CN105130468A - 一种耐火保温材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐火保温材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐火保温材料及其制备方法。其原材料以闭孔珍珠岩漂珠为保温骨料,铝矾土、高岭土、叶蜡石为耐火骨料,钾长石为烧结剂,钠基膨润土为成形剂;制备方法为原材料搅拌、用模具成形制坯,料坯风干、低温干燥后脱模,料坯高温陶瓷化烧结成形。充分利用了各组分的物理化学特性,使其综合性能得到优化,制备的耐火保温材料具有耐火度高、强度高,体积密度小,导热系数低,保温效果好和环保无污染等优点,可应用于机械、冶金和化工等行业中的加热炉或热工设备的隔热保温,减缓热能散失速度,达到节约能源的目的。

Description

一种耐火保温材料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火保温材料领域,涉及中高温工业加热炉和热工设备隔热层的耐火保温材料,具体涉及一种耐火保温材料及其制备方法。
背景技术
耐火保温材料是工业加热炉和热工设备中不可缺少的隔热材料,它们的作用是减缓其中高温工作过程中的热能散失速度,以达到节约能源的目的,因此,耐火保温材料在冶金、机械制造、化工等领域中的加热炉和热工设备上有着广泛的应用。耐火保温材料的隔热保温原理主要是利用其材料本身导热系数低以及多孔或纤维状结构,阻止其内部热空气与外部冷空气的热对流。处于静止状态的热空气具有很低的热导率,能有效地减慢炉内热能向外传导的速度,起到隔热保温的作用,这一特性就决定了保温材料必须具有疏松多孔的特点。此外,用于工业加热炉和热工设备中的保温材料还要具有耐高温的性质。
目前,常用的耐火保温材料主要有岩棉、矿棉类材料,硅酸铝纤维类材料,轻质砖类材料等等。岩棉、矿棉保温材料导热系数低,密度小,保温性能好,但耐火度不高,一般只能用于600℃以下保温,不能用于600℃以上加热炉或热工设备保温。硅酸铝纤维材料耐火度高,密度低,导热系数小,能用于600℃以上温度工业炉窑内衬保温,但在使用过程中,硅酸铝纤维有逐渐结晶粉化,飘絮,分解失效等缺点,使用寿命不长。轻质耐火砖虽然耐火度高,也能用于600℃以上高温环境,隔热性好,但是强度偏低,尤其是热震性差,不能用于加热炉内衬保温材料。
近年来,研究人员对耐火保温材料做了一些研究,取得如下进展:
(1)“轻质隔热保温浇注料”(专利申请公开号:CN102503467A),采用玻化微珠(15~35%)、闭孔珍珠岩(10%~30%)和漂珠(1~15%)作为保温骨料,另加入莫来石空心球(1~15%),硅灰(1~12%),白泥(1~10%),陶瓷除尘粉(10~20%),高铝水泥(1~5%),固体水玻璃(1~15%),混合成浇注料,主要用于现场浇注,施工简单,不宜制作成形保温构件。从材料配比中可以看出,浇注后的保温材料层,密度小,强度及耐火度低,易破损。
(2)“赤泥、粉煤灰耐火保温砖”(专利申请公开号:CN101514110A),采用赤泥(10%~60%)、粉煤灰(10%~50%)、轻质骨料(15%~48%)、耐火粘土(4%~18%)、水(12%~25%)制作耐火保温砖,其中,轻质骨料主要是珍珠岩、轻质陶粒、蛭石等,制作而成的赤泥、粉煤灰耐火保温砖体。由于其轻质骨料配比范围过大,可采用品种众多,其物理化学性能差异极大,加之赤泥和粉煤灰随原材料产地或生产工艺不同,物理性能和化学成分也不稳定,其耐火度、保温性能和材料强度会随之变化巨大,各项性能极不稳定,无法明确确定其应用范围。
(3)一种耐火保温砖(专利申请公开号:CN101922203A),采用以下原料及重量份数比:粉煤灰:珍珠岩:耐火粘土:水玻璃:膨润土=55~75:15~25:10~20:5~15:3~10:60~70,此保温砖成本低,施工效率高,保温及耐火性能好等,是专门用于建筑物防火隔热,不能用于工业加热炉或热工设备。
(4)“一种高强耐火保温材料”(专利申请公开号:CN103951372A),其原料为膨胀蛭石80%~95%,粘土2%~15%,耐火水泥2%~5%,磷酸盐结合剂25%~30%。该保温材料保温效果好,但是粘土、耐火水泥和磷酸盐同时使用,它们之间会起负的交互作用,降低保温材料的强度,由于蛭石是薄片状结构,对材料基体割裂作用强烈,在反复加热过程中容易开裂。
发明内容
本发明提供一种耐火保温材料及其制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种耐火保温材料,其原料包括如下重量份的物质:
闭孔珍珠岩漂珠25~45;
铝矾土100~120;
高岭土25~54;
钠基膨润土5~7;
钾长石7~18;
叶蜡石6~20;
水32~44。
所述的闭孔珍珠岩漂珠的粒度为20~40目,主要化学成分Si02的含量≥72%,堆积密度为0.15~0.20g/cm3
铝矾土的粒度为260~325目,主要化学成分Al2O3的含量≥86%;
高岭土的粒度为200~300目,主要化学成分Al2O3的含量为43~45%、Si02的含量为53%~55%;
钠基膨润土的粒度为300~400目,其中蒙脱石的含量≥70%,胶质价≥95mL/5g,Na2O的含量为1.28~2.5%;
钾长石的粒度为400~600目,主要化学成分K2O的含量≥11%;
叶蜡石的粒度为300~400目,主要化学成分Al2O3的含量为16~23%、Si02的含量为60%~75%,烧失量≤5%。
本发明所涉及的耐火保温材料的制备方法的步骤如下:
(1)按比例称取钠基膨润土5~7重量份和水32~44重量份,放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为400~600r/min,搅拌20~30min,成膨润土浆料后放出,并静置24h后备用;
(2)按比例称取闭孔珍珠岩漂珠25~45重量份、铝矾土100~120重量份、高岭土25~54重量份、钾长石7~18重量份和叶蜡石6~20重量份放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为30~50r/min,干粉搅拌5~10min,再加入膨润土浆料搅拌15~20min,得匀料;
(3)将上步所得匀料取出,倒入模具内制作保温材料成形料坯,保温材料料坯的成形可以采用机器压制成形,也可以采用手工成形;
(4)将上步成形之后的保温材料料坯在室温下放置24h后,转移到烘干炉内在150~200℃环境下低温干燥4~6h,取出模具并脱模,将脱模下来的成形保温材料料坯放入1000~1200℃的加热炉中,加热2~4h烧结成陶瓷结构,即得到成形保温材料。
本发明制备的耐火保温材料,其物理性能指标为:抗压强度为1~4MPa,500℃下导热系数为0.20~0.35W/m·k,容重为0.8~1.2g/cm3,耐火度大于1500℃,使用温度为300~1200℃。
其材料配方中闭孔珍珠岩漂珠为保温骨料,铝矾土、高岭土、叶蜡石为耐火骨料,钾长石为烧结剂,钠基膨润土为成形剂。
闭孔珍珠岩漂珠是一种质地极轻的封闭状多孔蜂巢状硅酸盐微粒,它能使保温材料具有良好的保温性能。相对于粉煤灰杂质含量高导致性能不稳定的缺点,本发明选择了闭孔珍珠岩漂珠作为保温骨料。
铝矾土是一种耐火度、热稳定性极高的耐火材料,但在保温材料制作时需要1500℃以上的烧结温度,生产能耗高。高岭土和叶腊石也有较好的耐火度,但热稳定性不好,优点是固相烧结温度低,它们与铝矾土配合使用,既保证了保温材料的高耐火度,又大大降低了其成形烧结温度,降低了生产能耗;而且叶蜡石粒度在一定范围内,对铝矾土基材料的抗压强度有显著影响,随着叶蜡石粒度的减小其抗折抗压强度增大,混合作用还可以进一步增大耐火保温材料的强度;同时叶蜡石粉体表面具有一定的疏水性,一定程度上降低吸水率,延长了材料的使用寿命。综上原因,耐火骨料选择这样的组合。
本耐火保温材料中,还添加了钾长石,这主要解决了耐火保温材料烧制温度高的难题。一般耐火粘土保温材料烧制温度较高,对设备要求高,又浪费能源,而在耐火保温材料中添加少量玻璃质材料钾长石,能够改善这种状况,钾长石传统用在陶瓷和玻璃行业中,这里把它用到本发明中,并且对钾长石中K2O、Na2O含量也有严格要求,主要是控制钾长石的熔融起始温度、熔融温度范围以及熔融后的粘度,从而降低烧结温度,增大材料强度。除此以外,钾长石还可以提供部分液相烧结,能有效弥合热应力造成的保温材料微裂纹,改善其抗热震性。本发明中的钠基膨润土是一种良好的增塑成形剂,与一般耐火材料中的水玻璃或磷酸盐相比,它的热稳定好,有较好的可塑性,热湿拉强度和干压强度高,材料成形后有一定的机械强度,还能保证材料在烧制过程中的尺寸和体积稳定,并且烧结温度相对较低。
本发明所涉及的耐火保温材料的成形机理为:烧结过程分为三个阶段,初始阶段主要表现为颗粒形状改变,中间阶段主要表现为气孔形状改变,最终阶段主要表现为气孔尺寸减小。烧结的驱动力主要来源于由于颗粒表面曲率的变化而造成的体积压力差、空位浓度差和蒸汽压差。在初始阶段,颗粒形状改变,颗粒间距离的缩进主要靠晶界处物质的扩散和原子运动及物质的粘性流动等实现,颗粒之间形成颈部连接,气孔由原来的柱状贯通状态逐渐过渡为连续贯通状态,其作用能够将坯体的致密度提高1%~3%;在中间阶段,晶粒与邻近晶粒接触,晶粒整体的移动停止,通过晶格或晶界扩散,把晶粒间的物质迁移至颈表面,产生制品收缩,气孔由连续通道变为孤立状态,当气孔通道变窄,无法稳定而分解为封闭气孔时,该阶段结束;在最后阶段,样品从气孔孤立到致密化完成,气孔封闭主要处于晶粒交界处,晶粒生长过程中,气孔不断缩小,若气孔中含有不溶于固相的气体,在收缩时,内部气体压力升高,最终收缩停止,形成闭气孔,烧结完成。
本发明的有益技术效果为:本发明提供的制备方法充分利用了各组分的特性,采用合适的方法使其特性发挥到最优化,使制备的保温材料具有易成形、耐火度高、体积密度小、导热系数低、高温体积稳定性好、强度高、寿命长和对环保无污染等优点,可应用于机械、冶金和化工等行业中的加热炉和热工设备隔热保温,用来减缓热能的散失速度,起到节约能源的作用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步说明:
实施例1
(1)按比例称取钠基膨润土5重量份和水32重量份,放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为400r/min,搅拌20min,成膨润土浆料后放出,并静置24h后备用。
(2)按比例称取闭孔珍珠岩漂珠25重量份、铝矾土100重量份、高岭土25重量份、钾长石7重量份和叶蜡石6重量份放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为30r/min,干粉搅拌5min,再加入膨润土浆料搅拌15min,得匀料。
(3)将上步所得匀料取出,倒入模具内制作保温材料成形料坯,保温材料料坯的成形可以采用机器压制成形,也可以采用手工成形。
(4)将上步成形之后的保温材料坯料在自然条件下放置24h后,转移到烘干炉内在150℃环境下低温干燥4h,取出模具并脱模,将脱模下来的成形保温材料坯料放入1000℃的加热炉中,加热3h烧结成陶瓷结构,即得到成形保温材料。
上述步骤中:所述的闭孔珍珠岩漂珠的粒度为20~40目,主要化学成分Si02的含量≥72%,堆积密度为0.15~0.20g/cm3
铝矾土的粒度为260~325目,主要化学成分Al2O3的含量≥86%;
高岭土的粒度为200~300目,主要化学成分Al2O3的含量为43~45%、Si02的含量为53%~55%;
钠基膨润土的粒度为300~400目,其中蒙脱石的含量≥70%,胶质价≥95mL/5g,Na2O的含量为1.28~2.5%;
钾长石的粒度为400~600目,主要化学成分K2O的含量≥11%;
叶蜡石的粒度为300~400目,主要化学成分Al2O3的含量为16~23%、Si02的含量为60%~75%,烧失量≤5%。
实施案例2
(1)按比例称取钠基膨润土6重量份和水44重量份,放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为450r/min,搅拌25min,成膨润土浆料后放出,并静置24h后备用。
(2)按比例称取闭孔珍珠岩漂珠45重量份、铝矾土110重量份、高岭土45重量份、钾长石10重量份和叶蜡石15重量份放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为35r/min,干粉搅拌8min,再加入膨润土浆料搅拌18min,得匀料。
(3)将上步所得匀料取出,倒入模具内制作保温材料成形料坯,保温材料料坯的成形可以采用机器压制成形,也可以采用手工成形。
(4)将上步成形之后的保温材料料坯在自然条件下放置24h后,转移到烘干炉内在180℃环境下低温干燥4.5h,取出模具并脱模,将脱模下来的成形保温材料坯料放入1100℃的加热炉中,加热2.5h烧结成陶瓷结构,即得到成形保温材料。
上述步骤中:所述的闭孔珍珠岩漂珠的粒度为20~40目,主要化学成分Si02的含量≥72%,堆积密度为0.15~0.20g/cm3
铝矾土的粒度为260~325目,主要化学成分Al2O3的含量≥86%;
高岭土的粒度为200~300目,主要化学成分Al2O3的含量为43~45%、Si02的含量为53%~55%;
钠基膨润土的粒度为300~400目,其中蒙脱石的含量≥70%,胶质价≥95mL/5g,Na2O的含量为1.28~2.5%;
钾长石的粒度为400~600目,主要化学成分K2O的含量≥11%;
叶蜡石的粒度为300~400目,主要化学成分Al2O3的含量为16~23%、Si02的含量为60%~75%,烧失量≤5%。
实施案例3
(1)按比例称取钠基膨润土5.5重量份和水40重量份,放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为500r/min,搅拌30min,成膨润土浆料后放出,并静置24h后备用。
(2)按比例称取闭孔珍珠岩漂珠30重量份、铝矾土115重量份、高岭土35重量份、钾长石15重量份和叶蜡石10重量份放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为40r/min,干粉搅拌10min,再加入膨润土浆料搅拌20min,得匀料。
(3)将上步所得匀料取出,倒入模具内制作保温材料成形料坯,保温材料料坯的成形可以采用机器压制成形,也可以采用手工成形。
(4)将上步成形之后的保温材料料坯在自然条件下放置24h后,转移到烘干炉内在200℃环境下低温干燥5h,取出模具并脱模,将脱模下来的成形保温材料坯料放入1200℃的加热炉中,加热2h烧结成陶瓷结构,即得到成形耐火保温材料。
上述步骤中:所述的闭孔珍珠岩漂珠的粒度为20~40目,主要化学成分Si02的含量≥72%,堆积密度为0.15~0.20g/cm3
铝矾土的粒度为260~325目,主要化学成分Al2O3的含量≥86%;
高岭土的粒度为200~300目,主要化学成分Al2O3的含量为43~45%、Si02的含量为53%~55%;
钠基膨润土的粒度为300~400目,其中蒙脱石的含量≥70%,胶质价≥95mL/5g,Na2O的含量为1.28~2.5%;
钾长石的粒度为400~600目,主要化学成分K2O的含量≥11%;
叶蜡石的粒度为300~400目,主要化学成分Al2O3的含量为16~23%、Si02的含量为60%~75%,烧失量≤5%。
实施案例4
(1)按比例称取钠基膨润土7重量份和水38重量份,放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为600r/min,搅拌25min,成膨润土浆料后放出,并静置24h后备用。
(2)按比例称取闭孔珍珠岩漂珠40重量份、铝矾土120重量份、高岭土54重量份、钾长石18重量份和叶蜡石20重量份放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为50r/min,干粉搅拌7min,再加入膨润土浆料搅拌17min,得匀料。
(3)将上步所得匀料取出,倒入模具内制作保温材料成形料坯,保温材料料坯的成形可以采用机器压制成形,也可以采用手工成形。
(4)将上步成形之后的保温材料坯料在自然条件下放置24h后,转移到烘干炉内在170℃环境下低温干燥6h,取出模具并脱模,将脱模下来的成形保温材料料坯放入1150℃的加热炉中,加热4h烧结成陶瓷结构,即得到成形耐火保温材料。
上述步骤中:所述的闭孔珍珠岩漂珠的粒度为20~40目,主要化学成分Si02的含量≥72%,堆积密度为0.15~0.20g/cm3
铝矾土的粒度为260~325目,主要化学成分Al2O3的含量≥86%;
高岭土的粒度为200~300目,主要化学成分Al2O3的含量为43~45%、Si02的含量为53%~55%;
钠基膨润土的粒度为300~400目,其中蒙脱石的含量≥70%,胶质价≥95mL/5g,Na2O的含量为1.28~2.5%;
钾长石的粒度为400~600目,主要化学成分K2O的含量≥11%;
叶蜡石的粒度为300~400目,主要化学成分Al2O3的含量为16~23%、Si02的含量为60%~75%,烧失量≤5%。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,并不用于限定本发明,凡在本发明权利要求书要求保护的范围内所做出的任何修改、等同变形、改进等实施方式。

Claims (5)

1.一种耐火保温材料,其特征在于:包括如下重量份的原料:
闭孔珍珠岩漂珠25~45;
铝矾土100~120;
高岭土25~54;
钠基膨润土5~7;
钾长石7~18;
叶蜡石6~20;
水32~44。
2.如权利要求1所述的耐火保温材料,其特征在于:(1)所述的闭孔珍珠岩漂珠的粒度为20~40目,主要化学成分Si02的含量≥72%,堆积密度为0.15~0.20g/cm3;(2)铝矾土的粒度为260~325目,主要化学成分Al2O3的含量≥86%;(3)高岭土的粒度为200~300目,主要化学成分Al2O3的含量为43~45%、Si02的含量为53%~55%;(4)钠基膨润土的粒度为300~400目,其中蒙脱石的含量≥70%,胶质价≥95mL/5g,Na2O的含量为1.28~2.5%;(5)钾长石的粒度为400~600目,主要化学成分K2O的含量≥11%;(6)叶蜡石的粒度为300~400目,主要化学成分Al2O3的含量为16~23%、Si02的含量为60%~75%,烧失量≤5%。
3.一种制备如权利要求1所述的耐火保温材料的方法,其特征在于:步骤如下:
(1)按比例称取钠基膨润土5~7重量份和水32~44重量份,放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为400~600r/min,搅拌20~30min,成膨润土浆料后放出,并静置24h后备用;
(2)按比例称取闭孔珍珠岩漂珠25~45重量份、铝矾土100~120重量份、高岭土25~54重量份、钾长石7~18重量份和叶蜡石6~20重量份放入搅拌机中,设置搅拌机的转速为30~50r/min,干粉搅拌5~10min,再加入膨润土浆料搅拌15~20min,得匀料;
(3)将上步所得匀料取出,倒入模具内制作保温材料成形料坯,保温材料料坯的成形可以采用机器压制成形,也可以采用手工成形;
(4)将上步成形之后的保温材料料坯在室温下放置24h后,转移到烘干炉内在150~200℃环境下低温干燥4~6h,取出模具并脱模,将脱模下来的成形保温材料料坯放入1000~1200℃的加热炉中,加热2~4h烧结成陶瓷结构,即得到成形保温材料。
4.如权利要求3所述的制备耐火保温材料的方法,其特征在于:
(1)所述的闭孔珍珠岩漂珠的粒度为20~40目,主要化学成分Si02的含量≥72%,堆积密度为0.15~0.20g/cm3;(2)铝矾土的粒度为260~325目,主要化学成分Al2O3的含量≥86%;(3)高岭土的粒度为200~300目,主要化学成分Al2O3的含量为43~45%、Si02的含量为53%~55%;(4)钠基膨润土的粒度为300~400目,其中蒙脱石的含量≥70%,胶质价≥95mL/5g,Na2O的含量为1.28~2.5%;(5)钾长石的粒度为400~600目,主要化学成分K2O的含量≥11%;(6)叶蜡石的粒度为300~400目,主要化学成分Al2O3的含量为16~23%、Si02的含量为60%~75%,烧失量≤5%。
5.一种如权利要求1-4任一所述的耐火保温材料,其特征在于:所述耐火保温材料的物理性能指标为:抗压强度为1~4MPa,500℃下导热系数为0.20~0.35W/m·k,容重为0.8~1.2g/cm3,耐火度大于1500℃,使用温度为300~1200℃。
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