CN111153707B - 一种筒状窑炉用复合型耐火预制件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及耐火材料技术领域，具体为一种筒状窑炉用复合型耐火预制件及其制备方法，包括预制件本体，所述预制件包括轻质耐火浇筑层、重质耐火浇筑层，所述轻质耐火浇筑层、重质耐火浇筑层之间设置有连接结构，所述连接结构包括设置在轻质耐火浇筑层上的凹槽，设置在重质耐火浇注层上与凹槽相配合的凸块，所述凹槽与凸块截面图均呈梯形；通过采用重质耐火浇注层与轻质轻质耐火浇注层制成预制件，能够提高窑炉热量利用率，节省资源、降低成本，且通过采用梯形凸块和梯形凹槽相互配合，能够使耐火浇注料与轻质轻质耐火浇注层连接更加紧固，在使用时，能够根据窑炉大小制备大小不同的预制件，再进行筒状窑炉的砌筑，使用更加灵活。

Description

一种筒状窑炉用复合型耐火预制件及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐火材料技术领域，具体为一种筒状窑炉用复合型耐火预制件及其制备方法。

背景技术

高温窑炉的热损耗已经成为企业生产过程中的重要话题，在如今钢铁冶炼、热力热电、锻压铸造、化工能源等高温行业。降低能耗、降低热传导、降低炉外温度已经是多方面都需要考虑的工作，而这种相等的降低也正是高温窑炉内衬用耐火材料的发展方向，更是为使用方降低生产成本的关键。

原有的砌筑方法一般选用重质耐火砖或重质耐火浇注层，但是在使用过程中发现热传导率高，使得炉壳外温度过高，热损失较大，后来采用轻质耐火浇注层与重质耐火浇注层分层浇筑的方法，但是发现，双层浇筑中锚固件的焊接十分困难，需要将第二层重质层的锚固钉焊接在第一层锚固钉的顶端，这样造成不牢固容易掉落的情况，且原筒状窑炉内衬耐火材料砌筑需要多层砌筑，即先砌筑一层保温层通常采用轻质保温棉或轻质保温砖，再砌筑耐火层耐火砖或者耐火浇注料，不能做到一种材料起到双重效果，两种材料的砌筑在筒状窑炉中结合程度不牢固且砌筑工艺繁琐复杂，砌筑时间长，费工，费时间。

本发明的复合型耐火预制件是结合在筒状窑炉工作衬上的实际情况，采用轻质耐火浇注层与重质耐火浇注层以“梯形口”的方法进行结合预制，摒弃了原来在筒状窑炉中采用焊接锚固钉使用双层浇筑的方法，所制得的复合型耐火预制件，双层结合后的复合型耐火预制件可根据不同直径的筒状窑炉进行分块生产，也可以根据不同的窑炉工况环境对所采用的轻质耐火浇注层及重质耐火浇注层进行材质上的调整，使得炉内温度降低外传导率，使热量集中在燃烧空间内，更为使用厂方节约了大量的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种便于生产、砌筑、能够降低热量损失的筒状窑炉用复合型耐火预制件及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：包括预制件本体，所述预制件包括轻质耐火浇筑层、重质耐火浇筑层，所述轻质耐火浇筑层、重质耐火浇筑层之间设置有连接结构，所述连接结构包括设置在轻质耐火浇筑层上的凹槽，设置在重质耐火浇注层上与凹槽相配合的凸块，所述凹槽与凸块截面图均呈梯形，所述轻质耐火浇注层占总体预制件体积的30%～50%，所述重质耐火浇注层占总体预制件体积的50%～70%。

一种制备筒状窑炉用复合型耐火预制件，所述轻质耐火浇注层是由以陶粒为主要原料，以陶粒粉、硅微粉、矾土熟料、结合剂、外加剂为辅料制备而成，所述陶粒粒径级配为三级，粒径为1～3mm的重量所占配比10%～20%，粒径为5～8mm的重量所占配比10%～20%，粒径为10～15mm的重量所占配比20%～40%，所述硅微粉的重量所占配比5%～10%，矾土熟料的重量所占配比5%～10%，结合剂的重量所占配比20%～25%，所述外加剂的重量所占配比0.5%～1%，余量为水；

所述重质耐火浇注层是由以88 矾土均化料为骨料，以莫来石质蓝晶石粉、纯铝酸钙水泥、复合添加剂为辅料制备而成，所述88矾土均化料骨料直径采用四级粒度级配，粒径为8～5mm的重量所占配比15%～20%，粒径为5～3mm的重量所占配比15%～20%、粒径为3～1mm的重量所占配比10%～15%、粒径为1～0mm的重量所占配比10%～15%，88矾土均化料细粉重量配比为5%～15%，所述莫来石质蓝晶石粉的重量所占配比1%～3%，所述纯铝酸钙水泥的重量所占配比15%～25%，所述复合添加剂的重量所占配比0.1%～1%，余量为水。

优选的，所述硅微粉中SiO₂含量占比不小于90%。

优选的，所述结合剂为Ca-50 铝酸盐水泥。

优选的，所述外加剂是由三聚磷酸钠和六偏磷酸钠复合而成。

优选的，所述纯铝酸钙水泥其中AL₂O₃ 含量不小于65.5%，CaO含量不小于28.5%，SiO₂含量小于6%。

优选的，所述轻质耐火浇注层的体积密度在0.8～1.5g/cm³之间，所述重质耐火浇注层的体积密度在2.1～3.1g/cm³之间。

一种制备筒状窑炉用复合型耐火预制件的方法，包括以下步骤：

步骤一，混合物料，将所选用轻质耐火浇注层的原料陶粒、陶粒粉、硅微粉、矾土熟料、结合剂、外加剂为辅料，按照比例混合得到轻质耐火浇注粉料；

步骤二，搅拌，将混合好轻质耐火浇注粉料加入搅拌机内搅拌，在搅拌机内加入水，得到浆料；

步骤三，成型，将湿混后浆料倒入模具的第一空腔内，震动成型，待成型后的轻质耐火浇注层固定成型后，得到轻质耐火浇筑层坯料和第二空腔；

步骤四，制备重质耐火浇注层，以88 矾土均化料为骨料，以莫来石质蓝晶石粉、纯铝酸钙水泥、复合添加剂为辅料，按照比例混合得到重质耐火浇注粉料；

步骤五，将混合好重质耐火浇注粉料加入搅拌机内搅拌，在搅拌机内加入水，得到浆料；

步骤六，拆除隔板，将得到的重质耐火浇注层浆料浇注到第二空腔内，同时拆除隔板使重质耐火浇注层与轻质耐火浇注层直接接触；

步骤七，拆模，对轻质耐火浇注层和重质耐火浇注层常温养护、风干，最后拆模制得筒状窑炉用复合型耐火预制件。

本发明的有益效果在于：通过采用重质耐火浇注层与轻质轻质耐火浇注层制成预制件，能够提高窑炉热量利用率，节省资源、降低成本，且通过采用梯形凸块和梯形凹槽相互配合，能够使耐火浇注料与轻质轻质耐火浇注层连接更加紧固，在使用时，能够根据窑炉大小制备大小不同的预制件，再进行筒状窑炉的砌筑，使用更加灵活。

附图说明

图1为本发明复合型耐火预制件主视的结构示意图；

图2为图1中复合型耐火预制件俯视的结构示意图；

图3为本发明中模具的结构示意图。

其中：1、复合型耐火预制件；2、轻质耐火浇注层；3、重质耐火浇注层；4、凸块；5、凹槽；6、模具；7、第一空腔；8、第二空腔；9、隔板。

具体实施方式

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，一种筒状窑炉用复合型耐火预制件，包括预制件本体，所述预制件包括轻质耐火浇筑层2、重质耐火浇筑层3，所述轻质耐火浇筑层2、重质耐火浇筑层3之间设置有连接结构，所述连接结构包括设置在轻质耐火浇筑层2上的凹槽5，设置在重质耐火浇注层3上与凹槽5相配合的凸块4，所述凹槽5与凸块4截面图均呈梯形。

一种筒状窑炉用复合型耐火预制件的方法，包括以下步骤：

步骤一，混合物料，将所选用轻质耐火浇注层的原料陶粒、陶粒粉、硅微粉、矾土熟料、结合剂、外加剂为辅料，按照比例混合得到轻质耐火浇注粉料；

步骤二，搅拌，将混合好轻质耐火浇注粉料加入搅拌机内搅拌，在搅拌机内加入水，得到浆料；

步骤三，成型，将湿混后浆料倒入模具的第一空腔内，震动成型，待轻质耐火浇注料浇筑成型后4个小时形成初凝，待成型后的轻质耐火浇注层固定成型后，得到轻质耐火浇筑层坯料和第二空腔；

步骤四，制备重质耐火浇注层，以88 矾土均化料为骨料，以莫来石质蓝晶石粉、纯铝酸钙水泥、复合添加剂为辅料，按照比例混合得到重质耐火浇注粉料；

步骤五，将混合好重质耐火浇注粉料加入搅拌机内搅拌，在搅拌机内加入水，得到浆料。

步骤六，拆除隔板，将得到的重质耐火浇注层浆料浇注到第二空腔内，同时拆除隔板使重质耐火浇注层与轻质耐火浇注层直接接触；

步骤七，拆模，工艺完成24小时后即可拆模，对轻质耐火浇注层和重质耐火浇注层常温养护、风干，最后拆模制得筒状窑炉用复合型耐火预制件。

实施例1

一种筒状窑炉用复合型耐火预制件的配方，轻质耐火浇注层是由以陶粒为主要原料，以陶粒粉、硅微粉、矾土熟料、结合剂、外加剂为辅料制备而成，陶粒颗粒直径级配为三级，颗粒直径为1～3mm的重量所占配比10%，颗粒直径为5～8mm的重量所占配比15%，颗粒直径为10～15mm的重量所占配比40%，硅微粉的重量所占配比15%，硅微粉中SiO₂含量占比不小于90%，矾土熟料的重量所占配比10%，结合剂的重量所占配比10%，结合剂为Ca-50 铝酸盐水泥，外加剂的重量所占配比0.5%，外加剂是由三聚磷酸钠和六偏磷酸钠复合而成，外加剂为新密市庆安耐火材料有限公司生产的，外加剂在耐火浇注料中主要起到减水增强的效果。

经上述原料称重后混合均匀，加水制得胚体，性能指标如下表：

重质耐火浇注层是由以88 矾土均化料为主要原料，以莫来石质蓝晶石粉、纯铝酸钙水泥、复合添加剂为辅料制备而成，88矾土均化料产品中骨料直径采用四级粒度级配，即8～5mm、5～3mm、3～1mm、1～0mm，产品骨料配比依次为20%、15%、15%、15%，88矾土均化料产品中细粉重量配比为15%，莫来石质蓝晶石粉的重量所占配比1%，纯铝酸钙水泥的重量所占配比18.7%，纯铝酸钙水泥为拉法基公司生产的，纯铝酸钙水泥其中AL₂O₃ 含量不小于65.5%，CaO含量不小于28.5%，SiO₂含量小于6%，复合添加剂的重量所占配比0.3%。

经上述原料称重后混合均匀，加水制得胚体，性能指标如下表：

复合预制件重质部分耐火浇注料技术参数	数值
		显气孔率（900℃X3h）	15.3%
体积密度（900℃X3h）	3.1g/cm³
		常温耐压强度（1200℃X3h）MPa	87
常温抗折强度（1200X3h）MPa	10
		导热系数W/m·K	1.5

实施例2

一种筒状窑炉用复合型耐火预制件的配方，轻质耐火浇注层是由以陶粒为主要原料，以陶粒粉、硅微粉、矾土熟料、结合剂、外加剂为辅料制备而成，陶粒颗粒直径级配为三级，颗粒直径为1～3mm的重量所占配比15%，颗粒直径为5～8mm的重量所占配比15%，颗粒直径为10～15mm的重量所占配比35%，硅微粉的重量所占配比8%，矾土熟料的重量所占配比8%，结合剂的重量所占配比18.3%，外加剂的重量所占配比0.7%。

经上述原料称重后混合均匀，加水制得胚体，性能指标如下表：

重质耐火浇注层是由以88 矾土均化料为主要原料，以莫来石质蓝晶石粉、纯铝酸钙水泥、复合添加剂为辅料制备而成，88矾土均化料产品中骨料直径采用四级粒度级配，即8～5mm、5～3mm、3～1mm、1～0mm，产品骨料配比依次为18、18%、14%、13%，88矾土均化料产品中细粉重量配比为10%，莫来石质蓝晶石粉的重量所占配比2%，纯铝酸钙水泥的重量所占配比24.5%，复合添加剂的重量所占配比0.5%。

经上述原料称重后混合均匀，加水制得胚体，性能指标如下表：

复合预制件重质部分耐火浇注料技术参数	数值
		显气孔率（900℃X3h）	16.2%
体积密度（900℃X3h）	2.95g/cm³
		常温耐压强度（1200℃X3h）MPa	95
常温抗折强度（1200X3h）MPa	11
		导热系数W/m·K	1.4

实施例3

一种筒状窑炉用复合型耐火预制件的配方，轻质耐火浇注层是由以陶粒为主要原料，以陶粒粉、硅微粉、矾土熟料、结合剂、外加剂为辅料制备而成，陶粒颗粒直径级配为三级，颗粒直径为1～3mm的重量所占配比20%，颗粒直径为5～8mm的重量所占配比20%，颗粒直径为10～15mm的重量所占配比20%，硅微粉的重量所占配比5%，矾土熟料的重量所占配比14%，结合剂的重量所占配比20%，外加剂的重量所占配比1%。

经上述原料称重后混合均匀，加水制得胚体，性能指标如下表：

重质耐火浇注层是由以88 矾土均化料为主要原料，以莫来石质蓝晶石粉、纯铝酸钙水泥、复合添加剂为辅料制备而成，88矾土均化料产品中骨料直径采用四级粒度级配，即8～5mm、5～3mm、3～1mm、1～0mm，产品骨料配比依次为20、20%、15%、12%，88矾土均化料产品中细粉重量配比为8%，莫来石质蓝晶石粉的重量所占配比4.5%，纯铝酸钙水泥的重量所占配比11%，复合添加剂的重量所占配比0.5%。

经上述原料称重后混合均匀，加水制得胚体，性能指标如下表：

复合预制件重质部分耐火浇注料技术参数	数值
		显气孔率（900℃X3h）	17.2%
体积密度（900℃X3h）	2.8g/cm³
		常温耐压强度（1200℃X3h）MPa	98
常温抗折强度（1200X3h）MPa	11.5
		导热系数W/m·K	1.13

综上可得，轻质耐火浇注层物料配比选用实施例2中的配比，此时轻质耐火浇注层的导热系数最低，保温效果最好，重质耐火浇注层物料配比选用实施例3中的配比，重质耐火浇注层的导热系数最低，保温效果最好，轻质耐火浇注层的体积密度在0.8～1.5g/cm³之间，重质耐火浇注层的体积密度在2.1～3.1g/cm³之间。

其中，外加剂尤其是在轻质耐火浇注层中的作用是非常重要的，因为轻质耐火浇注层多采用轻质原料，气孔率大使用添加水量大部分被轻质原料所吸附，增大了加水量，对浇注料很容易产生泌水现象，耐火浇注料一旦泌水会导致表面形成浮浆层，当浮浆层由于失水变稠失去流动性，强度发展不够，不足以抵抗因沉缩或塑性收缩等引起的拉应力时，浇注体表面就会产生许多裂缝，而在浇注体内部，泌水上升在浇注体内生成许多胶凝材料含量较少的泌水通道，同时由于颗粒的相对位移，粗颗粒下沉，而在粗颗粒的下方则易形成含水丰富的胶凝材料浮浆，这种浮浆沉淀失水后成为空隙，泌水所携带的料浆使浇注体内部的组分不均匀，泌水通道以及粗颗粒聚集又改变了浇注料内部的气孔孔径和分布状态，进而对浇注体的性能带来直接影响，所以需要在浇注料中添加一定量的外加剂它不仅仅是简单地降低耐火浇注料在施工过程中的加水量 ,而且在减少加水量的基础上 ,还明显地优化了浇注料的施工性能。

复合添加剂以醚基聚羧酸酯类为主，为了提高这种浇注料的性能必须降低其中水泥的含量，这是因为水泥中的氧化钙的含量会直接影响浇注料的高温力学性能。因此，通常用超细填充剂如氧化铝超细粉或硅微粉来代替部分水泥，其水泥含量在5%～8%之间，为了使这种浇注料在外加水量较少的情况下具有好的流动性，须加入复合添加剂。醚基聚羧酸酯由阴离子骨架和非离子侧链形成，这种添加剂不仅对铝酸钙体系有很好的分散效果，而且对基质中有超细活性氧化铝或烧结氧化铝的体系也有很好的作用。这种醚基聚羧酸酯减水剂可以降低拌和水量、提高工作性和使用强度。

采用上述最优的复合型耐火预制件材料配比方案，制备预制件并对轻质耐火浇注层和重质耐火浇注层占比进行以下分析：

以选用筒状窑炉内燃烧温度为1380℃，直径为φ2.4米，复合型预制件砌筑后燃烧空间净内直径为φ1.9米为例，复合型预制件整体尺寸为长：418mm，宽250mm，高250mm整体为扇形，砌筑φ2.4筒状窑炉平均为每圈18块，对复合型耐火预制件进行数据分析。

方案一，其中轻质耐火浇注层占体积的30%，重质耐火浇注层占总体积的70%，做热工计算如下：

第一步算出重质耐火浇注层在相同面积1㎡下平均导热率：

即：

第二步以相同公式算出轻质耐火浇注层在相同面积下平均导热率：

即：

第三步计算在相等面积下热传导的壁外热量温度℃公式为：

即：

采用轻质耐火浇注层占总体预制件比例在30%，重质耐火浇注层70%的情况下背衬温度为134℃，预制件整体耐压强度较高850℃×3h烧后耐压强度达到49MPa外形体积无出现异常情况，轻重相结合牢固。

方案二，其中轻质耐火浇注层占体积的40%，重质耐火浇注层占总体积的60%，做热工计算如下：

第一步算出重质耐火浇注层在相同面积1㎡下平均导热率：

即：

第二步以相同公式算出轻质耐火浇注层在相同面积下平均导热率：

即：

第三步计算在相等面积下热传导的壁外热量温度℃公式为：

即：

将轻质耐火浇注层增加10%的占比，重质耐火浇注层部分相应减少10%后，背衬温度在105.8℃，经过850℃×3h烧后测得耐压强度41MPa，耐压强度有所降低，但整体外形无明显变化。

方案三，其中轻质耐火浇注层占体积的50%，重质耐火浇注层占总体积的50%，做热工计算如下：

第一步算出重质耐火浇注层在相同面积1㎡下平均导热率：

即：

第二步以相同公式算出轻质耐火浇注层在相同面积下平均导热率：

即：

第三步计算在相等面积下热传导的壁外热量温度℃公式为：

即：

将轻质耐火浇注层与重质耐火浇注层占比平等的情况下，其背衬温度为90.2℃，但是复合预制件整体外形耐压强度受到严重影响，850℃×3h烧后耐压强度为29MPa。

综上可知，轻质耐火浇注层与重质耐火浇注层分别占比为30%和70%，为最优方案，能够提高窑炉热量利用率，节省资源、降低成本。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种筒状窑炉用复合型耐火预制件，其特征在于：包括预制件本体，所述预制件包括轻质耐火浇注 层、重质耐火浇注 层，所述轻质耐火浇注 层、重质耐火浇注 层之间设置有连接结构，所述连接结构包括设置在轻质耐火浇注 层上的凹槽，设置在重质耐火浇注层上与凹槽相配合的凸块，所述凹槽与凸块截面图均呈梯形，所述轻质耐火浇注层占总体预制件体积的30%～50%，所述重质耐火浇注层占总体预制件体积的50%～70%；

所述轻质耐火浇注层是由以陶粒为主要原料，以陶粒粉、硅微粉、矾土熟料、结合剂、外加剂为辅料制备而成，所述陶粒粒径级配为三级，粒径为1～3mm的重量所占配比10%～20%，粒径为5～8mm的重量所占配比10%～20%，粒径为10～15mm的重量所占配比20%～40%，所述硅微粉的重量所占配比5%～10%，矾土熟料的重量所占配比5%～10%，结合剂的重量所占配比20%～25%，所述外加剂的重量所占配比0.5%～1%，余量为水；

所述重质耐火浇注层是由以88 矾土均化料为骨料，以莫来石质蓝晶石粉、纯铝酸钙水泥、复合添加剂为辅料制备而成，所述88矾土均化料骨料直径采用四级粒度级配，粒径为8～5mm的重量所占配比15%～20%，粒径为5～3mm的重量所占配比15%～20%、粒径为3～1mm的重量所占配比10%～15%、粒径为1～0mm的重量所占配比10%～15%，88矾土均化料细粉重量配比为5%～15%，所述莫来石质蓝晶石粉的重量所占配比1%～3%，所述纯铝酸钙水泥的重量所占配比15%～25%，所述复合添加剂的重量所占配比0.1%～1%，余量为水；

所述外加剂是由三聚磷酸钠和六偏磷酸钠复合而成。

2.根据权利要求1所述的一种筒状窑炉用复合型耐火预制件，其特征在于：所述硅微粉中SiO₂含量不小于90%。

3.根据权利要求1所述的一种筒状窑炉用复合型耐火预制件，其特征在于：所述结合剂为Ca-50 铝酸盐水泥。

4.根据权利要求1所述的一种筒状窑炉用复合型耐火预制件，其特征在于：所述纯铝酸钙水泥其中Al₂O₃含量不小于65.5%，CaO含量不小于28.5%，SiO₂含量小于6%。

5.根据权利要求1所述的一种筒状窑炉用复合型耐火预制件，其特征在于：所述轻质耐火浇注层的体积密度在0.8～1.5g/cm³之间，所述重质耐火浇注层的体积密度在2.1～3.1g/cm³之间。

6.一种制备如权利要求1一种筒状窑炉用复合型耐火预制件的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，混合物料，将所选用轻质耐火浇注层的原料陶粒、陶粒粉、硅微粉、矾土熟料、结合剂、外加剂为辅料，按照比例混合得到轻质耐火浇注粉料；

步骤二，搅拌，将混合好轻质耐火浇注粉料加入搅拌机内搅拌，在搅拌机内加入水，得到浆料；

步骤三，成型，将湿混后浆料倒入模具的第一空腔内，震动成型，待成型后的轻质耐火浇注层固定成型后，得到轻质耐火浇注 层坯料和第二空腔；

步骤四，制备重质耐火浇注层，以88 矾土均化料为骨料，以莫来石质蓝晶石粉、纯铝酸钙水泥、复合添加剂为辅料，按照比例混合得到重质耐火浇注粉料；

步骤五，将混合好重质耐火浇注粉料加入搅拌机内搅拌，在搅拌机内加入水，得到浆料；

步骤六，拆除隔板，将得到的重质耐火浇注层浆料浇注到第二空腔内，同时拆除隔板使重质耐火浇注层与轻质耐火浇注层直接接触；

步骤七，拆模，对轻质耐火浇注层和重质耐火浇注层常温养护、风干，最后拆模制得筒状窑炉用复合型耐火预制件。

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