CN113045323A - 梯度截热保温材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及焦炉生产技术领域，尤其是涉及一种梯度截热保温材料及其制备方法和应用。梯度截热保温材料，包括截热板和设置于所述截热板表面的截热块；截热板主要由按重量份数计的如下组分制得：气相二氧化硅36～60份、超细硅微粉15～30份、纤维5～20份、结合剂2～6份、膨胀剂5～10份和遮光剂0～8份；截热块主要由按重量份数计的如下组分制得：轻质莫来石球55～65份、含氧化铝粉料15～25份、微粉4～8份和结合剂5～15份。本发明通过采用特定的截热板和截热块复合使用，形成梯度截热结构，兼顾高温强度及截热效果，同时能够抵抗高温状态下强气流的冲刷和高温化学腐蚀，可有效的提高焦炉的节能效果并延长焦炉使用寿命。

Description

梯度截热保温材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及焦炉生产技术领域，尤其是涉及一种梯度截热保温材料及其制备方法和应用。
背景技术
焦炉是焦化生产的关键设备，焦炉炉体由炉顶区、炭化室、燃烧室、蓄热室及分烟道等几部分组成。冶炼过程中大约12％的热量通过炉体表面散失至周围环境中，不仅导致能源浪费，污染环境，同时增加了企业的资金投入。为减少炉体表面散热，炉顶不受压部位砌有隔热砖。炉顶区的实体部位设置平行于抵抗墙的膨胀缝，烘炉孔在焦炉转为正常加热投产时用塞子砖堵死。为防止雨水对焦炉表面的侵蚀，炉顶表面用耐磨性好的缸砖砌筑。传统的做法是炉顶区域采用不同类型的耐火砖进行隔热保温，目前隔热砖多采用粘土砖、缸砖、硅藻土砖。砖的种类繁多且结构复杂，从长期焦炉使用的情况来看，这些材料强度低，长期使用后出现碎裂和致密化，主要造成大型焦炉炉顶以下问题：
(1)大型焦炉炉顶温度过高，铁件和砌筑耐火材料由于热胀冷缩而导致与周围的其它砌筑材料出现缝隙，造成炭化室烟气、热气从缝隙窜出，造成大量热损失，影响炭化室焦炭质量和推焦操作；
(2)炉顶出现缝隙，造成整个炉顶面高低不平，导致装煤孔(导烟孔)、上升管座砖等部位损坏，严重时会造成炉顶塌陷而被迫停炉，影响焦炉寿命；
(3)炉顶温度高，甚至可以达到80～100℃，资源浪费，劳动环境恶劣。
为了提高焦炉使用寿命，减少热损耗，改善工人的劳动环境，急需研制一种强度高、截热效果好，同时能够抵抗高温状态下强气流冲刷和高温化学腐蚀的材料。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供梯度截热保温材料，以解决现有技术中存在的用于焦炉的隔热材料强度低、保温效果差等技术问题。
本发明的第二目的在于提供梯度截热保温材料的制备方法。
本发明的第三目的在于提供梯度截热保温材料的应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
梯度截热保温材料，包括截热板和设置于所述截热板表面的截热块；
所述截热板主要由按重量份数计的如下组分制得：
气相二氧化硅36～60份、超细硅微粉15～30份、纤维5～20份、结合剂2～6份、膨胀剂5～10份和遮光剂0～8份；所述截热板的SiO2含量为60wt％～99wt％；所述截热板中的结合剂包括按质量比为1﹕(0.5～2)的硅溶胶和硅酸乙酯；
所述截热块主要由按重量份数计的如下组分制得：轻质莫来石球55～65份、含氧化铝粉料15～25份、微粉4～8份和结合剂5～15份；所述截热块的Al2O3含量为20wt％～80wt％。
本发明的梯度截热保温材料，通过采用特定的截热板和截热块复合使用，根据两者不同的导热系数，形成梯度截热结构，兼顾高温强度及截热效果，防爆裂并且应用温度高，整体性强，耐磨耐高温，强度高，同时能够抵抗高温状态下强气流的冲刷和高温化学腐蚀，可有效的提高焦炉的节能效果并延长焦炉使用寿命。本发明的梯度截热保温材料，主要成分是铝和硅，在高温下形成莫来石，晶体结构链状排列，延C轴长成柱状和针状，相互穿插构成坚固的骨架使其具有良好的高温强度和抗侵蚀性能。
在本发明的具体实施方式中，所述纤维的长度为10～100mm。
在本发明的具体实施方式中，所述纤维包括短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维和无碱玻璃纤维的任一种或多种。优选的，所述纤维包括短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维和无碱玻璃纤维的至少两种，更优选包括至少三种。进一步的，所述纤维包括含锆纤维和/或多晶莫来石纤维，以及短切硅酸铝纤维。其中，所述含锆纤维为多晶氧化锆纤维，ZrO2含量大于98wt％。
在本发明的具体实施方式中，所述膨胀剂包括硅线石、红柱石和蓝晶石中的任一种或多种。
在本发明的具体实施方式中，所述遮光剂包括TiO2和/或SiC细粉。
在本发明的具体实施方式中，所述轻质莫来石球中Al2O3含量为15wt％～60wt％。
在本发明的具体实施方式中，所述轻质莫来石球的直径小于25mm。进一步的，所述轻质莫来石球包括按重量份数计的组分：直径为8mm～5mm的轻质莫来石球8～15份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球10～20份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球10～18份和直径为1～0mm的轻质莫来石球10～20份。
在本发明的具体实施方式中，所述轻质莫来石球的体积密度为0.3～1.6g/m3。
在本发明的具体实施方式中，所述含氧化铝粉料包括焦宝石粉、高铝粉、刚玉粉和莫来石粉中的任一种或多种。
在本发明的具体实施方式中，所述微粉包括硅微粉和/或α-Al2O3微粉。
在本发明的具体实施方式中，所述截热块中的结合剂包括矾土水泥和/或铝酸钙水泥。
在本发明的具体实施方式中，所述截热板的1000℃导热系数为0.04～0.06W/(m·K)；所述截热板100℃处理24h后，压缩率5％时的耐压强度≥150kPa；所述截热板1000℃烧3h后，压缩率5％时的耐压强度≥300kPa。
在本发明的具体实施方式中，所述截热块的体积密度为0.5～1.9g/m3；所述截热块的1000℃导热系数为0.3～0.6W/(m·K)，优选为0.3～0.4W/(m·K)；所述截热块100℃烘干24h后，耐压强度≥37Mpa；所述截热块1350℃烧3h后，耐压强度≥35Mpa。
在本发明的具体实施方式中，所述截热块的厚度为100～200mm。
在本发明的具体实施方式中，所述梯度截热保温材料包括截热板和设置于所述截热板表面的浇注层，所述浇注层由多个所述截热块砌筑形成。进一步的，所述梯度截热保温材料包括2～8层浇注层；相邻浇注层之间的截热块错缝排布。
本发明还提供了梯度截热保温材料的制备方法，包括如下步骤：
将所述截热块设置于所述截热板表面；或，将所述截热板铺设于所述截热块表面；
所述截热板的制备方法包括：将各组分混合均匀，进行成型、养护处理；所述浇注块的制备方法包括：将各组分混合均匀，进行成型、养护处理。
本发明还提供了梯度截热保温材料作为保温层的应用。
在本发明的具体实施方式中，所述梯度截热保温材料用于焦炉的保温。
在本发明的具体实施方式中，所述梯度截热保温材料用于焦炉的炉顶、上升管、集气管或放散管的保温。
在实际操作中，根据应用部位不同，截热板和截热块的铺设顺序可进行调整。对于温度相对较低的部位，如焦炉炉顶，所述应用的方法包括：所述梯度截热保温材料的截热板贴合设置于待处理部位表面；进一步的，然后将所述截热块砌筑在所述截热板表面形成浇注层。对于温度相对较高的部位，如焦炉集气管、上升管等，所述应用的方法包括：将所述梯度截热保温材料的截热块砌筑在待处理部位表面形成浇注层；进一步的，然后在浇注层表面铺设所述截热板。进一步的，采用错缝砌筑的方式砌筑所述截热块。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的梯度截热保温材料通过采用特定的截热板和截热块复合使用，形成梯度截热结构，兼顾高温强度及截热效果，同时能够抵抗高温状态下强气流的冲刷和高温化学腐蚀，可有效的提高焦炉的节能效果并延长焦炉使用寿命；
(2)本发明的梯度截热保温材料可根据实际应用需求，调整截热板和截热块的配比和结构设置，可灵活满足各种保温需求；并且本发明的梯度截热保温材料不仅可以解决新建焦炉对隔热层的需求，也可对老焦炉直接进行改造，适用范围广泛；
(3)将本发明的梯度截热保温材料施设于焦炉炉顶，能够显著降低炉顶温度，可降低约30℃左右；同时可延长焦炉炉顶的维修周期，节省大量的耐火原料资源和人力资源，提高焦炉的产品质量和生产效率，对推进炼焦行业的节能降耗、绿色环保进程具有重要意义。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
梯度截热保温材料，包括截热板和设置于所述截热板表面的截热块；
所述截热板主要由按重量份数计的如下组分制得：
气相二氧化硅36～60份、超细硅微粉15～30份、纤维5～20份、结合剂2～6份、膨胀剂5～10份和遮光剂0～8份；所述截热板的SiO2含量为60wt％～99wt％；所述截热板中的结合剂包括按质量比为1﹕(0.5～2)的硅溶胶和硅酸乙酯；
所述截热块主要由按重量份数计的如下组分制得：轻质莫来石球55～65份、含氧化铝粉料15～25份、微粉4～8份和结合剂5～15份；所述截热块的Al2O3含量为20wt％～80wt％。
本发明的梯度截热保温材料，通过采用特定的截热板和截热块复合使用，形成梯度截热结构，兼顾高温强度及截热效果，同时能够抵抗高温状态下强气流的冲刷和高温化学腐蚀，可有效的提高焦炉的节能效果并延长焦炉使用寿命。
如在不同实施方式中，截热板的原料中，所述气相二氧化硅的用量可以为36份、40份、45份、50份、55份、60份等等；所述超细硅微粉的用量可以为15份、18份、20份、22份、25份、28份、30份等等；纤维的用量可以为5份、8份、10份、12份、15份、18份、20份等等；结合剂的用量可以为2份、3份、4份、5份、6份等等；膨胀剂的用量可以为5份、6份、7份、8份、9份、10份等等；遮光剂可根据实际需求选择是否添加，优选添加遮光剂3～8份，如3份、4份、5份、6份、7份、8份等等。
在本发明的具体实施方式中，所述纤维的长度为10～100mm。
在实际操作中，所述纤维的长度在上述范围内均可。
在本发明的具体实施方式中，所述纤维包括短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维和无碱玻璃纤维的任一种或多种。优选的，所述纤维包括短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维和无碱玻璃纤维的至少两种，更优选包括至少三种。进一步的，所述纤维包括含锆纤维和/或多晶莫来石纤维，以及短切硅酸铝纤维。其中，所述含锆纤维为多晶氧化锆纤维，ZrO2含量大于98wt％。
在本发明的具体实施方式中，所述含锆纤维、多晶莫来石纤维和短切硅酸铝纤维的质量比为1﹕(0.8～1.2)﹕(0.8～1.2)，如可以为1﹕1﹕1。
在本发明的具体实施方式中，根据所述梯度截热保温材料的使用温度调整所述纤维的添加种类。具体的，当使用温度偏高时，添加的纤维中包括含锆纤维和多晶莫来石纤维。
在本发明的具体实施方式中，所述截热板中的结合剂包括按质量比为1﹕(0.8～1.2)的硅溶胶和硅酸乙酯，如可以为1﹕1。
在本发明的具体实施方式中，所述膨胀剂包括硅线石、红柱石和蓝晶石中的任一种或多种，优选包括至少两种，如包括红柱石和蓝晶石。
在本发明的具体实施方式中，所述遮光剂包括TiO2和/或SiC细粉。进一步的，所述遮光剂包括质量比为1﹕(0.8～1.2)的TiO2和SiC细粉，如可以为1﹕1。
在本发明的具体实施方式中，所述轻质莫来石球中Al2O3含量为15wt％～60wt％，优选为50wt％～60wt％。在本发明的具体实施方式中，所述轻质莫来石球的直径小于25mm。进一步的，所述轻质莫来石球包括按重量份数计的组分：直径为8mm～5mm的轻质莫来石球8～15份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球10～20份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球10～18份和直径为1～0mm的轻质莫来石球10～20份。
在本发明的具体实施方式中，所述轻质莫来石球的体积密度为0.3～1.6g/m3，优选为1～1.5g/m3。
在本发明的具体实施方式中，所述含氧化铝粉料包括焦宝石粉、高铝粉、刚玉粉和莫来石粉中的任一种或多种。
根据实际使用温度可采用不同的含氧化铝粉料配料方式。
在本发明的具体实施方式中，所述微粉包括硅微粉和/或α-Al2O3微粉。进一步的，所述微粉包括质量比为1﹕(0.8～1.2)的硅微粉和α-Al2O3微粉，如可以为1﹕1。所述硅微粉的粒径为5μm±0.5μm。
在本发明的具体实施方式中，所述截热块中的结合剂包括矾土水泥和/或铝酸钙水泥。进一步的，所述截热块中的结合剂包括质量比为1﹕(1.5～2.5)的矾土水泥和铝酸钙水泥，如可以为1﹕2。
在本发明的具体实施方式中，所述截热板的1000℃导热系数为0.04～0.06W/(m·K)；所述截热板100℃处理24h后，压缩率5％时的耐压强度≥150kPa(GB/13480-2014)；所述截热板1000℃烧3h后，压缩率5％时的耐压强度≥300kPa。
在本发明的具体实施方式中，所述截热块的体积密度为0.5～1.9g/m3；所述截热块的1000℃导热系数为0.3～0.6W/(m·K)，优选为0.3～0.4W/(m·K)；所述截热块100℃烘干24h后，耐压强度≥37Mpa(GB/T5072-2008)；所述截热块1350℃烧3h后，耐压强度≥35Mpa(GB/T5072-2008)。
本发明的截热块的最高使用温度可达1650℃，截热板的最高使用温度可达900～1000℃。
在本发明的具体实施方式中，所述截热块的厚度为100～200mm。
所述截热块的厚度可根据实际需求进行调整，如在不同实施方式中，所述截热块的厚度可以为100mm、120mm、140mm、160mm、180mm、200mm等等。
在本发明的具体实施方式中，所述梯度截热保温材料包括截热板和设置于所述截热板表面的浇注层，所述浇注层由多个所述截热块砌筑形成。进一步的，所述梯度截热保温材料包括2～8层浇注层；相邻浇注层之间的截热块错缝排布。
通过设置多层错缝排布的截热块，能够保证在某一层中的截热块产生裂口的情况下，相邻层的错缝排布的截热块可阻挡热量通过裂口流出，阻挡热量散失。
本发明还提供了梯度截热保温材料的制备方法，包括如下步骤：
将所述截热块设置于所述截热板表面；或，将所述截热板铺设于所述截热块表面；
所述截热板的制备方法包括：将各组分混合均匀，进行成型、养护处理；所述截热块的制备方法包括：将各组分混合均匀，进行成型、养护处理。
在本发明的具体实施方式中，所述截热板的制备方法包括：
(a)将结合剂和1/3～2/3量的纤维混炼1～3min，加入预混粉料混1～2min，然后根据搅拌速度缓慢加入余量纤维混炼2～3min，得到混匀物料；
(b)将所述混匀物料进行压力成型，得到板坯；将所述板坯于80～150℃条件下养护12～24h；
所述预混粉料的制备包括：气相二氧化硅、超细硅微粉、膨胀剂和遮光剂混合处理得到预混粉料。进一步的，所述混合处理包括混炼2～3min。
在实际操作中，当采用多种纤维时，可分别称量每种纤维的1/3～2/3量，与预混粉料进行上述混炼；也可称量对应多种纤维总量的1/3～2/3量的一种或几种纤维，然后与预混粉料进行上述混炼。
在本发明的具体实施方式中，所述压力成型中，压力为150～300T。
在实际操作中，所述混炼为高强高速混炼，转速可以为150～250r/min，如200r/min，以保证物料混合均匀即可。
在本发明的具体实施方式中，所述截热块的制备方法包括：
(a)将轻质莫来石球与预混物混炼3～5min，然后加水湿混5～10min，得到浆料；
(b)将所述浆料于模具中，振动成型，得到块坯；将所述块坯进行湿法养护；
其中，所述预混物的制备包括：将含氧化铝粉料、微粉和结合剂混合处理得到预混物。
在本发明的具体实施方式中，所述水的加入量为轻质莫来石球和预混物的质量和的5wt％～10wt％。
在本发明的具体实施方式中，所述湿法养护的条件包括：在湿度为75％～95％、温度不低于10℃的环境下进行养护24～48h。
在实际操作中，各种混合、混炼等可在转速150～250r/min(如200r/min)的高强高速混炼设备中进行。
本发明还提供了梯度截热保温材料作为保温层的应用。
在本发明的具体实施方式中，所述梯度截热保温材料用于焦炉的保温。适用于各种热风、火焰窑炉。
在本发明的具体实施方式中，所述梯度截热保温材料用于焦炉的炉顶、上升管、集气管或放散管的保温。
在实际操作中，根据应用部位不同，截热板和截热块的铺设顺序可进行调整。对于温度相对较低的部位，如焦炉炉顶，所述应用的方法包括：所述梯度截热保温材料的截热板贴合设置于待处理部位表面；进一步的，然后将所述截热块砌筑在所述截热板表面形成浇注层。对于温度相对较高的部位，如焦炉集气管、上升管等，所述应用的方法包括：将所述梯度截热保温材料的截热块砌筑在待处理部位表面形成浇注层；进一步的，然后在浇注层表面铺设所述截热板。进一步的，采用错缝砌筑的方式砌筑所述截热块。
本发明具体实施例中采用的部分材料信息可以如下，但不局限于此：
硅线石：精选硅线石，Al2O3 53wt％～57wt％、Fe2O3 0.8wt％～1.2wt％；
蓝晶石：精选蓝晶石，Al2O3 50wt％～56wt％、Fe2O3 0.7wt％～1.0wt％；
红柱石：Al2O3 52wt％～58wt％、Fe2O3 0.8wt％～1.8wt％；
铝酸钙水泥：Al2O3 69wt％～76wt％、CaO 21wt％～28wt％；
矾土水泥：Al2O3 52wt％～55wt％、CaO 20wt％～35wt％。
实施例1
本实施例提供了梯度截热保温材料及其制备方法，其中，梯度截热保温材料包括截热板和设置于截热板表面的2～8层浇注层；每层所述浇注层由截热块砌筑形成，相邻浇注层之间采用错缝砌筑方式砌筑得到。
截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅50份、超细硅微粉18份、短切硅酸铝纤维6份、玄武岩纤维6份、含锆纤维6份、硅溶胶2份、硅酸乙酯2份、硅线石7份、SiC细粉1.5份和TiO2 1.5份。其中，短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维、含锆纤维的长度为20～60mm，含锆纤维为ZrO2含量大于98wt％的多晶氧化锆纤维。所述截热板的SiO2含量满足60wt％～99wt％。
截热块的原料包括按重量份数计的：轻质莫来石球65份、高铝粉10份、刚玉粉8份、硅微粉(5μm)3.5份、α-Al2O3微粉3.5份和铝酸钙水泥10份。其中，轻质莫来石球包括直径为8mm～5mm的轻质莫来石球10份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球20份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球17份和直径为1～0mm的轻质莫来石球18份；所述轻质莫来石球的Al2O3含量为58wt％，体积密度为1.5g/m3。所述截热块的Al2O3含量满足20wt％～80wt％。
所述截热板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将气相二氧化硅、超细硅微粉、SiC细粉、TiO2和硅线石混炼2～3min，得到预混粉料。
(2)取短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维和含锆纤维总计的2/3量与硅溶胶和硅酸乙酯在高强高速混炼机中混炼2～3min，然后加入步骤(1)得到的预混粉料，继续混炼2～3min，再边搅拌边缓慢加入余量纤维混炼3～5min，得到混匀物料。
(3)将步骤(2)得到的混匀物料在240T压力下成型，得到50～100mm厚的板坯；然后将所述板坯于80～150℃条件下养护12～24h，得到截热板。可进一步采用热塑膜进行包装。
所述截热块的制备方法，包括如下步骤：
(1)将高铝粉、刚玉粉、硅微粉、α-Al2O3微粉和铝酸钙水泥预混3～8min，得到预混物。
(2)将各直径范围的轻质莫来石球混炼2～5min，然后加入步骤(1)得到的预混物，混炼3～5min，再加8重量份水湿混5～10min，得到浆料。
(3)将湿混好的浆料注入模具内，振动成型，得到块坯；将块坯在湿度为75％～95％、温度不低于10℃的环境下养护24～48h，得到截热块(厚度可为100～200mm)。
实施例2
本实施例提供了梯度截热保温材料及其制备方法，其中，梯度截热保温材料包括截热板和设置于截热板表面的2～8层浇注层；每层所述浇注层由截热块砌筑形成，相邻浇注层之间采用错缝砌筑方式砌筑得到。
截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅40份、超细硅微粉20份、短切硅酸铝纤维3.66份、含锆纤维3.66份、多晶莫来石纤维3.68份、硅溶胶3份、硅酸乙酯3份、红柱石10份和TiO2 8份。其中，短切硅酸铝纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维的长度为20～60mm，含锆纤维为ZrO2含量大于98wt％的多晶氧化锆纤维。所述截热板的SiO2含量满足60wt％～99wt％。
截热块的原料包括按重量份数计的：轻质莫来石球57份、高铝粉10份、莫来石粉13份、硅微粉(5μm)2.5份、α-Al2O3微粉2.5份和铝酸钙水泥15份。其中，轻质莫来石球包括直径为8mm～5mm的轻质莫来石球15份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球15份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球13份和直径为1～0mm的轻质莫来石球14份；所述轻质莫来石球的Al2O3含量为50wt％，体积密度为1.4g/m3。所述截热块的Al2O3含量满足20wt％～80wt％。
所述截热板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将气相二氧化硅、超细硅微粉、TiO2和红柱石混炼2～3min，得到预混粉料。
(2)取短切硅酸铝纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维总计的2/3量与硅溶胶和硅酸乙酯在高强高速混炼机内混炼2～3min，然后加入步骤(1)得到的预混粉料，继续混炼2～3min，再边搅拌边缓慢加入余量纤维混炼1～3min，然后加入混3～5min，得到混匀物料。
(3)将步骤(2)得到的混匀物料在240T压力下成型，得到50～100mm厚的板坯；然后将所述板坯于80～150℃条件下养护12～24h，得到截热板。可进一步采用热塑膜进行包装。
所述截热块的制备方法，包括如下步骤：
(1)将高铝粉、莫来石粉、硅微粉、α-Al2O3微粉和铝酸钙水泥预混3～8min，得到预混物。
(2)将各直径范围的轻质莫来石球混炼2～5min，然后加入步骤(1)得到的预混物，混炼3～5min，再加9重量份水湿混5～10min，得到浆料。
(3)将湿混好的浆料注入模具内，振动成型，得到块坯；将块坯在湿度为75％～95％、温度不低于10℃的环境下养护24～48h，得到截热块(厚度可为100～200mm)。
实施例3
本实施例提供了梯度截热保温材料及其制备方法，其中，梯度截热保温材料包括截热板和设置于截热板表面的2～8层浇注层；每层所述浇注层由截热块砌筑形成，相邻浇注层之间采用错缝砌筑方式砌筑得到。
截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅36份、超细硅微粉30份、短切硅酸铝纤维5份、含锆纤维5份、多晶莫来石纤维5份、硅溶胶1.5份、硅酸乙酯1.5份、蓝晶石10份和SiC细粉6份。其中，短切硅酸铝纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维的长度为20～60mm，含锆纤维为ZrO2含量大于98wt％的多晶氧化锆纤维。所述截热板的SiO2含量满足60wt％～99wt％。
截热块的原料包括按重量份数计的：轻质莫来石球58份、莫来石粉25份、硅微粉(5μm)4份、α-Al2O3微粉4份和铝酸钙水泥9份。其中，轻质莫来石球包括直径为8mm～5mm的轻质莫来石球13份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球18份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球15份和直径为1～0mm的轻质莫来石球12份；所述轻质莫来石球的Al2O3含量为50wt％，体积密度为1.4g/m3。所述截热块的Al2O3含量满足20wt％～80wt％。
所述截热板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将气相二氧化硅、超细硅微粉、SiC细粉和蓝晶石混炼2～3min，得到预混粉料。
(2)取短切硅酸铝纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维总计的2/3量与硅溶胶和硅酸乙酯在高强高速混炼机内混炼1～2min，然后加入步骤(1)得到的预混粉料，继续混炼2～3min，再边搅拌边缓慢加入余量纤维混炼3～5min，得到混匀物料。
(3)将步骤(2)得到的混匀物料在240T压力下成型，得到50～100mm厚的板坯；然后将所述板坯于80～150℃条件下养护12～24h，得到截热板。可进一步采用热塑膜进行包装。
所述截热块的制备方法，包括如下步骤：
(1)莫来石粉、硅微粉、α-Al2O3微粉和铝酸钙水泥预混3～8min，得到预混物。
(2)将各直径范围的轻质莫来石球混炼2～5min，然后加入步骤(1)得到的预混物，混炼3～5min，再加10重量份水湿混5～10min，得到浆料。
(3)将湿混好的浆料注入模具内，振动成型，得到块坯；将块坯在湿度为75％～95％、温度不低于10℃的环境下养护24～48h，得到截热块(厚度可为100～200mm)。
实施例4
本实施例提供了梯度截热保温材料及其制备方法，其中，梯度截热保温材料包括截热板和设置于截热板表面的2～8层浇注层；每层所述浇注层由截热块砌筑形成，相邻浇注层之间采用错缝砌筑方式砌筑得到。
截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅60份、超细硅微粉15份、短切硅酸铝纤维5份、含锆纤维5份、多晶莫来石纤维5份、硅溶胶1份、硅酸乙酯1份、蓝晶石5份、TiO2 1.5份和SiC细粉1.5份。其中，短切硅酸铝纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维的长度为20～60mm，含锆纤维为ZrO2含量大于98wt％的多晶氧化锆纤维。所述截热板的SiO2含量满足60wt％～99wt％。
截热块的原料包括按重量份数计的：轻质莫来石球58份、焦宝石粉25份、硅微粉(5μm)4份、α-Al2O3微粉4份和铝酸钙水泥9份。其中，轻质莫来石球包括直径为8mm～5mm的轻质莫来石球13份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球18份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球15份和直径为1～0mm的轻质莫来石球12份；所述轻质莫来石球的Al2O3含量为50wt％，体积密度为1.0g/m3。所述截热块的Al2O3含量满足20wt％～80wt％。
所述截热板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将气相二氧化硅、超细硅微粉、SiC细粉、TiO2和蓝晶石混炼2～3min，得到预混粉料。
(2)取短切硅酸铝纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维总计的2/3量并加入硅溶胶和硅酸乙酯在高强高速混炼机内混炼1～2min，然后加入步骤(1)得到的预混粉料，继续混炼2～3min，再边搅拌边缓慢加入余量纤维混炼3～5min，得到混匀物料。
(3)将步骤(2)得到的混匀物料在240T压力下成型，得到50～100mm厚的板坯；然后将所述板坯于80～150℃条件下养护12～24h，得到截热板。可进一步采用热塑膜进行包装。
所述截热块的制备方法，包括如下步骤：
(1)将焦宝石粉、硅微粉、α-Al2O3微粉和铝酸钙水泥预混3～8min，得到预混物。
(2)将各直径范围的轻质莫来石球混炼2～5min，然后加入步骤(1)得到的预混物，混炼3～5min，再加9重量份水湿混5～10min，得到浆料。
(3)将湿混好的浆料注入模具内，振动成型，得到块坯；将块坯在湿度为75％～95％、温度不低于10℃的环境下养护24～48h，得到截热块(厚度可为100～200mm)。
实施例5
本实施例提供了梯度截热保温材料及其制备方法，其中，梯度截热保温材料包括截热板和设置于截热板表面的2～8层浇注层；每层所述浇注层由截热块砌筑形成，相邻浇注层之间采用错缝砌筑方式砌筑得到。
截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅50份、超细硅微粉18份、玄武岩纤维6份、含锆纤维6份、硅溶胶2份、硅酸乙酯2份、硅线石7份、SiC细粉1.5份和TiO2 1.5份。其中，玄武岩纤维、含锆纤维的长度为20～60mm，含锆纤维为ZrO2含量大于98wt％的多晶氧化锆纤维。所述截热板的SiO2含量满足60wt％～99wt％。
截热块的原料包括按重量份数计的：轻质莫来石球60份、高铝粉10份、焦宝石粉8份、硅微粉(5μm)3.5份、α-Al2O3微粉3.5份和矾土水泥15份。其中，轻质莫来石球包括直径为8mm～5mm的轻质莫来石球10份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球20份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球15份和直径为1～0mm的轻质莫来石球15份；所述轻质莫来石球的Al2O3含量为58wt％，体积密度为1.5g/m3。所述截热块的Al2O3含量满足20wt％～80wt％。
所述截热板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将气相二氧化硅、超细硅微粉、SiC细粉、TiO2和硅线石预混混炼2～3min，得到预混粉料。
(2)取玄武岩纤维和含锆纤维总计的2/3量以及硅溶胶和硅酸乙酯在高强高速混炼机中混炼1～2min，然后加入步骤(1)得到的预混粉料，继续混炼2～3min，再边搅拌边缓慢加入余量纤维混炼3～5min，得到混匀物料。
(3)将步骤(2)得到的混匀物料在240T压力下成型，得到50～100mm厚的板坯；然后将所述板坯于80～150℃条件下养护12～24h，得到截热板。可进一步采用热塑膜进行包装。
所述截热块的制备方法，包括如下步骤：
(1)将高铝粉、焦宝石粉、硅微粉、α-Al2O3微粉和矾土水泥预混3～8min，得到预混物。
(2)将各直径范围的轻质莫来石球混炼2～5min，然后加入步骤(1)得到的预混物，混炼3～5min，再加8份重量份水湿混5～10min，得到浆料。
(3)将湿混好的浆料注入模具内，振动成型，得到块坯；将块坯在湿度为75％～95％、温度不低于10℃的环境下养护24～48h，得到截热块(厚度可为100～200mm)。
实施例6
本实施例提供了梯度截热保温材料及其制备方法，其中，梯度截热保温材料包括截热板和设置于截热板表面的2～8层浇注层；每层所述浇注层由截热块砌筑形成，相邻浇注层之间采用错缝砌筑方式砌筑得到。
截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅50份、超细硅微粉18份、短切硅酸铝纤维6份、玄武岩纤维6份、含锆纤维6份、硅溶胶2份、硅酸乙酯2份、红柱石3份、蓝晶石4份、SiC细粉1.5份和TiO2 1.5份。其中，短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维、含锆纤维的长度为20～60mm，含锆纤维为ZrO2含量大于98wt％的多晶氧化锆纤维。所述截热板的SiO2含量满足60wt％～99wt％。
截热块的原料包括按重量份数计的：轻质莫来石球60份、高铝粉10份、焦宝石粉8份、硅微粉(5μm)3.5份、α-Al2O3微粉3.5份和铝酸钙水泥15份。其中，轻质莫来石球包括直径为8mm～5mm的轻质莫来石球10份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球20份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球15份和直径为1～0mm的轻质莫来石球15份；所述轻质莫来石球的Al2O3含量为58wt％，体积密度为1.5g/m3。所述截热块的Al2O3含量满足20wt％～80wt％。
所述截热板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将气相二氧化硅、超细硅微粉、SiC细粉、TiO2、红柱石和蓝晶石预混混炼2～3min，得到预混粉料。
(2)取短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维和含锆纤维总计的2/3量与硅溶胶和硅酸乙酯在高强高速混炼机中混炼2～3min，然后加入步骤(1)得到的预混粉料，继续混炼2～3min，再边搅拌边缓慢加入余量纤维混炼3～5min，得到混匀物料。
(3)将步骤(2)得到的混匀物料在240T压力下成型，得到50～100mm厚的板坯；然后将所述板坯于80～150℃条件下养护12～24h，得到截热板。可进一步采用热塑膜进行包装。
所述截热块的制备方法，包括如下步骤：
(1)将高铝粉、焦宝石粉、硅微粉、α-Al2O3微粉和铝酸钙水泥预混3～8min，得到预混物。
(2)将各直径范围的轻质莫来石球混炼2～5min，然后加入步骤(1)得到的预混物，混炼3～5min，再加8份重量份水湿混5～10min，得到浆料。
(3)将湿混好的浆料注入模具内，振动成型，得到块坯；将块坯在湿度为75％～95％、温度不低于10℃的环境下养护24～48h，得到截热块(厚度可为100～200mm)。
实施例7
本实施例提供了梯度截热保温材料及其制备方法，其中，梯度截热保温材料包括截热板和设置于截热板表面的2～8层浇注层；每层所述浇注层由截热块砌筑形成，相邻浇注层之间采用错缝砌筑方式砌筑得到。
截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅50份、超细硅微粉18份、短切硅酸铝纤维6份、玄武岩纤维6份、含锆纤维6份、硅溶胶2份、硅酸乙酯2份、红柱石3份、蓝晶石4份、SiC细粉0.5份和TiO2 0.5份。其中，短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维、含锆纤维的长度为20～60mm，含锆纤维为ZrO2含量大于98wt％的多晶氧化锆纤维。所述截热板的SiO2含量满足60wt％～99wt％。
截热块的原料包括按重量份数计的：轻质莫来石球60份、刚玉粉8份、莫来石粉10份、硅微粉(5μm)3.5份、α-Al2O3微粉3.5份和铝酸钙水泥10份、矾土水泥5份。其中，轻质莫来石球包括直径为8mm～5mm的轻质莫来石球10份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球20份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球15份和直径为1～0mm的轻质莫来石球15份；所述轻质莫来石球的Al2O3含量为58wt％，体积密度为1.5g/m3。所述截热块的Al2O3含量满足20wt％～80wt％。
所述截热板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将气相二氧化硅、超细硅微粉、SiC细粉、TiO2、红柱石和蓝晶石预混混炼2～3min，得到预混粉料。
(2)取短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维和含锆纤维总计的2/3量与硅溶胶和硅酸乙酯在高强高速混练炼机中混炼2～3min，然后加入步骤(1)得到的预混粉料，继续混炼2～3min，再边搅拌边缓慢加入余量纤维混炼3～5min，得到混匀物料。
(3)将步骤(2)得到的混匀物料在240T压力下成型，得到50～100mm厚的板坯；然后将所述板坯于80～150℃条件下养护12～24h，得到截热板。可进一步采用热塑膜进行包装。
所述截热块的制备方法，包括如下步骤：
(1)将莫来石粉、刚玉粉、硅微粉、α-Al2O3微粉、铝酸钙水泥和矾土水泥预混3～8min，得到预混物。
(2)将各直径范围的轻质莫来石球混炼2～5min，然后加入步骤(1)得到的预混物，混炼3～5min，再加8份重量份水湿混5～10min，得到浆料。
(3)将湿混好的浆料注入模具内，振动成型，得到块坯；将块坯在湿度为75％～95％、温度不低于10℃的环境下养护24～48h，得到截热块(厚度可为100～200mm)。
比较例1
比较例1参考实施例1的梯度截热保温材料及其制备方法，区别在于：截热板的原料组成不同；
比较例1的保温材料中，截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅20份、超细硅微粉60份、含锆纤维6份、硅溶胶2份、硅酸乙酯2份、硅线石9份、SiC细粉1.5份和TiO21.5份。其中，含锆纤维的长度为20～60mm，含锆纤维为ZrO2含量大于98wt％的多晶氧化锆纤维。
比较例2
比较例2参考实施例1的梯度截热保温材料及其制备方法，区别在于：截热板的原料组成不同；
比较例2的保温材料中，截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅50份、超细硅微粉18份、玄武岩纤维25份、硅溶胶2份、硅酸乙酯2份、硅线石9份、SiC细粉1.5份和TiO2 1.5份。其中，玄武岩纤维的长度为20～60mm。
比较例3
比较例3参考实施例1的梯度截热保温材料及其制备方法，区别在于：截热板的原料组成不同；
比较例3的保温材料中，截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅50份、超细硅微粉18份、短切硅酸铝纤维18份、硅溶胶5份、硅酸乙酯5份、硅线石9份、SiC细粉1.5份和TiO2 1.5份。其中，短切硅酸铝纤维的长度为20～60mm。
比较例4
比较例4参考实施例1的梯度截热保温材料及其制备方法，区别在于：截热板的原料组成不同；
比较例4的保温材料中，截热板的原料包括按重量份数计的：气相二氧化硅50份、超细硅微粉20份、含锆纤维18份、硅溶胶5份、硅酸乙酯1份、硅线石9份、SiC细粉1.5份和TiO2 1.5份。其中，含锆纤维的长度为20～60mm，含锆纤维为ZrO2含量大于98wt％的多晶氧化锆纤维。
比较例5
比较例5参考实施例1的梯度截热保温材料及其制备方法，区别在于：截热块的原料组成不同；
比较例5的保温材料中，截热块的原料包括按重量份数计的：轻质莫来石球50份、高铝粉18份、刚玉粉10份、硅微粉(5μm)1份、α-Al2O3微粉2份和铝酸钙水泥15份。其中，轻质莫来石球包括直径为8mm～5mm的轻质莫来石球10份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球15份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球15份和直径为1～0mm的轻质莫来石球10份；所述轻质莫来石球料的Al2O3含量为60wt％，体积密度为1.8g/m3。
实验例1
为了对比说明本发明不同实施方式得到的梯度截热保温材料中截热板及截热块的性能，对各实施例和比较例的截热板及截热块的性能进行检测，测试结果见表1～表2。
检测执行标准具体参考如下：
体积密度：GB/T2997-2015；
耐压强度：GB/T5072-2008；
1000℃导热系数：YB/T4130-2005；
抗折强度：GB/T3001-2017；
压缩5％耐压强度：GB/T 13480-2014。
表1不同实施例和比较例的截热板的性能测试结果
Figure BDA0003011728610000241
表2不同实施例和比较例的截热块的性能测试结果
Figure BDA0003011728610000242
Figure BDA0003011728610000251
其中，比较例6为市售Al2O3黏土砖。
实验例2
为了进一步证明本发明的梯度截热保温材料对焦炉设备的保温效果，将实施例1～4和比较例6(市售常规Al2O3黏土砖)分别施设于同一焦炉的不同部位，施设结束运行24h后对施设保温材料的各点的温度进行测量，测试结果见表3。
其中，实施例1～4的施设方式具体包括：对于不同施设部位的施设方法为：在炉顶表面先铺设100mm厚的相应实施例的截热板；然后将截热块(厚度为150mm)以错缝砌筑方式砌筑在截热板表面，形成3层浇注层；在集气管、上升管和放散管表面先以错缝砌筑方式砌筑截热块(厚度为150mm)形成3层浇注层，然后在浇注层表面铺设100mm厚的相应实施例的截热板。比较例(市售常规黏土砖)的施设方式为：在各应用部位表面以纤维毡和黏土砖错缝砌筑方式形成厚度为约550mm厚的隔热层。
表3不同梯度截热保温材料的保温测试结果
Figure BDA0003011728610000252
备注：实施例1～3对应的75℃，是指上升管、集气管、放散管使用后炉外温度均为75℃。
将实施例1的梯度截热保温材料的截热板和截热块按照前述施设方式，设置在河南某煤化有限公司的焦炉炉顶、上升管、集气管以及放散管。焦炉运行后，设置梯度截热保温材料的部位降温明显。焦炉炉顶温度降低30℃左右，炉顶温度降到20～30℃左右，相比使用传统的硅藻土砖、黏土砖等保温材料降温约40～60℃，有效的提高了焦炉的节能效果，改善了焦炉炉顶的环境，延长了焦炉炉顶的维修周期，节省大量的耐火原料资源和人力资源，促进了焦化行业的绿色环保节能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.梯度截热保温材料，其特征在于，包括截热板和设置于所述截热板表面的截热块；
所述截热板主要由按重量份数计的如下组分制得：
气相二氧化硅36～60份、超细硅微粉15～30份、纤维5～20份、结合剂2～6份、膨胀剂5～10份和遮光剂0～8份；所述截热板的SiO2含量为60wt％～99wt％；所述截热板中的结合剂包括按质量比为1﹕(0.5～2)的硅溶胶和硅酸乙酯；
所述截热块主要由按重量份数计的如下组分制得：轻质莫来石球55～65份、含氧化铝粉料15～25份、微粉4～8份和结合剂5～15份；所述截热块的Al2O3含量为20wt％～80wt％。
2.根据权利要求1所述的梯度截热保温材料，其特征在于，所述纤维的长度为10～100mm；
优选的，所述纤维包括短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维和无碱玻璃纤维的任一种或多种；
优选的，所述纤维包括短切硅酸铝纤维、玄武岩纤维、含锆纤维、多晶莫来石纤维和无碱玻璃纤维的至少两种；
优选的，所述截热板中的结合剂包括按质量比为1﹕(0.8～1.2)的硅溶胶和硅酸乙酯。
3.根据权利要求1所述的梯度截热保温材料，其特征在于，所述膨胀剂包括硅线石、红柱石和蓝晶石中的任一种或多种；
所述遮光剂包括TiO2和/或SiC细粉。
4.根据权利要求1所述的梯度截热保温材料，其特征在于，所述轻质莫来石球中Al2O3含量为15wt％～60wt％；所述轻质莫来石球的体积密度为0.3～1.6g/m3；
优选的，所述轻质莫来石球的直径小于25mm；
更优选的，所述轻质莫来石球包括按重量份数计的如下组分：直径为8mm～5mm的轻质莫来石球8～15份、直径为5mm～3mm的轻质莫来石球10～20份、直径为3mm～1mm的轻质莫来石球10～18份和直径为1～0mm的轻质莫来石球10～20份。
5.根据权利要求1所述的梯度截热保温材料，其特征在于，所述含氧化铝粉料包括焦宝石粉、高铝粉、刚玉粉和莫来石粉中的任一种或多种；
所述微粉包括硅微粉和/或α-Al2O3微粉；
优选的，所述微粉包括质量比为1﹕(0.8～1.2)的硅微粉和α-Al2O3微粉；
优选的，所述截热块中的结合剂包括矾土水泥和/或铝酸钙水泥。
6.根据权利要求1所述的梯度截热保温材料，其特征在于，所述截热板的1000℃导热系数为0.04～0.06W/(m·K)；所述截热块的1000℃导热系数为0.3～0.6W/(m·K)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的梯度截热保温材料，其特征在于，包括截热板和设置于所述截热板表面的浇注层，所述浇注层由多个所述截热块砌筑形成；
优选的，所述梯度截热保温材料包括2～8层浇注层；
更优选的，相邻所述浇注层之间的截热块错缝排布。
8.权利要求1-7任一项所述的梯度截热保温材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将所述截热块设置于所述截热板表面；或，将所述截热板铺设于所述截热块表面；
所述截热板的制备方法包括：将各组分混合均匀，进行成型、养护处理；所述截热块的制备方法包括：将各组分混合均匀，进行成型、养护处理；
优选的，所述截热板的制备方法包括：(a)将结合剂和1/3～2/3量的纤维混炼1～3min，加入预混粉料混1～2min，然后加入余量纤维混炼2～3min，得到混匀物料；(b)将所述混匀物料进行压力成型，得到板坯；将所述板坯于80～150℃条件下养护12～24h；其中，所述预混粉料的制备包括：气相二氧化硅、超细硅微粉、膨胀剂和遮光剂混合处理得到预混粉料；
优选的，所述截热块的制备方法包括：(a)将轻质莫来石球与预混物混炼3～5min，然后加水湿混5～10min，得到浆料；(b)将所述浆料于模具中，振动成型，得到块坯；将所述块坯进行湿法养护；其中，所述预混物的制备包括：将含氧化铝粉料、微粉和结合剂混合处理得到预混物。
9.根据权利要求8所述的梯度截热保温材料的制备方法，其特征在于，所述压力成型中，压力为150～300T；
所述湿法养护的条件包括：在湿度为75％～95％、温度不低于10℃的环境下进行养护24～48h。
10.权利要求1-7任一项所述的梯度截热保温材料作为保温层的应用；
优选的，所述梯度截热保温材料用于焦炉的保温；
优选的，所述梯度截热保温材料用于焦炉的炉顶、上升管、集气管或放散管的保温。
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