CN106365655A - 一种高强度轻质耐火材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强度轻质耐火材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度轻质耐火材料及其制备方法，该耐火材料由粉煤灰、氧化铝、碳酸钙、碳酸镁、碳酸钠、氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化铋和成孔剂等原料制得，其中葡萄糖、果糖、聚乙烯微球、珍珠岩、膨胀蛭石和明矾等组分组成，该轻型耐火材料依次经过球磨湿混、成型、烧结和后处理等工艺步骤制得。本发明中的轻型耐火材料具有较低的体积密度，较大的气孔率，具有较高的可使用温度和较高的耐压强度，还具有较低的热导率，具有良好的隔热作用。

Description

一种高强度轻质耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐火材料制造技术领域，尤其是涉及一种高强度轻质耐火材料及其制备方法。
背景技术
在传统意义上，耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料，它是为高温技术服务的基础材料，是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及工业高温容器和部件的材料，并且能够承受相应的物理化学变化及机械作用。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云石）为原料制造的，采用某些工业原料和人工合成原料（如工业氧化铝、碳化硅、合成莫来石、合成尖晶石等）也日益增多，因此，耐火材料的种类很多。耐火材料按照矿物组成可以分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料；按照制造方法可以分为天然矿石和人造制品；按其方式可分为块状制品和不定形耐火材料；按照热处理方式可分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品；按照耐火度可分为普通、高级和特级耐火制品；按照化学性质可分为酸性、中性及碱性耐火材料；按照其密度可分为轻质及重质耐火材料；按照其制品的形状和尺寸可分为标准砖、异形砖、特异形砖、管和耐火器皿；还可以按其应用分为高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑用耐火材料等。
轻质耐火材料在工业窑炉和其他热工设备上用作隔热材料，其具有气孔率高、体积密度小、热导率低的耐火材料；工业窑炉砌体蓄热损失和炉体表面散热损失约占燃料消耗的24～45%，能量损失巨大，使得能源利用率低，使用热导率低、热容量小的轻质耐火材料作炉体结构材料，可节省燃料消耗；同时，由于窑炉可以快速升温和冷却，能提高设备生产效率；还能减轻炉体重量，简化窑炉构造，提高产品质量，降低环境温度，改善劳动条件。但是轻质耐火材料也存在力学强度低，不能用于承重，而且其耐磨性能也较差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种气孔率高、体积密度小、热导率低，并且机械强度和耐磨性能较优的高强度轻质耐火材料；
本发明还提供了一种步骤简洁且能够制得高气孔率、低体积密度、低热导率、较高力学强度和较高耐磨性能高强度轻质耐火材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高强度轻质耐火材料，由以下重量份的原料制得：粉煤灰600～700份，氧化铝60～80份，碳酸钙90～110份，碳酸镁50～60份，碳酸钠10～20份，氧化钛15～20份，氧化锆20～25份，氧化锌8～10份，氧化铋6～8份，成孔剂400～500份。
粉煤灰是一种燃煤经过燃烧后残余的灰分，其中主要是一些不可燃的无机物，主要含有氧化铝和氧化硅，这些氧化铝和氧化硅由于经历过高温处理，因此具有极强的活性，易于发生反应，比一般的氧化铝和氧化硅更易进行烧结，但是由于粉煤灰中的氧化铝含量比较少，仅依靠粉煤灰中的氧化铝和氧化硅难以形成具有耐火特性的莫来石，因此需要在原料中加入一定比例的氧化铝。
氧化铝与氧化硅体系的无机氧化物会形成莫来石相，莫来石是一种具有较高熔点的无机化合物，其熔点在1850℃以上，硅铝氧化物体系是一个常见且优良的耐火材料体系，同时碳酸镁和碳酸钙在高温时会分解产生氧化镁、氧化钙和二氧化碳，生成的二氧化碳具有造孔的作用，氧化镁、氧化钙也是具有较高熔点的无机氧化物，与硅铝系氧化物反应形成固溶体可以增进耐火材料的耐火度，但是由于硅铝系氧化物和氧化镁、氧化钙等原料的反应温度较高，使得耐火材料的合成温度较高，能耗也很大，为了在不影响耐火度或较小影响耐火度的前提下适当降低合成温度，因此在原料中再添加具有降低合成温度的烧结助剂，氧化钛、氧化锌和氧化铋是一类具有良好性能的烧结助剂，在少量添加的情况下即可以显著的降低耐火材料的合成温度，同时这几种烧结助剂的加入也不会像钾钠系烧结助剂一样对耐火度造成一个较大的影响。
作为优选，氧化铝的纯度为95～99wt%；粉煤灰中氧化铝含量为30～40wt%，氧化硅含量为40～50wt%。
作为优选，成孔剂由以下重量份的原料组成：葡萄糖20份，果糖10～12份，聚乙烯微球45～55份，珍珠岩30～40份，膨胀蛭石20～30份，明矾35～45份。
轻质耐火材料是由于其中具有较多的气孔具有轻质隔热的效果，现有技术中制备轻型耐火材料多使用单一的造孔剂，一般为木屑等较原始的造孔剂；单一的造孔剂，孔道形成的温度单一，而且由于几乎是在同一温度区间形成孔道，也即为了在耐火材料中间形成气孔，在同一温度区间会排放大量的气体，短时间内大量气体的冲击会造成耐火材料结构变得特别松散，制得的耐火材料的机械强度很差；同时，现有技术中，有些造孔剂是在较低温时就使耐火材料内部形成孔道，但是温度升高后，在高温反应下这些孔道又会被封闭或者被填补，造成气孔率下降，甚至耐火材料发生坍缩。因此本发明中采用复合的造孔剂，使得从100～800℃区间范围内不同阶段都会有造孔剂产生气体在耐火材料中形成气孔，造孔剂分解气体释放更加的缓和，持续时间也更长，这样就不会造成气体在短时间内释放，避免了气体冲击导致的耐火材料结构特别松散的不利情形，也可以避免继续高温反应后气孔被重新填补的情况。
这些成孔剂在整个高温反应的不同时期发生分解放出不同种类的气体，在100～150℃温度时明矾失去结晶水，在300～450℃温度时葡萄糖、果糖炭化释放水汽，在600～800℃温度时聚乙烯微球发生热分解放出气体，葡萄糖、果糖炭化后形成的炭和炭粉也在这个温度区间发生反应放出气体，失结晶水后的明矾也在这个温度区间分解生成含硫气体、氧化钾和氧化镁，珍珠岩也在这个温度区间开始分解，膨胀蛭石也在这个温度区间形成孔道，最后在1300～1400℃温度区间内，成孔剂中所有的高温可分解物质完全分解产生气体并完成烧结，所有物质变得稳定。成孔剂中的多种物质在不同温度发生程度不同的分解产生不同种类的气体，使得制得的耐火材料中的气孔更加丰富，孔径的分布也更加多样和均匀，而且在整个过程中产生气体，发生造孔反应使得不会因反应温度升高部分先生成的气孔被重新填补的情况。
传统工艺中，经过成孔剂处理后的耐火材料由于其中孔道增多其强度会大大降低，本发明中采用的成孔剂大都为一些会热分解的无机矿物，这些矿物在产生气体形成孔道的同时残余的无机物会成为耐火材料的一部分，对耐火材料的强度起到补充作用，改善轻质耐火材料的强度。
作为优选，成孔剂中的葡萄糖和果糖先经预处理后在与成孔剂中其他组分一起加入到原料中；其中预处理为将葡萄糖和果糖混合后加入葡萄糖和果糖重量40～60%的水，在100～120℃下处理1～2小时，然后自然冷却至室温并研磨粉碎至200～250目。
一种高强度轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
a）向除成孔剂外的原料中加入除成孔剂外原料重量2～2.5倍的无水乙醇，在转速为2000～2500rpm下球磨2～4小时，然后再向其中加入成孔剂，在转速为1500～2000rpm下球磨1～2小时，最后烘干；
b）将经步骤a处理后的原料模压成型；
c）将模压成型后的原料进行烧结，由室温开始升温，在100～150℃保温20～30分钟，在300～450℃保温20～30分钟，在600～1000℃保温60～100分钟，在1300～1400℃烧结7～11小时，然后自然冷却至室温，制得高强度轻质耐火材料初品；其中，各阶段升温速率都为8～10℃/min；
d）将制得的高强度轻质耐火材料初品，在盐酸溶液中浸泡40～60分钟，接着清洗烘干后制得高强度轻质耐火材料。
两步球磨法使除成孔剂外的原料更加的均匀细腻，改善烧结性能，也可以使得烧结而成的耐火材料在非孔区域更加的致密，增强强度；多温度区间的烧结方法是配合成孔剂的种类，让不同的成孔剂在各自的温度范围内起到成孔的作用；最后的盐酸溶液浸泡时为了除去显气孔内残存的、未烧结的氧化钙等一些粉尘。
作为优选，步骤b中，原料经10～12MPa模压成型后再在14～16MPa下进行冷等静压成型，保压时间为40～80秒。
作为优选，步骤d中盐酸溶液的PH值为6.0～6.2。
因此，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中的耐火材料具有较低的体积密度，较大的气孔率；
（2）本发明中的耐火材料还具有较高的可使用温度和较高的耐压强度；
（3）本发明中的耐火材料还具有较低的热导率，具有良好的隔热作用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
一种高强度轻质耐火材料，由以下重量份的原料制得：粉煤灰600份，氧化铝60份，碳酸钙90份，碳酸镁50份，碳酸钠10份，氧化钛15份，氧化锆20份，氧化锌8份，氧化铋6份，成孔剂400份；氧化铝的纯度为95wt%；粉煤灰中氧化铝含量为30wt%，氧化硅含量为40wt%；
其中，成孔剂由以下重量份的原料组成：葡萄糖20份，果糖10份，聚乙烯微球45份，珍珠岩30份，膨胀蛭石20份，明矾35份。
一种高强度轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
a）向除成孔剂外的原料中加入除成孔剂外原料重量2倍的无水乙醇，在转速为2000rpm下球磨2小时，然后再向其中加入成孔剂，在转速为1500rpm下球磨1小时，最后烘干；
b）将经步骤a处理后的原料模压成型；
c）将模压成型后的原料进行烧结，由室温开始升温，在100℃保温20分钟，在300℃保温20分钟，在600℃保温60分钟，在1300℃烧结7小时，然后自然冷却至室温，制得高强度轻质耐火材料初品；其中，各阶段升温速率都为8℃/min；
d）将制得的高强度轻质耐火材料初品，在盐酸溶液中浸泡40分钟，接着清洗烘干后制得高强度轻质耐火材料。
实施例2
一种高强度轻质耐火材料，由以下重量份的原料制得：粉煤灰650份，氧化铝70份，碳酸钙100份，碳酸镁55份，碳酸钠15份，氧化钛17份，氧化锆22份，氧化锌9份，氧化铋7份，成孔剂450份；氧化铝的纯度为97wt%；粉煤灰中氧化铝含量为35wt%，氧化硅含量为45wt%；
其中，成孔剂由以下重量份的原料组成：葡萄糖20份，果糖11份，聚乙烯微球50份，珍珠岩35份，膨胀蛭石25份，明矾40份。
一种高强度轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
a）向除成孔剂外的原料中加入除成孔剂外原料重量2.2倍的无水乙醇，在转速为2200rpm下球磨3小时，然后再向其中加入成孔剂，在转速为1700rpm下球磨1.5小时，最后烘干；
b）将经步骤a处理后的原料模压成型；
c）将模压成型后的原料进行烧结，由室温开始升温，在120℃保温25分钟，在380℃保温25分钟，在800℃保温80分钟，在1350℃烧结9小时，然后自然冷却至室温，制得高强度轻质耐火材料初品；其中，各阶段升温速率都为9℃/min；
d）将制得的高强度轻质耐火材料初品，在盐酸溶液中浸泡50分钟，接着清洗烘干后制得高强度轻质耐火材料。
实施例3
一种高强度轻质耐火材料，由以下重量份的原料制得：粉煤灰700份，氧化铝80份，碳酸钙110份，碳酸镁60份，碳酸钠20份，氧化钛20份，氧化锆25份，氧化锌10份，氧化铋8份，成孔剂500份；氧化铝的纯度为99wt%；粉煤灰中氧化铝含量为40wt%，氧化硅含量为50wt%；
其中，成孔剂由以下重量份的原料组成：葡萄糖20份，果糖12份，聚乙烯微球55份，珍珠岩40份，膨胀蛭石30份，明矾45份。
一种高强度轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
a）向除成孔剂外的原料中加入除成孔剂外原料重量2.5倍的无水乙醇，在转速为2500rpm下球磨4小时，然后再向其中加入成孔剂，在转速为2000rpm下球磨2小时，最后烘干；
b）将经步骤a处理后的原料模压成型；
c）将模压成型后的原料进行烧结，由室温开始升温，在150℃保温30分钟，在450℃保温30分钟，在1000℃保温100分钟，在1400℃烧结小时，然后自然冷却至室温，制得高强度轻质耐火材料初品；其中，各阶段升温速率都为10℃/min；
d）将制得的高强度轻质耐火材料初品，在盐酸溶液中浸泡60分钟，接着清洗烘干后制得高强度轻质耐火材料。
实施例4
一种高强度轻质耐火材料，由以下重量份的原料制得：粉煤灰600份，氧化铝60份，碳酸钙90份，碳酸镁50份，碳酸钠10份，氧化钛15份，氧化锆20份，氧化锌8份，氧化铋6份，成孔剂400份；氧化铝的纯度为95wt%；粉煤灰中氧化铝含量为30wt%，氧化硅含量为40wt%；
其中，成孔剂由以下重量份的原料组成：葡萄糖20份，果糖10份，聚乙烯微球45份，珍珠岩30份，膨胀蛭石20份，明矾35份。
一种高强度轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
a）向除成孔剂外的原料中加入除成孔剂外原料重量2倍的无水乙醇，在转速为2000rpm下球磨2小时，然后再向其中加入成孔剂，在转速为1500rpm下球磨1小时，最后烘干；成孔剂中的葡萄糖和果糖先经预处理后再与成孔剂中其他组分一起加入到原料中；其中预处理为将葡萄糖和果糖混合后加入葡萄糖和果糖重量40%的水，在100℃下处理1小时，然后自然冷却至室温并研磨粉碎至200目；
b）将经步骤a处理后的原料经10MPa模压成型后再在14MPa下进行冷等静压成型，保压时间为40秒；
c）将模压成型后的原料进行烧结，由室温开始升温，在100℃保温20分钟，在300℃保温20分钟，在600℃保温60分钟，在1300℃烧结7小时，然后自然冷却至室温，制得高强度轻质耐火材料初品；其中，各阶段升温速率都为8℃/min；
d）将制得的高强度轻质耐火材料初品，在PH值为6.0的盐酸溶液中浸泡40分钟，接着清洗烘干后制得高强度轻质耐火材料。
实施例5
一种高强度轻质耐火材料，由以下重量份的原料制得：粉煤灰650份，氧化铝70份，碳酸钙100份，碳酸镁55份，碳酸钠15份，氧化钛17份，氧化锆23份，氧化锌9份，氧化铋7份，成孔剂450份；氧化铝的纯度为97wt%；粉煤灰中氧化铝含量为35wt%，氧化硅含量为45wt%；
其中，成孔剂由以下重量份的原料组成：葡萄糖20份，果糖11份，聚乙烯微球50份，珍珠岩35份，膨胀蛭石25份，明矾40份。
一种高强度轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
a）向除成孔剂外的原料中加入除成孔剂外原料重量2.3倍的无水乙醇，在转速为2300rpm下球磨3小时，然后再向其中加入成孔剂，在转速为1800rpm下球磨1.5小时，最后烘干；成孔剂中的葡萄糖和果糖先经预处理后再与成孔剂中其他组分一起加入到原料中；其中预处理为将葡萄糖和果糖混合后加入葡萄糖和果糖重量50%的水，在110℃下处理1.5小时，然后自然冷却至室温并研磨粉碎至230目；
b）将经步骤a处理后的原料经11MPa模压成型后再在15MPa下进行冷等静压成型，保压时间为40～80秒；
c）将模压成型后的原料进行烧结，由室温开始升温，在130℃保温25分钟，在380℃保温25分钟，在800℃保温80分钟，在1350℃烧结9小时，然后自然冷却至室温，制得高强度轻质耐火材料初品；其中，各阶段升温速率都为9℃/min；
d）将制得的高强度轻质耐火材料初品，在PH值为6.1的盐酸溶液中浸泡50分钟，接着清洗烘干后制得高强度轻质耐火材料。
实施例6
一种高强度轻质耐火材料，由以下重量份的原料制得：粉煤灰700份，氧化铝80份，碳酸钙110份，碳酸镁60份，碳酸钠20份，氧化钛20份，氧化锆25份，氧化锌10份，氧化铋8份，成孔剂500份；氧化铝的纯度为99wt%；粉煤灰中氧化铝含量为40wt%，氧化硅含量为50wt%；
其中，成孔剂由以下重量份的原料组成：葡萄糖20份，果糖12份，聚乙烯微球55份，珍珠岩40份，膨胀蛭石30份，明矾45份。
一种高强度轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
a）向除成孔剂外的原料中加入除成孔剂外原料重量2.5倍的无水乙醇，在转速为2500rpm下球磨4小时，然后再向其中加入成孔剂，在转速为2000rpm下球磨2小时，最后烘干；成孔剂中的葡萄糖和果糖先经预处理后再与成孔剂中其他组分一起加入到原料中；其中预处理为将葡萄糖和果糖混合后加入葡萄糖和果糖重量60%的水，在120℃下处理2小时，然后自然冷却至室温并研磨粉碎至250目；
b）将经步骤a处理后的原料经12MPa模压成型后再在16MPa下进行冷等静压成型，保压时间为80秒；
c）将模压成型后的原料进行烧结，由室温开始升温，在150℃保温30分钟，在450℃保温30分钟，在1000℃保温100分钟，在1400℃烧结11小时，然后自然冷却至室温，制得高强度轻质耐火材料初品；其中，各阶段升温速率都为10℃/min；
d）将制得的高强度轻质耐火材料初品，在PH值为6.2的盐酸溶液中浸泡60分钟，接着清洗烘干后制得高强度轻质耐火材料。
技术指标：
1.气孔率35～40%；
2.体积密度1.6g/cm3及以下；
3.最高可使用温度1400℃；
4.热导率（1000℃环境下）：0.90W/（m·℃）
5.常温耐压强度：≥250MPa。

Claims (7)

1.一种高强度轻质耐火材料，其特征在于由以下重量份的原料制得：粉煤灰600～700份，氧化铝60～80份，碳酸钙90～110份，碳酸镁50～60份，碳酸钠10～20份，氧化钛15～20份，氧化锆20～25份，氧化锌8～10份，氧化铋6～8份，成孔剂400～500份。
2.根据权利要求1所述的一种高强度轻质耐火材料，其特征在于：所述氧化铝的纯度为95～99wt%；所述粉煤灰中氧化铝含量为20～40wt%，氧化硅含量为40～50wt%。
3.根据权利要求1所述的一种高强度轻质耐火材料，其特征在于所述的成孔剂由以下重量份的原料组成：葡萄糖20份，果糖10～12份，聚乙烯微球45～55份，珍珠岩30～40份，膨胀蛭石20～30份，明矾35～45份。
4.根据权利要求1或3所述的一种高强度轻质耐火材料，其特征在于：所述成孔剂中的葡萄糖和果糖添加前经预处理；其中预处理为将葡萄糖和果糖混合后加入葡萄糖和果糖重量40～60%的水，在100～120℃下处理1～2小时，然后自然冷却至室温并研磨粉碎至200～250目。
5.一种根据权利要求1所述的高强度轻质耐火材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）向除成孔剂外的原料中加入除成孔剂外原料重量2～2.5倍的无水乙醇，在转速为2000～2500rpm下球磨2～4小时，然后再向其中加入成孔剂，在转速为1500～2000rpm下球磨1～2小时，最后烘干；
b）将经步骤a处理后的原料模压成型；
c）将模压成型后的原料进行烧结，由室温开始升温，在100～150℃保温20～30分钟，在300～450℃保温20～30分钟，在600～1000℃保温60～100分钟，在1300～1400℃烧结7～11小时，然后自然冷却至室温，制得高强度轻质耐火材料初品；其中，各阶段升温速率都为8～10℃/min；
d）将制得的高强度轻质耐火材料初品，在盐酸溶液中浸泡40～60分钟，接着清洗烘干后制得高强度轻质耐火材料。
6.根据权利要求5所述的一种高强度轻质耐火材料的制备方法，其特征在于：所述步骤b中，原料经10～12MPa模压成型后再在14～16MPa下进行冷等静压成型，保压时间为40～80秒。
7.根据权利要求5所述的一种高强度轻质耐火材料的制备方法，其特征在于：所述步骤d中盐酸溶液的PH值为6.0～6.2。
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