CN115259839B - 一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料及其制备方法 - Google Patents

一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料及其制备方法。该浇注料包括以下组分：轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉、叶腊石细粉、烧结镁砂颗粒、金属Al纤维和液态聚碳硅烷，其中：轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉的质量比为100︰(5～8)︰(15～20)；烧结镁砂颗粒和金属Al纤维质量比为100︰(0.8～1.2)；轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉总质量记为M，则烧结镁砂颗粒质量和M的比值为100︰(60～70)；按质量百分比计，液态聚碳硅烷占其余组分总质量的6～8wt％。该浇注料高温强度大，耐磨性强，热膨胀系数低，可以抵抗含铁组分的侵蚀，综合性能优异；制备方法简单，利于工业化应用。

Description

一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火浇注料技术领域，具体涉及一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料及其制备方法。
背景技术
随着球团焙烧工艺的快速发展，大型带式焙烧机及其应用更加广泛，其布置紧凑，技术高效且节能，已成为球团焙烧技术发展的重要方向(何贯通，郭宏相，李学彦，等.“大型球团带式焙烧机耐火材料设计与优化”，《工业炉》，2021，43(1)：pp66～69)。与铁矿石其他烧结工艺不同，带式焙烧机集干燥、预热、焙烧、冷却于一体，主要特点在于：1、生料层较薄(200～400mm)，可避免料层机械负荷过大，又可保持料层的透气性；2、随着台车的水平移动，可消除高速气流对物料层烧结的影响；3、适应性强，能够根据原料不同，设计不同温度、气体流量、速度和流向对各工艺段进行调节，进而焙烧各种原料的生球；4、采用热气流循环，能量利用率高，氧化烧结球团的能耗较低；5、单机处理能力强。因此，带式焙烧机的稳定运行既能保障对铁矿石预处理的高效作业，同时对推进“双碳目标”下高温工业的可持续发展具有重要意义。
带式焙烧机属于高温作业设备，其主体部位(内衬)包括各类耐火材料，且根据工况条件的不同，对耐火材料性能要求差别明显；不同服役环境下耐火材料的性能特点也呈现出显著区别。根据带式焙烧机各部位服役条件选用合理的耐火材料并改善其性能、提高耐火材料的服役寿命，将对球团焙烧工艺的快速发展和节能环保等方面影响显著。带式焙烧机主要工作区域在于“预热-焙烧-均热”，从预热段开始进入高温阶段，热处理温度在1300℃以上，风速约10m/s，粉尘含量高(主要是含铁矿粉且伴有钒、钛等氧化物杂质)，对耐火材料的冲刷和侵蚀严重。目前在带式焙烧机预热段主要采用高铝系或铝-硅系耐火材料，如高铝质、莫来石质、刚玉-莫来石质耐火材料等。
采用高铝质耐火材料，尤其高铝质耐火浇注料作为带式焙烧机预热段侧墙内衬，其耐高温及强度等性能优良，如“一种高铝质耐火浇注料及其制备方法”CN201810091990.2公开技术，以高铝矾土、红柱石、碳化硅、氮化硅和α-Al2O3微粉等为主要原料，以铝酸钙水泥为结合剂等制备了高铝质耐火浇注料，利用红柱石加热条件下形成良好的莫来石网络，以此提高浇注料的强度。但高铝质耐火浇注料在热应力作用下缓解热冲击的能力较弱，由于氧化铝热膨胀系数较大(约8.0×10-6/℃)，易沿基质部分产生结构剥落而损毁；此外，采用铝酸钙水泥作为结合剂，虽然有利于浇注料的施工，但由于水和CaO组分的引入，既增大了材料的孔隙，又损害了浇注料的高温强度和抵抗含铁矿粉的侵蚀性能。
采用莫来石质耐火材料作为带式焙烧机的预热段侧墙内衬，同样具备良好的高温性能和抗剥落性能，如“一种带式烧结机燃烧室用耐火砖及其制备方法”CN202010319799.6公开技术，以特级矾土、白刚玉和蓝晶石等为主要原料，以磷酸为结合剂，经热处理后得到耐火砖，有效提高了材料的强度和抗剥落性。但带式焙烧机内衬采用耐火砖砌筑，一方面增大了施工强度与难度，砖缝衔接处受温度不均的影响而导致膨胀/收缩不一致；另一方面导致带式焙烧机耐火内衬的整体性较差，受带式焙烧机内高温、高压和高风速等条件的影响，耐火砖砌筑所残留的砖缝对其密闭保温，尤其是气氛(氧分压)条件的变化更加显著，进而导致耐火材料的损毁。
此外，Al2O3-SiO2系耐火材料在带式焙烧机内衬中使用还面临的主要问题在于抵抗含铁矿粉的侵蚀。高温下Fe2O3在刚玉和莫来石中溶解度较低，在1000℃下刚玉中仅能固溶约8％的Fe2O3；莫来石则更低，只能固溶约0.38％的Fe2O3，即Al2O3-SiO2系耐火材料能够固溶吸收的Fe2O3十分有限，因此在球团烧结过程中，大量的含铁矿粉与Al2O3-SiO2系耐火材料发生侵蚀反应进而降低材料的热-力学性能，尤其在Fe2O3-TiO2共存(铁矿石中常伴生有TiO2杂质)的情况下，Al2O3-SiO2系耐火材料的高温力学性能下降更为显著。
基于上述考虑，由于MgO质耐火材料在抵抗含铁组分的侵蚀方面具有优异的性能——MgO与FeO可形成连续固溶；MgO中可固溶高达70％的Fe2O3。因此，选用MgO质耐火材料相较Al2O3-SiO2系耐火材料而言，在带式焙烧机中应用更具优势。
专利技术“一种镁质浇注料及其制备方法，CN201610697774.3”公开了一种以镁砂、SiO2微粉为主要原料，以水-水泥为结合体系制备镁质浇注料的方法，一方面MgO颗粒与细粉易发生水化反应导致材料失效，另一方面水分的引入也容易降低浇注料的致密度，削弱了浇注料抵抗高速粉尘冲刷的能力。
专利技术“一种铝镁质耐火浇注料及其制备方法，CN201210216100.9”公开了以刚玉颗粒、氧化铝微粉及含镁材料和硅微粉为主要原料，以水合氧化铝微粉和纯铝酸钙水泥为结合剂，经混合、成型、养护、干燥等工艺后制得铝镁质耐火浇注料，该专利技术除了水系结合这一弊端外，纯铝酸钙水泥中的CaO同样会对浇注料的高温力学性能产生显著的降低。
此外，还有相关报导采用树脂类有机物作为镁质耐火材料的结合剂(“丁冬海，杨少雨，肖国庆。含碳耐火材料酚醛树脂结合剂的研究现状与展望，《材料导报》，2017，31(6):95～100”)，其主要缺点在于无法浇注施工且树脂类有机物黏度大、流动性差，难以在材料中均匀分散。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料及其制备方法，该浇注料高温强度大，耐磨性强，热膨胀系数低，抵抗含铁组分的侵蚀性能优良，且制备工艺简单，具有广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料，包括以下组分：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉、叶腊石细粉、烧结镁砂颗粒、金属Al纤维和液态聚碳硅烷，其中：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉的质量比为100︰(5～8)︰(15～20)；
烧结镁砂颗粒和金属Al纤维质量比为100︰(0.8～1.2)；
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉总质量记为M，则烧结镁砂颗粒质量和M的比值为100︰(60～70)；
按质量百分比计，液态聚碳硅烷占其余组分总质量的6～8wt％。
按上述方案，所述轻烧氧化镁粉为天然菱镁矿加热分解而制得，粒度为60～80μm，真密度为3.08～3.11g/cm3，MgO含量≥95wt％。
按上述方案，所述碳化硅细粉的粒度为60～80μm，真密度为3.08～3.15g/cm3，SiC含量≥92wt％。
按上述方案，所述叶腊石细粉的粒度为60～80μm，真密度为2.76～2.78g/cm3，Al2O3含量为20～22wt％，SiO2含量为75～76wt％。
按上述方案，所述烧结镁砂颗粒粒度为0.1～6mm，体积密度为3.2～3.3/cm3，MgO含量≥97wt％，n(CaO)/n(SiO2)摩尔比为2.1～2.2。
按上述方案，所述金属Al纤维的Al含量≥96wt％，长度为1～2mm，直径为70～80μm。
按上述方案，所述液态聚碳硅烷密度为0.95～0.98g/cm3，分子量为600～800g/mol，1000℃陶瓷产率为72～75wt％。
按上述方案，所述耐火浇注料通过首先将粉料轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉混合，再与烧结镁砂颗粒和金属Al纤维混合，最后加入液态聚碳硅烷密封困料、浇注成型制备得到。
本发明所得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料经检测：1400℃×31烧后体积密度为3.22～3.35g/cm3；1400℃×31烧后冷态抗折强度为23～26MPa；1000℃热膨胀系数为6.2～6.5×10-6/℃；1400℃×11高温热态抗折强度为12～14MPa；1400℃×31烧后常温耐磨性试验磨损量为1.1～1.5cm3；1400℃×31静态坩埚法抗渣实验(以铁矿为侵蚀介质)侵蚀指数为2.7～4.4％。
提供一种上述带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料的制备方法，包括以下步骤：
1)按轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉的质量比为100︰(5～8)︰(15～20)，混合得到预混细粉料；
2)按烧结镁砂颗粒、金属Al纤维和步骤1)所得预混细粉料的质量比为100︰(0.8～1.2)︰(60～70)，混合得到预混料；
3)向步骤2)所得预混料中加入占所述预混料6～8wt％的液态聚碳硅烷，搅拌均匀，密封困料10～15分钟后浇注成型，即得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料。
按上述方案，所述步骤1)中，混合6～8分钟。
按上述方案，所述步骤2)中，混合8～10分钟。
按上述方案，所述步骤3)中，搅拌5～8分钟。
本发明以烧结镁砂颗粒、叶腊石、轻烧氧化镁粉等为主要原料，配合碳化硅细粉、金属Al纤维和液态聚碳硅烷得到耐火浇注料，其中具体机理为：
本发明选用合理钙硅比的烧结镁砂颗粒为主要原料，以金属Al纤维构建网络结构，提高浇注料抗含铁矿粉的侵蚀性能；在高温下利用金属Al纤维的氧化保护，减少低熔点物相的形成，同时降低带式焙烧机内氧分压，减少碳化硅组分的氧化，且生成的氧化铝可以在体系内形成高熔点相，进一步提高浇注料的耐磨性。
本发明利用叶腊石的高热反射率形成良好的隔热效果，同时叶腊石脱水温度较高，能够抵抗带式焙烧机内高速气流的冲蚀。在高温服役过程中与轻烧氧化镁粉原位形成堇青石，促进浇注料的原位陶瓷相结合，并降低浇注料的热膨胀系数，改善浇注料的热震稳定性。
本发明采用液态聚碳硅烷作为结合剂，其黏度低、陶瓷产率高、流动性能好，不含毒害组分、环境友好，且不引入水分，既能够保护碱性耐火原料不水化，又能减少挥发逸出组分，提高浇注料的致密度，高温下通过碳化硅陶瓷晶须的结合可进一步提高浇注料的高温力学性能。
本发明的有益效果如下：
1.本发明提供一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料，以烧结镁砂颗粒、叶腊石、轻烧氧化镁粉等为主要原料，配合碳化硅细粉、金属Al纤维和液态聚碳硅烷协同作用，所得浇注料高温强度大，耐磨性强，热膨胀系数低，可以抵抗含铁组分的侵蚀，综合性能优异。
2.本发明提供一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料的制备方法，首先将颗粒粒度相近的细粉料进行预混，且利用原料组分硬度差异进行助磨混合，提高细粉料的混合均匀性与整体性，然后再将骨料、细粉和纤维进行混合，利用颗粒极差使细粉料能够均匀的填充包覆于骨料间的空隙，最后加入结合剂形成包裹，既能防止细粉料的成团，又能提升骨料-基质间的结合，有利于提高浇注料的流动性能，便于施工；其原料来源广泛、成本低，且制备过程无需特殊设备或仪器，工艺简单。
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：
轻烧氧化镁粉为天然菱镁矿加热分解而制得，粒度为60～80μm，真密度为3.08～3.11g/cm3，MgO含量≥95wt％。
碳化硅细粉的粒度为60～80μm，真密度为3.08～3.15g/cm3，SiC含量≥92wt％。
叶腊石细粉的粒度为60～80μm，真密度为2.76～2.78g/cm3，Al2O3含量为20～22wt％，SiO2含量为75～76wt％。
烧结镁砂颗粒粒度为0.1～6mm，体积密度为3.2～3.3/cm3，MgO含量≥97wt％，n(CaO)/n(SiO2)摩尔比为2.1～2.2。
金属Al纤维的Al含量≥96wt％，长度为1～2mm，直径为70～80μm。
液态聚碳硅烷密度为0.95～0.98g/cm3，分子量为600～800g/mol，1000℃陶瓷产率为72～75wt％。
下面实施例中所得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料通过以下方法制备得到，具体步骤为：
1)将轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉加入行星式搅拌机中混合6分钟，得到预混细粉料；
2)将烧结镁砂颗粒、金属Al纤维和步骤1)所得预混细粉料加入行星式搅拌机中混合10分钟，得到预混料；
3)向步骤2)所得预混料中加入液态聚碳硅烷，搅拌7分钟，密封困料12分钟后浇注成型，即得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料。
实施例1
提供一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料，包括以下组分：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉、叶腊石细粉、烧结镁砂颗粒、金属Al纤维和液态聚碳硅烷，其中：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉的质量比为100︰6︰17；
烧结镁砂颗粒和金属Al纤维质量比为100︰0.8；
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉总质量记为M，则烧结镁砂颗粒质量和M的比值为100︰62；
按质量百分比计，液态聚碳硅烷占其余组分总质量的6wt％。
本实施例所得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料经检测：1400℃×31烧后体积密度为3.22g/cm3；1400℃×31烧后冷态抗折强度为24MPa；1000℃热膨胀系数为6.5×10-6/℃；1400℃×11高温热态抗折强度为12MPa；1400℃×31烧后常温耐磨性试验磨损量为1.3cm3；1400℃×31静态坩埚法抗渣实验(以铁矿为侵蚀介质)侵蚀指数为2.9％。
实施例2
提供一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料，包括以下组分：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉、叶腊石细粉、烧结镁砂颗粒、金属Al纤维和液态聚碳硅烷，其中：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉的质量比为100︰8︰20；
烧结镁砂颗粒和金属Al纤维质量比为100︰1.0；
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉总质量记为M，则烧结镁砂颗粒质量和M的比值为100︰65；
按质量百分比计，液态聚碳硅烷占其余组分总质量的8wt％。
本实施例所得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料经检测：1400℃×31烧后体积密度为3.33g/cm3；1400℃×31烧后冷态抗折强度为26MPa；1000℃热膨胀系数为6.4×10-6/℃；1400℃×11高温热态抗折强度为14MPa；1400℃×31烧后常温耐磨性试验磨损量为1.1cm3；1400℃×31静态坩埚法抗渣实验(以铁矿为侵蚀介质)侵蚀指数为3.1％。
实施例3
提供一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料，包括以下组分：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉、叶腊石细粉、烧结镁砂颗粒、金属Al纤维和液态聚碳硅烷，其中：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉的质量比为100︰7︰15；
烧结镁砂颗粒和金属Al纤维质量比为100︰1.2；
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉总质量记为M，则烧结镁砂颗粒质量和M的比值为100︰70；
按质量百分比计，液态聚碳硅烷占其余组分总质量的7wt％。
本实施例所得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料经检测：1400℃×31烧后体积密度为3.35g/cm3；1400℃×31烧后冷态抗折强度为23MPa；1000℃热膨胀系数为6.2×10-6/℃；1400℃×11高温热态抗折强度为14MPa；1400℃×31烧后常温耐磨性试验磨损量为1.3cm3；1400℃×31静态坩埚法抗渣实验(以铁矿为侵蚀介质)侵蚀指数为4.0％。
实施例4
提供一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料，包括以下组分：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉、叶腊石细粉、烧结镁砂颗粒、金属Al纤维和液态聚碳硅烷，其中：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉的质量比为100︰5︰18；
烧结镁砂颗粒和金属Al纤维质量比为100︰1.2；
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉总质量记为M，则烧结镁砂颗粒质量和M的比值为100︰60；
按质量百分比计，液态聚碳硅烷占其余组分总质量的6wt％。
本实施例所得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料经检测：1400℃×31烧后体积密度为3.27g/cm3；1400℃×31烧后冷态抗折强度为24MPa；1000℃热膨胀系数为6.4×10-6/℃；1400℃×11高温热态抗折强度为12MPa；1400℃×31烧后常温耐磨性试验磨损量为1.2cm3；1400℃×31静态坩埚法抗渣实验(以铁矿为侵蚀介质)侵蚀指数为3.8％。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，区别仅在于轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉的质量比为100︰10︰17。
本实施例所得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料经检测：1400℃×31烧后体积密度为3.06g/cm3；1400℃×31烧后冷态抗折强度为17MPa；1000℃热膨胀系数为7.4×10-6/℃；1400℃×11高温热态抗折强度为8MPa；1400℃×31烧后常温耐磨性试验磨损量为2.8cm3；1400℃×31静态坩埚法抗渣实验(以铁矿为侵蚀介质)侵蚀指数为6.6％。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，区别仅在于烧结镁砂颗粒和金属Al纤维质量比为100︰2.0。
本实施例所得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料经检测：1400℃×31烧后体积密度为3.11g/cm3；1400℃×31烧后冷态抗折强度为18MPa；1000℃热膨胀系数为8.4×10-6/℃；1400℃×11高温热态抗折强度为7MPa；1400℃×31烧后常温耐磨性试验磨损量为3.3cm3；1400℃×31静态坩埚法抗渣实验(以铁矿为侵蚀介质)侵蚀指数为6.2％。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料，其特征在于，包括以下组分：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉、叶腊石细粉、烧结镁砂颗粒、金属Al纤维和液态聚碳硅烷，其中：
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉的质量比为100︰(5～8)︰(15～20)；
烧结镁砂颗粒和金属Al纤维质量比为100︰(0.8～1.2)；
轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉总质量记为M，则烧结镁砂颗粒质量和M的比值为100︰(60～70)；
按质量百分比计，液态聚碳硅烷占其余组分总质量的6～8wt％。
2.根据权利要求1所述的浇注料，其特征在于，所述轻烧氧化镁粉粒度为60～80μm；所述碳化硅细粉的粒度为60～80μm；所述叶腊石细粉的粒度为60～80μm。
3.根据权利要求1或2所述的浇注料，其特征在于，
所述轻烧氧化镁粉为天然菱镁矿加热分解而制得，真密度为3.08～3.11g/cm3，MgO含量≥95wt％；
所述碳化硅细粉，真密度为3.08～3.15g/cm3，SiC含量≥92wt％；
所述叶腊石细粉，真密度为2.76～2.78g/cm3，Al2O3含量为20～22wt％，SiO2含量为75～76wt％。
4.根据权利要求1所述的浇注料，其特征在于，所述烧结镁砂颗粒粒度为0.1～6mm，n(CaO)/n(SiO2)摩尔比为2.1～2.2。
5.根据权利要求4所述的浇注料，其特征在于，所述烧结镁砂颗粒体积密度为3.2～3.3/cm3，MgO含量≥97wt％。
6.根据权利要求1所述的浇注料，其特征在于，所述金属Al纤维的Al含量≥96wt％，长度为1～2mm，直径为70～80μm。
7.根据权利要求1所述的浇注料，其特征在于，所述液态聚碳硅烷密度为0.95～0.98g/cm3，分子量为600～800g/mol，1000℃陶瓷产率为72～75wt％。
8.一种权利要求1-7任一项所述的带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按轻烧氧化镁粉、碳化硅细粉和叶腊石细粉的质量比为100︰(5～8)︰(15～20)，混合得到预混细粉料；
2)按烧结镁砂颗粒、金属Al纤维和步骤1)所得预混细粉料的质量比为100︰(0.8～1.2)︰(60～70)，混合得到预混料；
3)向步骤2)所得预混料中加入占所述预混料6～8wt％的液态聚碳硅烷，搅拌均匀，密封困料10～15分钟后浇注成型，即得带式焙烧机预热段侧墙整体耐火浇注料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，混合6～8分钟；所述步骤2)中，混合8～10分钟；所述步骤3)中，搅拌5～8分钟。
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