CN108929107A

CN108929107A - 一种轻质镁橄榄石耐火骨料及其制备方法

Info

Publication number: CN108929107A
Application number: CN201810941947.0A
Authority: CN
Inventors: 孟庆新; 陈浩靖; 许佳佳; 马剑锋
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2018-12-04

Abstract

本发明公开了一种利用天然镁橄榄石生产隔热性能好、成本低廉、轻质的耐火骨料以及它的制备方法,以天然镁橄榄石粉和菱镁矿粉作为起始物料，外加入结合剂；起始物料在球磨机中加入水和研磨球充分研磨并干燥得到共磨粉；在共磨好的物料中加入结合剂和水，在压力机上压制成具有规则形状的荒坯，坯体经自然干燥24h后，再入在干燥窑内在110℃下充分干燥。干燥后的坯体放于高温窑内在1420℃左右的温度下煅烧，煅烧后得到的成品再经破碎成合适的粒度，就得到本发明的轻质镁橄榄石耐火骨料。

Description

一种轻质镁橄榄石耐火骨料及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐火材料行业所使用的一种轻质耐火骨料，尤其涉及一种利用天然镁橄榄石制备轻质耐火骨料的方法。

背景技术

目前，耐火行业所使用的轻质耐火材料普遍是以铝硅系材料为主，如轻质莫来石骨料等。但是铝资源的日渐减少和价格的日益攀升，寻找其它材质的轻质耐火材料迫在眉睫。

另外, 在制备轻质耐火材料时，通常要加入烧失物，通过烧失物在高温下燃烧，来形成微孔，以实现轻质化。烧失物多为无烟煤和碳, 因此在制备过程中，会造成一定的环境污染；有的造孔方法则为加入一些毫米级的聚苯乙烯小球，例如3-1mm，1-0mm，0.2mm等，该造孔剂高温烧后挥发时产生难闻的气味，由于该有机物含有苯环，具有一定的毒性。这些制备工艺均与现在的环境环保要求背道而驰的。

然而, 我国具有丰富的碱性耐火材料资源，开发碱性轻质耐火材料的工作很有意义。碱性耐火材料的主要成分为方镁石（MgO），由于方镁石的导热系数很高，决定了自然界的镁砂不能直接用于生产轻质隔热耐火材料; 如果用改性镁砂, 成本会急剧上升，另外，镁砂改性制备工艺也会造成环境的污染。

镁橄榄石（M₂S）的导热率低（是MgO的1/3~1/4），不水化，化学和矿物学性能好、耐金属熔体及渣的侵蚀，与大多数耐火材料具有良好的相容性，因此利用镁橄榄石制备高温隔热耐火材料是比较理想的。但是，由于Mg²⁺与Fe²⁺的离子半径相近，镁橄榄石与铁橄榄石可以形成广泛的类质同象，导致天然镁橄榄石中含有高达7~10%的Fe₂O₃等杂质，而铁橄榄石的熔点仅为1250℃，远低于镁橄榄石的熔点（1890℃），所以铁橄榄石的存在，严重影响了镁橄榄石的耐火性能的发挥。同时，由于自然界的镁橄榄石的成因较为复杂，因此都不同程度的存在偏镁橄榄石（MgO·SiO₂）、蛇纹石（3MgO·2SiO₂·2H₂O）和滑石（3MgO·4SiO₂·H₂O）等矿物相。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题存在的不足，提供一种利用天然镁橄榄石生产隔热性能好、成本低廉、轻质的耐火骨料以及它的制备方法。

本发明所采用的技术方案是：这种轻质镁橄榄石耐火骨料以天然镁橄榄石粉和菱镁矿粉作为起始物料，外加入结合剂；起始物料在球磨机中加入水和研磨球充分研磨并干燥得到共磨粉；在共磨好的物料中加入结合剂和水，在压力机上压制成具有规则形状的荒坯，坯体经自然干燥24h后，再入在干燥窑内在110℃下充分干燥。干燥后的坯体放于高温窑内在1420℃左右的温度下煅烧，煅烧后得到的成品再经破碎成合适的粒度，就得到本发明的轻质镁橄榄石耐火骨料。

本发明包括起始物料和结合剂，起始物料包括天然镁橄榄石粉、菱镁矿粉，加入的重量份数为：天然镁橄榄石粉60-70份，菱镁矿粉30- 40份，结合剂为亚硫酸纸浆废液，加入量为起始物料总重量的0.3%。

本发明的这种轻质镁橄榄石耐火骨料的制备方法为：

步骤一、准备原料；把天然镁橄榄石破碎至粒度小于300目，把菱镁矿破碎至粒度小于320目；

步骤二、湿法共磨；将按一定配比的天然镁橄榄石细粉和菱镁矿细粉混合后加入筒磨机后，用刚玉球作研磨介质进行研磨，料、球、水比例为1:1: 0.5，全部物料在筒磨机内共磨1小时；物料的最终粒度为0.0001mm—0.044mm，0.044mm—0.074mm ，0.074 mm－1mm，1mm－3mm中的两个或两个以上的粒度区间；

步骤三、烘干；将共磨好的物料在110℃下烘干24h，除去所有水分；

步骤四、困料；在烘干好的物料中加入水,加入量为起始物料总重量的5%，加入亚硫酸纸浆废液，加入量为起始物料总重量的0.3%, 搅拌10min，密封后困料24h；

步骤五、成形；将困好后的混合物料在压力机上以160MPa的压力压制成荒坯，并在110℃下烘干24h；

步骤六、煅烧和破碎；将干燥后的坯体置于高温窑内在1420℃下煅烧，升温速率为2~5℃/min，初期升温速率为5℃/min，在1300℃以后放慢至2℃/min，以保证镁橄榄石的充分生成；最后保温3小时得到块状镁橄榄石制品；将煅烧后的块状镁橄榄石轻质料经鄂式和圆锥破碎机破碎就得到这种轻质镁橄榄石耐火骨料。

其中步骤一中这样的起始粒度有利于对物料进行湿磨，能起到提高湿磨效率，降低能量消耗的作用。

其中本发明在步骤二中选择湿法共磨，这是由于起始物料经过湿磨后，由物理化学的原理可知，湿磨更有利于物料的细化；同时，在加上水的流动性，将会使物料混合的更加均匀；根据紧密堆积原理，获得的轻质镁橄榄石骨料内部气孔孔径更为微小，且气孔孔径更为均匀；根据传热学原理，在高温条件下，气孔孔径越小，越有利于导热系数的降低，气孔的微细化还有利于提高材料的抗压能力，故所制得的镁橄榄石骨料还具有较高的耐压强度。

其中步骤二中物料的最终粒度0.0001mm—0.044mm，0.044mm—0.074mm ，0.074mm－1mm，1 mm－3mm中的两个或两个以上的粒度区间；从而减小了物料之间孔隙的直径，同时借助水的流动性使物料分散更加均匀，后期反应会更加充分，气孔的分布也更均匀。

其中物料的最终粒度部分达到了超微粉，菱镁矿的超微粉在受热分解产生CO₂气体更加密集和均匀，使最终产品气孔均匀分散且微细化，使最终产品的性能得到更一步的提高；

另外，通过湿法共磨工艺和这样粒度的分布，使菱镁矿的超微小粉粒与天然镁橄榄石微粉互相渗入、粘附和交织，这样可以使菱镁矿后续的工艺中的受热分解后产生的MgO与天然镁橄榄石中的杂质矿物相，反应更加完全和彻底，从而转变为可以提高产品性能的高熔点矿物相。

其中步骤四中困料的目的是使水和亚硫酸纸浆废液通过毛细管力的作用在物料中分散更加均匀。

其中步骤六的烧成温度和时间的设定，与菱镁矿受热分解后产生的MgO与天然镁橄榄石中的杂质矿物相反应，促使其转变为高熔点矿物相是互相配合的；也只有这样的温度和时间的设定，才能使菱镁矿受热分解后产生的MgO与天然镁橄榄石中的杂质矿物相反应转变为高熔点矿物相。

本发明创新地在不加入任何烧失物情况下，利用菱镁矿细粉受热分解产生的CO₂，可在所制得的材料内部产生大量的微气孔，从而达到轻质，而且由于气相材料的导热系数要远小于固相材料，因此也可以使所得到的镁橄榄石骨料的导热系数进一步降低。

本发明利用原料本身的反应来造孔，不仅降低了成本，而且在造孔的同时，还提高了最终产品的性能，更重要的是在制备工艺中，不污染环境，符合环保的要求，并利于企业的发展。

本发明的原理是，利用菱镁矿受热分解后产生的MgO与天然镁橄榄石中的杂质矿物相反应促使其转变为高熔点矿物相；菱镁矿细粉在高温下分解形成MgO和CO₂，天然镁橄榄石中的杂质相在高温下与MgO可以发生下列反应：

①镁铁橄榄石在加热过程中的变化

在氧化气氛下加热到800℃：

镁橄榄石 + 非晶质石英

②蛇纹石在加热过程中的变化

在700~800℃内：

蛇纹石晶质镁橄榄石顽火辉石

在1050℃左右：

晶质镁橄榄石非晶质顽火辉石晶质镁橄榄石晶质顽火辉石

③滑石在加热过程中的变化：

在1050℃左右：

顽火辉石石英

在温度高于1300℃时候，顽火辉石和石英都会和菱镁矿分解出来的MgO发生反应而生成镁橄榄石，Fe₂O₃将与MgO反应转变为MgO·Fe₂O₃（对耐火度影响不大）。

镁橄榄石本身具有较低的导热系数及优良的高温性能，非常适合于用来制造隔热材料。

这样，本发明所制得的镁橄榄石骨料有良好的隔热能力、优良的耐压强度。

本发明得到的这种骨料的体积密度介于1.8～1.9g/cm³之间，气孔率为46～56%，经XRD分析表明骨料中镁橄榄石的含量高于90%，骨料内部的气孔孔径主要处于10μm以下，集中分布在3μm左右，通过SEM分析表明，所制得的骨料内部颗粒与气孔间分布非常均匀。

本发明的有益效果在于：不加入烧失物，充分地利用了菱镁矿在高温下分解的CO₂作为造孔剂；菱镁矿分解后的MgO将与天然镁橄榄石中的低熔点杂质相反映而转变为高熔点物相，降低了杂质的危害；采用湿磨工艺，使物料间相互分散均匀，且粒度更小，并能得到分布均匀且细小的气孔，能提升材料的耐压强度和隔热能力。从而使最终得到的轻质镁橄榄石骨料的耐火度高，高温下收缩率小，有利于保持炉体结构的稳定性。

具体实施方式

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

以下实施例详细说明了本发明。

实施例1：

本发明包括起始物料和结合剂，起始物料包括天然镁橄榄石粉、菱镁矿粉，加入重量份数为：天然镁橄榄石粉60份，菱镁矿粉40份，结合剂为亚硫酸纸浆废液，加入量为起始物料总重量的0.3%。

实施例2：

本发明包括起始物料和结合剂，起始物料包括天然镁橄榄石粉、菱镁矿粉，加入重量份数为：天然镁橄榄石粉70份，菱镁矿粉30份，结合剂为亚硫酸纸浆废液，加入量为起始物料总重量的0.3%。

实施例3：

本发明包括起始物料和结合剂，起始物料包括天然镁橄榄石粉、菱镁矿粉，加入重量份数为：天然镁橄榄石粉65份，菱镁矿粉35份，结合剂为亚硫酸纸浆废液，加入量为起始物料总重量的0.3%。

实施例1、2和3的制备方法为：

实施例1、2和3的体积密度介于1.8～1.9g/cm³之间，气孔率为46～56%，经XRD分析表明骨料中镁橄榄石的含量高于90%，骨料内部的气孔孔径主要处于10μm以下，集中分布在3μm左右，通过SEM分析表明，所制得的骨料内部颗粒与气孔间分布非常均匀。

Claims

1.一种轻质镁橄榄石耐火骨料，其特征在于：包括起始物料和结合剂，起始物料包括天然镁橄榄石粉、菱镁矿粉，加入的重量份数为：天然镁橄榄石粉60-70份，菱镁矿粉30- 40份，结合剂为亚硫酸纸浆废液，加入量为起始物料总重量的0.3%。

2.根据权利要求1所述的一种轻质镁橄榄石耐火骨料的制备方法，其特征在于：步骤一、准备原料；把天然镁橄榄石破碎至粒度小于300目，把菱镁矿破碎至粒度小于320目；步骤二、湿法共磨；将按一定配比的天然镁橄榄石细粉和菱镁矿细粉混合后加入筒磨机后，用刚玉球作研磨介质进行研磨，料、球、水比例为1:1:0.5，全部物料在筒磨机内共磨1小时；步骤三、烘干；将共磨好的物料在110℃下烘干24h，除去所有水分；步骤四、困料；在烘干好的物料中加入水,加入量为起始物料总重量的5%，加入亚硫酸纸浆废液，加入量为起始物料总重量的0.3%, 搅拌10min，密封后困料24h；步骤五、成形；将困好后的混合物料在压力机上以160MPa的压力压制成荒坯，并在110℃下烘干24h；步骤六、煅烧和破碎；将干燥后的坯体置于高温窑内在1420℃下煅烧，将煅烧后的块状镁橄榄石轻质料经鄂式和圆锥破碎机破碎就得到这种轻质镁橄榄石耐火骨料。

3.根据权利要求2所述的一种轻质镁橄榄石耐火骨料的制备方法，其特征在于：步骤二湿法共磨后的物料最终粒度为0.0001mm—0.044mm，0.044mm—0.074mm ，0.074 mm－1mm，1mm－3mm中的两个或两个以上的粒度区间。

4.根据权利要求2所述的一种轻质镁橄榄石耐火骨料的制备方法，其特征在于：步骤六中将干燥后的坯体于高温窑内在1420℃下煅烧，升温速率为2~5℃/min，初期升温速率为5℃/min，在1300℃以后放慢至2℃/min，最后保温3小时得到块状镁橄榄石制品。