CN111072376A - 一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于耐火材料技术领域，公开了一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖及其制备方法。该硅莫砖由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.2~0.8%的纳米碳源和以下组分总重量3~5%的结合剂制备而成：均化矾土合成料52～65%、特级矾土熟料15～25%、碳化硅5～15%、结合粘土3～8%。本发明通过使用纳米碳源，一方面，纳米碳源在制品高温烧制时被氧化形成一定量的纳米气孔，气孔孔径大小均匀，砖中气孔微细化并分布均匀的组织结构有利于缓解材料在急冷急热时产生的应力，有效改善抗热震性；另一方面，纳米碳源在制品高温烧制时首先被氧化，可减少碳化硅的氧化量，提高硅莫砖中碳化硅的含量，从而提高了均化矾土基硅莫砖的热震稳定性。

Description

一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖及其制备方法。
背景技术
硅莫砖是以高铝矾土熟料和碳化硅为原料经高压成型高温烧制而成，具有强度高、耐磨损、热震稳定性优良，在使用过程中碳化硅不断氧化形成保护层、减少结圈等特点，主要用于水泥窑过渡带、分解炉及篦冷机等部位。传统硅莫砖的生产需要大量的高铝矾土熟料，这种矾土熟料主要是以天然矾土矿煅烧而成。但近年来，随着氧化铝生产的高速发展，我国铝土矿资源日趋匮乏，尤其高铝富矿供给矛盾突出。如何能够综合利用低品位矿制备出致密度高、质量稳定性好的矾土基均质料成为近年来研究的热点。如授权公告号为CN103232253 B的发明专利公开了一种利用中低品位铝矾土矿生产均质耐火原料的方法，利用中低品位铝矾土及碎矿，采取均化、成型、煅烧、提纯等技术生产出了均化矾土合成料，具有结构、性能和质量均匀、稳定的特点。而原矿品位的高低，直接制约了均化矾土合成料产品的品质。
均化矾土合成料在耐火材料中的应用越来越广泛，尤其在硅莫砖中的使用，但是在硅莫砖中使用均化矾土合成料时，硅莫砖的热震稳定性会降低很多，严重影响均化矾土基硅莫砖的使用寿命，从而使均化矾土合成料在硅莫砖中的使用受到一定限制。因此，均化矾土基硅莫砖的热震稳定性需要进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖及其制备方法，加入纳米碳源，其在高温烧制时被氧化形成一定量的纳米气孔，有利于缓解材料在急冷急热时产生的应力，有效改善了抗热震性，同时纳米碳源在制品高温烧制时首先被氧化，可减少碳化硅的氧化量，提高硅莫砖中碳化硅的含量，从而提高均化矾土基硅莫砖的热震稳定性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.2～0.8％的纳米碳源和以下组分总重量3～5％的结合剂制备而成：均化矾土合成料52～65％、特级矾土熟料15～25％、碳化硅5～15％、结合粘土3～8％。
进一步地，所述均化矾土合成料中Al2O3含量为60～85％，均化矾土合成料的粒度分为3～5mm、1～3mm和0～1mm；所述特级矾土熟料中Al2O3含量≥85％，特级矾土熟料的粒度为180～200目；所述碳化硅中SiC含量≥90％，碳化硅的粒度为80目～120目；结合粘土为粒度180～200目的细粉。
进一步地，所述纳米碳源选自纳米炭黑或纳米石墨中至少一种。
进一步地，所述纳米碳源的粒径为100nm～1000nm。
进一步地，所述结合剂为糊精水或纸浆废液，所述糊精水的比重为1.1～1.2，所述纸浆废液比重为1.2～1.3。
本发明还提供一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将特级矾土熟料、碳化硅、结合粘土和纳米碳源置于双螺旋预混机中预混，预混时间不低于30分钟，得到预混合粉；
b.将均化矾土合成料置于强力混炼机中混合1～3分钟，然后加入结合剂混合3～5分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合5～8分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨或1000吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1450℃～1550℃烧成，保温6～8小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明通过使用纳米碳源来提高均化矾土基硅莫砖的抗热震稳定性，一方面，纳米碳源在制品高温烧制时被氧化形成一定量的纳米气孔，气孔孔径大小均匀，砖中气孔微细化并分布均匀的组织结构有利于缓解材料在急冷急热时产生的应力，可以有效改善抗热震性；另一方面，纳米碳源在制品高温烧制时首先被氧化，可减少碳化硅的氧化量，提高硅莫砖中碳化硅的含量，从而提高了均化矾土基硅莫砖的热震稳定性，进而提高均化矾土基硅莫砖的使用寿命。另外，本发明因提高了均化矾土基硅莫砖的抗热震稳定性，可提高均化矾土在硅莫砖中的利用量，有利于矿产资源的有效利用。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限定本发明的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。
下述实施例中双螺旋预混机为VSH-2C/B型双螺旋锥形搅拌机，购自上海申银机械(集团)有限公司；强力混炼机为R19型倾斜式强力混炼机，购自建湖申江机械有限公司；压力机为HLDS-630T/B型和HLDS-1000T/B型电动螺旋压力机，购自郑州华隆机械制造有限公司。
下述实施例采用的均化矾土合成料分三种，规格分别如下：Al2O3含量70％的均化矾土合成料(技术指标：Al2O3 71.32％、Fe2O3 1.32％，体积密度为2.83g/m3)，Al2O3含量75％的均化矾土合成料(技术指标：Al2O3 75.86％、Fe2O3 1.37％，体积密度为2.89g/m3)，Al2O3含量80％的均化矾土合成料(技术指标：Al2O3 81.41％、Fe2O3 1.39％，体积密度为3.09g/m3)，三种均化矾土合成料粒度均为3～5mm、1～3mm和0～1mm，购自阳泉金隅通达高温材料有限公司。下述实施例采用的特级矾土熟料为孝义市亿科新材料有限公司的特级88矾土熟料，其Al2O3含量88.13％，粒度为200目。下述实施例采用的碳化硅分为90碳化硅(80目，SiC 90.67％，甘肃泰河新材料科技有限公司)、93碳化硅(80目，SiC 93.56％，郑州福美特进出口贸易有限公司)和97碳化硅(80目，SiC 97.08％，巩义市源隆工贸有限公司)。下述实施例采用的结合粘土技术指标：Al2O3 31.87％、Fe2O3 2.15％，200目，武汉建业物资有限公司巩义分公司。下述实施例采用的纳米炭黑250nm，中联橡胶股份有限公司；纳米石墨，500nm，青岛天和达石墨有限公司。
以下实施例中将特级矾土熟料、碳化硅、结合粘土和纳米碳源称为细料原料，将均化矾土合成料成为颗粒原料。
实施例一
一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.3％的纳米炭黑和以下组分总重量3.2％的糊精水(比重1.18)制备而成：Al2O3含量70％的均化矾土合成料65％、特级88矾土熟料15％、90碳化硅12％、结合粘土8％，其中3～5mm均化矾土合成料10％，1～3mm均化矾土合成料35％，0～1mm均化矾土合成料20％。
上述纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将细粉原料15kg特级矾土熟料、12kg碳化硅、8kg结合粘土和0.3kg纳米炭黑置于双螺旋预混机中预混，预混时间为45分钟，得到预混合粉；
b.将颗粒原料65kg均化矾土合成料置于强力混炼机中混合2分钟，然后加入3.2kg糊精水混合4分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合6分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1480℃烧成，保温6小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
实施例二
一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.3％的纳米炭黑和以下组分总重量3.2％的糊精水(比重1.18)制备而成：Al2O3含量75％的均化矾土合成料65％、特级88矾土熟料15％、93碳化硅12％、结合粘土8％，其中3～5mm均化矾土合成料10％，1～3mm均化矾土合成料35％，0～1mm均化矾土合成料20％。
上述纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将细粉原料15kg特级矾土熟料、12kg碳化硅、8kg结合粘土和0.3kg纳米炭黑置于双螺旋预混机中预混，预混时间为45分钟，得到预混合粉；
b.将颗粒原料65kg均化矾土合成料置于强力混炼机中混合2分钟，然后加入3.2kg糊精水混合4分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合6分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1500℃烧成，保温6.5小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
实施例三
一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.3％的纳米石墨和以下组分总重量3.2％的糊精水(比重1.18)制备而成：Al2O3含量80％的均化矾土合成料65％、特级88矾土熟料15％、97碳化硅12％、结合粘土8％，其中3～5mm均化矾土合成料10％，1～3mm均化矾土合成料35％，0～1mm均化矾土合成料20％。
上述纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将细粉原料15kg特级矾土熟料、12kg碳化硅、8kg结合粘土和0.3kg纳米石墨置于双螺旋预混机中预混，预混时间为45分钟，得到预混合粉；
b.将颗粒原料65kg均化矾土合成料置于强力混炼机中混合2分钟，然后加入3.2kg糊精水混合4分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合6分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用1000吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1510℃烧成，保温6.5小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
实施例四
一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.5％的纳米石墨和以下组分总重量3.2％的纸浆废液(比重1.24)制备而成：Al2O3含量75％的均化矾土合成料65％、特级88矾土熟料15％、90碳化硅12％、结合粘土8％，其中3～5mm均化矾土合成料10％，1～3mm均化矾土合成料35％，0～1mm均化矾土合成料20％。
上述纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将细粉原料15kg特级矾土熟料、12kg碳化硅、8kg结合粘土和0.5kg纳米石墨置于双螺旋预混机中预混，预混时间为45分钟，得到预混合粉；
b.将颗粒原料65kg均化矾土合成料置于强力混炼机中混合2分钟，然后加入3.2kg纸浆废液混合4分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合6分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1500℃烧成，保温6.5小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
实施例五
一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.2％的纳米石墨、以下组分总重量0.2％的纳米炭黑及以下组分总重量3.2％的纸浆废液(比重1.24)制备而成：Al2O3含量75％的均化矾土合成料65％、特级88矾土熟料15％、93碳化硅12％、结合粘土8％，其中3～5mm均化矾土合成料10％，1～3mm均化矾土合成料35％，0～1mm均化矾土合成料20％。
上述纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将细粉原料15kg特级矾土熟料、12kg碳化硅、8kg结合粘土、0.2kg纳米石墨和0.2kg纳米炭黑置于双螺旋预混机中预混，预混时间为45分钟，得到预混合粉；
b.将颗粒原料65kg均化矾土合成料置于强力混炼机中混合2分钟，然后加入3.2kg纸浆废液混合4分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合7分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1500℃烧成，保温6.5小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
实施例六
一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.2％的纳米石墨、以下组分总重量0.3％的纳米炭黑和以下组分总重量3.2％的纸浆废液(比重1.24)制备而成：Al2O3含量80％的均化矾土合成料65％、特级88矾土熟料15％、97碳化硅12％、结合粘土8％，其中3～5mm均化矾土合成料10％，1～3mm均化矾土合成料35％，0～1mm均化矾土合成料20％。
上述纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将细粉原料15kg特级矾土熟料、12kg碳化硅、8kg结合粘土、0.2kg纳米石墨和0.3kg纳米炭黑置于双螺旋预混机中预混，预混时间为45分钟，得到预混合粉；
b.将颗粒原料65kg均化矾土合成料置于强力混炼机中混合2分钟，然后加入3.2kg纸浆废液混合4分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合7分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1510℃烧成，保温8小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
实施例七
一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.2％的纳米炭黑和以下组分总重量3％的糊精水(比重1.16)制备而成：Al2O3含量70％的均化矾土合成料52％、特级88矾土熟料25％、90碳化硅15％、结合粘土8％，其中3～5mm均化矾土合成料10％，1～3mm均化矾土合成料22％，0～1mm均化矾土合成料20％。
上述纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将细粉原料25kg特级矾土熟料、15kg碳化硅、8kg结合粘土和0.2kg纳米炭黑置于双螺旋预混机中预混，预混时间为45分钟，得到预混合粉；
b.将颗粒原料52kg均化矾土合成料置于强力混炼机中混合2分钟，然后加入3kg糊精水混合4分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合6分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1480℃烧成，保温6小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
实施例八
一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.8％的纳米炭黑和以下组分总重量5％的糊精水(比重1.3)制备而成：Al2O3含量75％的均化矾土合成料60％、特级88矾土熟料20％、90碳化硅12％、结合粘土8％，其中3～5mm均化矾土合成料10％，1～3mm均化矾土合成料30％，0～1mm均化矾土合成料20％。
上述纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将细粉原料20kg特级矾土熟料、12kg碳化硅、8kg结合粘土和0.8kg纳米炭黑置于双螺旋预混机中预混，预混时间为45分钟，得到预混合粉；
b.将颗粒原料60kg均化矾土合成料置于强力混炼机中混合2分钟，然后加入5kg糊精水混合4分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合6分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1520℃烧成，保温6小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
实施例九
一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.6％的纳米炭黑和以下组分总重量5％的糊精水(比重1.3)制备而成：Al2O3含量75％的均化矾土合成料62％、特级88矾土熟料25％、90碳化硅5％、结合粘土8％，其中3～5mm均化矾土合成料10％，1～3mm均化矾土合成料32％，0～1mm均化矾土合成料20％。
上述纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将细粉原料25kg特级矾土熟料、5kg碳化硅、8kg结合粘土和0.6kg纳米炭黑置于双螺旋预混机中预混，预混时间为45分钟，得到预混合粉；
b.将颗粒原料62kg均化矾土合成料置于强力混炼机中混合2分钟，然后加入5kg糊精水混合4分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合6分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1550℃烧成，保温6小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
实施例十
一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.5％的纳米炭黑和以下组分总重量5％的糊精水(比重1.3)制备而成：Al2O3含量75％的均化矾土合成料60％、特级88矾土熟料25％、90碳化硅12％、结合粘土3％，其中3～5mm均化矾土合成料10％，1～3mm均化矾土合成料30％，0～1mm均化矾土合成料20％。
上述纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，包括以下步骤：
a.按上述配比称取原料，将细粉原料25kg特级矾土熟料、12kg碳化硅、3kg结合粘土和0.5kg纳米炭黑置于双螺旋预混机中预混，预混时间为45分钟，得到预混合粉；
b.将颗粒原料60kg均化矾土合成料置于强力混炼机中混合2分钟，然后加入5kg糊精水混合4分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合6分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1550℃烧成，保温8小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
以上实施例纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖性能检测结果和常规不加纳米碳源的均化矾土基硅莫砖(阳泉金隅通达高温材料有限公司)性能检测结果如表1所示。
表1本发明实施例1～10所得产品和常规不加纳米碳源的均化矾土基硅莫砖的性能检测结果
Figure BDA0002330972110000081
从表1中可以看出，本发明纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，相比常规不加纳米碳源的均化矾土基硅莫砖，热震稳定性得到了显著提高。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理上所作的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (6)

1.一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，其特征在于，由以下重量百分含量的组分外加以下组分总重量0.2~0.8%的纳米碳源和以下组分总重量3~5%的结合剂制备而成：均化矾土合成料52～65%、特级矾土熟料15～25%、碳化硅5～15%、结合粘土3～8%。
2.根据权利要求1所述的一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，其特征在于，所述均化矾土合成料中Al2O3含量为60~85%，均化矾土合成料的粒度分为3~5mm、1~3mm和0~1mm；所述特级矾土熟料中Al2O3含量≥85%，特级矾土熟料的粒度为180~200目；所述碳化硅中SiC含量≥90%，碳化硅的粒度为80目~120目；结合粘土为粒度180~200目的细粉。
3.根据权利要求1所述的一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，其特征在于，所述纳米碳源选自纳米炭黑或纳米石墨中至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，其特征在于，所述纳米碳源的粒径为100nm~1000nm。
5.根据权利要求1所述的纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖，其特征在于，所述结合剂为糊精水或纸浆废液，所述糊精水的比重为1.1~1.2，所述纸浆废液比重为1.2~1.3。
6.权利要求1~5任一项所述的纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.按权利要求1所述的配比称取原料，将特级矾土熟料、碳化硅、结合粘土和纳米碳源置于双螺旋预混机中预混，预混时间不低于30分钟，得到预混合粉；
b.将均化矾土合成料置于强力混炼机中混合1~3分钟，然后加入结合剂混合3~5分钟，再加入步骤a中的预混合粉混合5~8分钟，得到混合物料；
c.将步骤b所得混合物料加入组装好的模具内，采用630吨或1000吨级压力机压制成型得到砖坯；
d.成型的砖坯经干燥后，在1450℃~1550℃烧成，保温6~8小时，得到纳米碳源结合均化矾土基硅莫砖。
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