CN105837243B - 一种轻量耐火材料的制备方法 - Google Patents

一种轻量耐火材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻量耐火材料的制备方法，制备的轻量耐火材料在保持低导热率的情况下，提高了其高温使用性能。制法是选取镁砂和碳作为反应原料，压制好的试样至于气氛烧结炉中，对可控气氛炉抽真空，然后充入Ar作为保护，将炉体加热一定温度并通入O2，镁砂和碳发生碳热还原反应，生成Mg蒸汽，Mg蒸汽扩散与通入的O2反应，通过生成氧化镁或尖晶石等高温耐火相使试样基质部分产生结合。形成基质部分的密度梯度和结合强度梯度。使制备的轻量耐火材料外部致密，内部多孔，能很好地兼顾低导热和抗侵渗性能。该方法具有烧成温度较低、试样气孔率、体积密度可调，耐压强度和荷重软化温度高的特点。

Description

一种轻量耐火材料的制备方法
技术领域
本发明涉及耐火材料生产技术领域，具体涉及一种轻量耐火材料的制备方法。
背景技术
高温窑炉工作衬用耐火材料一般由致密骨料和基质组成(熔铸耐火材料除外)，骨料相对致密，而基质较为疏松；通常侵蚀和损毁首先从基质开始，无论骨料是否损毁都会因变质层热物理性能变化产生剥落等而损毁，故重质骨料适当轻量化应该不会大幅度降低耐火材料的强度和抗介质侵蚀性能。为此在耐火材料界提出轻量耐火材料的概念，以区别于轻质耐火材料和重质耐火材料，通过引入具有较高气孔率(尤其是闭气孔率)骨料代替致密骨料，制备致密度高于轻质而低于重质耐火材料的一类耐火材料用于热工窑炉工作衬，意在不太影响耐火材料高温使用性能的前提下，达到保温隔热，节能降耗的目的，这一类耐火材料叫做轻量耐火材料。目前，关于轻量耐火材料的制备方法主要分为两大类，现综合评述如下：
(1)烧成轻量耐火材料的制备。一般采用粉末冶金的制备方法，也就是通过在配料中引入轻量骨料，按着一定的颗粒级配与细粉混合，经成型、干燥、烧成、冷却得到产品。
(2)不烧轻量耐火材料，一般是在配料中引入轻量骨料，通过混合、浇注(或捣打、或压制)成型，经养护(或烘烤)得到产品。
上述两类方法由于多孔骨料的引入使得作为工作衬的轻量耐火材料体积密度降低，导热率降低，热工设备的表面温度降低，热散失降低，达到了节能降耗的目的。但已有研究表明这类轻量耐火材料作为工作衬与重质耐火材料相比抗渗透性能降低，影响其使用。
总之，通过引入轻量骨料可以达到降低耐火材料体积密度和导热率，但同时导致抗工作介质浸渗能力降低，影响使用性能。也就是现有技术还未能很好地兼顾低导热和抗浸渗性能。
发明内容
针对上述背景技术所存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种轻量耐火材料的制备新方法。通过氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结法制备具有梯度密度轻量耐火材料，以解决高抗侵蚀性能和低导热率之间的矛盾。使制备的轻量耐火材料在保持轻量耐火材料低导热率的情况下，提高其抗侵蚀性能和高温使用性能。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种轻量耐火材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，选取镁砂和碳作为反应原料，将原料破碎到0.088～1mm，按照MgO和C摩尔比1:1混合均匀，作为耐火材料配料中细粉部分的一部分；
步骤二，将耐火材料原料按着一定的颗粒级配进行配料，骨料部分是轻量骨料或者是致密骨料，骨料部分与细粉部分的比例为50～80:20～50之间，其中细粉部分包含步骤一混合好的MgO和C粉体，所述的MgO和C粉体占细粉部分的20％～70％；细粉部分需要共混30分钟至90分钟；
步骤三，按着先加入骨料部分混合2～5分钟，再加入酚醛树脂稀释液混合3～5分钟，再加入细粉部分，混合5～20分钟，在混合机中混合时间总计在20～30分钟；混合后的物料置于密闭容器或塑料袋中困料 2小时至6小时；
步骤四，经困料 后的物料采用半干法成型，压制成一定形状；
步骤五，将成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温6小时到24小时；
步骤六，干燥后成型试样烧成在可控气氛炉中进行，首先对可控气氛炉抽真空，然后充入Ar作为保护气体，将炉体加热至1450℃～1650℃，到达该温度范围内即可进行保温，并通入O2，控制通入O2流速，保证碳热还原反应生成的Mg蒸汽反应完全，成型试样通过反应烧结，获得具有较低体积密度和较高强度的轻量耐火材料。
采用本发明制备的轻量耐火材料，其优点主要表现在以下几个方面：
(1)由于采用氧化镁碳热还原输运氧化实现试样的造孔和反应烧结，为此可以通过调整氧化镁和碳质材料的加入量、加入粒度和比例，方便地调节制品的体积密度、气孔率和气孔分布，从而控制保温隔热性能。
(2)由于采用氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结，使得试样基质部分有很好的结合，使得轻量耐火材料强度较高，甚至高于同材质其他制备方法的重质耐火材料。
(3)由于将氧化镁碳热还原输运氧化法制备氧化镁与化学气相浸渗基本理论进行嫁接，在镁蒸汽与氧气在多孔基质中发生反应时，存在物质传输和化学反应动力学之间的矛盾，使得试样外部反应产物较多，而内部产物较少，从而形成基质部分的密度梯度和结合强度梯度。能够在保持轻量耐火材料低导热率的情况下，使材料具有较高强度和高温使用性能。
(4)由于镁蒸汽氧化是一个强放热反应，通过反应烧结可以使制品烧成温度降低。
具体实施方式
本发明的方法，可用于制备刚玉-尖晶石轻量耐火材料、尖晶石轻量耐火材料、镁钙质轻量耐火材料和氧化镁质轻量耐火材料。
本发明提出如下两条解决措施：(1)在引入轻量骨料的同时，通过强化耐火材料基质部分提高耐火材料的高温使用性能；(2)通过制备具有梯度密度耐火材料工作衬解决高抗侵蚀性能和低导热率之间的矛盾。为此将氧化镁碳热还原输运氧化法制备氧化镁技术与化学气相浸渗基本理论进行嫁接，能够在保持轻量耐火材料低导热率的情况下，提高其抗侵蚀性能和高温使用性能。
氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结法制备轻量耐火材料的基本原理是：在耐火材料配料时，在细粉部分引入氧化镁细粉和石墨细粉(炭黑、焦炭等碳质材料细粉均可)，高温下试样中氧化镁与石墨发生碳热还原反应生成镁蒸汽Mg(g)和一氧化碳CO(g)，在试样内部形成气孔，镁蒸汽向外扩散与试样外向内扩散的氧气发生放热反应生成氧化镁(氧化镁也可以与其他成分反应生成高温相)。在镁蒸汽与氧气在多孔基质中发生反应时，存在物质传输和化学反应动力学之间的矛盾，使得试样外部反应产物较多，而内部产物较少，从而形成基质部分的密度梯度和结合强度梯度。该方法可用于制备刚玉-尖晶石轻量耐火材料、尖晶石轻量耐火材料、氧化镁-氧化钙质轻量耐火材料以及氧化镁质轻量耐火材料。
本实施例给出一种轻量耐火材料的制备方法，包括下列步骤：
步骤一，选取镁砂和碳作为反应原料，将原料磨细到0.088mm以下，按照MgO和C摩尔比1:1混合均匀，作为耐火材料配料中细粉部分的一部分。
步骤二，将耐火材料原料按着一定的颗粒级配进行配料。骨料部分可以是轻量骨料，也可以是致密骨料。一般骨料与细粉部分的比例在50～80:20～50 之间，其中细粉部分包含步骤一混合好的MgO和C粉体，根据制品要求，所述MgO和C粉体占细粉部分的20％～70％。为了提高产品质量均匀性，细粉部分需要共混30分钟至90分钟，以便各组分混合均匀。
步骤三，按着先加入骨料部分混合2～5分钟，再加入酚醛树脂稀释液混合3～5分钟，再加入细粉部分，混合5～20分钟，在混合机中混合时间总计在20～30分钟。混合后置于密闭容器或塑料袋中困料 2小时至6小时，使结合剂分布更加均匀，易于成型。
步骤四，将混合好的物料采用半干法成型，压制成一定形状，根据型坯的尺寸，采用不同吨位的压机。
步骤五，将成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温6到24小时。
步骤六，试样烧成在可控气氛炉中进行，首先对可控气氛炉抽真空，然后充入Ar作为保护气体，将炉体加热至1450℃～1650℃，到达该温度范围内即进行保温，并通入O2，控制通入O2流速，保证碳热还原反应生成的 Mg蒸汽反应完全，试样通过反应烧结，获得具有较低体积密度和较高强度的轻量耐火材料。
所述的镁砂为烧结镁砂或电熔镁砂；所述的碳为炭黑，石墨，焦炭，煤粉，废石墨电极或者冶金过程中不可利用的细焦炭颗粒。
本发明制备的轻量耐火材料具有体积密度较低，耐压强度较高的特点，可望在保证保温隔热性能的同时，具有较好的抗介质侵蚀性能。
以下是发明人给出的本发明的最优实施例，本发明不限于这些实施例，经申请人的实验证明，在本发明给出的范围内，均能够制备出轻量耐火材料。
实施例1：
将180目镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1:1混合均匀。分别以1～3mm的板状刚玉和0.1～1mm的板状颗粒为粗颗粒和中颗粒。以镁砂细粉、石墨细粉和氧化铝微粉为基质部分配料，粗颗粒:中颗粒:细粉比例为 40:20:40。其中细粉部分氧化铝微粉和氧化镁与石墨混合粉的比例为2:1。以酚醛树脂乙二醇溶液作为结合剂，加入量为配料总重量的8％，配料经充分混合后，置于密闭容器或塑料袋中困料 2小时，经困料 后的物料采用半干法在液压机上成型，成型压力150MPa，成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温 6小时；干燥后成型试样在可控气氛炉中烧成，将成型试样放入可控气氛炉内，抽真空后充Ar保护，加热至1450℃时开始保温，并通入O2，O2流速为250L/h，保温4小时，得到刚玉-尖晶石轻量耐火材料。性能见表1。
表1：刚玉-尖晶石轻量耐火材料的性能
实施例2：
将180目镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1：1混合均匀。分别以1～3mm和0.1～1mm的轻量尖晶石颗粒为粗颗粒和中颗粒。以镁砂细粉、石墨细粉和氧化铝微粉为基质部分配料，粗颗粒:中颗粒:细粉比例为 40:20:40。其中细粉部分氧化铝微粉和氧化镁与石墨混合粉的比例为2:1。以酚醛树脂乙二醇溶液作为结合剂，加入量为配料总重量的8％，配料经充分混合后，置于密闭容器或塑料袋中困料 4小时；在液压机上成型，成型压力 150MPa，成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温12小时；干燥后成型试样在可控气氛炉中烧成，将成型试样放入可控气氛炉内，抽真空后充Ar保护，加热至1500℃时开始保温，并通入O2，O2流速为250L/h，保温4小时，得到尖晶石轻量耐火材料。性能见表2。
表2：尖晶石轻量耐火材料的性能
实施例3：
将180目镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1：1混合均匀。分别以1～3mm和0.1～1mm的CaO含量56％的镁钙砂颗粒为粗颗粒和中颗粒。以镁砂细粉、石墨细粉和镁钙砂细粉为基质部分配料，粗颗粒:中颗粒:细粉比例为40:20:40。其中细粉部分镁钙砂细粉和氧化镁与石墨混合粉的比例为2:1。以石蜡作为结合剂，加入量为配料总重量的8％，配料经充分混合后，置于密闭容器或塑料袋中困料 6小时；经困料 后的物料采用半干法在液压机上成型，成型压力150MPa，成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温12小时；干燥后成型试样在可控气氛炉中烧成，将成型试样放入可控气氛炉内，抽真空后充Ar保护，加热至1600℃时开始保温，并通入O2，O2流速为250L/h，保温4小时，得到镁钙质轻量耐火材料。性能见表3。
表3：氧化镁-氧化钙质轻量耐火材料的性能

Claims (5)

1.一种轻量耐火材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，选取镁砂和碳作为反应原料，将原料破碎到0.088～1mm，按照MgO和C摩尔比1:1混合均匀，作为耐火材料配料中细粉部分的一部分；
步骤二，将耐火材料原料按着一定的颗粒级配进行配料，骨料部分是轻量骨料或者是致密骨料，骨料部分与细粉部分的比例为50～80:20～50之间，所述的MgO和C粉体占细粉部分的20％～70％；细粉部分需要共混30分钟至90分钟；
其中，骨料部分包括粗颗粒和中颗粒，分别以1～3mm的板状刚玉和0.1～1mm的板状颗粒为粗颗粒和中颗粒、或分别以1～3mm和0.1～1mm的轻量尖晶石颗粒为粗颗粒和中颗粒、或分别以1～3mm和0.1～1mm的CaO含量56％的镁钙砂颗粒为粗颗粒和中颗粒；
细粉部分包含氧化铝微粉或镁钙砂细粉，以及步骤一混合好的MgO和C粉体；
步骤三，按着先加入骨料部分混合2～5分钟，再加入酚醛树脂稀释液混合3～5分钟，再加入细粉部分，混合5～20分钟，在混合机中混合时间总计在20～30分钟；混合后的物料置于密闭容器或塑料袋中困料 2小时至6小时；
步骤四，经困料 后的物料采用半干法成型，压制成一定形状；
步骤五，将成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在110℃保温6小时到24小时；
步骤六，干燥后成型试样烧成在可控气氛炉中进行，首先对可控气氛炉抽真空，然后充入Ar作为保护气体，将炉体加热至1450℃～1650℃，到达该温度范围内即可进行保温，并通入O2，控制通入O2流速，保证碳热还原反应生成的Mg蒸汽反应完全，成型试样通过反应烧结，获得具有较低体积密度和较高强度的轻量耐火材料。
2.如权利要求1所述的轻量耐火材料的制备方法，其特征在于，所述的镁砂为烧结镁砂或者电熔镁砂。
3.如权利要求1所述的轻量耐火材料的制备方法，其特征在于，所述的碳为炭黑、石墨、焦炭、煤粉、废石墨电极或者冶金过程中不可利用的细焦炭颗粒。
4.权利要求1至3其中之一制备的轻量耐火材料。
5.如权利要求4所述的轻量耐火材料，其特征在于，所述的轻量耐火材料外部反应产物较多，而内部产物较少，从而形成基质部分的密度梯度和结合强度梯度；能够在保持轻量耐火材料低导热率的情况下，使材料具有较高强度和高温使用性能。
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