CN106631119B - 一种高强度轻质微孔尖晶石及其制备方法、耐高温砖 - Google Patents

一种高强度轻质微孔尖晶石及其制备方法、耐高温砖 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高强度轻质微孔尖晶石及其制备方法、耐高温砖。一种高强度轻质微孔尖晶石的制备方法，包括下列步骤：主要由轻烧镁、工业氧化铝和尖晶石纤维混合烧结而成；所述尖晶石纤维中的铝质量含量与轻烧镁、氧化铝中的铝总质量含量相差5～15％，优选相差5～10％；所述尖晶石纤维选自MgAl2O4、FeAl2O4纤维或MFe2O4纤维中的一种或多种，M选自钴、镍、锌、铜中的一种。本发明解决了耐压强度和孔隙率无法兼得的问题。

Description

一种高强度轻质微孔尖晶石及其制备方法、耐高温砖
技术领域
本发明涉及建材领域，尤其是涉及一种高强度轻质微孔尖晶石及其制备方法、耐高温砖。
背景技术
工业窑炉是高温工业生产过程中的主要耗能设备，特别是在冶金、建材等行业，然而才有材质制作的工业窑散热损失很大，热效率很低，有的甚至才30％左右。因此，急需一种轻质低导热的材料来生产低导热高温制品，以降低工业窑炉的高温散热损失率，达到节能降耗的目的。
现有技术中，通常采用提高材料的微孔率降低窑炉的导热系数，以降低热损失，但这种技术是以牺牲强度为前提，仍然无法工业应用。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种高强度轻质微孔尖晶石的制备方法，所述的方法解决了耐压强度和孔隙率无法兼得的问题。
本发明的第二目的在于提供一种高强度轻质微孔尖晶石，所述高强度轻质微孔尖晶石具有孔隙率高、导热系数低、耐压强度高、抗热震性能好等优点。
本发明的第三目的在于提供一种耐高温砖，所述耐高温砖可以提高窑体的热利用率，达到安全、环保、节能的目的。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种高强度轻质微孔尖晶石的制备方法，包括下列步骤：
主要由轻烧镁、工业氧化铝和尖晶石纤维混合烧结而成；
所述尖晶石纤维中的铝质量含量与轻烧镁、氧化铝中的铝总质量含量相差5～15％，优选相差5～10％；
所述尖晶石纤维选自MgAl2O4纤维、FeAl2O4纤维或MFe2O4纤维中的一种或多种，M选自钴、镍、锌、铜中的一种。
本发明的主要改进点是在制备人工尖晶石的过程中掺入尖晶石纤维，并利用二者的铝含量差使Al3+在烧结过程中发生迁移，产生体积膨胀，在周围会产生大量微裂纹，这种特性的微裂纹进一步提高制品的气孔率并改善制品的抗热震性能，还可以不影响尖晶石的强度，甚至提高强度。
经检测，本发明所提供的高强度轻质微孔尖晶石耐压强度可达到70MPa以上，孔隙率达到30-40％，平均孔径控制在10μm以下，甚至5μm以下。
本发明所述的尖晶石纤维可以是MgAl2O4纤维、FeAl2O4纤维，Cu Fe2O4纤维，CoFe2O4纤维，ZnFe2O4纤维或者NiFe2O4纤维，或者以上纤维的任意组合。
本发明所述的尖晶石纤维中的铝质量含量与轻烧镁、氧化铝中的铝总质量含量之差，包括低于或高于，即尖晶石纤维中的铝含量可偏高或偏低，只要与其余原料中的铝含量存在浓度差即可。
以上方案是本发明的主要核心，在此基础上还可以进一步改进，例如：
优选地，所述尖晶石纤维为MgAl2O4/_FeAl2O4纤维。
优选地，所述尖晶石纤维的加入量为轻烧镁、工业氧化铝总重量的5-15％。
优选地，所述轻烧镁和所述氧化铝的重量比为25-50：50-75。
优选地，在所述混合烧结之前还加入造孔剂或结合剂；
优选地，所述造孔剂选自木屑锯末、植物粉末、聚苯乙烯球、焦炭粉、活性炭、淀粉、聚乙烯醇中的一种或多种，优选焦炭粉、淀粉、聚乙烯醇中的一种或多种，优选焦炭粉与聚乙烯醇以1:0.1-0.5的质量比组成。
选用这些造孔剂可以降低孔径，提高强度。
优选地，所述造孔剂的加入量为轻烧镁、工业氧化铝总重量的5-30％，优选10-30％。
优选地，所述结合剂选自尖晶石水泥、磺酸镁、氯化镁、磷酸二氢铝中的一种或多种，优选尖晶石水泥/氯化镁，更优选尖晶石水泥与氯化镁以1:0.5-2的质量比组成。
选用这些结合剂可以促进原料间的融合，提高材料均匀性，提高烧结过程中铝离子的迁移速率。
优选地，所述结合剂的加入量为轻烧镁、工业氧化铝总重量的3-8％，优选5-8％。
为更大程度发挥尖晶石纤维的优势，优选地，所述烧结的方法为1300-1700℃下烧结。
优选地，在1300-1400℃下烧结1-2小时，再在1500-1700℃下烧结1-2小时。
经过改进，本发明提供的高强度轻质微孔尖晶石的耐压强度在60MPa以上。
优选地，所述高强度轻质微孔尖晶石的气孔率为30-40％。
上文所述的高强度轻质微孔尖晶石应用广泛，主要用于制备工业窑炉用砖，也用于制作建筑用砖、工艺品等。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)通过改善引入尖晶石纤维提高尖晶石的耐压强度，达到70MPa以上，同时提高了孔隙率，随之降低了体积密度，孔隙率达到30-40％，平均孔径控制在10μm以下，甚至5μm以下。
(2)本发明所提供的高强度轻质微孔尖晶石适用于现有的尖晶石制备工艺，因此企业对生产设备无需作任何调整即可对产品升级，大量生产本发明的微孔尖晶石。
(3)本发明提供了一种优选的工艺，极大发挥了尖晶石纤维对尖晶石性能的改善程度。
(4)本发明高强度轻质微孔尖晶石应用范围广，可用于制备窑炉用砖、建筑用砖、工艺品等。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的主要创新点在于在尖晶石的制备过程中掺入尖晶石纤维，以降低导热系数，同时提高耐压强度，最基本的方案为：
主要由轻烧镁、工业氧化铝和尖晶石纤维混合烧结而成；
所述尖晶石纤维中的铝质量含量与轻烧镁、氧化铝中的铝总质量含量相差5～15％，优选相差5～10％；
所述尖晶石纤维选自MgAl2O4纤维、FeAl2O4纤维或MFe2O4纤维中的一种或多种，M选自钴、镍、锌、铜中的一种。
基于以上核心，本发明提供了以下实施例。
实施例1
配方：
轻烧镁、工业氧化铝以25:75的质量比混合成基体原料，然后加入5wt％的造孔剂，5wt％的尖晶石纤维(注意数据范围)。
造孔剂选用淀粉。
尖晶石纤维选用MgAl2O4纤维。
工艺：
(1)配料：按照上述配方，将所有原料混合，湿法研磨成预设粒径的浆料。
(2)成型：将步骤(1)的浆料干燥、定型。
(3)干燥及烧结：将步骤(2)的成型物在100-150℃下干燥20min，然后再在1650-1700℃下烧结3小时。
实施例2-5
与实施例1的区别仅在于尖晶石纤维的种类不同，分别为CuFe2O4纤维，NiFe2O4纤维，CoFe2O4纤维，ZnFe2O4纤维。
实施例6
与实施例1的区别在于尖晶石纤维的加入量和类型不同，为MgAl2O4纤维与FeAl2O4纤维等重量比组合，总加入量为15％，具体工艺如下：
(1)配料：按照上述配方，将所有原料混合，湿法研磨成预设粒径的浆料。
(2)成型：将步骤(1)的浆料干燥、定型。
(3)干燥及烧结：将步骤(2)的成型物在100-150℃下干燥20min，然后再在1600-1650℃下烧结3小时。
实施例7
与实施例1的区别仅在于轻烧镁和所述氧化铝的重量比不同，为40:60，具体工艺如下：
(1)配料：按照上述配方，将所有原料混合，湿法研磨成预设粒径的浆料。
(2)成型：将步骤(1)的浆料干燥、定型。
(3)干燥及烧结：将步骤(2)的成型物在100-150℃下干燥20min，然后再在1300-1400℃下烧结5小时。
实施例8
与实施例1的区别仅在于造孔剂的种类及加入量不同，为焦炭粉：聚乙烯醇＝1:0.5(W/W)，总量为30％，具体工艺如下：
(1)配料：按照上述配方，将所有原料混合，湿法研磨成预设粒径的浆料。
(2)成型：将步骤(1)的浆料干燥、定型。
(3)干燥及烧结：将步骤(2)的成型物在100-150℃下干燥20min，然后再在1550-1600℃下烧结3小时。
实施例9
与实施例1的区别仅在于造孔剂的种类及加入量不同，为焦炭粉：聚乙烯醇＝1:0.1(W/W)，总量为10％，具体工艺如下：
(1)配料：按照上述配方，将所有原料混合，湿法研磨成预设粒径的浆料。
(2)成型：将步骤(1)的浆料干燥、定型。
(3)干燥及烧结：将步骤(2)的成型物在100-150℃下干燥20min，然后再在1650-1700℃下烧结3小时。
实施例10
与实施例1的区别仅在于将造孔剂替换为结合剂，结合剂为尖晶石水泥与氯化镁以1:2的质量比组成，总加入量为3％，具体工艺如下：
(1)配料：按照上述配方，将所有原料混合，湿法研磨成预设粒径的浆料。
(2)成型：将步骤(1)的浆料干燥、定型。
(3)干燥及烧结：将步骤(2)的成型物在100-150℃下干燥20min，然后再在1650-1700℃下烧结3小时。
实施例11
与实施例1的区别仅在于将造孔剂替换为结合剂，结合剂为尖晶石水泥与氯化镁以1:2的质量比组成，总加入量为3％，具体工艺如下：
(1)配料：按照上述配方，将所有原料混合，湿法研磨成预设粒径的浆料。
(2)成型：将步骤(1)的浆料干燥、定型。
(3)干燥及烧结：将步骤(2)的成型物在100-150℃下干燥20min，然后再在1700-1750℃下烧结3小时。
实施例12
与实施例1的区别仅在于不加入造孔剂。
具体工艺如下：
(1)配料：按照上述配方，将所有原料混合，湿法研磨成预设粒径的浆料。
(2)成型：将步骤(1)的浆料干燥、定型。
(3)干燥及烧结：将步骤(2)的成型物在100-150℃下干燥20min，然后在1400℃下烧结2小时，再在1700℃下烧结2小时。
实施例13
与实施例1的区别仅在于烧结的工艺不同，如下：
(1)配料：按照上述配方，将所有原料混合，湿法研磨成预设粒径的浆料。
(2)成型：将步骤(1)的浆料干燥、定型。
(3)干燥及烧结：将步骤(2)的成型物在100-150℃下干燥20min，然后再在1300℃下烧结1小时，再在1700℃下烧结2小时。
实施例14
与实施例1的区别仅在于烧结的工艺不同，如下：
(1)配料：按照上述配方，将所有原料混合，湿法研磨成预设粒径的浆料。
(2)成型：将步骤(1)的浆料干燥、定型。
(3)干燥及烧结：将步骤(2)的成型物在100-150℃下干燥20min，然后再在1300℃下烧结1小时，再在1700℃下烧结1.5小时。
检测以上所有实施例所得砖的耐压强度、气孔率和气孔平均直径，结果如下表1所示。
耐压强度的测试方法为：
在常压下测试材料做成的砖块的耐压强度。
表1
Figure BDA0001195949090000091
Figure BDA0001195949090000101
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种高强度轻质微孔尖晶石的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
主要由轻烧镁、工业氧化铝和尖晶石纤维混合烧结而成；
所述尖晶石纤维中的铝质量含量与轻烧镁、工业氧化铝中的铝总质量含量相差5~15%；
所述尖晶石纤维为MgAl2O4纤维和/或FeAl2O4纤维，
在所述混合烧结之前还加入造孔剂或结合剂；
所述造孔剂选自焦炭粉和聚乙烯醇；
所述焦炭粉与所述聚乙烯醇以1:0.1-0.5的质量比组成；
所述造孔剂的加入量为轻烧镁、工业氧化铝总重量的10-30%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述尖晶石纤维中的铝质量含量与轻烧镁、工业氧化铝中的铝总质量含量相差5~10%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述尖晶石纤维的加入量为轻烧镁、工业氧化铝总重量的5-15%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述轻烧镁和所述工业氧化铝的重量比为25-50：50-75。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述结合剂选自尖晶石水泥、磺酸镁、氯化镁、磷酸二氢铝、木质素溶液中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述结合剂选自尖晶石水泥和/或氯化镁。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述尖晶石水泥与所述氯化镁以1:0.5-2的质量比组成。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述结合剂的加入量为轻烧镁、工业氧化铝总重量的3-8%。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述结合剂的加入量为轻烧镁、工业氧化铝总重量的5-8%。
10.根据权利要求1-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的方法为1300-1700℃下烧结。
11.根据权利要求1-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的方法为在1300-1400℃下烧结1-2小时，再在1500-1700℃下烧结1-2小时。
12.一种高强度轻质微孔尖晶石，其特征在于，采用权利要求1-11任一项所述的制备方法制得。
13.根据权利要求12所述的高强度轻质微孔尖晶石，其特征在于，其耐压强度在70MPa以上。
14.根据权利要求12所述的高强度轻质微孔尖晶石，其特征在于，其气孔率为30-40%。
15.一种耐高温砖，其特征在于，其由权利要求12-14任一项所述的高强度轻质微孔尖晶石制成。
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