CN112209624A - 一种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷及其制备方法，属于陶瓷材料领域。这种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷，具有封闭的气孔，发泡陶瓷的物相构成中包括堇青石、莫来石和玻璃相，上述玻璃相将上述堇青石物相和莫来石物相粘接固定，上述莫来石物相占发泡陶瓷总质量的5%～25%，上述堇青石物相占发泡陶瓷总质量的8%～25%。这种物相构成的发泡陶瓷材料的性能可达到：热稳定性：200℃，10次不裂；耐火极限：完整性＞2H，隔热性＞90min（耐火极限测试标准：GB/T9978.8‑2008第10条要求，测试方法见：GB/T9978.1‑2008）。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷材料领域，具体为一种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷及其制备方法。
背景技术
发泡陶瓷是指内部具有封闭孔洞的陶瓷产品，其具有轻质、隔音、保温的特点，是一种良好的砌筑保温材料。生产这种材料的常规做法是在陶瓷坯体配方中添加发泡剂，发泡剂在高温烧结过程中产生气体，这些气体被高温烧结产生的液相包裹，冷却后在坯体内部形成具有蜂窝状封闭气孔。因此在发泡陶瓷物相构成中存在较多的非晶态的玻璃相，玻璃相在高温受热情况下或会软化熔融，而且在多孔的形貌特征下，当外部急剧加热升温时，热量难以迅速传导到发泡陶瓷内部，这就会造成表层闭口气孔受热急剧膨胀而剥落。因此目前发泡陶瓷的热稳定性和耐火性能是制约其应用发展的主要的问题，特别是对于厚度≥20mm的砌块或板材类发泡陶瓷产品，此类问题尤为严重。当遭遇火灾后，使用发泡陶瓷砌筑的墙体多需要重新修整，严重时甚需要整体进行替换。
发明内容
针对背景技术中提出的问题，本发明提供一种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷及其制造方法。本发明通过原料和烧成制度的匹配获得具有特定物相组成的发泡陶瓷材料，这种特定物相构成的发泡陶瓷材料具有高热稳定性和耐火性。
一种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷，其具有封闭的气孔，其物相构成中包括堇青石、莫来石和玻璃相，上述玻璃相将上述堇青石物相和莫来石物相粘接固定，上述莫来石物相占发泡陶瓷总质量的5%～25%，上述堇青石物相占发泡陶瓷总质量的8%～25%。
堇青石和莫来石的热膨胀系数低，因此当发泡陶瓷的物相中含有大量的堇青石和莫来石时，材料的热稳定性和耐火性能也会对应提高。
优选地，在上述高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷中还含有磷灰石物相，所述磷灰石物相占发泡陶瓷总质量的0.5%～2%。
优选地，在上述高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷中还含有锆石物相，所述锆石物相占发泡陶瓷总质量的0.2%～0.8%。
优选地，在上述高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷中还含有辉石物相，所述辉石物相占发泡陶瓷总质量的2%～5%。
优选地，在上述高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷中还含有钙长石物相，所述钙长石物相占发泡陶瓷总质量的1%～3%。
本发明还提供一种制备高热稳定性和耐火性发泡陶瓷的方法，其包括如下步骤：
步骤1，配料，按如下质量配比称取原料，合计100份：堇青石-莫来石质耐火材料20～50份、抛光渣20～50份、塑性黏土5～30份、滑石0～10份、废玻璃5～15份、高温发泡剂0.2～2份，烧结助剂1～10份；
上述高温发泡剂为碳化硅、三氧化二铁、碳粉中的至少一种；
上述烧结助剂为磷酸盐、碳酸盐、锆英砂、氧化锰、锂辉石、Y2O3中的至少一种；
上述堇青石-莫来石质耐火材料可由堇青石和莫来石按质量比为0.8～1.5：1的混合物替换；
步骤2，球磨造粒，将步骤1称取的原料进行加水球磨制成浆料，陈腐均化后进行喷雾造粒获得粉料；
步骤3，布料烧结，将步骤2获得的粉料布施在耐火窑具内，送入窑中烧结，烧结温度1100℃～1200℃；
步骤4，去皮切割，将烧结后的发泡陶瓷从窑具内取出，抛磨去除表皮层，切割成所需尺寸产品。
在以上方法中，堇青石-莫来石质耐火材料可以使用堇青石-莫来石质的废耐火窑具，也可以直接使用堇青石和莫来石按质量比为0.8～1.5：1的构成的混合物替换。当然，前者在制造成本上更具优势，直接使用堇青石和莫来石会使生产成本偏高。
在以上方法中，优选地，原料中还包括0.01～5份的硅酸铝纤维。原料中含有硅酸铝纤维可以使发泡陶瓷的韧性更好，可以提升制品的抗压强度。另外，硅酸铝纤维也是发泡陶瓷生成中的消耗品，在步骤3中，为了避免发泡陶瓷在高温烧结时对窑具的破坏，通常会先在窑具内铺设一层硅酸铝纤维，烧结后这些报废的硅铝纤维可以直接作为原料回用，提升制品性能的同时又节约生成成本，减少废固物的排放。
优选地，上述烧结助剂中的碳酸盐为碳酸钠、碳酸钙、碳酸铵中的至少两种组合。
优选地，上述烧结助剂为磷酸盐、碳酸盐、锆英砂、氧化锰、锂辉石和Y2O3的混合物。
优选地，上述发泡剂为碳化硅和三氧化二铁的混合物。
烧结助剂中的锆英砂与Y2O3共同作用，使莫来石晶粒的长大受到抑制，同时，使应力产生裂纹的扩展发生偏转，提高发泡陶瓷的强度，继而使发泡陶瓷具有较低的高温塑性变形及良好的抗热震性。锂辉石引入Li元素，可降低材料的热膨胀系数，另外Li为碱金属，具有很强的助融作用，可降低原料的烧成温度；上述锂辉石可以是锂辉石原矿，也可以使锂辉石提纯Li后的尾矿，用以提供少量的Li碱金属作为强熔剂，均可改善发泡陶瓷的膨胀系数进而改善热稳定性和耐火性能。MnO2作为供氧剂，在高温发泡阶段为发泡剂提供氧，促进发泡进程进行。锆英砂提供ZrO2，其在高温相变过程中会使闭气孔产生微裂纹，这些微裂纹在产品受到外部温度急剧升高时，气孔体积膨胀，可以弥补体积差，从而防止气孔因体积膨胀而爆裂，进而改善耐火性能，提高耐火极限。适量使用碳酸盐对烧结具有积极作用，特别时使用具有分解温度梯度的碳酸盐，碳酸盐分解时为粉料提供供氧通路，当使用碳酸铵、碳酸钙、碳酸钠的组合时，首先低温条件下碳酸铵会分解、中温条件下碳酸钙会分解而高温条件下碳酸钠会有少量分解，这样的组合搭配可以在中低温条件下为粉料颗粒提供一定间隙，使粉料内部具有充足的氧元素，对烧结和碳化硅类发泡剂发泡具有积极作用。所述磷酸盐可以是磷灰石或者磷尾矿，其在发泡陶瓷烧成后可产生磷灰石、辉石等物相，提高发泡陶瓷气孔壁的硬度，从而提高发泡陶瓷的强度，发泡陶瓷的物相组成在含有较多晶相的情况下，抗压强度随之增大。另外，磷灰石、辉石物相还可以提高发泡陶瓷的导热性能高，改善耐火性能。
本发明提供的发泡陶瓷，其物相构成中含有大量的堇青石和莫来石物相，使发泡陶瓷制品具有高热稳定性和耐火性。堇青石和莫来石需要在较高温度合成，而目前发泡陶瓷合适的烧结温度为1100℃～1200℃，在此温度下，无法大量合成堇青石和莫来石。添加堇青石和莫来石原料是一种方法，但堇青石和莫来石均属于高耐火度原料，当大量添加时会使原料的烧成温度大幅提升，而大量使用废玻璃类助融剂的方式会使发泡陶瓷中玻璃相过高，在高温条件下会熔融脱落，影响制品耐火性。针对问题，我们在制备方法中，使用烧结助剂，通过添加烧结助剂，一方面降低烧结温度，另一方面还可以提升制品性能，尤其是在使用复合烧结助剂情况下，这种优势更为明显。发泡陶瓷的性能可达到：热稳定性200℃ 10次不裂，耐火极限：完整性＞2H，隔热性＞90min（耐火极限测试标准：GB/T9978.8-2008第10条要求，测试方法见：GB/T9978.1-2008）。
附图说明
附图1为本发明实施例1获得的发泡陶瓷的扫描电镜照片（SEM），放大倍率为100倍。
附图2为本发明实施例1获得的发泡陶瓷的扫面电镜照片（SEM），放大倍率为500倍。
附图3为本发明实施例1获得的发泡陶瓷的扫面电镜照片（SEM），放大倍率为2000倍。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对发明方案进行具体说明。
为了更好说明本专利方案，首先介绍一个参照实施例。这里需要说明，参照实施例并不代表是现有技术，其仅作为本专利方法的参照说明。众所周知，在1200℃以下很难通过烧结反应生成大量的堇青石和莫来石物相。废砖粉和抛光渣内含有少量的堇青石和莫来石物相，且可以发泡陶瓷的生成原料，因此我们提供一个使用大量废砖粉和抛光渣的参照实施例进行说明。
本参照实施例提供一种高强度发泡陶瓷的制备方法，其包括如下步骤：
步骤1：混料造粒，将原料混合后经球磨制成浆料，陈腐24小时以上，经喷雾造粒，制成粉料颗粒；
步骤2：布料，选用由耐火材料制成的模具，先在模具内壁铺设一层由耐火材料制成的隔垫(在本实施例中选用石棉制成的石棉纸),然后布撒步骤1获得的粉料颗粒，粉料颗粒的布撒厚度为45mm；
步骤3：入窑烧成，烧成制度为：室温-400℃，升温速率10℃/min；400-800℃，升温速率6.7℃/min；800-1100℃，升温速率5℃/min；1100保温50min，然后冷却至常温；
步骤4：抛磨切割，将步骤3获得的发泡陶瓷从模具中取出，对其进行抛磨、切割加工，获得250mm*250mm*60mm的样块。
原料的配方组分如下（以质量份数计算）：
膨润土：5份；硅灰石：5份；废砖粉：11份；抛光渣：38份；废玻璃粉：30份；煅烧铝矾土：8份；煅烧滑石：3份；石灰石：1份；碳化硅：0.35份；氧化锰：0.8份；铁红（Fe203）：0.25份。
测试获得的发泡陶瓷性能：测试结果如下：
体积密度：470kg/m3；抗压强度：6.3Mpa；真空法吸水率：3.33%。
热稳定性：200℃，5次开裂。
耐火极限：完整性30分钟，隔热性30分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
使用XRD对其进行物相分析，获得数据如下表1。
表1
此参照实施例提供的发泡陶瓷抗压强度高、体积密度低，但热稳定性和耐火性较差，这制约了发泡陶瓷产品的应用范围。对其生成工艺进行分析，一方面堇青石和莫来石物相的含量较低，另一方面是因为原料中大量使用废玻璃作为助融剂，使烧结后的发泡陶瓷中玻璃相含量过高，材料的热传导效率低，在高温条件下，热能不能快速由表层向内传递，玻璃相熔融后会膨胀脱落。
这里废砖粉是指因缺陷报废的陶瓷砖经破碎后获得的熟料粉料，抛光渣是陶瓷砖抛光线的废水处理后压榨获得的泥渣，其内含有陶瓷砖和抛光磨头抛磨下来的碎屑。煅烧铝矾土是耐火黏土的一种，其内含有大量的氧化铝，因此需要使用大量的废玻璃作为助融剂。煅烧滑石是陶瓷生成中常用的熔剂原料，而且其中含有大量的镁元素，有利于堇青石物相的生成和保存。石灰石即碳酸钙，适量添加情况下，其分解产生的二氧化碳有利于形成粉料内气体流通的通道，保证氧元素在坯体内部的浓度，促进碳化硅发泡分解。
实施例1
本实施例提供一种高热稳定性和耐火性发泡陶瓷的制备方法，原料包括（合计100份）：堇青石-莫来石质耐火材料废料：50份，抛光渣：20份，膨润土：5份，压榨泥：10份，废玻璃：5份，滑石：3份，碳化硅：0.3份，三氧化二铁：0.5份，碳粉：0.2份，磷酸钙：2份，硅酸锆：0.8份，Y2O3：0.5份，石灰石2份，氧化锰：0.5份，碳酸钠：0.2份。
堇青石-莫来石质耐火材料粉料为发泡陶瓷生成过程中报废的窑具，下表2为使用XRD测试获得其的物相构成表。
表2
需要说明，堇青石-莫来石质耐火材料在使用过程中堇青石会逐渐转化为莫来石物相，同时非晶相物质会增多，不同批次的废料的物相组成上会有小范围差异。
莫来石和堇青石的热膨胀系数较低（约为：1～2×10-6/℃），熔融温度在1300℃以上，在1200℃以下辊道窑/隧道窑生产条件下很难合成，在K-Na-Ca-Mg-Si-Al体系中，受到碱金属或者碱土金属的影响，作为原料引入的莫来石和堇青石会出现分解现象，因此必须引入足够的莫来石和堇青石才可以保证烧结后仍存在大量的莫来石和堇青石物相，从而降低发泡陶瓷的热膨胀系数，继而达到改善热稳定性和耐火极限的目的。
抛光渣是我公司（广东金意陶陶瓷集团有限公司）瓷砖抛光线上的废水经沉降、压滤处理后获得的残渣。其内主要为陶瓷砖和磨头抛磨过程中产生的碎屑，因此也含有少量的莫来石和堇青石物相，同时碳化硅也是一种常用的磨头磨料，因此抛光渣中也含有微量的碳化硅。
膨润土和压榨泥都是塑性黏土原料，其主要作用是提高原料塑性，使球磨后的泥浆具有更好的悬浮性，均是陶瓷生成中的常用原料。
滑石是一种常用的助融剂，而且其中含有大量的镁元素，在烧结过程中对堇青石物相分解具有一定的抑制作用。
废玻璃选用的是常见的废日用玻璃，将其破碎后使用。日用玻璃在600℃左右就会软化，在较低温度下就会产生液相，可促进烧结，但其用量不宜过大，否则会对发泡陶瓷的强度和耐火性能带来不利影响。过多的玻璃相会使发泡陶瓷的孔壁变脆，而且在高温条件下，熔融剥落也会使发泡陶瓷材料出现垮塌。
碳化硅、三氧化二铁和碳粉在高温烧结过程中均可以产生发泡气体，在这里作为发泡材料，其中碳化硅我们使用平均粒径9.06微米，D50=8.25微米的碳化硅微粉，粒径较小的碳化硅颗粒具有更大的比表面积。众所周知，碳化硅在高温条件下表层会氧化成二氧化硅，需要将表层的二氧化硅熔融剥离后反应才可继续进行，小粒径的碳化硅颗粒具有更大的比表面积，熔融剥离的进程更迅速。三氧化二铁在约860℃开始分解为四氧化三铁和氧气，在约1120℃时分解加剧，伴随坯体烧结获得发泡陶瓷。但三氧化二铁产生的气体量较少，因此单独使用三氧化二铁作为发泡剂使用时，发泡陶瓷的体积密度多大于1kg/cm3，因此我们多将其与碳化硅和碳粉复合使用，其在粉料内部分解产生的氧气有利于碳粉和碳化硅的氧化。
发泡陶瓷适宜的烧成温度≤1200℃，当大量使用堇青石-莫来石质原料时需要强助融剂，而废玻璃的用量不宜过大，因此我们选用磷酸钙、硅酸锆、Y2O3、石灰石、氧化锰、碳酸钠作为烧结助剂。以上原料在少量使用时，对烧结具有促进作用，而且磷酸钙在烧结过程中会生成磷灰石物相，可提高发泡陶瓷的硬度，对应地硅酸锆和Y2O3也会促进高强度的锆石物相生成，石灰石在高温烧结过程中也会生成硬度较高的钙长石物相。
步骤1，配料，按以上给出的质量份数配比称取原料。
步骤2，球磨造粒，将步骤1称取的原料加水球磨制成浆料，然后将浆料放入浆料池进行均化陈腐，球磨后浆料的含水率约为30%，比重约为1.7-1.75，浆料细度250目筛余≤0.5%；将陈腐24小时后的浆料泵入喷雾干燥塔喷雾造粒，获得含水率约为6.5%的粉料，将粉料输送至料仓内陈腐备用。
步骤3，布料烧结，选用堇青石-莫来石质耐火材料制成的窑具，在窑具内先铺设一层由硅酸铝耐火纤维制成的耐火纸，然后布施步骤二获得的粉料，粉料的布施厚度为45mm，窑具窑腔的深度一般为粉料布施厚度的3倍，这样可以保证烧结后发泡陶瓷不会膨胀至窑具外。使用辊道窑烧成，烧成温度为1195℃，烧成周期为16h。当然，窑炉种类并不唯一，也可选用隧道窑等进行烧制。
步骤4，去皮切割，将烧结后的发泡陶瓷从窑具内取出，抛磨去除表皮层，切割成所需尺寸产品，在本实施例中我们切割获得250mm*250mm*60mm的发泡陶瓷产品。当然，实际生产中，产品尺寸规格可以根据产品的使用需求来进行切割。
使用XRD测试获得发泡陶瓷的物相构成，记录如下表3。
表3
测试实施例1获得的发泡陶瓷产品性能，记录如下：
体积密度：594.77kg/m3。
抗压强度：9.55MPa。
热稳定性：200℃，10次不裂。
耐火极限：完整性＞2h，隔热性＞90分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
附图1、2、3均为此实施例获得的发泡陶瓷扫描电镜照片（SEM），其中图1放大倍率为100倍，图2为500倍，图3为2000倍。结合扫描电镜照片和物相组成，我们可以确认实施例1制备的发泡陶瓷中含有大量的堇青石和莫来石物相颗粒，堇青石和莫来石晶粒生长细小，形貌丰富，以颗粒状、片状为主，晶粒之间空隙烧结致密且有玻璃相连接，因此制品的抗压强度、热稳定性和耐火性指标均高于目前发泡陶瓷产品。
结合参照实施例，参照实施例给出在发泡陶瓷物相构成中含有堇青石和莫来石物相可以提高制品强度，但其热稳定性和耐火性能较差，我们分析造成以上问题的原因主要有两点：一是堇青石和莫来石物相含量还不够高，二是大量使用废玻璃作为强助融剂，大量的玻璃相在受热时会熔融膨胀剥落。在实施例1中我们增大了堇青石和莫来石的用量，以此解决低热膨胀系数物相含量不足的问题，同时引入烧结助剂，磷酸钙、硅酸锆、Y2O3、石灰石、氧化锰、碳酸钠这些组分在烧结过程中有降低烧成温度的作用，同时磷酸钙、硅酸锆、Y2O3、石灰石还会在烧结过程中形成磷灰石、钙长石、锆石等有益的物相，进一步提高制品强度。
实施例2
在此实施例中，我们在发泡陶瓷的配方组分中添加硅酸铝纤维，以提高发泡陶瓷的抗压强度。具体配方如下：
堇青石-莫来石质耐火材料废料：45份，硅酸铝纤维：5份，抛光渣：20份，膨润土：5份，压榨泥：10份，废玻璃：5份，滑石：3份，碳化硅：0.3份，三氧化二铁：0.5份，碳粉：0.2份，磷酸钙：2份，硅酸锆：0.8份，Y2O3：0.5份，石灰石2份，氧化锰：0.5份，碳酸钠：0.2份。
在发泡陶瓷烧结过程中，会在窑具内先垫一层硅酸铝纤维，用以将发泡陶瓷粉料和窑具隔开，避免高温烧结过程中发泡陶瓷粉料熔融后对窑具的侵蚀。这些硅酸铝纤维使用一次就会报废，因此可以回收作为发泡陶瓷原料使用。
其余工艺流程和工艺参数如实施例1。
测试获得的发泡陶瓷性能，记录如下：
体积密度：675.21kg/m3。
抗压强度：10.79MPa。
热稳定性：200℃，10次不裂。
耐火极限：完整性＞2h，隔热性＞90分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
测试其物相构成，记录入下表4。
表4
引入硅酸铝纤维作为原料，对制品的抗压强度有大幅提升，高热稳定性和耐火性没有不良影响。从测试结果来看，发泡陶瓷的体积密度有所提升，从轻质角度考虑，硅酸铝纤维的用量不宜过大。另外，在实际生产中，硅酸铝纤维的成本较高，我们多采用发泡陶瓷烧结过程中由拆除窑具过程中获取的废硅酸铝纤维，从消耗平衡和稳定产品性能角度考虑，硅酸铝纤维的引入量以≤5wt%为宜。
实施例3
烧成温度越高，在原料中添加的堇青石和莫来石物相在烧结过程中分解的比例就越高，但在较低的烧结温度下，又需要大量引入强助融剂（废玻璃），以保障发泡陶瓷的充分烧结。参照实施例说明在大量使用废玻璃作为强助融剂的情况下，发泡陶瓷热稳定性和耐火性能较差。
在此实施例中，我们将烧成温度设定为1120℃，并调整发泡陶瓷原料配方组分，增大废玻璃的用量。
原料配方组分如下：堇青石-莫来石质耐火材料废料：20份，硅酸铝纤维：3份，抛光渣：37份，膨润土：5份，压榨泥：10份，废玻璃：15份，滑石：3份，碳化硅：0.3份，三氧化二铁：0.5份，碳粉：0.2份，磷酸钙：2份，石灰石3份，氧化锰：0.5份，碳酸钠：0.5份。
对获得产品进行测试，性能指标如下：
体积密度：407.21kg/m3。
抗压强度：6.19MPa。
热稳定性：200℃，10次不裂。
耐火极限：完整性＞2h，隔热性＞90分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
测试其物相构成，记录入下表5。
表5
在较低的烧成温度下，我们增大了废玻璃的用量，并且减少堇青石-莫来石质耐火材料废料的用量，获得发泡陶瓷产品中堇青石物相含量为8%wt，莫来石物相含量为5%wt,制品的抗压强度下降幅度较大，这主要是因为玻璃相含量较多，而且在没有硅酸锆和Y2O3的情况下，烧结过程中应力产生的裂纹容易扩大，在进行抗压强度测试时，这些微裂纹会在外力作用下迅速扩散开裂。
实施例4
原料配方组分如下：堇青石-莫来石质耐火材料废料：30份，硅酸铝纤维：3份，抛光渣：32份，膨润土：5份，压榨泥：10份，废玻璃：10份，滑石：3份，碳化硅：0.3份，三氧化二铁：0.5份，碳粉：0.2份，磷酸钙：1.5份，石灰石3份，氧化锰：0.5份，碳酸钠：0.5份，碳酸铵0.5份。
此配方中在加入少量的碳酸铵，碳酸铵在约58℃就会分解，这样在组分中存在的碳酸盐有三种，分别为碳酸铵、碳酸钙（石灰石）和碳酸钠（纯碱），这种搭配，可以使在中低温情况下粉料的空隙得以充分打通，有利于氧元素在在粉料内部流动，对烧结具有促进作用，使用这种搭配，此实施例可在1100℃下烧成，烧成周期也为15小时，这对降低生产能耗具有积极作用。
测试产品性能，记录如下：
体积密度：639.18kg/m3。
抗压强度：8.93MPa。
热稳定性：200℃，10次不裂。
耐火极限：完整性＞2h，隔热性＞90分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
测试其物相构成，记录入下表6。
表6
在实施例1-4中，我们使用的堇青石-莫来石质耐火材料废料，这种方式是适合工业生产的最佳方式，堇青石-莫来石质耐火材料粉料内堇青石和莫来石物相含量虽然高，但毕竟不够稳定，对此我们在以下实施例种使用堇青石和莫来石作为原料，通过使用高纯度原料，来对工艺参数、原料配比和发泡陶瓷制品性能进行标定。
实施例5
原料配方组分如下：堇青石：10份，莫来石10份，抛光渣：50份，膨润土：5份，压榨泥：10份，废玻璃：10份，滑石：4.65份，碳化硅：0.35份。
烧成温度为1200℃，烧成周期20小时。其余工艺参数如实施例1。
测试获得产品的性能记录如下：
体积密度：504.32kg/m3。
抗压强度：6.83MPa。
热稳定性：200℃，10次不裂。
耐火极限：完整性＞2h，隔热性＞90分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
使用XRD测试其物相构成，记录入下表7。
表7
实施例6
原料配方组分如下：堇青石：10份，莫来石8份，抛光渣：50份，膨润土：7份，压榨泥：10份，废玻璃：10份，滑石：4.65份，碳化硅：0.35份。
烧成温度为1200℃，烧成周期20小时。其余工艺参数如实施例1。
测试获得产品的性能记录如下：
体积密度：476.14kg/m3。
抗压强度：6.23MPa。
热稳定性：200℃，8次开裂。
耐火极限：完整性1.5h，隔热性65分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
使用XRD测试其物相构成，记录入下表8。
表8
实施例7
原料配方组分如下：堇青石：8份，莫来石8份，抛光渣：50份，膨润土：9份，压榨泥：10份，废玻璃：10份，滑石：4.65份，碳化硅：0.35份。
烧成温度为1200℃，烧成周期20小时。其余工艺参数如实施例1。
测试获得产品的性能记录如下：
体积密度：462.84kg/m3。
抗压强度：6.79MPa。
热稳定性：200℃，5次开裂。
耐火极限：完整性1.5h，隔热性50分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
使用XRD测试其物相构成，记录入下表9。
表9
实施例8
原料配方组分如下：堇青石：30份，莫来石20份，抛光渣：20份，膨润土：5份，压榨泥：5份，废玻璃：10份，滑石：9.65份，碳化硅：0.35份。
烧成温度为1200℃，烧成周期22小时。其余工艺参数如实施例1。
测试获得产品的性能记录如下：
体积密度：913.99kg/m3。
抗压强度：8.19MPa。
热稳定性：200℃，10次不裂。
耐火极限：完整性＞2h，隔热性＞90分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
发泡陶瓷的气孔较少，而且不太规则，这说明发泡陶瓷处于烧结程度不够，而且从体积密度参数也印证了这一点。
使用XRD测试其物相构成，记录入下表10。
表10
实施例9
原料配方组分如下：堇青石：30份，莫来石20份，抛光渣：20份，膨润土：5份，压榨泥：5份，废玻璃：8份，滑石：5份，碳化硅：0.35份，三氧化二铁：0.8份，碳粉：0.2份，磷酸钙：2份，石灰石2.65份，氧化锰：0.5份，碳酸钠：0.5份。
烧成温度1195℃，烧成周期18小时。其余工艺参数如实施例1。
测试获得产品的性能记录如下：
体积密度：913.99kg/m3。
抗压强度：10.23MPa。
热稳定性：200℃，10次不裂。
耐火极限：完整性＞2h，隔热性＞90分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
使用XRD测试其物相构成，记录入下表11。
表11
实施例10
在此实施例中，我们将堇青石-莫来石质耐火材料废料与堇青石和莫来石混用，原料配方组分如下：堇青石-莫来石质耐火材料废料：30份，堇青石10份，莫来石10份，抛光渣：20份，膨润土：5份，压榨泥：5份，废玻璃：8份，滑石：5份，碳化硅：0.35份，三氧化二铁：0.8份，碳粉：0.2份，磷酸钙：2份，石灰石2.65份，氧化锰：0.5份，碳酸钠：0.5份。
烧成温度1195℃，烧成周期18小时。其余工艺参数如实施例1。
测试获得产品的性能记录如下：
体积密度：825.17kg/m3。
抗压强度：9.71MPa。
热稳定性：200℃，10次不裂。
耐火极限：完整性＞2h，隔热性＞90分钟（耐火极限测试方法及标准：GB/T9978.1-2008、GB/T9978.8-2008）。
使用XRD测试其物相构成，记录入下表12。
表12
堇青石-莫来石质耐火材料会随着使用，其内的堇青石会逐步转化为莫来石，即开始时堇青石物相含量较高，随后会逐渐降低，而莫来石物相会随使用而逐渐增多，当莫来石物相含量大于堇青石物相含量时窑具多会报废。当然，还会有因使用过程中磕碰等造成的损耗。同时，由实施例5-10可知，当发泡陶瓷中堇青石物相含量低于8wt%时，发泡陶瓷的热稳定性和耐火极限会迅速恶化，莫来石物相对发泡陶瓷的热稳定性和耐火极限性能也具有积极作用，但其对发泡陶瓷的抗压强度更有益。
综合考虑以上1-10实施例，在发泡陶瓷中，堇青石物相含量为8wt%～25wt%,莫来石物相含量为5wt%～25wt%时，发泡陶瓷具有较好的热稳定性和耐火极限，且抗压强度也处于较高水平。
对于烧结助剂，单一组分具有一定效果，但以上实施例也表明，只有当其混用时才会有最佳效果，而且例如磷酸盐、碳酸盐、硅酸锆、Y2O3在混合使用时，可以获得磷灰石、钙长石、辉石和锆石等有益物相，这些有益物相可以进一步提高发泡陶瓷的性能。
考虑烧结助剂中各种原料的用量配比和发泡陶瓷合适的烧结温度（1100℃～1200℃），磷灰石、锆石、辉石和钙长石等有益物相在质量占比范围如下：磷灰石0.5%～2%；锆石0.2%～0.8%，辉石2%～5%，钙长石1%～3%。
表13为本发明中使用的几种主要原料的化学分析结果。
表13
当然，这些组分构成是示例性的，对于不同批次、不同产地的原料会有一定差异。说明：原料化学组分采用煅烧后物料中各组分换算成氧化物的质量百分比，L.O.I表示烧失量，即原料中一些可分解组分。
对于发泡剂，碳化硅、三氧化二铁和碳粉均可使用，就单独使用效果而言，以碳化硅发泡剂的效果最好。三氧化二铁单独使用时，发泡气体产生量不足，因此获得发泡陶瓷气孔率较低，体积密度大。碳粉发泡效果很不稳定，因此多和以上两种发泡剂混合使用。此外，碳化硅在发泡过程中需要大量的氧元素，而三氧化二铁在高温下会分解施放出氧气，因此发泡剂以碳化硅和三氧化二铁混用为佳，当然也可以时碳化硅、三氧化二铁和碳粉进行混合使用。
对于烧结助剂，还可以使用锂辉石，锂辉石可以单独使用也可以与磷酸盐、碳酸盐、硅酸锆、Y2O3等一起混用。
烧结助剂的添加量以堇青石-莫来石质耐火材料废料用量为基本参照，以1-10份为宜，而且以多种组分复合使用为最佳。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷，其具有封闭的气孔，所述发泡陶瓷的物相构成中包括堇青石、莫来石和玻璃相，所述玻璃相将所述堇青石物相和莫来石物相粘接固定，其特征在于，所述莫来石物相占发泡陶瓷总质量的5%～25%，所述堇青石物相占发泡陶瓷总质量的8%～25%。
2.如权利要求1所述的一种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷，其特征在于，所述发泡陶瓷中还含有磷灰石物相，所述磷灰石物相占发泡陶瓷总质量的0.5%～2%。
3.如权利要求1所述的一种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷，其特征在于，所述发泡陶瓷中还含有锆石物相，所述锆石物相占发泡陶瓷总质量的0.2%～0.8%。
4.如权利要求1所述的一种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷，其特征在于，所述发泡陶瓷中还含有辉石物相，所述辉石物相占发泡陶瓷总质量的2%～5%。
5.如权利要求1所述的一种高热稳定性和耐火性的发泡陶瓷，其特征在于，所述发泡陶瓷中还含有钙长石物相，所述钙长石物相占发泡陶瓷总质量的1%～3%。
6.一种制备高热稳定性和耐火性发泡陶瓷的方法，其包括如下步骤：
步骤1，配料，按如下质量配比称取原料，合计100份：堇青石-莫来石质耐火材料20～50份、抛光渣20～50份、塑性黏土5～30份、滑石0～10份、废玻璃5～15份、高温发泡剂0.2～2份，烧结助剂1～10份；
所述高温发泡剂为碳化硅、三氧化二铁、碳粉中的至少一种；
所述烧结助剂为磷酸盐、碳酸盐、锆英砂、氧化锰、锂辉石、Y2O3中的至少一种；
所述堇青石-莫来石质耐火材料可由堇青石和莫来石按质量比为0.8～1.5：1的混合物替换；
步骤2，球磨造粒，将步骤1称取的原料进行加水球磨制成浆料，陈腐均化后进行喷雾造粒获得粉料；
步骤3，布料烧结，将步骤2获得的粉料布施在耐火窑具内，送入窑中烧结，烧结温度1100℃～1200℃；
步骤4，去皮切割，将烧结后的发泡陶瓷从窑具内取出，抛磨去除表皮层，切割成所需尺寸产品。
7.如权利要求6所述的一种制备高热稳定性和耐火性发泡陶瓷的方法，其特征在于，所述原料中还包括0.01～5份的硅酸铝纤维。
8.如权利要求6所述的一种制备高热稳定性和耐火性发泡陶瓷的方法，其特征在于，所述烧结助剂为磷酸盐、碳酸盐、锆英砂、氧化锰、锂辉石和Y2O3的混合物。
9.如权利要求6所述的一种制备高热稳定性和耐火性发泡陶瓷的方法，其特征在于，所述碳酸盐为碳酸钠、碳酸钙、碳酸铵中的至少两种组合。
10.如权利要求6所述的一种制备高热稳定性和耐火性发泡陶瓷的方法，其特征在于，所述发泡剂为碳化硅和三氧化二铁的混合物。
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