艺磨成浆料，然后过400-500目筛；4）将步骤3）的浆料进行干燥，干燥温度220℃，干燥至水分含量≤3-5%后喷洒玻璃微珠与纳米氧化锌，喷洒的同时并超声振动，超声功率为100kw。

轻质硅砖的制备方法，所述制备方法为：各原料按以上配比称量，经混合、成型、用模压振动成型机制成砖坯，砖坯在550℃下烘烤20小时，然后将烘烤后的砖坯放入浸渍罐内抽真空处理，真空压力为0.05mpa，保压40分钟，然后加入浸渍剂，继续保压3小时，浸渍后的砖坯在1200℃焙烧，保温时间75小时。浸渍剂为熔融态的石油焦，浸渍剂的加入量为液面超出砖坯上表面800mm。

实施例2

一种轻质硅砖，以硅石为主原料，主原料硅石按粒径分为硅石颗粒、硅石末、硅石粗粉与硅石细粉，所述轻质硅砖按以下重量百分比组成为：硅石颗粒20%、硅石末30%、硅石粗粉20%、硅石细粉15%、石墨烯9%、复合矿化剂1.5%、结合剂3%与碳素1.5%。

复合矿化剂的原料组成中各组分的重量份为：复合矿化剂的原料组成中各组分的重量份为：35份花岗石、25份萤石、30份钾长石、15份硅藻泥、3份氮化硼、4份玻璃微珠与7份纳米氧化锌。复合矿化剂是通过以下步骤制备的：1）将花岗石、萤石、钾长石分别粉碎过100-300目筛并去除杂质；2）将步骤1）的花岗石、萤石、钾长石分别在20小时内煅烧至1150℃冷却至25℃；3）按配方称取步骤2）处理后的花岗石、萤石、钾长石，加入硅藻泥与氮化硼，采用湿法球磨磨细工艺磨成浆料，然后过400-500目筛；4）将步骤3）的浆料进行干燥，干燥温度250℃，干燥至水分含量≤3-5%后喷洒玻璃微珠与纳米氧化锌，喷洒的同时并超声振动，超声功率为110kw。

轻质硅砖的制备方法，所述制备方法为：各原料按以上配比称量，经混合、成型、用模压振动成型机制成砖坯，砖坯在600℃下烘烤23小时，然后将烘烤后的砖坯放入浸渍罐内抽真空处理，真空压力为0.06mpa，保压45分钟，然后加入浸渍剂，继续保压4小时，浸渍后的砖坯在1250℃焙烧，保温时间80小时。浸渍剂为熔融态的石油焦，浸渍剂的加入量为液面超出砖坯上表面850mm。

实施例3

一种轻质硅砖，以硅石为主原料，主原料硅石按粒径分为硅石颗粒、硅石末、硅石粗粉与硅石细粉，所述轻质硅砖按以下重量百分比组成为：硅石颗粒30%、硅石末20%、硅石粗粉10%、硅石细粉18%、石墨烯15%、复合矿化剂2%、结合剂2%与碳素3%。

复合矿化剂的原料组成中各组分的重量份为：40份花岗石、20份萤石、25份钾长石、20份硅藻泥、2份氮化硼、3份玻璃微珠与5份纳米氧化锌。复合矿化剂是通过以下步骤制备的：1）将花岗石、萤石、钾长石分别粉碎过100-300目筛并去除杂质；2）将步骤1）的花岗石、萤石、钾长石分别在20小时内煅烧至1150℃冷却至25℃；3）按配方称取步骤2）处理后的花岗石、萤石、钾长石，加入硅藻泥与氮化硼，采用湿法球磨磨细工艺磨成浆料，然后过400-500目筛；4）将步骤3）的浆料进行干燥，干燥温度280℃，干燥至水分含量≤3-5%后喷洒玻璃微珠与纳米氧化锌，喷洒的同时并超声振动，超声功率为120kw。

轻质硅砖的制备方法，所述制备方法为：各原料按以上配比称量，经混合、成型、用模压振动成型机制成砖坯，砖坯在650℃下烘烤25小时，然后将烘烤后的砖坯放入浸渍罐内抽真空处理，真空压力为0.08mpa，保压50分钟，然后加入浸渍剂，继续保压5小时，浸渍后的砖坯在1285℃焙烧，保温时间85小时。浸渍剂为熔融态的石油焦，浸渍剂的加入量为液面超出砖坯上表面900mm。

对比例1，市售硅砖。

实施例1-3制备的硅砖与对比例1的硅砖的性能见表1。

表1、性能

	气孔率，%	体积密度，g/ Cm3	耐压强度，Mpa	残存石英，%	产品合格率%
						实施例1	14.3	2.12	66.5	0.3	96
实施例2	14.7	2.08	68.1	0.7	95
						实施例3	15.6	1.99	63.7	0.5	94
对比例1	22.3	1.9	45.6	2.1	80

从表1可以看出，本发明制备的硅砖抗热震性能优良，抗熔渣、碱金属侵蚀性能强，耐冲刷、隔热保温性能优异、高温体积稳定性好。

Claims (7)

1.一种轻质硅砖，以硅石为主原料，其特征在于，主原料硅石按粒径分为硅石颗粒、硅石末、硅石粗粉与硅石细粉，所述轻质硅砖按以下重量百分比组成为：硅石颗粒15-30%、硅石末20-40%、硅石粗粉10-20%、硅石细粉14-18%、石墨烯5-15%、复合矿化剂1.5-2.5%、结合剂2-5%与碳素1.5-3%。

2.根据权利要求1所述的一种轻质硅砖，其特征在于，硅石颗粒的粒径为3.5-5mm，硅石末的粒径为1-3mm，硅石粗粉的粒径为220-400μm，硅石细粉的粒径为0.5-2μm。

3.根据权利要求1所述的一种轻质硅砖，其特征在于，复合矿化剂的原料组成中各组分的重量份为：35份花岗石、25份萤石、30份钾长石、15份硅藻泥、3份氮化硼、4份玻璃微珠与7份纳米氧化锌。

4.根据权利要求1或3所述的一种轻质硅砖，其特征在于，所述复合矿化剂是通过以下步骤制备的：1）将花岗石、萤石、钾长石分别粉碎过100-300目筛并去除杂质；2）将步骤1）的花岗石、萤石、钾长石分别在20小时内煅烧至1150℃冷却至25℃；3）按配方称取步骤2）处理后的花岗石、萤石、钾长石，加入硅藻泥与氮化硼，采用湿法球磨磨细工艺磨成浆料，然后过400-500目筛；4）将步骤3）的浆料进行干燥，干燥温度220-280℃，干燥至水分含量≤3-5%后喷洒玻璃微珠与纳米氧化锌，喷洒的同时并超声振动，超声功率为100-120kw。

5.根据权利要求1所述的一种轻质硅砖，其特征在于，所述结合剂为糠醛树脂、纳米碳酸钙与聚丙烯酰胺的混合物，糠醛树脂、纳米碳酸钙与聚丙烯酰胺的质量比为5:2:1。

6.一种如权利要求1所述的轻质硅砖的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：各原料按以上配比称量，经混合、成型、用模压振动成型机制成砖坯，砖坯在550-650℃下烘烤20-25小时，然后将烘烤后的砖坯放入浸渍罐内抽真空处理，真空压力为0.05-0.08mpa，保压40-50分钟，然后加入浸渍剂，继续保压3-5小时，浸渍后的砖坯在1200-1285℃焙烧，保温时间75-85小时。

7.根据权利要求6所述的一种轻质硅砖的制备方法，其特征在于，浸渍剂为熔融态的石油焦，浸渍剂的加入量为液面超出砖坯上表面800-900mm。