CN108329020A - 低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体及其制备方法，低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体由以下组分及各组分质量份烧成：白刚玉粉：55份～60份；莫来石：8份～10份；a—AL2O3粉：10份～15份；SiO2粉：2份～3份；磷酸三钙：10份～15份；高温粘接剂：4份～5份。本发明具有高材料致密/低气孔率、高耐高温性能/高化学反应热、高抗渗透能力/低吸附力/高解附能力、低制造成本、节能率高，烟气排放温度低、使用寿命长。

Description

低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体及其制备方法，属于蓄热式金属熔炼炉用工业特种陶瓷技术领域。
背景技术
目前，以传统蜂窝陶瓷蓄热体/陶瓷小球为基本载体的蓄热式高温空气燃烧新技术(HTAC)已广泛用于钢铁冶金、石油化工、精密锻造、环保滤化等各种蓄热式加热设备中，它既能提高燃烧效果，节约能源，又能减少NOX类气体排放，有效避免环境污染。
但是长期以来，传统蜂窝陶瓷蓄热体一直无法应用于熔铝炉等蓄热式金属熔炼炉上，具体原因是挤压成型致其结构疏松，化学反应热低容易被吸附质，从而堵塞孔洞，孔洞堵塞以后蓄热体自身过热，结构软化最终导致破损坍塌。
以熔铝炉为例，其在使用过程中，铝液达到沸点以后，会产生大量由低熔点物挥发份、其他杂质和废气混杂的铝蒸汽。该铝蒸汽是金属铝在高温高压作用下的化学混合物，活化性强、渗透力强、吸附力强，能轻易通过微孔进入蓄热体内部，遇冷凝固后，能够吸附在铝质蓄热体上，轻易堵塞蓄热体孔道和蓄热箱空气通道，同时其他低熔点物质在高温环境下通过微孔进去并破坏其他铝基耐火材料，改变其成分，使其反应分解。因此目前国内的蓄热式熔铝炉等金属熔炼炉主要是以陶瓷小球为蓄热载体，防止堵塞，即便如此，陶瓷小球仍需要定期清洗，不但使用麻烦，且维护成本非常高。
目前，国内蓄热式金属熔炼炉的传统蜂窝陶瓷蓄热体使用寿命不超过6个月，其中蓄热式熔铝炉的情况尤为严重，平均使用寿命不超过3个月，即使是在使用陶瓷小球为蓄热载体的情况下，也必须定期清理，最常使用周期不超过9个月，维护难度大，运行成本高。
针对传统蜂窝陶瓷蓄热体结构疏松，容易被低熔点物质吸附，并堵塞孔洞的情况，国内有生产企业开发了如“一种锆铬刚玉质新型蜂窝陶瓷蓄热体(200710034984.5)”的专利技术，通过添加锆(ZrO2)、铬(Cr2O3)等元素材料，意在通过材料配方的变化增强传统蜂窝陶瓷蓄热体的体积密度，减少气孔率，但是由于基本的制备方法没有改变，依然采用挤压成型的方法，导致所制备的蜂窝陶瓷蓄热体依然存在结构疏松且抗侵蚀能力不强的问题，特别挤压蜂窝陶瓷蓄热体一般孔径在3到4㎜左右，为角度孔，附着物非常容易挂壁堵塞孔洞，孔洞堵塞以后，温度骤然升高，超过蓄热体自身负荷，使其变形软化，最终坍塌。同时，国内有生产企业针还有开发了如“一种不粘铝浇注料(CN201510015768.0)的专利技术，同样是通过微粉材料粒径优化、颗粒增强等手段，以其实现材料长寿命使用的目的，但是都没有从配方及生产工艺上解决根本问题。所以目前，我国的蓄热式金属熔炼炉90％以上依然采用陶瓷小球蓄热。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体，它具有高材料致密/低气孔率、高耐高温性能/高化学反应热、高抗渗透能力/低吸附力/高解附能力、低制造成本、节能率高，烟气排放温度低、使用寿命长。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体，它由以下组分及各组分质量份烧成：
白刚玉粉：55份～60份；
莫来石：8份～10份；
a—AL2O3粉：10份～15份；
SiO2粉：2份～3份；
磷酸三钙：10份～15份；
高温粘接剂：4份～5份。
进一步，烧制完成以后的成品中各化学成分及各化学成分的质量百分比如下：
AL2O3：75.5％～79.5％；
SiO2：4.2％～4.5％；
MgO：1％～2％；
CaO：7.5％～10％；
其余为杂质，总计100％。
所述杂质中含有Fe2O3、Na2O和K2O。
进一步，所述白刚玉粉为电熔白刚玉研磨粉，其AL2O3含量≥99.9wt％，微粉粒径为30—50目。该材料主要提高所制备蓄热体的耐火度和耐温度。
进一步，所述高温粘接剂为磷酸盐无机物结合剂，该材料主要是提高所制备蓄热体预混材料的粘合程度，并在高温状态下形成分子间的团状弥合组织结构，可以增加低温金属挥发物(如铝蒸汽)的润滑角，有效提高抗低温金属挥发物(如铝蒸汽)的渗透性，提高材料的使用寿命。
进一步，所述白刚玉粉为电熔白刚玉研磨粉，其AL2O3含量≥99.9wt％，微粉粒径为30—50目；所述的莫来石为电熔莫来石研磨粉，其AL203含量≥85wt％，微粉粒径为100—120目，该材料主要提高所制备蓄热体的热震稳定性；所述a—AL2O3粉为煅烧氧化铝微粉，其AL2O3含量≥99wt％，微粉粒径为200—300目，该材料主要提高所制备蓄热体的分子结合程度；所述SiO2粉为高纯度硅微粉，其SiO2含量≥99.999％，粒径为200—300目，该材料主要是提高所制备蓄热体的结构强度和导热速率，使得所制备的蓄热体具备良好的传热性能；所述的磷酸三钙的微粉粒径为150—200目，该材料在高温环境下高度致密，能够使蓄热体表面高度硬化，极大降低蓄热体微气孔率，使表面气孔率降低到1％以下，阻止低温金属挥发物(如铝空气)通过微孔进入材料内部，有效降低附着率；为本蓄热体关键材料，这种材料一旦烧结，蓄热体的吸水率可降到0.5％以下；白刚玉粉、莫来石、a—AL2O3粉、SiO2粉和磷酸三钙配成的总物料中的AL2O3含量≥80wt％，烧前堆积密度比为2.5—2.7g/cm3，体积密度比为1.4—1.5g/cm3，材料自身真密度比为2.7—2.9g/cm3。
本发明还提供了一种低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法，方法含有的步骤如下：
将各质量份的白刚玉粉、莫来石和a—AL2O3粉进行预混搅拌20—25分钟，然后加入相应质量份的SiO2粉以增强干粉料的流动性，继续搅拌10—15分钟，使物料充分搅拌均匀，然后加入相应质量份的高温粘接剂，再行搅拌10—15分钟，然后再使用对辊辗轧设备进行混碾，混碾之后陈腐，然后将陈腐后的物料放入模具当中，在90～120Mpa条件下压制成型；成型后的坯体在温度为120℃～150℃的环境下烘干，再在温度为1350℃～1450℃的环境下烧成，得到成品。烘干工艺为连续式烘干，通过本制备方法成型的蓄热体，可以直接利用余热进行烘干，经过烘干以后水份≤2.5％，具备较好的机械应力强度，无需通过微波二次定型烘干，有效降低了能耗。
进一步，模具的加工公差在±0.1㎜以内，模具的耐压强度≥200Mpa，为可重复使用高强度制模，机压成型。该模具在生产过程中无需拆装，可实现自动化配料和自动化生产，机压成型工艺工装当前挤压成型工艺工装效率提高3倍。
进一步，烧成工艺为连续式烧成，烧成以后的产品：烧成以后堆积密度比为2.6—2.8g/cm3，体积密度比为1.5—1.6g/cm3，材料自身真密度比为2.9—3g/cm3，抗压强度为30—40Mpa。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下优点：
(1)高材料致密和低气孔率表现在采用不同高密度分子材料，同时调整材料中的超微粉粒径和比例，粒度分布峰值，使材料强度增加密度增大；
(2)高耐高温性能和高化学反应热体现在采用高性能氧化铝及白刚玉等高温特种耐火材料，使材料自身耐高温性能提升。
(3)高表抗渗透能力、低吸附力和高解附能力表现在，材料中添加了磷酸三钙，磷酸三钙在高温燃烧后使材料表面高度致密，能够使材料表面光洁度增加，滑度增强，使吸附物无法附着，实现低吸附力和低吸水率的特性。同时由于材料自身的化学反应热高于附着物，附着物能够被有效解附。
(4)低质早成本表现在模具压制可以实现自动化生产，比人工挤压更高效。
(5)节能率高体和烟气排放温度低现在该蓄热体体积密度大，所储存的热能增加，故排放的烟气温度较低，节能效果好。
(6)使用寿命长体现在其体积密度大、机械能力强、抗渗透能力强，加入莫来石成分后热震稳定性好，抗急冷急热能力强。
(7)该蓄热体的吸水率≤0.3％。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
一种低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体，它由以下组分及各组分质量份烧成：
白刚玉粉：60份；
莫来石：8份；
a—AL2O3粉：14份；
SiO2粉：3份；
磷酸三钙：10份；
高温粘接剂：5份。
烧制完成以后的成品中各化学成分及各化学成分的质量百分比如下：
AL2O3：79.5％；
SiO2：4.5％；
MgO：2％；
CaO：7.5％；
其余为杂质，总计100％。
所述杂质中含有Fe2O3、Na2O和K2O。
所述高温粘接剂为磷酸盐无机物结合剂，该材料主要是提高所制备蓄热体预混材料的粘合程度，并在高温状态下形成分子间的团状弥合组织结构，可以增加低温金属挥发物(如铝蒸汽)的润滑角，有效提高抗低温金属挥发物(如铝蒸汽)的渗透性，提高材料的使用寿命。
所述白刚玉粉为电熔白刚玉研磨粉，其AL2O3含量≥99.9wt％，微粉粒径为30—50目，该材料主要提高所制备蓄热体的耐火度和耐温度。；所述的莫来石为电熔莫来石研磨粉，其AL203含量≥85wt％，微粉粒径为100—120目，该材料主要提高所制备蓄热体的热震稳定性；所述a—AL2O3粉为煅烧氧化铝微粉，其AL2O3含量≥99wt％，微粉粒径为200—300目，该材料主要提高所制备蓄热体的分子结合程度；所述SiO2粉为高纯度硅微粉，其SiO2含量≥99.999％，粒径为200—300目，该材料主要是提高所制备蓄热体的结构强度和导热速率，使得所制备的蓄热体具备良好的传热性能；所述的磷酸三钙的微粉粒径为150—200目，该材料在高温环境下高度致密，能够使蓄热体表面高度硬化，极大降低蓄热体微气孔率，使表面气孔率降低到1％以下，阻止低温金属挥发物(如铝空气)通过微孔进入材料内部，有效降低附着率；为本蓄热体关键材料，这种材料一旦烧结，蓄热体的吸水率可降到0.5％以下；白刚玉粉、莫来石、a—AL2O3粉、SiO2粉和磷酸三钙配成的总物料中的AL2O3含量≥80wt％，烧前堆积密度比为2.5—2.7g/cm3，体积密度比为1.4—1.5g/cm3，材料自身真密度比为2.7—2.9g/cm3。
一种低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法，方法含有的步骤如下：
将各质量份的白刚玉粉、莫来石和a—AL2O3粉进行预混搅拌20分钟，然后加入相应质量份的SiO2粉以增强干粉料的流动性，继续搅拌10分钟，使物料充分搅拌均匀，然后加入相应质量份的高温粘接剂，再行搅拌10分钟，然后再使用对辊辗轧设备进行混碾，混碾之后陈腐，然后将陈腐后的物料放入已经打好黄油的模具当中进行压制成型，成型压力为90Mpa，静压30s，成型试块采用100*100*100mm标准蜂窝体外形，孔道采用圆孔，其中孔径6mm，孔距1.8mm；成型后的坯体装入连续式烘房当中，在温度为120℃～150℃的环境下48小时烘干，出坯水份控制在2.5％以下；再在温度为1450℃的环境下烧成，得到成品。其中，高温粘接剂的浓度为85％，高温粘接剂为磷酸二氢铝溶液。
烘干工艺为连续式烘干，通过本制备方法成型的蓄热体，可以直接利用余热进行烘干，经过烘干以后水份≤2.5％，具备较好的机械应力强度，无需通过微波二次定型烘干，有效降低了能耗。
烧成时，使用连续式隧道窑进行烧制，先以3—4℃/min的升温速率加热至500℃，再以4—6℃的升温速率至1200℃，再以150℃/h的升温速率至1450℃，并在1450℃的高温条件下保温3小时，再以200℃/h的速率降温到900℃，后缓慢降温直至出窑.自然冷却。烧成后得到的试块收缩比为1％以下，长、宽、高均-1㎜。
模具的加工公差在±0.1㎜以内，模具的耐压强度≥200Mpa，为可重复使用高强度制模，机压成型。该模具在生产过程中无需拆装，可实现自动化配料和自动化生产，机压成型工艺工装当前挤压成型工艺工装效率提高3倍。
烧成工艺为连续式烧成，烧成以后的产品：烧成以后堆积密度比为2.6—2.8g/cm3，体积密度比为1.5—1.6g/cm3，材料自身真密度比为2.9—3g/cm3，抗压强度为30—40Mpa。
实施例二
一种低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体，它由以下组分及各组分质量份烧成：
白刚玉粉：55份；
莫来石：10份；
a—AL2O3粉：14份；
SiO2粉：2份；
磷酸三钙：15份；
高温粘接剂：5份。
烧制完成以后的成品中各化学成分及各化学成分的质量百分比如下：
AL2O3：75.5％；
SiO2：4.2％；
MgO：2％；
CaO：10％；
其余为杂质，总计100％。
所述杂质中含有Fe2O3、Na2O和K2O。
所述高温粘接剂为磷酸盐无机物结合剂，该材料主要是提高所制备蓄热体预混材料的粘合程度，并在高温状态下形成分子间的团状弥合组织结构，可以增加低温金属挥发物(如铝蒸汽)的润滑角，有效提高抗低温金属挥发物(如铝蒸汽)的渗透性，提高材料的使用寿命。
所述白刚玉粉为电熔白刚玉研磨粉，其AL2O3含量≥99.9wt％，微粉粒径为30—50目，该材料主要提高所制备蓄热体的耐火度和耐温度。；所述的莫来石为电熔莫来石研磨粉，其AL203含量≥85wt％，微粉粒径为100—120目，该材料主要提高所制备蓄热体的热震稳定性；所述a—AL2O3粉为煅烧氧化铝微粉，其AL2O3含量≥99wt％，微粉粒径为200—300目，该材料主要提高所制备蓄热体的分子结合程度；所述SiO2粉为高纯度硅微粉，其SiO2含量≥99.999％，粒径为200—300目，该材料主要是提高所制备蓄热体的结构强度和导热速率，使得所制备的蓄热体具备良好的传热性能；所述的磷酸三钙的微粉粒径为150—200目，该材料在高温环境下高度致密，能够使蓄热体表面高度硬化，极大降低蓄热体微气孔率，使表面气孔率降低到1％以下，阻止低温金属挥发物(如铝空气)通过微孔进入材料内部，有效降低附着率；为本蓄热体关键材料，这种材料一旦烧结，蓄热体的吸水率可降到0.5％以下；白刚玉粉、莫来石、a—AL2O3粉、SiO2粉和磷酸三钙配成的总物料中的AL2O3含量≥80wt％，烧前堆积密度比为2.5—2.7g/cm3，体积密度比为1.4—1.5g/cm3，材料自身真密度比为2.7—2.9g/cm3。
一种低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法，方法含有的步骤如下：
将各质量份的白刚玉粉、莫来石和a—AL2O3粉进行预混搅拌25分钟，然后加入相应质量份的SiO2粉以增强干粉料的流动性，继续搅拌15分钟，使物料充分搅拌均匀，然后加入相应质量份的高温粘接剂，再行搅拌15分钟，然后再使用对辊辗轧设备进行混碾，混碾之后陈腐，然后将陈腐后的物料放入已经打好黄油的模具当中进行压制成型，成型压力为90Mpa，静压30s，成型试块采用100*100*100mm标准蜂窝体外形，孔道采用圆孔，其中孔径6㎜，孔距1.8㎜；成型后的坯体装入连续式烘房当中，在温度为120℃～150℃的环境下48小时烘干，出坯水份控制在2.5％以下；再在温度为1350℃的环境下烧成，得到成品。其中，植物淀粉溶解物的浓度为15％，高温粘接剂的浓度为85％，高温粘接剂为磷酸二氢铝溶液。
烘干工艺为连续式烘干，通过本制备方法成型的蓄热体，可以直接利用余热进行烘干，经过烘干以后水份≤2.5％，具备较好的机械应力强度，无需通过微波二次定型烘干，有效降低了能耗。
烧成时，使用连续式隧道窑进行烧制，先以3—4℃/min的升温速率加热至500℃，再以4—6℃的升温速率至1200℃，再以150℃/h的升温速率至1350℃，并在1350℃的高温条件下保温3小时，再以200℃/h的速率降温到900℃，后缓慢降温直至出窑.自然冷却。烧成后得到的试块收缩比为1.4％以下，长、宽、高均-1.4㎜。
模具的加工公差在±0.1㎜以内，模具的耐压强度≥200Mpa，为可重复使用高强度制模，机压成型。该模具在生产过程中无需拆装，可实现自动化配料和自动化生产，机压成型工艺工装当前挤压成型工艺工装效率提高3倍。
烧成工艺为连续式烧成，烧成以后的产品：烧成以后堆积密度比为2.6—2.8g/cm3，体积密度比为1.5—1.6g/cm3，材料自身真密度比为2.9—3g/cm3，抗压强度为30—40Mpa。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上两个实施例制备的蜂窝陶瓷蓄热体各项技术指标是：
名称/序号 实施例一 实施例二
耐火度(℃) 1750℃ 1800℃
使用温度(℃) 1500℃ 1550℃
热容量(20一1000℃)/J/KgK 2200—2275 2400—2475
抗震热稳定性(850℃水冷) 20 20
真密度(g/cm3) 2.9 3.0
体积密度(g/cm3) 1.6 1.5
吸水率 0.3％ 0.3％
从上表所显示数据，本发明的蜂窝陶瓷蓄热体具备高材料致密/低气孔率、高耐高温性能/高化学反应热、高抗渗透能力/低吸附力/高解附能力、低制造成本、节能率高，烟气排放温度低、使用寿命长的特点。
对照实施例一和实施例二的方法制备得到的蜂窝陶瓷蓄热体，综合其数据对比，实施例一更具有技术优势，为优选方案。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体，其特征在于它由以下组分及各组分质量份烧成：
白刚玉粉：55份～60份；
莫来石：8份～10份；
a—AL2O3粉：10份～15份；
SiO2粉：2份～3份；
磷酸三钙：10份～15份；
高温粘接剂：4份～5份。
2.根据权利要求1所述的低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体，其特征在于：烧制完成以后的成品中各化学成分及各化学成分的质量百分比如下：
AL2O3：75.5％～79.5％；
SiO2：4.2％～4.5％；
MgO：1％～2％；
CaO：7.5％～10％；
其余为杂质，总计100％。
3.根据权利要求2所述的低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体，其特征在于：所述杂质中含有Fe2O3、Na2O和K2O。
4.根据权利要求1所述的低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体，其特征在于：所述白刚玉粉为电熔白刚玉研磨粉，其AL2O3含量≥99.9wt％，微粉粒径为30—50目。
5.根据权利要求1所述的低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体，其特征在于：所述高温粘接剂为磷酸盐无机物结合剂。
6.根据权利要求1所述的低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体，其特征在于：所述白刚玉粉为电熔白刚玉研磨粉，其AL2O3含量≥99.9wt％，微粉粒径为30—50目；所述的莫来石为电熔莫来石研磨粉，其AL203含量≥85wt％，微粉粒径为100—120目；所述a—AL2O3粉为煅烧氧化铝微粉，其AL2O3含量≥99wt％，微粉粒径为200—300目；所述SiO2粉为高纯度硅微粉，其SiO2含量≥99.999％，粒径为200—300目；所述的磷酸三钙的微粉粒径为150—200目；白刚玉粉、莫来石、a—AL2O3粉、SiO2粉和磷酸三钙配成的总物料中的AL2O3含量≥80wt％，烧前堆积密度比为2.5—2.7g/cm3，体积密度比为1.4—1.5g/cm3，材料自身真密度比为2.7—2.9g/cm3。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的低吸附能力的蜂窝陶瓷蓄热体的制备方法，其特征在于方法含有的步骤如下：
将各质量份的白刚玉粉、莫来石和a—AL2O3粉进行预混搅拌20—25分钟，然后加入相应质量份的SiO2粉以增强干粉料的流动性，继续搅拌10—15分钟，使物料充分搅拌均匀，然后加入相应质量份的高温粘接剂，再行搅拌10—15分钟，然后再使用对辊辗轧设备进行混碾，混碾之后陈腐，然后将陈腐后的物料放入模具当中，在90～120Mpa条件下压制成型；成型后的坯体在温度为120℃～150℃的环境下烘干，再在温度为1350℃～1450℃的环境下烧成，得到成品。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：模具的加工公差在±0.1㎜以内，模具的耐压强度≥200Mpa。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：烧成工艺为连续式烧成，烧成以后的产品：烧成以后堆积密度比为2.6—2.8g/cm3，体积密度比为1.5—1.6g/cm3，材料自身真密度比为2.9—3g/cm3，抗压强度为30—40Mpa。
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