CN108191404A - 一种氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料及制备方法 - Google Patents

一种氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氮化硅铁‑方镁石‑镁铝尖晶石复合材料及制备方法，属于耐火材料领域。该材料按重量百分比计的原料组成为72‑95%的高纯镁砂，5‑18%的镁铝尖晶石，5‑25%的氮化硅铁，外加上述原料总量2‑5%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。生产时按配比称取各种原料，混合均匀，经混料得到泥料，然后压制成型，在80 ℃‑200 ℃下干燥6‑25 h，于1350‑1650 ℃隧道窑中高温烧成。本发明产品具有强度高、荷重软化温度高、耐磨性好、热震稳定性好、抗侵蚀性和抗渗透性好、抗剥落性好、挂窑皮性能好、抗氧化还原性好等优异的性能，能够满足水泥窑焚烧工业垃圾的使用环境。

Description

一种氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及制备一种水泥窑用耐火材料，尤其涉及一种氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料及制备方法，属于耐火材料领域。
背景技术
由于镁铬砖的“铬公害”问题日益突显，水泥窑用耐火材料的无铬化研究备受关注。随着水泥窑共处置技术的发展，水泥窑将会由单纯烧制水泥的窑炉转变为消纳各种工业废料和生活垃圾的综合性窑炉，废用物燃烧时排放多种废气对水泥窑的长寿化及多功能化使用提出了新的要求，也使得水泥窑用耐火材料的无铬化研究更具挑战性。
MgO-Al2O3-FeO n 体系的耐火材料以其优异的性能成为目前国内水泥窑用主要的无铬碱性耐火材料。自上世纪70年代中期开始，方镁石-镁铝尖晶石砖以其良好的热震稳定性及耐磨性广泛应用于国内外水泥窑的过渡带。但是由于难以形成稳定的窑皮以及导热系数大等问题，严重限制了其在水泥窑烧成带的使用。众多学者通过引入铁的氧化物的方式来实现对方镁石-镁铝尖晶石砖的改性研究。铁氧化物的引入方式主要有两种：铁铝尖晶石和高铁镁砂。以铁铝尖晶石为铁氧化物来源的方镁石-铁铝尖晶石砖具有良好的抗热震稳定性、结构韧性以及挂窑皮性，在水泥窑的生产和使用过程中已取得不错的效果。但是高纯铁铝尖晶石合成困难且难检测和评价，其中常有Fe3O4和Fe2O3-Al2O3等相的共存。铁氧化物的变价所引起的结构变化等问题也影响了方镁石-铁铝尖晶石砖在水泥窑烧成带的长寿稳定使用。
发明内容
本发明提供了一种氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料及制备方法，该复合材料具有强度高、荷重软化温度高、耐磨性好、热震稳定性好、抗侵蚀性和抗渗透性好、抗剥落性好、挂窑皮性能好、抗氧化还原性好等优异的性能，能够满足水泥窑焚烧工业垃圾的使用环境。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料及制备方法，其特征在于：按重量百分比计，72-95%的高纯镁砂，5-18%的镁铝尖晶石，5-25%的氮化硅铁，外加上述原料总量2-5%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。
所述高纯镁砂有3-1 mm、1-0 mm、≤0.088 mm三种粒度，所述镁铝尖晶石有3-1mm、1-0 mm两种粒度，所述氮化硅铁的粒度为≤0.088 mm，不同粒度的比例为：1≤粒度≤3mm，44-66%；0≤粒度≤1 mm，18-30%；0≤粒度≤0.088 mm 17-30%。
上述氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料的制备方法，其特征在于：生产时按配比称取各种原料，混合均匀，经混料得到泥料，然后压制成型，在80 ℃-200 ℃下干燥6-25 h，于1350-1650 ℃隧道窑中高温烧成。
本发明的有益效果为：氮化硅铁是氮化硅与铁及硅铁的复合材料，由于金属及其合金相的存在，在常温压制成型时金属的塑性使刚性成型转变为塑性成型，提高制坯的密度和降低气孔率；在烧结过程，金属液化或软化，充填空隙，起助烧剂作用，提高制品致密度。氮化硅为非氧化物，具有熔点高、耐磨性好、抗侵蚀性好等特点，起到强化基质的作用，使得材料具有优异的抗侵蚀性、抗渗透性、抗剥落性、耐磨性和高的荷重软化温度。Si3N4高温下被氧化为Si2N2O，两者均为高熔点化合物；Fi3Si高温抗氧化性好，方镁石和镁铝尖晶石均为化学稳定的化合物，本产品具有优异的抗氧化还原性能。方镁石和镁铝尖晶石的热膨胀系数的差异及金属塑性相的存在，使得材料具有优异的热震稳定性。由于Fe元素的存在，在高温下与水泥熟料接触时，能与CaO反应生成铁酸钙和铁铝酸钙，两者的粘度较高，有利于水泥熟料附着在耐火砖表面，进而形成稳定的窑皮，材料具有优异的挂窑皮性能。本发明产品优异的性能指标：显气孔率12-18%、体积密度2.90-3.25 g/cm3、常温耐压强度80-150MPa、荷重软化温度大于1700 ℃，热震稳定性（1100 ℃，水冷）大于15次，具有耐磨性好、抗侵蚀性和抗渗透性好、抗剥落性好、挂窑皮性能好、抗氧化还原性好等优异的性能指标，能够满足水泥窑焚烧工业垃圾的使用，同时也能满足生产工艺不稳定、频繁停窑而造成不能形成稳定窑皮的回转窑的使用。
具体实施方式
实施例1
一种氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料及制备方法，其特征在于：按重量百分比计，87%的高纯镁砂，6%的镁铝尖晶石，7%的氮化硅铁，外加上述原料总量3%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。
生产时按配比称取各种原料，混合均匀，经混料得到泥料，然后压制成型，在80℃-200 ℃下干燥6-25 h，于1350-1650 ℃隧道窑中高温烧成。
所述高纯镁砂有3-1 mm、1-0 mm、≤0.088 mm三种粒度，所述镁铝尖晶石有3-1mm、1-0 mm两种粒度，所述氮化硅铁的粒度为≤0.088 mm。
所得产品的性能指标为：显气孔率16.8%、体积密度2.94 g/cm3、常温耐压强度85MPa、荷重软化温度大于1700 ℃，热震稳定性（1100 ℃，水冷）16次，其耐磨性、抗侵蚀性、抗渗透性、抗剥落性、挂窑皮性能、抗氧化还原性均较好。
实施例2
生产工艺和实施例1相同，不同之处在于：
按重量百分比计，原料组成为：85%的高纯镁砂，6%的镁铝尖晶石，9%的氮化硅铁，外加上述原料总量3%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。
所得产品的性能指标为：显气孔率16.4%、体积密度2.97 g/cm3、常温耐压强度92MPa、荷重软化温度大于1700 ℃，热震稳定性（1100 ℃，水冷）17次，其耐磨性、抗侵蚀性、抗渗透性、抗剥落性、挂窑皮性能、抗氧化还原性均较好。
实施例3
生产工艺和实施例1相同，不同之处在于：
按重量百分比计，原料组成为：82%的高纯镁砂，6%的镁铝尖晶石，12%的氮化硅铁，外加上述原料总量3%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。
所得产品的性能指标为：显气孔率15.5%、体积密度3.02 g/cm3、常温耐压强度96MPa、荷重软化温度大于1700 ℃，热震稳定性（1100 ℃，水冷）17次，其耐磨性、抗侵蚀性、抗渗透性、抗剥落性、挂窑皮性能、抗氧化还原性均较好。
实施例4
生产工艺和实施例1相同，不同之处在于：
按重量百分比计，原料组成为：79%的高纯镁砂，6%的镁铝尖晶石，15%的氮化硅铁，外加上述原料总量3%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。
所得产品的性能指标为：显气孔率14.9%、体积密度3.15 g/cm3、常温耐压强度106MPa、荷重软化温度大于1700 ℃，热震稳定性（1100 ℃，水冷）20次，其耐磨性、抗侵蚀性、抗渗透性、抗剥落性、挂窑皮性能、抗氧化还原性均较好。
实施例5
生产工艺和实施例1相同，不同之处在于：
按重量百分比计，原料组成为：82%的高纯镁砂，8%的镁铝尖晶石，10%的氮化硅铁，外加上述原料总量3%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。
所得产品的性能指标为：显气孔率14.4%、体积密度3.17 g/cm3、常温耐压强度110MPa、荷重软化温度大于1700 ℃，热震稳定性（1100 ℃，水冷）19次，其耐磨性、抗侵蚀性、抗渗透性、抗剥落性、挂窑皮性能、抗氧化还原性均较好。
实施例6
生产工艺和实施例1相同，不同之处在于：
按重量百分比计，原料组成为：78%的高纯镁砂，10%的镁铝尖晶石，12%的氮化硅铁，外加上述原料总量3%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。
所得产品的性能指标为：显气孔率13.8%、体积密度3.21 g/cm3、常温耐压强度118MPa、荷重软化温度大于1700 ℃，热震稳定性（1100 ℃，水冷）19次，其耐磨性、抗侵蚀性、抗渗透性、抗剥落性、挂窑皮性能、抗氧化还原性均较好。
实施例7
生产工艺和实施例1相同，不同之处在于：
按重量百分比计，原料组成为：76%的高纯镁砂，12%的镁铝尖晶石，12%的氮化硅铁，外加上述原料总量3%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。
所得产品的性能指标为：显气孔率13.6%、体积密度3.22 g/cm3、常温耐压强度125MPa、荷重软化温度大于1700 ℃，热震稳定性（1100 ℃，水冷）18次，其耐磨性、抗侵蚀性、抗渗透性、抗剥落性、挂窑皮性能、抗氧化还原性均较好。
实施例8
生产工艺和实施例1相同，不同之处在于：
按重量百分比计，原料组成为：71%的高纯镁砂，13%的镁铝尖晶石，16%的氮化硅铁，外加上述原料总量3%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。
所得产品的性能指标为：显气孔率13.2%、体积密度3.25 g/cm3、常温耐压强度145MPa、荷重软化温度大于1700 ℃，热震稳定性（1100 ℃，水冷）22次，其耐磨性、抗侵蚀性、抗渗透性、抗剥落性、挂窑皮性能、抗氧化还原性均较好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料及制备方法，其特征在于：按重量百分比计，72-95%的高纯镁砂，5-18%的镁铝尖晶石，5-25%的氮化硅铁，外加上述原料总量2-5%的亚硫酸纸浆废液为结合剂。
2.如权利要求1所述的氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料，其特征在于：所述高纯镁砂有3-1 mm、1-0 mm、≤0.088 mm三种粒度，所述镁铝尖晶石有3-1 mm、1-0 mm两种粒度，所述氮化硅铁的粒度为≤0.088 mm，不同粒度的比例为：1≤粒度≤3 mm，44-66%；0≤粒度≤1 mm，18-30%；0≤粒度≤0.088 mm 17-30%。
3.根据权利要求1或2所述的氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料的制备方法，其特征在于：生产时按配比称取各种原料，混合均匀，经混料得到泥料，然后压制成型，在80 ℃-200 ℃下干燥6-25 h，于1350-1650 ℃隧道窑中高温烧成。
4.根据权利要求1或2所述的氮化硅铁-方镁石-镁铝尖晶石复合材料，其特征在于：具有强度高、荷重软化温度高、耐磨性好、热震稳定性好、抗侵蚀性和抗渗透性好、抗剥落性好、挂窑皮性能好、抗氧化还原性好等优异的性能，能够满足水泥窑焚烧工业垃圾的使用环境，为水泥窑烧成带提供了一种新型的无铬化产品。
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