CN109970459A - 一种柱状莫来石高耐磨砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柱状莫来石高耐磨砖，其组分包括57～72wt％矾土造粒料、8～16wt％三级矾土生料粉、6～14wt％叶腊石细粉、3～6wt％SiO2微粉、1～3wt％的α‑Al2O3微粉、0.2～1wt％CeO2微粉、0.5～2wt％Al‑Zn合金粉和0.5～2wt％碳酸钾粉。本发明还公开了此种柱状莫来石高耐磨砖的制备方法，其中矾土造粒料由二级矾土熟料颗粒、二级矾土生料粉、铬铁矿粉、氧化钇微粉与硅溶胶按质量比65:35:(4～6):(2～8):(10～20)配料、压坯、干燥、破碎得到；所有原料按比例称量后经混炼、困料、成型、干燥和烧成工艺制成。本发明所制备的柱状莫来石高耐磨砖具有柱状莫来石含量高、耐磨性优良、体积稳定性好、性价比高的特点，完全能够满足大型干熄焦炉冷却段8年无大修的需要。

Description

一种柱状莫来石高耐磨砖及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，尤其涉及一种柱状莫来石高耐磨砖及其制备方法。
背景技术
干熄焦技术具有用水节约、大气污染物排放少、能源效率高、焦炭质量好等优势，是国家重点推广的节能环保技术。近年来干熄焦技术在我国得到快速发展，目前我国是世界上建设干熄焦装置最多、拥有单体干熄焦装置容量最大的国家，在建和运行的干熄焦装置超过200套。
干熄焦炉是干熄焦装置的核心部分，其中冷却段使用过程中主要经受高温焦炭的冲击与磨损、高速氮气气流冷却造成的破坏。因此，对于冷却段耐火材料，一个最重要的指标就是耐火材料的耐磨损性能。国内干熄焦炉冷却段多采用B级莫来石与黏土砖咬砌，磨损快，寿命较短。随着干熄焦炉炉型尺寸增加，并且干熄焦炭强度提高、硬度增加，冷却段耐火材料寿命下降更为严重，已成为制约干熄焦装置效能发挥的重要因素之一。“干熄焦炉用耐磨钢纤维增强浇注预制块”(CN101450866A)专利技术，采用耐火骨料、水泥、硅灰、α-Al2O3、SiC为主要原料，耐磨钢纤维作为增强剂，能在一定程度上提高其耐磨性，但产品仍需经过一次大修后才能使用8年。“一种大型干熄焦炉冷却段用高耐磨不定形浇注料”(CN108911763A)专利技术，采用高铝矾土、硅石、氧化钙、氧化镁、四氧化三铁、炭黑及促凝剂为原料，具有较高的耐磨性，但是在大型干熄焦炉施工及烘烤都存在一定的困难。徐国涛等人选取含SiC砖A、含SiC砖B、莫来石-红柱石砖、含尖晶石砖、含ZrO2砖、刚玉-莫来石砖和B级莫来石砖6种可能用于干熄焦炉冷却段用耐火材料，发现采用含SiC砖或者莫来石-红柱石砖作为冷却段的材料，寿命可得到较大幅度提高(徐国涛、盛军波、吕永劲、等，耐火材料，2016，50(1)：48-50)，但生产成本相应提高。氮化物结合SiC砖耐磨性优良，但其生产成本过高，鲜有企业应用。但总的来说，现有耐火材料仍难以满足干熄焦炉一代炉役8年无大修且性价比高的要求。
理论上，在耐火材料中大量生成发育较好的柱状莫来石，并形成相互交错的网络结构，是有利于提高材料的机械强度及耐磨性。关于柱状莫来石的生成，蔡舒等人以莫来石先质和AlF3为原料，经混合、干燥、成型，在1500-1600℃烧结，获得了较多的长柱状莫来石(蔡舒、孟佳宏、杨正方、等，柱状自生长莫来石的制备及显微结构，1998,26(2)：198-205)，但是该方法中引入AlF3，会伤害耐火材料的蠕变等高温性能。“一种刚玉莫来石制品”(CN1303834A)专利技术，在选用10-40％高岭土的同时选用AlF3为主要原料，同样在生成柱状莫来石的同时会伤害耐火材料的蠕变等高温性能。曹南萍选用煅烧铝矾土粉、粘土、绢云母质瓷石、长石及含有MgO、BaO、CaO、SrO、ZnO等二价金属氧化物的复合熔剂为原料，在致密性的铝矾土瓷中原位合成高达55％的柱状莫来石(曹南萍，在铝矾土瓷中原位合成柱状莫来石，电瓷避雷器，2013,5：26-30)，但该工作以开发致密陶瓷为目的，其中低熔点物相太多且致密化后会严重影响温度波动时的热震稳定性，不适合作为耐火材料使用。“一种柱状莫来石-片状氧化铝复合粉体及其制备方法”(CN106915749A)专利技术，选用60-88wt％莫来石粉体和12-40wt％AlF3粉体为原料，虽然可以获得高纯度柱状莫来石-片状氧化铝复合粉体，但其工艺复杂且成本较高。类似的熔盐法或溶胶凝胶方法也可以获得柱状莫来石粉体，同样存在工艺复杂、生产成本高的问题。另外，通常柱状莫来石的生成反应会带来一定的体积膨胀，耐火材料的体积稳定性也需进一步提升。因此，迫切需要寻找一种适合干熄焦炉冷却段耐火材料生产的柱状莫来石生成方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有的莫来石高耐磨砖莫来石含量低、耐磨性差、体积稳定性差、性价比低的问题，本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种柱状莫来石含量高、耐磨性优良、体积稳定性好、性价比高的柱状莫来石高耐磨砖，能够满足大型干熄焦炉冷却段8年无大修的需要。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种柱状莫来石高耐磨砖的制备方法，
柱状莫来石高耐磨砖组分包括：
制备方法包括以下步骤：
1)按上述原料及其含量进行配料，先将三级矾土生料粉、叶腊石细粉、SiO2微粉、α-Al2O3微粉、CeO2微粉、Al-Zn合金粉及碳酸钾共混，混合时间为3～5分钟，制成混合物A；
2)制备矾土造粒料并将矾土造粒料加入到混合物A中，加入原料总质量2～4％的水，继续混炼12～18分钟直至均匀；
3)然后将该混合料困料16～24小时，于40～80MPa条件下压制成型，在100～120℃条件下干燥，在1450℃～1540℃条件下烧成。
进一步地，所述步骤2)中，矾土造粒料的制备方法包括以下步骤：
a)先将二级矾土熟料颗粒、二级矾土生料粉、铬铁矿粉、氧化钇微粉与硅溶胶按质量比65:35:(4～6):(2～8):(10～20)配料，混合均匀后在20～50MPa压力下压制成坯体；
b)然后将坯体置于100-150℃干燥24小时；
c)最后将干燥后的坯体破碎成小于5毫米的颗粒料，即得矾土造粒料。
进一步地所述的矾土造粒料体积密度＞1.60g/cm3；耐压强度＞40Mpa。
进一步地，所述三级矾土生料粉和叶腊石细粉的粒度为180～325目，所述SiO2微粉、α-Al2O3微粉、CeO2微粉的平均粒度均小于2微米。
进一步地二级矾土熟料颗粒粒度为0.2～3毫米，所述的二级矾土生料粉、铬铁矿粉、氧化钇粉的粒度为180～325目，所述氧化钇微粉的平均粒度均小于2微米。
一种柱状莫来石高耐磨砖，是按照柱状莫来石高耐磨砖的制备方法所制备的柱状莫来石高耐磨砖。
有益效果：本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
1)首先，矾土造粒料由二级矾土熟料颗粒、二级矾土生料粉、铬铁矿粉、氧化钇微粉与硅溶胶按质量比65:35:(4～6):(2～8):(10～20)配料、压坯、干燥、破碎而成；其中二级矾土生料粉、铬铁矿粉、氧化钇粉与硅溶胶在高温下会生成一定量柱状莫来石、铬刚玉、钇铝榴石及少量粘度很大的高温液相，一方面这些新生成的相将二级矾土熟料颗粒包裹并与其结合紧密，颗粒料强度得到提升，另一方面铬刚玉、钇铝榴石硬度都比较高，弥散分布在熟料颗粒及柱状莫来石之间，大大增强了颗粒料的耐磨性。
2)其次，基质部分采用三级矾土生料粉、叶腊石细粉、SiO2微粉、α-Al2O3微粉、CeO2微粉、Al-Zn合金粉及碳酸钾原料并进行预混合，由于通常三级矾土生料粉、叶腊石细粉中含有一定量K、Na、Fe、Ti等杂质元素，加上引入部分Al-Zn合金粉及碳酸钾，使得高温下生成较多液相以确保在基质部分生成足够多的柱状莫来石，有利于最终形成柱状莫来石网络结构；加入CeO2微粉则可以增加高温液相的粘度，这些高温高粘滞液相在受到外力冲击时会起到缓冲作用，从而降低材料磨损率；与此同时，柱状莫来石网络结构及部分高粘滞液相共同作用，大幅降低了材料中大气孔的存在，微孔化程度明显增加，大幅减少了孔洞处受外力作用时的尖端应力，进一步提升了材料的强度及耐磨性。
3)另外，通常柱状莫来石的生成反应会带来一定的体积膨胀，本发明中采用一定量二级矾土生料粉和三级矾土生料粉配合，材料的体积稳定性得到较好保障；并且这两种原料价格相对便宜，也提升了产品的性价比。
综上所述，本发明所制备的柱状莫来石高耐磨砖具有柱状莫来石含量高、耐磨性优良、体积稳定性好、性价比高的特点，所制得的柱状莫来石高耐磨砖经检测，其典型指标为：体积密度为2.35～2.55g/cm3；显气孔率为≤17％；常温耐压强度为85～130MPa；加热永久线变化为-0.3～0.2％；常温磨损率≤2.0/cm3。
附图说明
图1是柱状莫来石高耐磨砖在1000倍下的扫描电子显微镜照片，显示大量晶相物质被少量玻璃相包裹，但仍能看出部分柱状晶相物质的轮廓；
图2是柱状莫来石高耐磨砖经过HF处理10秒洗掉其中的玻璃相后在2500倍下的扫描电子显微镜照片，可以清晰地显示大量柱状莫来石的交织结构；
图3是本发明所制备的柱状莫来石高耐磨砖在广西柳钢160T/h干熄炉冷却段使用七年后的照片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的原料统一描述如下，在实施例中不再赘述。
所述的二级矾土熟料颗粒粒度为0.2～3毫米，所述的二级矾土生料粉、铬铁矿粉、三级矾土生料粉、叶腊石细粉的粒度为180～325目，所述SiO2微粉、α-Al2O3微粉、氧化钇微粉、CeO2微粉的平均粒度均小于2微米。
所述的矾土造粒料体积密度＞1.60g/cm3；耐压强度＞40Mpa。
实施例1：
一种柱状莫来石高耐磨砖及其制备方法：
(1)所述矾土造粒料的制备方法是：先将二级矾土熟料颗粒、二级矾土生料粉、铬铁矿粉、氧化钇粉与硅溶胶按质量比65:35:6:8:20配料，混合均匀后在30～50MPa压力下压制成坯体；然后将坯体置于100-140℃干燥24小时；最后将干燥后的坯体破碎成小于5毫米的颗粒料，即得矾土造粒料。
(2)该柱状莫来石高耐磨砖的组成及其质量配比是：
(3)按上述原料及其含量进行配料，先将三级矾土生料粉、叶腊石细粉、SiO2微粉、α-Al2O3微粉、CeO2微粉、Al-Zn合金粉及碳酸钾共混，混合时间为3～5分钟，制成混合物A1；再将矾土造粒料加入到混合物A1中，加入原料总质量2～4％的水，继续混炼12～18分钟直至均匀；然后将该混合料困料16～24小时，于40～60MPa条件下压制成型，在100～120℃条件下干燥，在1450℃～1540℃条件下烧成。
本实施例所制备的柱状莫来石高耐磨砖经检测：体积密度为2.35～2.42g/cm3；显气孔率为≤16％；常温耐压强度为85～105MPa；加热永久线变化为-0.3～0.1％；常温磨损率≤1.8/cm3。
实施例2：
一种柱状莫来石高耐磨砖及其制备方法：
(1)所述矾土造粒料的制备方法是：先将二级矾土熟料颗粒、二级矾土生料粉、铬铁矿粉、氧化钇粉与硅溶胶按质量比65:35:4:2:10配料，混合均匀后在30～50MPa压力下压制成坯体；然后将坯体置于100-140℃干燥24小时；最后将干燥后的坯体破碎成小于5毫米的颗粒料，即得矾土造粒料。
(2)该柱状莫来石高耐磨砖的组成及其质量配比是：
(3)按上述原料及其含量进行配料，先将三级矾土生料粉、叶腊石细粉、SiO2微粉、α-Al2O3微粉、CeO2微粉、Al-Zn合金粉及碳酸钾共混，混合时间为3～5分钟，制成混合物A1；再将矾土造粒料加入到混合物A1中，加入原料总质量2～4％的水，继续混炼12～18分钟直至均匀；然后将该混合料困料16～24小时，于40～60MPa条件下压制成型，在100～120℃条件下干燥，在1450℃～1540℃条件下烧成。
本实施例所制备的柱状莫来石高耐磨砖经检测：体积密度为2.40～2.50g/cm3；显气孔率为≤17％；常温耐压强度为95～115MPa；加热永久线变化为-0.2～0.2％；常温磨损率≤2.0/cm3。
实施例3
一种柱状莫来石高耐磨砖及其制备方法：
(1)所述矾土造粒料的制备方法是：先将二级矾土熟料颗粒、二级矾土生料粉、铬铁矿粉、氧化钇粉与硅溶胶按质量比65:35:(4～5):(2～4):(10～16)配料，混合均匀后在30～50MPa压力下压制成坯体；然后将坯体置于100-140℃干燥24小时；最后将干燥后的坯体破碎成小于5毫米的颗粒料，即得矾土造粒料。
(2)该柱状莫来石高耐磨砖的组成及其质量配比是：
(3)按上述原料及其含量进行配料，先将三级矾土生料粉、叶腊石细粉、SiO2微粉、α-Al2O3微粉、CeO2微粉、Al-Zn合金粉及碳酸钾共混，混合时间为3～5分钟，制成混合物A1；再将矾土造粒料加入到混合物A1中，加入原料总质量2～4％的水，继续混炼12～18分钟直至均匀；然后将该混合料困料16～24小时，于50～80MPa条件下压制成型，在100～120℃条件下干燥，在1450℃～1540℃条件下烧成。
本实施例所制备的柱状莫来石高耐磨砖经检测：体积密度为2.45～2.55g/cm3；显气孔率为≤15％；常温耐压强度为95～135MPa；加热永久线变化为-0.2～0.2％；常温磨损率≤1.5/cm3。如图3所示即为采用本实施例制备的柱状莫来石高耐磨砖应用于广西柳钢160T/h干熄炉冷却段，从2011年11月开始使用只2018年12月，使用状况良好，由图3可以看出其内壁仍然较为完好，可见其耐磨性十分优良，现仍然处于正常使用状态。

Claims (6)

1.一种柱状莫来石高耐磨砖的制备方法，其特征在于：
柱状莫来石高耐磨砖组分包括：
制备方法包括以下步骤：
1)按上述原料及其含量进行配料，先将三级矾土生料粉、叶腊石细粉、SiO2微粉、α-Al2O3微粉、CeO2微粉、Al-Zn合金粉及碳酸钾共混，混合时间为3～5分钟，制成混合物A；
2)制备矾土造粒料并将矾土造粒料加入到混合物A中，加入原料总质量2～4％的水，继续混炼12～18分钟直至均匀；
3)然后将该混合料困料16～24小时，于40～80MPa条件下压制成型，在100～120℃条件下干燥，在1450℃～1540℃条件下烧成。
2.根据权利要求1所述的柱状莫来石高耐磨砖的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，矾土造粒料的制备方法包括以下步骤：
a)先将二级矾土熟料颗粒、二级矾土生料粉、铬铁矿粉、氧化钇微粉与硅溶胶按质量比65:35:(4～6):(2～8):(10～20)配料，混合均匀后在20～50MPa压力下压制成坯体；
b)然后将坯体置于100-150℃干燥24小时；
c)最后将干燥后的坯体破碎成小于5毫米的颗粒料，即得矾土造粒料。
3.根据权利要求1所述的柱状莫来石高耐磨砖的制备方法，其特征在于：所述的矾土造粒料体积密度＞1.60g/cm3；耐压强度＞40Mpa。
4.根据权利要求1所述的柱状莫来石高耐磨砖的制备方法，其特征在于：所述三级矾土生料粉和叶腊石细粉的粒度为180～325目，所述SiO2微粉、α-Al2O3微粉、CeO2微粉的平均粒度均小于2微米。
5.根据权利要求2所述的柱状莫来石高耐磨砖的制备方法，其特征在于：二级矾土熟料颗粒粒度为0.2～3毫米，所述的二级矾土生料粉、铬铁矿粉、氧化钇粉的粒度为180～325目，所述氧化钇微粉的平均粒度均小于2微米。
6.一种柱状莫来石高耐磨砖，其特征在于：所述柱状莫来石高耐磨砖是按照权利要求1～5任意一项所述的柱状莫来石高耐磨砖的制备方法所制备的柱状莫来石高耐磨砖。
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