CN114133254B - 一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于耐火材料技术领域，涉及一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料及其制备方法。本发明以60~70份矾土骨料、5~10份碳化硅细粉、8~12份特级矾土细粉、4~12份板状刚玉细粉、1~3份α‑Al2O3微粉、1~10份氧化铝‑六铝酸镧复合细粉、4~8份铝酸钙水泥为原料，外加减水剂和水，搅拌，成型，脱模，烘烤，制得水泥窑窑口用红外辐射浇注料。氧化铝‑六铝酸镧复合细粉制备：4~12份板状刚玉细粉、1~3份α‑Al2O3微粉、0.6~3份氧化镧和0.8~4份铝酸镧混合，球磨，加水，造粒，烘干，1550～1650℃煅烧，破碎，球磨，得氧化铝‑六铝酸镧复合细粉。本发明制备的浇注料热震稳定性及抗侵蚀性能优异，热辐射效率高，成本低，工艺简便，在大幅提高窑口耐火材料使用寿命的同时降低热损失，应用前景良好。

Description

一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，尤其涉及一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料及其制备方法。
背景技术
我国作为世界上水泥产量最大的国家，水泥产量占据全球水泥产量的50wt%以上，并伴随着大量化石能源的消耗。我国水泥行业能耗极高，其主要原因是窑体表面热损失大。近年来，为了提高能源的利用效率，水泥工业领域开始采用轻量化耐火材料或复合结构耐火材料替代现有致密耐火制品，以达到隔热保温的效果。然而，上述材料在实际应用过程中也存在着强度低、耐磨性能差、结构完整性不足等缺陷，严重威胁着水泥窑窑衬耐火材料的服役寿命。目前，我国水泥窑窑口区域的窑衬耐火材料以莫来石碳化硅浇注料为主，然而窑口区域服役环境非常苛刻，是整个水泥窑热损耗及热震损毁为严重的区域之一。为解决上述问题，迫切需要开发出一种热震稳定性优异且节能的窑口用浇注料，满足目前水泥生产的需要。
红外辐射材料是指能吸收热辐射而发射大量红外线的材料。这种材料在高温下辐射能力较强，因此在窑炉节能、航空航天设备与部件热管理、燃烧器热效率提高等方面具有广泛的应用。目前，利用红外辐射材料自身的特殊结构与其高发射率特性，同时实现耐火材料热学与力学特性的改善优化，仍处于空缺状态。
CN103305040A公开了一种复合红外辐射涂料及其制备方法和一种红外辐射涂层，所述红外辐射涂料是将具有稳定尖晶石结构的复合红外粉料、刚玉粉、气相法白炭黑和水玻璃于氟硅酸盐促凝剂进行混合制得。将其涂覆于锅炉炉衬耐火材料和水冷壁管热交换器表面，能有效提高锅炉的热效率。这种含复合结构的耐火材料在服役过程中也会出现红外辐射涂层的剥落，并且水泥窑在服役过程中与煤粉、水泥生料磨损剧烈，容易导致涂层结构出现机械剥落而失效。
CN201610637867.7公开了一种莫来石碳化硅复相耐火材料及其制备方法，所述的莫来石碳化硅复相耐火材料是以莫来石轻质骨料替代传统的致密矾土骨料，然后与其余原料混炼，困料，压制成型，干燥，烧成，最终制得莫来石碳化硅复相耐火材料。轻量骨料气孔率的提高降低了耐火材料整体的导热系数，但同时也降低了其整体强度。
CN204478826U公开了一种低导热复合硅莫砖及其制备方法，所述低导热硅莫砖是将致密硅莫砖与磷酸盐砖进行复合结构设计，尽管这种结构降低了材料整体的导热系数，但两种耐火材料的连接处存在界面效应，热膨胀系数不匹配，大大降低了材料整体的强度，在服役过程中容易产生热剥落。
CN201710632929.X公开了一种轻量化刚玉-莫来石浇注料及其制备方法，所述的轻量化刚玉-莫来石浇注料以纳米孔径的多孔刚玉-莫来石陶瓷为骨料，已达到整体轻量化的效果，但是纳米孔的陶瓷颗粒制备过程复杂，成本高，并且气孔率并未出现明显提升，对于浇注料整体导热性能的影响较为有限。
针对现有莫来石碳化硅耐火材料普遍存在着强度低、结构完整性差、易剥落等缺陷，因此如何在提高能源利用率的前提下，保证窑口莫来石碳化硅耐火材料的服役性能，成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料及其制备方法。本发明所制备的浇注料强度高、韧性好，热震稳定性优异，热辐射吸收率和发射效率高，成本低，制备工艺简便，在大幅提高窑口耐火材料的使用寿命的同时降低热损失，应用前景良好。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料，包括以下质量份数的组分：60~70份的矾土骨料、5~10份的碳化硅细粉、8~12份的特级矾土细粉、4~12份的板状刚玉细粉、1~3份的α-Al2O3微粉、1~10份的氧化铝-六铝酸镧复合细粉、4~8份的铝酸钙水泥、0.1～0.2份的减水剂、5～6份水。
进一步地，所述矾土骨料的颗粒级配是：粒径为3~5mm的占矾土骨料40～50wt％，粒径为1~3mm的占矾土骨料25～40wt％，粒径为0.1~1mm的占矾土骨料10～25wt％。
进一步地，所述碳化硅细粉的粒径≤0.088mm；所述碳化硅细粉的SiC含量≥90wt％。
进一步地，所述板状刚玉细粉的粒径≤0.088mm；所述板状刚玉细粉中Al2O3含量≥99wt％。
进一步地，所述α-Al2O3微粉的粒径≤2μm；所述α-Al2O3微粉中的Al2O3含量≥99wt％。
进一步地，所述铝酸钙水泥中的Al2O3含量≥71wt％。
进一步地，所述减水剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、FS10或FS20中的一种。
一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、先将4~12份的板状刚玉细粉、1~3份的α-Al2O3微粉、0.6~3份的氧化镧和0.8~4份的铝酸镧混合，球磨4～8h，得到球磨粉；再加入所述球磨粉6～10份的水，造粒，制得预制球体，在110℃条件下烘干24～36h；再将烘干后的预制球体在一定条件下煅烧，破碎，球磨，制得粒径≤0.088mm的氧化铝-六铝酸镧复合细粉。
步骤2、先以60~70份矾土骨料、5~10份碳化硅细粉、8~12份特级矾土细粉、4~12份板状刚玉细粉、1~3份α-Al2O3微粉、1~10份氧化铝-六铝酸镧复合细粉、4~8份铝酸钙水泥为原料，外加所述原料0.1～0.2份的减水剂，混合均匀后再外加所述原料5～6份的水，搅拌均匀，成型，养护2～3天，脱模，烘烤，制得水泥窑窑口用红外辐射浇注料。
进一步地，所述步骤1中氧化镧中的La2O3含量≥99wt％。
进一步地，所述步骤1中铝酸镧中的LaAlO3含量≥99wt％。
进一步地，所述步骤1中预制球体粒径为15～20mm。
进一步地，所述步骤1中煅烧温度为1550～1650℃，煅烧时间为3～8h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为。
1、首先，本发明所涉及的浇筑施工方式避免了高温烧成过程，有利于节能环保。其次，氧化铝-六铝酸镧复合晶体具有较为稳定的片状晶体结构，对渣的润湿性差，在酸性及碱性环境中也有足够的抗渣侵蚀能力。其次，氧化铝-六铝酸镧复合粉体具有红外辐射的特性，可以提高红外辐射效率，增加能源的利用率，节能更多的化石能源。如图1所示，在相同制备条件下，氧化铝-六铝酸镧复合粉体相较于其他粉体具有更高的平均发射率。
2、预合成的复合粉体中六铝酸镧晶体具有片状结构，在断裂过程中会诱导裂纹进行偏转，并出现片状晶拔出、裂纹片状等能量耗散机制，大幅提高材料整体的断裂韧性，有效阻碍裂纹在浇注料内部的裂纹扩展及传播，改善断裂韧性；从图2中可以看出，氧化铝-六铝酸镧复合粉体相较于其他粉体具有更高的气孔率，可有效缓解应力集中现象，因此氧化铝-六铝酸镧复合粉体的引入有利于改善材料的热震稳定性能。
3、将红外辐射涂料直接涂覆于耐火材料或者陶瓷材料表面，在服役过程中容易产生热剥落与机械剥落等问题，在磨损较为严重的水泥窑窑口区域更为明显。相比之下，本发明将红外辐射组分直接引入到耐火浇注料之中，其红外辐射特性及增韧特性在复杂服役条件下都将得以保留。因此，在窑口浇注料中引入氧化铝-六铝酸镧复合粉体既实现了化石能源的高效利用，又提高了浇注料的热震稳定性，其双效协同作用可显著优化窑口部位的服役性能，是本发明的明显创新之处。
4、本发明制备的水泥窑窑口用红外辐射浇注料强度高、断裂韧性好、热反射率高、抗热震性优良。经检测：显气孔率为12～18％；体积密度为2.6～3.0g/cm3；110℃×24h时的常温抗折强度为8～15MPa；1600℃×3h时的常温抗折强度为30～45MPa；1200℃时热导率为1.6～2.4 W/(m·K)，常温下在0.76~2.5μm 波段的平均发射率为65~82%。本发明工艺简单，所制备的水泥窑窑口用红外辐射浇注料具有强度高、韧性好、热反射率高、热震稳定性及抗侵蚀性能优异的特点，能满足水泥窑窑衬节能减排和长寿化的需要。
附图说明
图1为本发明制备的氧化铝-六铝酸镧细粉与相同工艺制备的不同粉体在0.76~2.5 μm 波段的平均发射率。
图2为图1所示一种氧化铝-六铝酸镧细粉与相同工艺制备的不同细粉的显气孔率对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
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。
一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料，包括以下质量份数的组分：60~70份的矾土骨料、5~10份的碳化硅细粉、8~12份的特级矾土细粉、4~12份的板状刚玉细粉、1~3份的α-Al2O3微粉、1~10份的氧化铝-六铝酸镧复合细粉、4~8份的铝酸钙水泥、0.1～0.2份的减水剂、5～6份水。
进一步地，所述矾土骨料的颗粒级配是：粒径为3~5mm的占矾土骨料40～50wt％，粒径为1~3mm的占矾土骨料25～40wt％，粒径为0.1~1mm的占矾土骨料10～25wt％。
进一步地，所述碳化硅细粉的粒径≤0.088mm；所述碳化硅细粉的SiC含量≥90wt％。
进一步地，所述板状刚玉细粉的粒径≤0.088mm；所述板状刚玉细粉中Al2O3含量≥99wt％。
进一步地，所述α-Al2O3微粉的粒径≤2μm；所述α-Al2O3微粉中的Al2O3含量≥99wt％。
进一步地，所述铝酸钙水泥中的Al2O3含量≥71wt％。
进一步地，所述减水剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、FS10或FS20中的一种。
一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、先将4~12份的板状刚玉细粉、1~3份的α-Al2O3微粉、0.6~3份的氧化镧和0.8~4份的铝酸镧混合，球磨4～8h，得到球磨粉；再加入所述球磨粉6～10份的水，造粒，制得预制球体，在110℃条件下烘干24～36h；再将烘干后的预制球体在一定条件下煅烧，破碎，球磨，制得粒径≤0.088mm的氧化铝-六铝酸镧复合细粉。
步骤2、先以60~70份矾土骨料、5~10份碳化硅细粉、8~12份特级矾土细粉、4~12份板状刚玉细粉、1~3份α-Al2O3微粉、1~10份氧化铝-六铝酸镧复合细粉、4~8份铝酸钙水泥为原料，外加所述原料0.1～0.2份的减水剂，混合均匀后再外加所述原料5～6份的水，搅拌均匀，成型，养护2～3天，脱模，烘烤，制得水泥窑窑口用红外辐射浇注料。
进一步地，所述步骤1中氧化镧中的La2O3含量≥99wt％。
进一步地，所述步骤1中铝酸镧中的LaAlO3含量≥99wt％。
进一步地，所述步骤1中预制球体粒径为15～20mm。
进一步地，所述步骤1中煅烧温度为1550～1650℃，煅烧时间为3～8h。
实施例1。
一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料及其制备方法：
氧化铝-六铝酸镧复合细粉的制备方法是：将4份板状刚玉细粉、1份α-Al2O3微粉、3份氧化镧和4份铝酸镧混合，球磨4h，得到球磨粉；再加入所述球磨粉6份的水，造粒，制得粒径为15～20mm的预制球体，在110℃条件下烘干24h；再将烘干后的预制球体在1550℃条件下煅烧5h，破碎，球磨，制得粒径≤0.088mm的氧化铝-六铝酸镧复合细粉。
水泥窑窑口用红外辐射浇注料的制备方法：先以60份的矾土骨料、5份的碳化硅细粉、10份的特级矾土细粉、6份的板状刚玉细粉、1份的α-Al2O3微粉、10份的氧化铝-六铝酸镧复合细粉、8份铝酸钙水泥为原料，外加所述原料0.2份的FS10，混合均匀后再外加所述原料6份的水，搅拌均匀，成型，养护2天，脱模，烘烤，制得水泥窑窑口用红外辐射浇注料。
本实施例制备的水泥窑窑口用红外辐射浇注料经检测：110℃×24h时的常温抗折强度为12MPa；1600℃×3h时的常温抗折强度为40MPa；1200℃时热导率为2.3 W/(m·K)，常温下在0.76~2.5μm 波段的平均发射率为80%，热震稳定性及抗侵蚀性能优异。
实施例2。
一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料及其制备方法：
氧化铝-六铝酸镧复合细粉的制备方法是：先将10份的板状刚玉细粉、3份的α-Al2O3微粉、0.6份的氧化镧和0.8的铝酸镧混合，球磨8h，得到球磨粉；再加入所述球磨粉8份的水，造粒，制得粒径为15～20mm的预制球体，在110℃条件下烘干36h；再将烘干后的预制球体在1600℃条件下煅烧5h，破碎，球磨，制得粒径≤0.088mm的氧化铝-六铝酸镧复合细粉。
水泥窑窑口用红外辐射浇注料的制备方法：先以65份的矾土骨料、5份的碳化硅细粉、11份的特级矾土细粉、10份的板状刚玉细粉、2份的α-Al2O3微粉、2份的氧化铝-六铝酸镧复合细粉、5份的铝酸钙水泥为原料，外加所述原料0.2份的三聚磷酸钠，混合均匀后再外加所述原料5份的水，搅拌均匀，成型，养护3天，脱模，烘烤，制得水泥窑窑口用红外辐射浇注料。
本实施例制备的水泥窑窑口用红外辐射浇注料经检测：110℃×24h时的常温抗折强度为13MPa；1600℃×3h时的常温抗折强度为40MPa；1200℃时热导率为2.2 W/(m·K)，常温下在0.76~2.5μm 波段的平均发射率为67%，热震稳定性及抗侵蚀性能优异。
实施例3。
一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料及其制备方法：
氧化铝-六铝酸镧复合细粉的制备方法是：先将6份板状刚玉细粉、1份的α-Al2O3微粉、2.5份的氧化镧和3份的铝酸镧混合，球磨8h，得到球磨粉；再加入所述球磨粉7份的水，造粒，制得粒径为15～20mm的预制球体，在110℃条件下烘干24h；再将烘干后的预制球体在1600℃条件下煅烧5h，破碎，球磨，制得粒径≤0.088mm的氧化铝-六铝酸镧复合细粉。
水泥窑窑口用红外辐射浇注料的制备方法：先以66份的矾土骨料、8份的碳化硅细粉、10份的特级矾土细粉、6份的板状刚玉细粉、2份的α-Al2O3微粉、9份的氧化铝-六铝酸镧复合细粉、5份的铝酸钙水泥为原料，外加所述原料0.2份的六偏磷酸钠，混合均匀后再外加所述原料6份的水，搅拌均匀，成型，养护3天，脱模，烘烤，制得水泥窑窑口用红外辐射浇注料。
本实施例制备的水泥窑窑口用红外辐射浇注料经检测：110℃×24h时的常温抗折强度为13 MPa；1600℃×3h时的常温抗折强度为40MPa；1200℃时热导率为2.1 W/(m·K)，常温下在0.76~2.5μm 波段的平均发射率为75%，热震稳定性及抗侵蚀性能优异。
实施例4。
一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料及其制备方法：
氧化铝-六铝酸镧复合细粉的制备方法是：先将9份的板状刚玉细粉、2份的α-Al2O3微粉、2份的氧化镧和3份的铝酸镧混合，球磨6h，得到球磨粉；再加入所述球磨粉6份的水，造粒，制得粒径为15～20mm的预制球体，在110℃条件下烘干36h；再将烘干后的预制球体在1600℃条件下煅烧3h，破碎，球磨，制得粒径≤0.088mm的氧化铝-六铝酸镧复合细粉。
水泥窑窑口用红外辐射浇注料的制备方法：先以68份的矾土骨料、7份的碳化硅细粉、10份的特级矾土细粉、6份的板状刚玉细粉、3份的α-Al2O3微粉、5份的氧化铝-六铝酸镧复合细粉、6份的铝酸钙水泥为原料，外加所述原料0.2份的FS20，混合均匀后再外加所述原料6份的水，搅拌均匀，成型，养护3天，脱模，烘烤，制得水泥窑窑口用红外辐射浇注料。
本实施例制备的水泥窑窑口用红外辐射浇注料经检测：110℃×24h时的常温抗折强度为12MPa；1600℃×3h时的常温抗折强度为39MPa；1200℃时热导率为2.0= W/(m·K)，常温下在0.76~2.5μm 波段的平均发射率为70%，热震稳定性及抗侵蚀性能优异。

Claims (9)

1.一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料，其特征在于，包括以下质量份数的组分：60~70份的矾土骨料、5~10份的碳化硅细粉、8~12份的特级矾土细粉、4~12份的板状刚玉细粉、1~3份的α-Al2O3微粉、1~10份的氧化铝-六铝酸镧复合细粉、4~8份的铝酸钙水泥、0.1～0.2份的减水剂、5～6份水；
所述氧化铝-六铝酸镧复合细粉的制备方法为：先将4~12份的板状刚玉细粉、1~3份的α-Al2O3微粉、0.6~3份的氧化镧和0.8~4份的铝酸镧混合，球磨4～8h，得到球磨粉；再加入所述球磨粉6～10份的水，造粒，制得预制球体，预制球体粒径为15～20mm，在110℃条件下烘干24～36h；再将烘干后的预制球体在温度1550～1650℃，煅烧时间3～8h条件下煅烧，破碎，球磨，制得粒径≤0.088mm的氧化铝-六铝酸镧复合细粉。
2.如权利要求1中所述的一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料，其特征在于，所述矾土骨料的颗粒级配是：粒径为3~5mm的占矾土骨料40～50wt％，粒径为1~3mm的占矾土骨料25～40wt％，粒径为0.1~1mm的占矾土骨料10～25wt％。
3.如权利要求1中所述的一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料，其特征在于，所述碳化硅细粉的粒径≤0.088mm，碳化硅细粉的SiC含量≥90wt％。
4.如权利要求1中所述的一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料，其特征在于，所述板状刚玉细粉的粒径≤0.088mm，板状刚玉细粉中Al2O3含量≥99wt％。
5.如权利要求1中所述的一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料，其特征在于，所述α-Al2O3微粉的粒径≤2μm，α-Al2O3微粉中的Al2O3含量≥99wt％。
6.如权利要求1中所述的一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料，其特征在于，所述铝酸钙水泥中的Al2O3含量≥71wt％。
7.如权利要求1中所述的一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料，其特征在于，所述减水剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、FS10或FS20中的一种。
8.一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、先将4~12份的板状刚玉细粉、1~3份的α-Al2O3微粉、0.6~3份的氧化镧和0.8~4份的铝酸镧混合，球磨4～8h，得到球磨粉；再加入所述球磨粉6～10份的水，造粒，制得预制球体，预制球体粒径为15～20mm，在110℃条件下烘干24～36h；再将烘干后的预制球体在温度1550～1650℃，煅烧时间3～8h条件下煅烧，破碎，球磨，制得粒径≤0.088mm的氧化铝-六铝酸镧复合细粉；
步骤2、先以60~70份矾土骨料、5~10份碳化硅细粉、8~12份特级矾土细粉、4~12份板状刚玉细粉、1~3份α-Al2O3微粉、1~10份氧化铝-六铝酸镧复合细粉、4~8份铝酸钙水泥为原料，外加所述原料0.1～0.2份的减水剂，混合均匀后再外加所述原料5～6份的水，搅拌均匀，成型，养护2～3天，脱模，烘烤，制得水泥窑窑口用红外辐射浇注料。
9.如权利要求8中所述的一种水泥窑窑口用红外辐射浇注料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中氧化镧中的La2O3含量≥99wt％；铝酸镧中的LaAlO3含量≥99wt％。
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