CN112142447B - 一种高性能节能型镁基原料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能节能型镁基原料及其制备方法。其技术方案是首先将40～60wt％的电熔镁砂颗粒、15～20wt％的镁锆合金颗粒、15～20wt％的单斜氧化锆细粉、5～20wt％的氧氯化锆细粉、0.5～2wt％的纳米氢氧化钙粉体、0.2～0.5wt％的轻烧氧化镁细粉和0.1～0.3wt％的马来酸，在25℃恒温条件下采用高速混碾机搅拌15min混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体经过球磨机在25℃恒温条件下混合3min，再置于高温炉中在250～400℃条件下焙烧0.5～3h，冷却至室温，得高性能节能型镁基原料。本发明具有工艺简单和易于工业化生产的特点；所制备的高性能节能型镁基原料具有导热系数较低、热膨胀系数低、分散性好、蓄热保温和抗熔渣渗透侵蚀能力强的特点。

Description

一种高性能节能型镁基原料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域,具体涉及提供一种高性能节能型镁基原料及其制备方法。
背景技术
耐火材料直接应用于钢铁、有色、水泥、玻璃、陶瓷和化工、机械、电力等国民经济各个领域的高温工业生产过程中，是保证上述产业运行和技术发展必不可少的基础材料。镁砂具有熔点高、耐高温、抗碱性高温熔渣侵蚀性好等优点，是耐火材料中最重要的原料之一，被广泛应用于各类高温工业用耐火材料，其服役性能和使用寿命直接关系着高温工业的正常运行与产品的品质。
尽管镁砂耐火度高、抗碱性高温熔渣侵蚀性好，但镁砂的导热系数仍然偏高，而且抵御高温熔渣渗透性能和抗热震性能不佳的缺陷对其使用寿命造成了极大的限制。镁砂的抗高温熔渣渗透及抗热震性能与其显微结构有重要联系，熔渣较易通过气孔及晶界渗透进入材料内部从而产生严重的侵蚀。因此，现有镁砂制备技术多倾向于制备晶粒尺寸大且较致密的镁砂原料，即大结晶镁砂。然而，由于氧化镁热膨胀系数较大，大结晶镁砂在遭受温度剧变时，由于晶界数量少，热应力难以得到释放，抗热震性能通常不佳。此外，考虑到现有的镁砂中气孔尺寸通常较大且直接结合程度较低，微孔镁砂的开发有效降低了气孔尺寸，增加了气孔中的闭口气孔比例，能在一定程度上缓解高温熔体的渗透侵蚀，但其轻量多孔化后的隔热性和抗渣性能的平衡性仍然不够优越，有待提高。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单和易于工业化生产的高性能节能型镁基原料的制备方法；用该方法制备的高性能节能型镁基原料具有导热系数较低、热膨胀系数低、分散性好、蓄热保温和抗熔渣渗透侵蚀能力强的特点。
为实现上述任务，本发明所采用的技术方案是：
将40～60wt％的电熔镁砂颗粒、15～20wt％的镁锆合金颗粒、15～20wt％的单斜氧化锆细粉、5～20wt％的氧氯化锆细粉、0.5～2wt％的纳米氢氧化钙粉体、0.2～0.5wt％的轻烧氧化镁细粉和0.1～0.3wt％的马来酸，在25℃恒温条件下采用高速混碾机搅拌15min混合均匀，得到混合粉体；
然后将所述混合粉体经过球磨机在25℃恒温条件下混合3min，再置于高温炉中在250～400℃温度下焙烧0.5～3h，冷却至室温，获得高性能节能型镁基原料。
所述电熔镁砂颗粒的粒径≤1mm，电熔镁砂颗粒中的MgO含量为≥96wt％。
所述镁锆合金颗粒的粒径≤0.5mm，镁锆合金颗粒中的Zr含量为≥25wt％。
所述单斜氧化锆细粉的ZrO2≥98wt％，粒径≤45μm。
所述氧氯化锆细粉的粒径≤45μm。
所述纳米氢氧化钙粉体的Ca(OH)2≥98wt％，粒径≤0.1μm。
所述轻烧氧化镁细粉的MgO≥95wt％，粒径≤45μm。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明采用毫米-微米-纳米颗粒复合体系和混碾及球磨工艺，结合氧氯化锆细粉和纳米氢氧化钙粉体的热解，能在镁砂晶界周围引入微纳米氧化锆和氧化钙并使其均匀分布，该镁基原料在高温使用过程中，氧化锆相变及其与氧化钙反应产生的应力能很好地促进微纳米氧化锆紧密接触镁砂晶界，其晶界杂质中的CaO会优先于SiO2与这些活性ZrO2反应在晶界生成CaZrO3；镁锆合金颗粒被包裹在氧氯化锆和氧化镁反应形成的硬质壳层中，既能在服役中发挥蓄热功效且不会影响材料耐火性能；同时，适量的纳米ZrO2颗粒被包裹具有相似粒径的CaO以及较大的活性MgO微粉粒中，阻碍了其与镁砂晶界中CaO杂质的聚集性反应，稳定了镁砂结构，也起到缓释的作用；这些持续生成的适量晶间CaZrO3相能增强镁砂颗粒的结合力，有效降低镁砂的导热系数、热膨胀系数以及提升抗渣性能。
因此，本发明具有工艺简单和易于工业化生产的特点；所制备的高性能节能型镁基原料具有导热系数较低、热膨胀系数低、分散性好、蓄热保温和抗熔渣渗透侵蚀能力强的特点。
附图说明
图1根据实施例1的方法获得的镁基原料的扫描电镜图片；
图2根据实施例2的方法获得的镁基原料的扫描电镜图片；
图3根据实施例3的方法获得的镁基原料的扫描电镜图片；
图4根据实施例4的方法获得的镁基原料的扫描电镜图片；
图5根据实施例5的方法获得的镁基原料的扫描电镜图片；
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物料统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述电熔镁砂颗粒的粒径≤1mm，电熔镁砂颗粒中的MgO含量为≥96wt％。
所述镁锆合金颗粒的粒径≤0.5mm，镁锆合金颗粒中的Zr含量为≥25wt％。
所述单斜氧化锆细粉的ZrO2≥98wt％，粒径≤45μm。
所述氧氯化锆细粉的粒径≤45μm。
所述纳米氢氧化钙粉体的Ca(OH)2≥98wt％，粒径≤0.1μm。
所述轻烧氧化镁细粉的MgO≥95wt％，粒径≤45μm。
实施例1
一种高性能节能型镁基原料及其制备方法。本实施例的技术方案是：
将60wt％的电熔镁砂颗粒、15wt％的镁锆合金颗粒、18wt％的单斜氧化锆细粉、5wt％的氧氯化锆细粉、1.7wt％的纳米氢氧化钙粉体、0.2wt％的轻烧氧化镁细粉和0.1wt％的马来酸，在25℃恒温条件下采用高速混碾机搅拌15min混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体经过球磨机在25℃恒温条件下混合3min，再置于高温炉中在250℃条件下焙烧2.5h，冷却至室温，即得高性能节能型镁基原料。
图1是本实施例获得的镁基原料形貌照片，可见其中形成了不同微纳米粒级尺寸的具有完整核壳结构的蓄热微粒和纤维交错的均匀混合原料，从而具有较低的导热系数、低热膨胀系数，原料蓄热保温和抗熔渣渗透侵蚀能力强。
实施例2
将50wt％的电熔镁砂颗粒、20wt％的镁锆合金颗粒、15wt％的单斜氧化锆细粉、18wt％的氧氯化锆细粉、5wt％的纳米氢氧化钙粉体、1.7wt％的轻烧氧化镁细粉和0.2wt％的马来酸，在25℃恒温条件下采用高速混碾机搅拌15min混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体经过球磨机在25℃恒温条件下混合3min，再置于高温炉中在300条件下焙烧2.5h，冷却至室温，即得高性能节能型镁基原料。
图2是本实施例获得的镁基原料形貌照片，可见其中形成了不同微纳米粒级尺寸的具有完整核壳结构的蓄热微粒和纤维交错的均匀混合原料，从而具有较低的导热系数、低热膨胀系数，原料蓄热保温和抗熔渣渗透侵蚀能力强。
实施例3
将40wt％的电熔镁砂颗粒、19wt％的镁锆合金颗粒、20wt％的单斜氧化锆细粉、20wt％的氧氯化锆细粉、0.5％的纳米氢氧化钙粉体、0.4wt％的轻烧氧化镁细粉和0.1wt％的马来酸，在25℃恒温条件下采用高速混碾机搅拌15min混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体经过球磨机在25℃恒温条件下混合3min，再置于高温炉中在400℃条件下焙烧1h，冷却至室温，即得高性能节能型镁基原料。
图3是本实施例获得的镁基原料形貌照片，可见其中形成了不同微纳米粒级尺寸的具有完整核壳结构的蓄热微粒和纤维交错的均匀混合原料，从而具有较低的导热系数、低热膨胀系数，原料蓄热保温和抗熔渣渗透侵蚀能力强。
实施例4
将45wt％的电熔镁砂颗粒、17.5wt％的镁锆合金颗粒、20wt％的单斜氧化锆细粉、15wt％的氧氯化锆细粉、2％的纳米氢氧化钙粉体、0.3wt％的轻烧氧化镁细粉和0.2wt％的马来酸，在25℃恒温条件下采用高速混碾机搅拌15min混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体经过球磨机在25℃恒温条件下混合3min，再置于高温炉中在350℃条件下焙烧1h，冷却至室温，即得高性能节能型镁基原料。
图4是本实施例获得的镁基原料形貌照片，可见其中形成了不同微纳米粒级尺寸的具有完整核壳结构的蓄热微粒和纤维交错的均匀混合原料，从而具有较低的导热系数、低热膨胀系数，原料蓄热保温和抗熔渣渗透侵蚀能力强。
实施例5
将55wt％的电熔镁砂颗粒、15wt％的镁锆合金颗粒、16wt％的单斜氧化锆细粉、12wt％的氧氯化锆细粉、1.5％的纳米氢氧化钙粉体、0.4wt％的轻烧氧化镁细粉和0.1wt％的马来酸，在25℃恒温条件下采用高速混碾机搅拌15min混合均匀，得到混合粉体；然后将所述混合粉体经过球磨机在25℃恒温条件下混合3min，再置于高温炉中在380℃条件下焙烧2.5h，冷却至室温，即得高性能节能型镁基原料。
图5是本实施例获得的镁基原料形貌照片，可见其中形成了不同微纳米粒级尺寸的具有完整核壳结构的蓄热微粒和纤维交错的均匀混合原料，从而具有较低的导热系数、低热膨胀系数，原料蓄热保温和抗熔渣渗透侵蚀能力强。
对比例1-5
对比例1-5中，电熔镁砂颗粒、镁锆合金颗粒、单斜氧化锆细粉、氧氯化锆细粉、纳米氢氧化钙粉体、轻烧氧化镁细粉和马来酸按照表1的重量配比(wt％)和工艺条件进行。
表1对比例1-5原料配比
原料(wt％) 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5
电熔镁砂颗粒 65 35 66 30 70
镁锆合金颗粒 24 10 3 30 4
单斜氧化锆细粉 5 30 3 35 3
氧氯化锆细粉 2 23 25 1 21
纳米氢氧化钙粉体 2.5 0.3 3 0 0.2
轻烧氧化镁细粉 1 1 0 2 1
马来酸 0.5 0.7 0 2 0.8
温度(℃) 250 350 400 350 300
焙烧时间(h) 2.5 1.5 0.5 1 2
表2本发明各实施例与对比例1-5镁基原料性能指标对比
Figure BDA0002694866270000061
Figure BDA0002694866270000071
表2是本发明的各实施例与对比例1-5镁基原料性能指标对比。由上述表1和表2可以看出，采用40～60wt％的电熔镁砂颗粒、15～20wt％的镁锆合金颗粒、15～20wt％的单斜氧化锆细粉、5～20wt％的氧氯化锆细粉、0.5～2wt％的纳米氢氧化钙粉体、0.2～0.5wt％的轻烧氧化镁细粉和0.1～0.3wt％的马来酸在25℃恒温条件下采用高速混碾机搅拌15min混合均匀，得到混合粉体，最后获得的原料的导热系数远远低于传统镁基原料，具有良好的蓄热保温效果，其原因在本发明采用毫米-微米-纳米颗粒复合体系和混碾及球磨工艺，结合氧氯化锆细粉和纳米氢氧化钙粉体的热解，能在镁砂晶界周围引入微纳米氧化锆和氧化钙并使其均匀分布，该镁基原料在高温使用过程中，氧化锆相变及其与氧化钙反应产生的应力能很好地促进微纳米氧化锆紧密接触镁砂晶界，其晶界杂质中的CaO会优先于SiO2与这些活性ZrO2反应在晶界生成CaZrO3；镁锆合金颗粒被包裹在氧氯化锆和氧化镁反应形成的硬质壳层中，既能在服役中发挥蓄热功效且不会影响材料耐火性能；同时，适量的纳米ZrO2颗粒被包裹具有相似粒径的CaO以及较大的活性MgO微粉粒中，阻碍了其与镁砂晶界中CaO杂质的聚集性反应，稳定了镁砂结构，也起到缓释的作用；这些持续生成的适量晶间CaZrO3相能增强镁砂颗粒的结合力，有效降低镁砂的导热系数、热膨胀系数以及提升抗渣性能。
因此，本发明具有工艺简单和易于工业化生产的特点；所制备的高性能节能型镁基原料具有导热系数较低、热膨胀系数低、分散性好、蓄热保温和抗熔渣渗透侵蚀能力强的特点。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种高性能节能型镁基原料的制备方法，其特征在于将40～60wt％的电熔镁砂颗粒、15～20wt％的镁锆合金颗粒、15～20wt％的单斜氧化锆细粉、5～20wt％的氧氯化锆细粉、0.5～2wt％的纳米氢氧化钙粉体、0.2～0.5wt％的轻烧氧化镁细粉和0.1～0.3wt％的马来酸，在25℃恒温条件下采用高速混碾机搅拌15min混合均匀，得到混合粉体；
然后将所述混合粉体经过球磨机在25℃恒温条件下混合3min，再置于高温炉中在250～400℃温度下焙烧0.5～3h，冷却至室温，获得所述高性能节能型镁基原料。
2.根据权利要求1所述的高性能节能型镁基原料的制备方法，其特征在于所述电熔镁砂颗粒的粒径≤1mm，电熔镁砂颗粒中的MgO含量为≥96wt％。
3.根据权利要求1所述的高性能节能型镁基原料的制备方法，其特征在于所述镁锆合金颗粒的粒径≤0.5mm，镁锆合金颗粒中的Zr含量为≥25wt％。
4.根据权利要求1所述的高性能节能型镁基原料的制备方法，其特征在于所述单斜氧化锆细粉的ZrO2≥98wt％，粒径≤45μm。
5.根据权利要求1所述的高性能节能型镁基原料的制备方法，其特征在于所述氧氯化锆细粉的粒径≤45μm。
6.根据权利要求1所述的高性能节能型镁基原料的制备方法，其特征在于所述纳米氢氧化钙粉体的Ca(OH)2≥98wt％，粒径≤0.1μm。
7.根据权利要求1所述的高性能节能型镁基原料的制备方法，其特征在于所述轻烧氧化镁细粉的MgO≥95wt％，粒径≤45μm。
8.一种根据权利要求1～7项中任一项所述的高性能节能型镁基原料的制备方法获得的镁基原料。
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