CN112028643A - 一种水泥窑用单晶相莫来石砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水泥窑用单晶相莫来石砖及其制备方法。主要包括以下原料：单晶相莫石均质料70‑90％，蓝晶石粉5‑27％，活性ρ‑Al2O3粉3‑7％；外加占上述原料总重量3‑6％的糊精溶液为结合剂。本发明创新性的将单晶莫来石与蓝晶石细粉及活性ρ‑Al2O3相结合，制备得到单晶相莫来石。该单晶相莫来石无刚玉相和石英相的存在，其铝含量接近焦宝石的铝含量，但是结构更加致密，并且无石英相存在，具有耐火度高、膨胀系数低、耐磨损、抗热震稳定性优良，在水泥窑中使用，能够大大延长水泥窑的使用寿命。

Description

一种水泥窑用单晶相莫来石砖及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域。具体涉及一种水泥窑用单晶相莫来石砖及其制备方法。
背景技术
水泥窑作为处理工业、生活垃圾、废弃物等的设备。随着垃圾及废弃物等的快速增加，对水泥窑的使用性能及寿命也提出了越来越高的要求。据统计，在2010年前水泥窑预热带和安全带以使用抗剥落高铝砖和耐碱砖为主，抗剥落高铝砖和高强耐碱砖理化指标很差，特别是气孔率高，耐高温性能、耐磨、及抗侵蚀性能较差，很难满足协同处置水泥窑的生产需要。2010年之后则主要使用硅莫砖系列产品。目前水泥窑预热带及安全带使用的硅莫砖由于碳化硅的引入，有效改善了材料的耐磨性和抗侵蚀性能，延长了其使用寿命(可以达到3-5年)，但是硅莫砖导热系数大，筒体温度偏高，在协同处置水泥窑内硫碱比高的情况下会造成筒体的腐蚀，严重时会产生开裂，在一定程度上大幅度减少了筒体的使用寿命，同时给生产安全带来很大的风险，因此，硅莫砖在使用过程中也存在较大的不足。
目前，市场上的硅莫砖、抗剥落高铝砖和高强耐碱砖主要是以不同铝含量的铝矾土熟料、焦宝石、碳化硅等主要原料生产制备而成。由于铝矾土熟料中以刚玉相为主要晶相，刚玉相抗碱侵蚀性能及抗热震稳定性较差；焦宝石以莫来石和石英相为主要晶相，石英相的相变问题会导致产品产生裂纹缺陷，导致材料的耐磨、耐高温性能较差；矾土熟料及焦宝石的物相结构使得现用的硅莫砖、抗剥落高铝砖及耐碱砖在水泥窑特别是协同处置水泥窑中使用时寿命大大降低。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种水泥窑用单晶相莫来石砖及其制备方法。本发明创新性的将单晶莫来石与蓝晶石细粉及活性ρ-Al2O3相结合，制备得到单晶相莫来石。该单晶相莫来石无刚玉相和石英相的存在，其铝含量接近焦宝石的铝含量，但是结构更加致密，并且无石英相存在，具有耐火度高、膨胀系数低、耐磨损、抗热震稳定性优良，在水泥窑中使用，能够大大延长水泥窑的使用寿命。
本发明是通过以下技术方案实现的
一种水泥窑用单晶相莫来石砖，主要由以下质量百分含量的原料制备而成：单晶相莫石均质料70-90％，蓝晶石粉5-27％，活性ρ-Al2O3粉3-7％；外加占上述原料总重量3-6％的糊精溶液为结合剂。
进一步地，所述单晶相莫来石均质料中Al2O3的质量百分比为40～45％，其体积密度为＞2.35g/cm3。
进一步地，所述单晶相莫来石均质料的粒径d1分布及用量比如下：3mm≤d1＜5mm、1mm≤d1＜3mm、0.074mm≤d1＜1mm和0mm＜d1＜0.074mm的质量百分比为4-8％：35-45％：20-25％：23-41％。
进一步地，所述蓝晶石粉中Al2O3的质量含量＞55％；所述蓝晶石粉的粒径＜0.030mm。
进一步地，所述的活性ρ-Al2O3粉中Al2O3的质量含量＞85％。
进一步地，所述的糊精溶液优选为糊精水溶液；将麦芽糊精与水按照1：1-2的质量比进行混合，所得糊精水溶液的比重为1.1g/cm3-1.2g/cm3。
上述水泥窑用单晶相莫来石砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述要求的质量百分比准备单晶相莫来石均质料、蓝晶石粉、活性ρ-Al2O3及糊精水溶液；
(2)将活性ρ-Al2O3融入糊精水溶液，搅拌均匀形成浆体，备用；将粒径＜0.074mm的单晶相莫来石均质料、粒度<0.030mm蓝晶石粉进行预混合，得到混合物料，备用；
(3)将粒径为1mm≤粒径＜3mm及粒径为0.074mm≤粒径＜1mm的单晶相莫来石均质料干混，干混均匀后，加入步骤(2)中的浆体混合均匀，然后加入步骤(2)中的混合物料，混合均匀得到泥料；
(4)将步骤(3)得到的泥料采用压力机制备成为砖坯，并进行干燥及烧成，烧成后自然冷却至室温，得到单晶相莫来石砖。
进一步地，所得砖坯的体积密度为2.45g/cm3-2.55g/cm3。
进一步地，砖坯干燥时的温度为100-180℃、干燥时间为12-24h。优选地，干燥时采用干燥窑进行干燥，干燥窑入口的温度优选为30-60℃。
进一步地，烧成时温度由室温升温至1300℃-1450℃，并在该烧成温度条件下保温4-10h；优选地，在温度升温至1450℃温度时，在该温度条件下保温4-10h。
进一步地，该温度由室温升温至1300-1450℃的升温曲线如图1所示。
与现有技术相比，本发明具有以下积极有益效果
本发明采用单晶相莫来石为主要原料，单晶相莫来石是一种莫来石-高硅氧玻璃复相材料，针柱状莫来石相彼此相互交叉成为网格，高硅氧玻璃相填充在莫来石晶相之中，其与焦宝石相比、铝含量接近，但无石英相存在，消除了石英相的相变对耐火材料热稳定性的不良影响，且其结构致密，使得材料具有良好的耐高温机械性能及较高的耐磨性能。
本发明引入粒径约为30微米的蓝晶石细粉，通过粒度的控制使其在烧制或使用过程中完全莫来石化，充分的莫来石化产生的体积膨胀可填充气孔，降低气孔率，提高了制品的耐碱性能。蓝晶石的莫来石化形成的莫来石定向排列与单晶相莫来石无序结构可以起到改善热稳定性的目的。因此，单晶相莫来石与蓝晶石的相互结合起到了明显的协同作用。
同时，其中的ρ-Al2O3不仅具有较好的活性，而且能够与单晶相莫来石及蓝晶石粉产生的莫来石化产生的高硅氧玻璃相产生二次莫来石化，提高了体系的莫来石量、能够明显改善性能，还可以提高砖坯结合强度，达到促进烧结的目的。
本发明制备的单晶相莫来石砖体积密度大约为2.3-2.4g/cm3，与硅莫砖和抗剥落高铝砖体积密度2.6-2.8g/cm3相比可降低筒体温度30-50℃，降低水泥窑筒体载荷达到15％，可以有效降低水泥窑的电耗，并能使水泥窑的使用寿命达到3年以上。本发明制备的单晶相莫来石砖中Al2O3含量约为35-45％，气孔率小于16％，有效改善了材料的耐碱性能，所得单晶莫来石砖的体积密度为2.3-2.45g/cm3、强度大于50MPa，热震稳定性大于15次，荷重软化温度大于1500℃，是一种耐磨、耐高温的优良耐火制品。
附图说明
图1表示烧成时温度由室温升温至1300-1450℃的升温曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进行更加详细的说明，以便于对本发明技术方案的理解，但并不用于对本发明保护范围的限制。
以下原料中，所用单晶相莫来石均质料中Al2O3的质量百分比为40-45％，其体积密度为＞2.35g/cm3。所述蓝晶石粉中Al2O3的质量含量＞55％；所述蓝晶石粉的粒径＜0.030mm。所述的活性ρ-Al2O3粉中Al2O3的质量含量＞85％。
实施例1
一种水泥窑用单晶相莫来石砖，由以下质量百分含量的原料制备而成：单晶相莫来石均质料70％，蓝晶石粉27％，活性ρ-Al2O3 3％；外加占上述原料总质量4％的糊精水溶液。
其中，单晶相莫来石均质料粒径分布如下：3mm≤d1＜5mm、1mm≤d1＜3mm、0.074mm≤d1＜1mm和0mm＜d1＜0.074mm的质量百分比为4％：35％：20％：41％。
对该实施例制备的单晶相莫来石砖进行性能检测，检测结果如下：制备的单晶相莫来石砖中Al2O3含量为44.9％，显气孔率14.8％，体积密度2.32g/cm3，常温耐压强度57.3MPa，荷重软化温度1532℃，热震稳定性(1100℃，水冷)大于15次；与水泥窑用硅莫砖相比可降低筒体温度50℃以上，，使用寿命大于3年。
实施例2
一种水泥窑用单晶相莫来石砖，由以下质量百分含量的原料制备而成：单晶相莫来石均质料75％，蓝晶石粉22％，活性ρ-Al2O3 3％；外加占上述原料总质量3.5％的糊精水溶液。
其中，单晶相莫来石均质料粒径分布如下：3mm≤d1＜5mm、1mm≤d1＜3mm、0.074mm≤d1＜1mm和0mm＜d1＜0.074mm的质量百分比为7％：45％：25％：23％。
对该实施例制备的单晶相莫来石砖进行性能检测，检测结果如下：制备的单晶相莫来石砖中Al2O3含量44.3％，显气孔率14.1％，体积密度2.34g/cm3，常温耐压强度72MPa，荷重软化温度1548℃，热震稳定性(1100℃，水冷)大于15次；与水泥窑用硅莫砖相比可降低筒体温度50℃以上，使用寿命大于3年。
实施例3
一种水泥窑用单晶相莫来石砖，由以下质量百分含量的原料制备而成：单晶相莫来石均质料80％，蓝晶石粉15％，活性ρ-Al2O3 5％；外加占上述原料总质量6％的糊精水溶液。
其中，单晶相莫来石均质料粒径分布如下：3mm≤d1＜5mm、1mm≤d1＜3mm、0.074mm≤d1＜1mm和0mm＜d1＜0.074mm的质量百分比为6％：40％：22％：32％。
对该实施例制备的单晶相莫来石砖进行性能检测，检测结果如下：制备的单晶相莫来石砖中Al2O3含量43.1％，显气孔率13.1％，体积密度2.35g/cm3，常温耐压强度68.9MPa，荷重软化温度1568℃，热震稳定性(1100℃，水冷)大于15次；与水泥窑用硅莫砖相比可降低筒体温度50℃以上，使用寿命大于3年。
实施例4
一种水泥窑用单晶相莫来石砖，由以下质量百分含量的原料制备而成：单晶相莫来石均质料85％，蓝晶石粉9％，活性ρ-Al2O3 6％；外加占上述原料总质量5.5％的糊精水溶液。
其中，单晶相莫来石均质料粒径分布如下：3mm≤d1＜5mm、1mm≤d1＜3mm、0.074mm≤d1＜1mm和0mm＜d1＜0.074mm的质量百分比为6％：40％：22％：32％。
对该实施例制备的单晶相莫来石砖进行性能检测，检测结果如下：制备的单晶相莫来石砖中Al2O3含量42.6％，显气孔率14.7％，体积密度2.38g/cm3，常温耐压强度62.8MPa，荷重软化温度1547℃，热震稳定性(1100℃，水冷)大于15次；与水泥窑用硅莫砖相比可降低筒体温度50℃以上，使用寿命大于3年。
实施例5
一种水泥窑用单晶相莫来石砖，由以下质量百分含量的原料制备而成：单晶相莫来石均质料90％，蓝晶石粉7％，活性ρ-Al2O3 3％；外加占上述原料总质量5％的糊精水溶液。
其中，单晶相莫来石均质料粒径分布如下：3mm≤d1＜5mm、1mm≤d1＜3mm、0.074mm≤d1＜1mm和0mm＜d1＜0.074mm的质量百分比为8％：30％：22％：40％。
对该实施例制备的单晶相莫来石砖进行性能检测，检测结果如下：制备的单晶相莫来石砖中Al2O3含量为41.5％，显气孔率15.2％，体积密度2.37g/cm3，常温耐压强度63.5MPa，荷重软化温度1540℃，热震稳定性(1100℃，水冷)大于15次；与水泥窑用硅莫砖相比可降低筒体温度50℃以上，使用寿命大于3年。
实施例6
上述水泥窑用单晶相莫来石砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照要求的质量百分比准备单晶相莫来石均质料、蓝晶石粉、活性ρ-Al2O3及糊精水溶液；
(2)将活性ρ-Al2O3融入糊精水溶液，搅拌均匀形成浆体，备用；将粒径＜0.074mm的单晶相莫来石均质料、粒度<0.030mm蓝晶石粉进行预混合，得到混合物料，备用；
(3)将粒径为1mm≤粒径＜3mm及粒径为0.074mm≤粒径＜1mm的单晶相莫来石均质料干混，干混均匀后，加入步骤(2)中的浆体混合均匀，然后加入步骤(2)中的混合物料，混合均匀得到泥料；
(4)将步骤(3)得到的泥料采用压力机制备成为砖坯(体积密度为2.45g/cm3-2.55g/cm3)；
(5)将步骤(4)得到的砖坯置于干燥窑中进行干燥，在100-180℃条件下干燥12-24h，其中干燥窑入口的温度控制为30-60℃；
(6)将步骤(5)干燥后的砖坯置于高温隧道窑或梭式窑中进行烧成，高温隧道窑或梭式窑内的温度由室温升温至1300℃-1450℃(升温曲线如图1所示)，然后在最高烧成温度条件下保温4-10h，保温完成后自然冷却至室温，得到单晶相莫来石砖。
现有水泥窑预热带及安全带用的砖(硅莫砖和抗剥落高铝砖)通常采用铝含量达到80％以上矾土熟料进行制备，但是高铝熟料以刚玉相和莫来石相为主晶相，铝含量较高则刚玉相更高，抗碱侵蚀性能相对较差，随着水泥原燃料品位的下降及协同处置水泥窑处理废弃物的增加，会使得耐火砖的使用寿命明显降低，加之导热系数大，导致大量的热量散失，并加速筒体腐蚀甚至产生开裂，给生产运营带来很大安全风险。
而本发明制备的单晶莫来石砖各项使用性能明显提高，较高的延长了其使用寿命。所用原料单晶相莫来石均质料来源广，实现了低品位资源的高效利用，提高资源的利用率。具有很好的应用前景。

Claims (10)

1.一种水泥窑用单晶相莫来石砖，其特征在于，主要由以下质量百分含量的原料制备而成：单晶相莫石均质料70-90％，蓝晶石粉5-27％，活性ρ-Al2O3粉3-7％；外加占上述原料总重量3-6％的糊精溶液为结合剂。
2.根据权利要求1所述的单晶相莫来石砖，其特征在于，所述单晶相莫来石均质料中Al2O3的质量百分比为40-45％，其体积密度为＞2.35g/cm3。
3.根据权利要求2所述的单晶相莫来石砖，其特征在于，所述单晶相莫来石均质料的粒径d1分布及用量比如下：3mm≤d1＜5mm、1mm≤d1＜3mm、0.074mm≤d1＜1mm和0mm＜d1＜0.074mm的质量百分比为4-8％：35-45％：20-25％：23-41％。
4.根据权利要求1所述的单晶相莫来石砖，其特征在于，所述蓝晶石粉中Al2O3的质量含量＞55％，所述蓝晶石粉的粒径＜0.030mm。
5.根据权利要求1所述的单晶相莫来石砖，其特征在于，所述的活性ρ-Al2O3粉中Al2O3的质量含量＞85％。
6.根据权利要求1所述的单晶相莫来石砖，其特征在于，所述的糊精溶液优选为糊精水溶液；将麦芽糊精与水按照1：1-2的质量比进行混合，所得糊精水溶液的比重为1.1g/cm3-1.2g/cm3。
7.一种权利要求1-6任一项所述水泥窑用单晶相莫来石砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照要求的质量百分比准备单晶相莫来石均质料、蓝晶石粉、活性ρ-Al2O3及糊精水溶液；
(2)将活性ρ-Al2O3融入糊精水溶液，搅拌均匀形成浆体，备用；将粒径＜0.074mm的单晶相莫来石均质料、粒度<0.030mm蓝晶石粉进行预混合，得到混合物料，备用；
(3)将粒径为1mm≤粒径＜3mm及粒径为0.074mm≤粒径＜1mm的单晶相莫来石均质料干混，干混均匀后，加入步骤(2)中的浆体混合均匀，然后加入步骤(2)中的混合物料，混合均匀得到泥料；
(4)将步骤(3)得到的泥料采用压力机制备成为砖坯，并进行干燥及烧成，烧成后自然冷却至室温，得到单晶相莫来石砖。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所得砖坯的体积密度为2.45g/cm3-2.55g/cm3。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，砖坯干燥时的温度为100-180℃、干燥时间为12-24h。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述烧成时温度由室温升温至1300℃-1450℃，并在该烧成温度条件下保温4-10h；
优选地，在温度升温至1450℃温度时，在该温度条件下保温4-10h。
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