CN107721440B - 一种镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料及其制备方法 - Google Patents

一种镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种镁橄榄石‑尖晶石‑碳导电耐火材料及其制备方法，该镁橄榄石‑尖晶石‑碳导电耐火材料以工业废渣为原料制成，包括55～75份富镁废渣、10～35份含铝废料以及10～15份富碳生物质材料；制得的镁橄榄石‑尖晶石‑碳导电耐火材料按重量百分数计包括下述组分：SiO2 17.5～32.5％、MgO 35.5～51.5％、Al2O3 15～20％、C 8～12％、Fe2O3小于2％、CaO小于1％和K、Na小于3％。其制备方法为：先将原料分别破碎、球磨，形成粉体，然后按配方称取粉体状原料混合球磨得到混合粉料，将粉料混匀、成型后埋在含碳匣钵中、在埋碳气氛下高温烧成即得。该导电耐火材料不仅有优良的物理化学性能及高温性能，而且有良好的导电性，具有一般耐火材料无法应用的领域，且实现了资源的二次利用。

Description

一种镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种导电耐火材料及其制备方法，特别涉及一种以工业废渣为原料的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料及其制备方法，属于陶瓷材料领域。
背景技术
耐火材料是高温工业不可或缺的基础材料，广泛应用于钢铁、有色金属、水泥、玻璃、石化、建材、电力及军工等国民经济的各个领域。高温工业尤其是钢铁工业的技术进步，推动了耐火材料的快速发展。近年来对耐火材料的研究主要集中在其优良的高温性能，对其导电性的研究较少，将富碳材料引入到耐火材料中作为导电因子，可形成导电耐火材料，应用于电解槽、溶解槽、高炉炉底、电石炉等。但一般导电耐火材料原材料要求高，产品价格贵。
工业废渣是指在工业生产中，排放出的有毒的、易燃的、有腐蚀性的、传染疾病的、有化学反应性的以及其他有害的固体废物。工业废渣的固体废弃物长期堆存不仅占用大量土地，而且污染环境。大量采矿废石堆积的结果，毁坏了大片的农田和森林地带。工业有害渣长期堆存，经过雨雪淋溶，可溶成分随水从地表向下渗透。向土壤迁移转化，富集有害物质、使堆场附近土质酸化、碱化、硬化，甚至发生重金属型污染。开发利用工业废渣中有效的成分，实现资源化二次利用，变废为宝，生产高附加值的废物资源化产品，是实现可持续发展的重要手段。
已报道的研究中，大部分工业废渣都是用于生产水泥、玻璃等。部分工业废渣中含有较多的SiO2、Al2O3、MgO，是制备导电耐火材料的有效成分，选择成本低、化学性质稳定、储量大的废弃物来制备导电耐火材料具有较高的经济和技术价值。
发明内容
发明目的：针对现有导电耐火材料存在的问题，以工业废渣为原料，提供一种镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料及其制备方法，制得的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料不仅具有优良的物理化学性能及高温性能，而且还具有良好的导电性。
技术方案：本发明所述的以工业废渣为原料的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料，按重量百分数计包括下述组分：
Figure BDA0001445781700000011
Figure BDA0001445781700000021
该导电耐火材料主要由如下重量份的原料制成：55～75份富镁废渣、10～35份含铝废料以及10～15份富碳生物质材料。
其中，富镁废渣为镍渣、铬渣、硅锰渣、废镁砖中的一种或几种。含铝废料为粉煤灰、煤矸石、污泥、流化床煤灰中的一种。富碳生物质材料为稻壳、秸秆、木炭中的一种。
本发明所述的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)富镁废渣、含铝废料破碎并粉磨0.5～4h，得到富镁废渣粉体和含铝废料粉体；
(2)富碳生物质材料经预处理后破碎并粉磨1h～3h，得到富碳生物质粉体；
(3)按配方称取55～75份富镁废渣粉体、10～35份含铝废料粉体和10～15份富碳生物质粉体，混合、球磨得到混合粉料，装袋备用；
(4)将混合粉料混匀、成型，得到生坯 ；
(5)将生坯埋在含碳匣钵中，置于高温炉中，在埋碳气氛中升温烧成，冷却至室温即得。
上述步骤(2)中，预处理过程为：将富碳生物质材料用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净。
较优的，步骤(4)中，在混合粉料中加工业废液，混匀、成型，得到生坯 。工业废液可为纸浆废液、制革废液中的一种；成型方法优选为模压成型。
上述步骤(5)中，升温烧成时采用程序升温，升温程序为：以2～6℃/min的速率由室温升温至500℃，保温30～70min，再以5～8℃/min的升温速度升至1400℃～ 1650℃，保温120～180min。
本发明的一个最佳方案是：以68份富镁废渣、20份含铝废料、12份富碳生物质材料为原料；烧成程序：20℃～500℃，升温96min，500℃保温60min，500℃～ 1600℃，升温170min，1600℃保温2h，自然冷却到室温。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的耐火材料不仅有优良的物理化学性能及高温性能(气孔率小于0.42％，体积密度大于3.25g/cm3，抗压强度为45～75MPa，耐火度1450～1750℃，抗热震(1400℃，水冷)4～8次)，而且还有良好的导电性，其电阻率可达1.32×10-4～2.12×10-4Ω·m，具有一般耐火材料无法应用的领域，如电解槽、溶解槽、高炉炉底电极等；(2)本发明所用原料主要为工业固体废弃物，生产成本低廉，同时能降低对环境的污染，提高对废弃物的综合利用；(3) 本发明所采用的富碳生物质材料是稻壳、秸秆、木炭中的一种，在高温埋炭气氛中，生物质材料被煅烧炭化成为导电因子，使得耐火材料具有良好的导电性，同时提高了对农作物的综合利用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
以下实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售产品。
实施例1
原料：镍渣、铬渣、煤矸石、稻壳，四者质量比为20:35:35:10。
制备方法：
(1)原料预处理：镍渣、铬渣、煤矸石破碎并粉磨0.5～4h，得到镍渣、铬渣、煤矸石粉体；稻壳用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净，最后破碎并粉磨1h～3h，得到稻壳粉体。
(2)球磨混料：将镍渣粉、铬渣粉、煤矸石粉、稻壳粉按质量比20:35:35:10称取，球磨2h；
(3)成型：模压成型，得到坯体；
(4)烧成：20℃～500℃，升温96min，500℃保温30min，500℃～1500℃，升温150min，1500℃保温160min，自然冷却到室温。
制得的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料按重量百分数计组分含量为SiO232.5％、 MgO 35.5％、Al2O3 20％、C 9％、Fe2O3 1.55％、CaO 0.46％、其他(K、Na及其他一些杂质)0.99％。
性能测试：采用阿基米德定律测得导电耐火材料的气孔率为0.22％、密度3.35g/cm3，采用万能试验机测得其抗压强度为65.00Mpa，电阻率2.12×10-4Ω·m，耐火度1650℃，抗热震(1400℃，水冷)6次。
实施例2
原料：铬渣、废镁砖、污泥、秸秆，四者质量比为30:45:10:15。
制备方法：
(1)原料预处理：铬渣、废镁砖、污泥破碎并粉磨0.5～4h，得到铬渣、废镁砖、污泥粉体；秸秆用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净，最后破碎并粉磨1h～3h，得到秸秆粉体。
(2)球磨混料：将铬渣粉、废镁砖粉、污泥粉、秸秆粉按质量比30:45:10:15称取，球磨2h；
(3)成型：模压成型，得到坯体；
(4)烧成：20℃～500℃，升温96min，500℃保温30min，500℃～1550℃，升温160min，1550℃保温150min，自然冷却到室温。
制得的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料按重量百分数计组分含量为SiO217.5％、 MgO 51.5％、Al2O3 15％、C12％、Fe2O3 1.75％、CaO 0.86％、其他(K、Na及其他一些杂质)1.39％。
性能测试：采用阿基米德定律测得导电耐火材料的气孔率为0.32％、密度3.32g/cm3，采用万能试验机测得其抗压强度为45.00Mpa，电阻率1.35×10-4Ω·m，耐火度1700℃，抗热震(1400℃，水冷)7次。
实施例3
原料：镍渣、废镁砖、粉煤灰、木炭，四者质量比为25:40:22.5:12.5。
制备方法：
(1)原料预处理：镍渣、废镁砖破碎并粉磨0.5～4h，得到镍渣、废镁砖粉体。木炭用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净，最后破碎并粉磨1h～3h，得到木炭粉体。
(2)球磨混料：将镍渣粉、废镁砖粉、粉煤灰粉、木炭粉按质量比25:40:22.5:12.5称取，球磨2h；
(3)成型：模压成型，得到坯体；
(4)烧成：20℃～500℃，升温96min，500℃保温30min，500℃～1400℃，升温150min，1400℃保温150min，自然冷却到室温。
制得的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料按重量百分数计组分含量为SiO227％、 MgO 45％、Al2O3 16％、C 8％、Fe2O3 1.45％、CaO 0.58％、其他(K、Na及其他一些杂质)1.97％。
性能测试：采用阿基米德定律测得导电耐火材料的气孔率为0.21％、密度3.29g/cm3，采用万能试验机测得其抗压强度为62.00Mpa，电阻率1.31×10-4Ω·m，耐火度1450℃，抗热震(1400℃，水冷)4次。
实施例4
原料：镍渣、废镁砖、煤矸石、稻壳，四者质量比为20:48:20:12。
制备方法：
(1)原料预处理：镍渣、废镁砖、煤矸石破碎并粉磨0.5～4h，得到镍渣、废镁砖、煤矸石粉体。稻壳用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净，最后破碎并粉磨1h～3h，得到稻壳粉体。
(2)球磨混料：将镍渣粉、废镁砖粉、煤矸石粉、稻壳粉按质量比20:48:20:12称取，球磨2h；
(3)成型：模压成型，得到坯体；
(4)烧成：20℃～500℃，升温96min，500℃保温30min，500℃～1650℃，升温170min，1650℃保温170min，自然冷却到室温。
制得的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料按重量百分数计组分含量为SiO223％、 MgO 48％、Al2O3 15％、C 11％、Fe2O3 1.42％、CaO 0.78％、其他(K、Na及其他一些杂质)0.8％。
性能测试：采用阿基米德定律测得导电耐火材料的气孔率为0.12％、密度3.57g/cm3，采用万能试验机测得其抗压强度为75.00Mpa，电阻率1.32×10-4Ω·m，耐火度1750℃，抗热震(1400℃，水冷)8次。

Claims (7)

1.一种以工业废渣为原料的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料，其特征在于，该导电耐火材料按重量百分数计包括下述组分：
Figure FDA0002308646100000011
所述导电耐火材料主要由如下重量份的原料制成：68份富镁废渣、20份含铝废料以及12份富碳生物质材料；
其制备方法包括下述步骤：
(1)富镁废渣、含铝废料破碎并粉磨0.5～4h，得到富镁废渣粉体和含铝废料粉体；
(2)富碳生物质材料经预处理后破碎并粉磨1h～3h，得到富碳生物质粉体；
(3)按配方称取68份富镁废渣粉体、20份含铝废料粉体和12份富碳生物质粉体，混合、球磨得到混合粉料；
(4)将混合粉料混匀、成型，得到生坯 ；
(5)将生坯埋在含碳匣钵中，置于高温炉中，在埋碳气氛中升温烧成，冷却至室温即得；烧成程序为：20℃～500℃，升温96min，500℃保温60min，500℃～1600℃，升温170min，1600℃保温2h，自然冷却到室温。
2.根据权利要求1所述的以工业废渣为原料的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料，其特征在于，所述富镁废渣为镍渣、铬渣、硅锰渣、废镁砖中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的以工业废渣为原料的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料，其特征在于，所述含铝废料为粉煤灰、煤矸石、污泥、流化床煤灰中的一种。
4.根据权利要求1所述的以工业废渣为原料的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料，其特征在于，所述富碳生物质材料为稻壳、秸秆、木炭中的一种。
5.根据权利要求1所述的以工业废渣为原料的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料，其特征在于，步骤(2)中，所述预处理过程为：将富碳生物质材料用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净。
6.根据权利要求1所述的以工业废渣为原料的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料，其特征在于，步骤(4)中，在所述混合粉料中加工业废液，混匀、成型，得到生坯 。
7.根据权利要求6所述的以工业废渣为原料的镁橄榄石-尖晶石-碳导电耐火材料，其特征在于，所述工业废液为纸浆废液或制革废液，成型方法为模压成型。
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