CN114195530B - 一种钙长石轻质耐火材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钙长石轻质耐火材料及其制备方法，本发明通过对原料和组分进行配方设计，同时配合二次搅拌以及后续的干燥和焙烧，制备得到的钙长石砖产品中的氧化铝、氧化钙和氧化硅含量与配料时原料中的氧化铝、氧化钙和氧化硅含量相比，不会出现较大的波动，进而不会对产品的性能造成影响。并且，本发明中的钙长石耐火材料(尤其是钙长石耐火砖)孔径分布均匀，且具有闭孔结构，体积密度可控480±50kg/m3，并同时具有较好的耐压强度以及优异的导热性能。

Description

一种钙长石轻质耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，尤其涉及一种钙长石轻质耐火材料及其制备方法。
背景技术
钙长石的熔点1550℃，以前很少作为耐火材料的主晶相，但钙长石具有密度小，热膨胀系数小，热导率低等特点。因此一些国家(如美国、日本等)相继开发出以钙长石为主晶相的隔热耐火材料。以钙长石为主晶相的隔热耐火材料具有体积密度小，比强度高，热导率低，抗剥落性能好等特点，但最高使用温度一般不超过1260℃。
现有钙长石轻质耐火材料，尤其是钙长石轻质砖，在制备过程中原料中的各氧化物的含量从配料到后期烧制完成后会出现较大变化，比如缩减，进而影响材料的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钙长石轻质耐火材料及其制备方法，本发明中的钙长石轻质耐火材料中氧化物的含量与配料时原料中氧化物的含量相比波动较小，不会对产品的性能造成影响。
本发明提供一种钙长石轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将48～55wt％的煤矸石、3～6wt％的蓝晶石和4.5～6.5wt％的叶腊石球磨，得到球磨浆料；
B)将所述球磨浆料、10～14.5wt％的耐火粘土和9.5～15.5wt％的碳酸钙搅拌混合，得到主料混合料；
C)将所述主料混合料、5～10wt％的高铝水泥和3～10wt％的助剂混合，得到浇注料；
D)将浇注料浇注成型，脱模后依次进行干燥和焙烧，得到钙长石轻质耐火材料。
优选的，所述助剂包括3～8wt％耐火促凝剂和0.5～2wt％发泡剂。
优选的，所述高铝水泥中Al2O3含量为67～69wt％。
优选的，所述浇注的温度为25～29℃；所述浇注的时间为10～16min。
优选的，所述干燥的温度为75～120℃，所述干燥的时间为50～80小时。
优选的，所述干燥为梯度升温，共设置64～80小时烘干时间，低温段设置5～7个升温段，每5～8小时上升15℃；高温段设置3～6个升温段，每9～12小时上升15℃，直至温度达到120℃，保温12～15小时，烘干完毕；
所述低温段为0～75℃，所述高温段为75～120℃。
优选的，所述焙烧的温度为1240～1280℃；所述焙烧的时间为45～50小时。
优选的，所述钙长石轻质耐火材料的制备原料中，氧化铝含量为38～43wt％、氧化钙含量10～14wt％、氧化硅含量40～47wt％。
本发明提供一种钙长石轻质耐火材料，按照上文所述的制备方法制得，所述钙长石轻质耐火材料中，氧化铝含量37～45wt％、氧化钙含量11～15wt％、氧化硅含量43～50wt％。
优选的，所述钙长石轻质耐火材料具有闭孔结构。
本发明提供了一种钙长石轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：A)将48～55wt％的煤矸石、3～6wt％的蓝晶石和4.5～6.5wt％的叶腊石球磨，得到球磨浆料；B)将所述球磨将料、10～14.5wt％的耐火粘土和9.5～15.5wt％的碳酸钙搅拌混合，得到主料混合料；C)将所述主料混合料、5～10wt％的高铝水泥和3～10wt％的助剂(外加)混合，得到浇注料；D)将浇注料浇注成型，脱模后依次进行干燥和焙烧，得到钙长石轻质耐火材料。本发明通过对原料和组分进行配方设计，同时配合二次搅拌以及后续的干燥和焙烧，制备得到的钙长石砖产品中的氧化铝、氧化钙和氧化硅含量与配料时原料中的氧化铝、氧化钙和氧化硅含量相比，不会出现较大的波动，进而不会对产品的性能造成影响。并且，本发明中的钙长石耐火材料(尤其是钙长石耐火砖)孔径分布均匀，且具有闭孔解结构，体积密度可控480±50kg/m3，并同时具有较好的耐压强度以及优异的导热性能。
具体实施方式
本发明提供一种钙长石轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将48～55wt％的煤矸石、3～6wt％的蓝晶石和4.5～6.5wt％的叶腊石球磨，得到球磨浆料；
B)将所述球磨将料、10～14.5wt％的耐火粘土和9.5～15.5wt％的碳酸钙搅拌混合，得到主料混合料；
C)将所述主料混合料、5～10wt％的高铝水泥和3～10wt％的助剂(外加)混合，得到浇注料；
D)将浇注料浇注成型，脱模后依次进行干燥和焙烧，得到钙长石轻质耐火材料。
在本发明中，所述煤矸石的具体成分为Al2O3、SiO2，所述煤矸石在焙烧的过程中利用煤矸石本身的可燃物，可节约能源，烧结后砖坯质量较好，颜色均匀。因其本身氧化铝含量较高，可提升砖坯烧结后的耐火度。所述煤矸石的质量分数优选为48～55wt％，更优选为49～54wt％，最优选为50～53wt％，具体的，在本发明的实施例中，可以是50wt％。
在本发明中，所述蓝晶石的主要成分为Al2O3，所述蓝晶石作为膨胀剂，减少烧成过程中的砖坯收缩，高温下转化形成长柱状莫来石交织结构，改善提高钙长石砖高温体积稳定性，荷重软化温度和抗热震稳定性；所述蓝晶石的质量分数优选为3～6wt％，更优选为4～5wt％，具体的，在本发明的实施例中，可以是5wt％。
在本发明中，所述叶腊石的主要成分为SiO2，所述叶腊石的作用为提供硅源增加砖坯的强度；所述叶腊石的质量分数优选为4.5～6.5wt％，更优选为5～6wt％，最优选为5.5wt％，具体的，在本发明的实施例中，可以是5.5wt％。
在本发明中，所述球磨的时间优选6～7小时，所述球磨浆料中物料的粒径优选为1500～3000目，更优选为2000～2500目。
在本发明中，在所述球磨浆料中加入耐火粘土和碳酸钙之后，首先进行一次搅拌，然后再向一次搅拌后的物料中，加入高铝水泥、耐火促进剂与发泡剂，进行二次搅拌，得到浇注料。由于材料的凝固速率不一样，本发明对原料进行分批次进行搅拌，先加入凝固速率较慢的，充分搅拌后，再加入凝固速度快的。
在本发明中，所述耐火粘土的质量分数优选为10～14.5wt％，更优选为11～14wt％，最优选为12～13wt％，具体的，在本发明的实施例中，可以是13wt％。
在本发明中，所述碳酸钙的质量分数优选为9.5～15.5wt％，更优选为10～15wt％，最优选为11～14wt％，具体的，在本发明的实施例中，可以是12wt％。
在本发明中，所述一次搅拌的搅拌时间优选为8～16min，更优选为10～14min，具体的，在本发明的实施例中，可以是12min；所述一次搅拌时，优选控制料浆的温度在40℃以下。
在本发明中，所述高铝水泥在湿坯成型过程中能够增加湿坯的强度。所述高铝水泥中Al2O3含量优选为67～69wt％，所述高铝水泥的质量分数优选为5～10wt％，更优选为6～9wt％，最优选为7～8wt％，具体的，在本发明的实施例中，可以是8wt％。
在本发明中，所述助剂包括耐火促凝剂和发泡剂，本发明优选在所述一次搅拌后的物料中先加入高铝水泥和耐火促凝剂，搅拌5～10min之后，再加入发泡剂，搅拌20～30s，使气泡更加均匀。在本发明中，所述助剂的质量分数指的是，以煤矸石、蓝晶石、叶腊石、耐火粘土、碳酸钙和高铝水泥这些主要原料的总质量为基准，所述耐火促凝剂和发泡剂占上述主要原料总质量的质量百分数。
所述耐火促凝剂(外加)的质量分数优选为3～8wt％，更优选为4～7wt％，最优选为5～6wt％，具体的，在本发明的实施例中，可以是5wt％；所述发泡剂(外加)优选为水泥发泡剂，主要成分为偶氮二甲酸二异丙酯，在成型过程中经过机械作用发泡加入到料浆中形成孔结构，所述发泡剂的质量分数优选为0.5～2wt％，更优选为1～1.5wt％。
在本发明中，上述钙长石轻质耐火材料的制备原料中，氧化铝含量为36～40wt％、氧化钙含量10～15wt％、氧化硅含量38～45wt％。
在得到浇注料之后，本发明将所得浇注料在模具中浇注成型，得到坯体。
在本发明中，所述浇注的时间优选为10～16min，更优选为11～15min，最优选为12～14min，具体的，在本发明的实施例中，可以是12min；所述浇注的温度优选为25～29℃，更优选为26～28℃，具体的，在本发明的实施例中，可以是25℃。
得到坯体之后，本发明对得到的坯体进行静置养护，直至浆料完全凝固达到脱模要求，凝固时间控制在2h～4h之间最宜，料浆凝固状态达到用手触摸后料浆不粘手，说明完全凝固。优选的，本发明在浇注之前在浇注模具内里刷脱模机，有助于在脱模过程中不损坏湿坯。
脱模之后，对坯体进行干燥，得到干燥的坯体。
在本发明中，所述干燥的温度优选设置为梯形上升的温度，具体为：
共设置64～80小时烘干时间，低温段(0～75℃)设置5～7个升温段，每5～8小时上升15℃；高温段(75～120℃)设置3～6个升温段，每9～12小时上升15℃，直至温度达到120℃，保温12～15小时，烘干完毕；烘干温度设置成梯形上升温度有利于砖坯在烘干的过程中水分匀速析出，避免水分逸出过快导致砖坯裂纹，减少砖坯裂纹率，提高合格率。
本发明对干燥后的坯体进行焙烧，得到钙长石轻质耐火材料。
在本发明中，所述焙烧的时间优选为45～50小时，更优选为46～49小时，具体的，在本发明的实施例中，可以是48小时；所述焙烧的温度优选为1240～1280℃，更优选为1260℃。达到所述被烧温度后，优选保温3～8小时，更优选为4～7小时，最优选为5～6小时。
本发明还提供了一种钙长石轻质耐火材料，按照上文所述的制备方法制得，所述钙长石轻质耐火材料中，氧化铝含量37～42wt％、氧化钙含量10～15wt％、氧化硅含量45～50wt％。
本发明中的钙长石轻质耐火材料，其体积密度为480±50kg/m3，具有闭孔结构，本发明中，所述的“闭孔材料”与“开孔材料”相对应，闭孔材料具有独立的泡孔结构，内部泡孔与泡孔之间由壁膜隔开，不相互连同，而开孔材料的泡孔与泡孔之间互相连同，或完全连通，单维或三维都能通过气体或液体。本发明中的钙长石轻质耐火材料具有闭孔结构，且闭孔结构接近圆形，且分布均匀，内部真孔隙率在80％以上，孔径为500～700μm，优选为600μm左右。
本发明中的钙长石耐火材料具有上述微观的孔隙结构，可以使钙长石耐火材料获得较高的耐压强度和较好的隔热性能。
进一步的，本发明还提供一种具有闭孔结构的钙长石耐火砖，将上述钙长石耐火材料的制备方法中的模具具体使用制砖模具即可直接得到具有闭孔结构的钙长石耐火砖。
本发明提供了一种钙长石轻质耐火材料的制备方法，包括以下步骤：A)将48～55wt％的煤矸石、3～6wt％的蓝晶石和4.5～6.5wt％的叶腊石球磨，得到球磨浆料；B)将所述球磨将料、10～14.5wt％的耐火粘土和9.5～15.5wt％的碳酸钙搅拌混合，得到主料混合料；C)将所述主料混合料、5～10wt％的高铝水泥和3～10wt％的助剂(外加)混合，得到浇注料；D)将浇注料浇注成型，脱模后依次进行干燥和焙烧，得到钙长石轻质耐火材料。本发明通过对原料和组分进行配方设计，同时配合二次搅拌以及后续的干燥和焙烧，制备得到的钙长石砖产品中的氧化铝、氧化钙和氧化硅含量与配料时原料中的氧化铝、氧化钙和氧化硅含量相比，不会出现较大的波动，进而不会对产品的性能造成影响。并且，本发明中的钙长石耐火材料(尤其是钙长石耐火砖)孔径分布均匀，且具有闭孔结构，体积密度可控480±50kg/m3，并同时具有较好的耐压强度以及优异的导热性能。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种钙长石轻质耐火材料及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)钙长石砖的原料包括煤矸石55wt％、蓝晶石3wt％，叶腊石6wt％、耐火粘土13wt％、碳酸钙15wt％、高铝水泥8wt％；
(2)将煤矸石、蓝晶石和叶腊石按照上述加入球磨机进行球磨，球磨时间为6h，直至目数达到2000目。
(3)将球磨完成的料浆放出，置于储料池中备用。
(4)一次搅拌，从储料池中抽取球磨料浆与耐火粉料(碳酸钙和耐火粘土)同时搅拌12min，料浆温度控制在40℃以下；
(5)二次搅拌：同时加入高铝水泥与5wt％促凝剂辅料搅拌10min，搅拌完成后添加1wt％发泡剂搅拌30s，让其充分搅拌，使气泡更加均匀。
(6)定量浇注：一次浇注32个模具、浇注时间在12min，室内温度控制在25℃。
(7)静置养护：静置养护凝固时间控制在2h，料浆凝固状态达到用手触摸后料浆不粘手，说明完全凝固。
(8)脱模：在料浆浇注之前在磨具里刷上脱模剂，有助于在脱模过程中不会损坏湿坯，达到脱模时间后进行脱模上架
(9)干燥：脱模上架后进入烘干室进行烘干，共设置64小时烘干时间，低温段(0～75℃)设置5个升温段，每5小时上升15℃；高温段(75～120℃)设置3个升温段，每9小时上升15℃，直至温度达到120℃，保温12小时，烘干完毕。
(10)烧制：烘干完成后，进行烧成，烧成时间设置在48h，烧成温度为1260℃保温时间为5h。
(11)加工：切割方式用现有的莫来石砖切割方式。
(12)切割后的钙长石砖经检测容重为480±50kg/m3，气孔大小均匀。
以上方法制得的钙长石砖氧化铝含量41.05wt％、氧化钙含量11.61wt％、氧化硅含量45.42wt％；耐压强度2.3MPa；导热系数平均200℃为0.08W/(m·K)、平均400℃为0.108W/(m·K)、平均600℃为0.126W/(m·K)；重烧线变化为-0.18％、抗折强度为1.2MPa。
实施例2
(1)钙长石砖的原料包括煤矸石54％、蓝晶石4％，叶腊石6％、耐火粘土13％、碳酸钙15％、高铝水泥8％
(2)将耐火粉料加入球磨机进行球磨，球磨时间为6h，直至目数达到2000目。
(3)将球磨完成的料浆放出，置于储料池中备用。
(4)一次搅拌，从储料池中抽取球磨料浆与耐火粉料同时搅拌8min，料浆温度控制在40℃以下；
(5)二次搅拌：同时加入水泥与促凝剂等辅料搅拌15min，搅拌完成后添加发泡剂搅拌30s，让其充分搅拌，使气泡更加均匀。
(6)定量浇注：一次浇注32个模具、浇注时间在12min，室内温度控制在25℃。
(7)静置养护：静置养护凝固时间控制在2h，料浆凝固状态达到用手触摸后料浆不粘手，说明完全凝固。
(8)脱模：在料浆浇注之前在磨具里刷上脱模剂，有助于在脱模过程中不会损坏湿坯，达到脱模时间后进行脱模上架
(9)干燥：脱模上架后进入烘干室进行烘干，设置80小时烘干时间，低温段(0～75℃)设置7个升温段，每5小时上升15℃；高温段(75～120℃)设置3个升温段，每11小时上升15℃，直至温度达到120℃，保温12小时，烘干完毕。
(10)烧制：烘干完成后，进行烧成，烧成时间设置在48h，烧成温度为1280℃保温时间为5h。
(11)加工：切割方式用现有的莫来石砖切割方式。
(12)切割后的钙长石砖经检测容重为480±50kg/m3，气孔大小均匀。
以上方法制得的钙长石砖氧化铝含量41.19wt％、氧化钙含量11.61wt％、氧化硅含量45.21wt％；耐压强度2.2MPa；导热系数平均200℃为0.086W/(m·K)、平均400℃为0.107W/(m·K)、平均600℃为0.124W/(m·K)；重烧线变化为-0.20％、抗折强度为1.0MPa。
比较例1：
(1)钙长石砖的原料包括莫来石粉50％、蓝晶石6％，叶腊石5.5％、耐火粘土13.5％、碳酸钙14％、高铝水泥11％；
(2)将耐火粉料加入球磨机进行球磨，球磨时间为3h，直至目数达到1200目。
(3)将球磨完成的料浆放出，置于储料池中备用。
(4)一次搅拌，从储料池中抽取球磨料浆与耐火粉料同时搅拌8min，料浆温度控制在40℃以下；
(5)二次搅拌：同时加入水泥与促凝剂等辅料搅拌15min，搅拌完成后添加发泡剂搅拌30s，让其充分搅拌，使气泡更加均匀。
(6)定量浇注：一次浇注32个模具、浇注时间在12min，室内温度控制在25℃。
(7)静置养护：静置养护凝固时间控制在2h，料浆凝固状态达到用手触摸后料浆不粘手，说明完全凝固。
(8)脱模：在料浆浇注之前在磨具里刷上脱模剂，有助于在脱模过程中不会损坏湿坯，达到脱模时间后进行脱模上架
(9)干燥：脱模上架后进入烘干室进行烘干，恒温120℃烘干80小时。
(10)烧制：烘干完成后，进行烧成，烧成时间设置在48h，烧成温度为1280℃保温时间为5h。
(11)加工：切割方式用现有的莫来石砖切割方式。
(12)切割后的钙长石砖经检测容重为520kg/m3，气孔大小均匀。
以上方法制得的钙长石砖氧化铝含量42.82wt％、氧化钙含量11.59wt％、氧化硅含量43.45wt％；耐压强度1.2MPa；导热系数平均200℃为0.086W/(m·K)、平均400℃为0.107W/(m·K)、平均600℃为0.124W/(m·K)；重烧线变化为-0.31％、抗折强度为0.7MPa。
比较例2：
(1)钙长石砖的原料包括煤矸石50％、蓝晶石5％，叶腊石5.5％、耐火粘土13％、碳酸钙12％、高铝水泥8％
(2)将耐火粉料加入球磨机进行球磨，球磨时间为6h，直至目数达到2000目。
(3)将球磨完成的料浆放出，置于储料池中备用。
(4)从储料池中抽取球磨料浆与耐火粉料、水泥、促凝剂等辅料搅拌15min，搅拌完成后添加发泡剂搅拌30s，让其充分搅拌，使气泡更加均匀。
(6)定量浇注：一次浇注20个模具、浇注时间在30min，室内温度控制在25℃。
(7)静置养护：静置养护凝固时间控制在1.5h，料浆凝固状态达到用手触摸后料浆不粘手，说明完全凝固。
(8)脱模：在料浆浇注之前在磨具里刷上脱模剂，有助于在脱模过程中不会损坏湿坯，达到脱模时间后进行脱模上架
(9)干燥：脱模上架后进入烘干室进行烘干，恒温110℃烘干6小时。
(10)烧制：烘干完成后，进行烧成，烧成时间设置在48h，烧成温度为1280℃保温时间为5h。
(11)加工：切割方式用现有的莫来石砖切割方式。
(12)切割后的钙长石砖经检测容重为510kg/m3，气孔大小不均匀。
以上方法制得的钙长石砖氧化铝含量41.91wt％、氧化钙含量11.07wt％、氧化硅含量44.96wt％；耐压强度0.9MPa；导热系数平均200℃为0.093W/(m·K)、平均400℃为0.114W/(m·K)、平均600℃为0.136W/(m·K)；重烧线变化为-0.36％、抗折强度为0.45MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钙长石轻质耐火材料的制备方法，能够降低钙长石轻质耐火材料中氧化物含量与配料时原料中氧化物的含量之间的波动，包括以下步骤：
A)将48～55wt％的煤矸石、3～6wt％的蓝晶石和4.5～6.5wt％的叶腊石球磨，得到球磨浆料；
B)将所述球磨将料、10～14.5wt％的耐火粘土和9.5～15.5wt％的碳酸钙搅拌混合8～16min，得到主料混合料；
C)将所述主料混合料、5～10wt％的高铝水泥和3～8wt％耐火促凝剂搅拌5～10min之后，再加入0.5～2wt％发泡剂，搅拌20～30s，得到浇注料；
D)将浇注料浇注成型，脱模后依次进行干燥和焙烧，得到钙长石轻质耐火材料；
所述干燥为梯度升温，共设置64～80小时烘干时间，低温段设置5～7个升温段，每5～8小时上升15℃；高温段设置3～6个升温段，每9～12小时上升15℃，直至温度达到120℃，保温12～15小时，烘干完毕；
所述低温段为0～75℃，所述高温段为75～120℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高铝水泥中Al2O3含量为67～69wt％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浇注的温度为25～29℃；所述浇注的时间为10～16min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为75～120℃，所述干燥的时间为50～80小时。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧的温度为1240～1280℃；所述焙烧的时间为45～50小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钙长石轻质耐火材料的制备原料中，氧化铝含量为36～40wt％、氧化钙含量10～15wt％、氧化硅含量38～45wt％。
7.一种钙长石轻质耐火材料，按照权利要求1～6任意一项所述的制备方法制得，所述钙长石轻质耐火材料中，氧化铝含量37～42wt％、氧化钙含量10～15wt％、氧化硅含量45～50wt％。
8.根据权利要求7所述的钙长石轻质耐火材料，其特征在于，所述钙长石轻质耐火材料具有闭孔结构。
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