CN115321947A - 一种铁系蓄热砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铁系蓄热砖及其制备方法,所述铁系蓄热砖的组成原料按质量分数计包括:赤铁矿粉30~40%、菱镁矿粉15~25%、钛精矿粉20~30%和陶土20~30%;所述制备方法将各原料与结合剂溶液混合后,进行压制成型并烧结,得到了储热密度高、耐压强度大且高温稳定性好的铁系蓄热砖。所述制备方法的原料成本低,铁系蓄热砖中的氧化铁可回收再利用,经济性高且绿色环保,具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及储热材料技术领域,尤其涉及一种铁系蓄热砖及其制备方法。
背景技术
各类产品的生产过程中都会大量使用蒸汽,很多生产企业采用电锅炉解决生产用蒸汽需要。由于峰谷电政策,谷电价格通常为峰电价格的1/2~1/3,如果可以将谷电的能量储存起来,在需要的时候释放出来产生蒸汽,将大大降低产生工业蒸汽的能源成本。
目前固态电蓄热方面多采用镁砖蓄热。专利CN1316399A公开了一种蓄热砖,由氧化镁、三氧化二铁、三氧化二铝、二氧化硅、氧化钙材料烧结而成,其配比(重量%)为氧化镁86~90;三氧化二铁7~9;三氧化二铝0.2~1.0;二氧化硅为1~2;氧化钙为1~5。该蓄热砖热传导及蓄热效果好,耐高温可达1600~1700℃。目前已经得到了普遍应用,但是随着镁砂价格上涨,该类蓄热砖的成本提高,并且镁砖的回收率较低。
以铁矿石为原料的氧化铁系蓄热砖相较于镁砖具有相近的蓄热能力和体积密度,并且具有更低的成本,是一种很有前景的替代品。
CN1366013A公开了一种电能转换蓄热体的制造方法,用60%~80%的富矿铁粉、20%~50%的普通铁粉、2%~8%的无机耐高温在1600℃以上的结合剂和0.5%~2%的硬脂酸锌润滑剂拌合均匀,冷压成型后在800℃~1500℃中烧结2~8小时,降至常温而制成电能转换蓄热体。使用该产品,其具有以下优势性能:导热率在200℃时达3.4~3.6W/mk;在400℃时达2.5~2.7W/mk;在600℃时达2.1~2.2W/mk;其平均比热为20~700℃时为0.94KWS/kgk;其密度达3.85~3.95kg/dm3;在500V时具有良好的绝缘安全性能。利用电能转换蓄热体作为蓄热载体,在供电低峰时经8小时通电,可将其加热到680℃,在供电高峰时断开电源,利用蓄热体继续散热性能,可在20℃以上供热24小时。
CN113716940A采用炼钢氧化渣和铜渣铁橄榄石作为主要原料,配以适量结合剂制备了铁系蓄热砖,该产品的蓄热能力和体积稳定性较强且价格低廉。但是该蓄热砖导热系数相较于传统镁砖有所降低,且在使用年限后无法进行回收循环。
因此,开发一种体积密度高,抗压强度高好,成本经济且可以回收再利用的铁系蓄热砖及其制备方法具有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种铁系蓄热砖及其制备方法,以氧化铁含量较高的赤铁矿粉为主要原料,与特定质量分数的菱镁矿粉、钛精矿粉和陶土混料成型并高温烧结,得到了储热密度高、耐压强度大且高温稳定性好的铁系蓄热砖;所述制备方法的原料成本低,铁系蓄热砖中的氧化铁可回收再利用,具有较好的经济效益。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种铁系蓄热砖,所述铁系蓄热砖的组成原料按质量分数计包括:
本发明所述的铁系蓄热砖以氧化铁含量较高的赤铁矿粉为主要原料,与特定质量分数的菱镁矿粉、钛精矿粉和陶土相互配合,具有良好的储热密度、耐压强度及高温稳定性,并且原料成本低,铁系蓄热砖中的氧化铁可回收再利用,具有较好的经济效益,适合大规模推广应用。
本发明中赤铁矿粉的质量分数为30~40%,例如可以是30%、32%、34%、35%或40%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
菱镁矿粉的质量分数为15~25%,例如可以是15%、18%、20%、21%、22%、24%或25%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
钛精矿粉的质量分数为20~30%,例如可以是20%、23%、24%、25%或30%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
陶土的质量分数为20~30%,例如可以是20%、23%、25%、27%或30%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述赤铁矿粉中TFe的质量分数为65~67%,例如可以是65%、65.5%、66%、66.5%或67%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述赤铁矿粉中SiO2的质量分数为3~8%,例如可以是3%、4%、5%、7%或8%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述赤铁矿粉中A12O3的质量分数为1~3%,例如可以是1%、1.5%、2%、2.5%或3%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述菱镁矿粉中MgO的质量分数为42~46%,例如可以是42%、44%、45%、45.5%或46%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述菱镁矿粉中SiO2的质量分数为1~2%,例如可以是1%、1.3%、1.5%、1.8%或2%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述菱镁矿粉中CaO的质量分数为1~2%,例如可以是1%、1.3%、1.5%、1.8%或2%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述钛精矿中TiO2的质量分数为45~49%,例如可以是45%、46%、47%、48%或49%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述钛精矿中Fe2O3的质量分数为47~52%,例如可以是47%、48%、49%、50%或52%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述钛精矿中SiO2的质量分数为1.3~1.6%,例如可以是1.3%、1.33%、1.4%、1.5%或1.6%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述钛精矿中A12O3的质量分数为0.80~0.95%,例如可以是0.80%、0.82%、0.85%、0.9%或0.95%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述钛精矿中MgO的质量分数为0.88~1.0%,例如可以是0.88%、0.9%、0.93%、0.95%或1.0%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述陶土中SiO2的质量分数为65~72%,例如可以是65%、66%、68%、70%或72%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述陶土中A12O3的质量分数为15~18%,例如可以是15%、15.5%、16%、17%或18%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述陶土中Fe2O3的质量分数为3~7%,例如可以是3%、4%、5%、6%或7%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述陶土中CaO的质量分数为0.8~1.7%,例如可以是0.8%、1%、1.3%、1.5%或1.7%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
所述陶土中MgO的质量分数为0.9~2%,例如可以是0.9%、1%、1.2%、1.5%或2%等,但不限于所列举的数值,该范围内其他未列举的数值同样适用。
第二方面,本发明还提供上述铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)混合质量分数为30~40%的赤铁矿粉、15~25%的菱镁矿粉、20~30%的钛精矿粉和20~30%的陶土,得到混合粉料;
(2)将所述混合粉料与结合剂溶液混合后,进行压制成型并干燥,得到半成品蓄热砖;
(3)将所述半成品蓄热砖在1600~2000℃下烧结,得到所述铁系蓄热砖。
本发明所述的铁系蓄热砖的制备方法简单,以特定质量分数的赤铁矿粉、菱镁矿粉、钛精矿粉和陶土作为原料,制备成本低于传统镁砖,并且在使用年限后能够以极低的成本回收蓄热砖中的氧化铁进行再利用,经济性高且绿色环保。本发明所述制备方法将半成品蓄热砖在1600~2000℃下烧结,有利于得到力学性能优良的蓄热砖。当烧结的温度过低,蓄热砖的抗压强度会大幅度降低,一定程度上会缩短蓄热砖的使用寿命;当烧结的温度过高,会导致蓄热砖出现裂痕,严重时会导致蓄热砖报废。
优选地,步骤(1)得到混合粉料的时间和步骤(2)混合粉料与结合剂溶液混合的时间共30~50min,例如可以是30min、35min、40min、45min或50min等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(2)所述结合剂溶液包括改性水玻璃、聚乙酸乙烯酯乳液或海藻酸钠水溶液中的任意一种。
本发明所述改性水玻璃的组分及各组分的质量百分含量分别为:90.5%水玻璃、2.7%氢氧化钾、3.6%氢氧化钠、1.4%三聚磷酸钠和1.8%三乙醇胺。
优选地,所述结合剂溶液的浓度为1~3%,例如可以是1%、1.6%、2%、2.5%或3%等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。所述结合剂溶液的浓度为质量浓度。
优选地,所述结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量的5~10%,例如可以是5%、6%、7%、9%或10%等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明优选所述结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量的5~10%,可以保证制备得到的铁系蓄热砖结构致密且力学性能优良。当结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量过高或过低,均会导致铁系蓄热砖的体积密度大幅度降低且抗压强度降低。
优选地,所述压制成型的压力为60~80MPa,例如可以是60MPa、63MPa、65MPa、70MPa、75MPa或80MPa等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述干燥的温度为100~120℃,例如可以是100℃、105℃、110℃、115℃、118℃或120℃等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述干燥的时间为12~48h,例如可以是12h、15h、30h、35h、40h或48h等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(3)所述烧结的时间为6~8h,例如可以是6h、6.5h、7h、7.5h、7.7h或8h等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,所述制备方法包括如下步骤:
(1)混合质量分数为30~40%的赤铁矿粉、15~25%的菱镁矿粉、20~30%的钛精矿粉和20~30%的陶土,得到混合粉料;
(2)将所述混合粉料与浓度为1~3%的结合剂溶液混合后,进行压力为60~80MPa的压制成型并进行温度为100~120℃的干燥12~48h,得到半成品蓄热砖;所述结合剂溶液包括改性水玻璃、聚乙酸乙烯酯乳液或海藻酸钠水溶液中的任意一种;所述结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量的5~10%;
(3)将所述半成品蓄热砖在1600~2000℃下烧结6~8h,得到所述铁系蓄热砖;
步骤(1)得到混合粉料的时间和步骤(2)混合粉料与结合剂溶液混合的时间共30~50min。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
(1)本发明提供的铁系蓄热砖以氧化铁含量较高的赤铁矿粉为原料,制备成本低,且氧化铁可回收再利用,回收率可达38.3%以上,经济性高且绿色环保;
(2)本发明提供的铁系蓄热砖的制备方法简单,制备得到的铁系蓄热砖结构致密,体积密度可达3.69g/cm3以上,显气孔率为10~11%,且力学性能优良,抗压强度可达63.3MPa以上,具有广阔的应用前景。
具体实施方式
为便于理解本发明,本发明列举实施例如下。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。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子,并不代表或限制本发明的权利保护范围,本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
本实施例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)混合质量分数为31%的赤铁矿粉、19%的菱镁矿粉、27%的钛精矿粉和23%的陶土,得到混合粉料;
(2)将所述混合粉料与浓度为3%的结合剂溶液混合后,进行压力为1200kN的压制成型并进行温度为120℃的干燥24h,得到半成品蓄热砖;所述结合剂溶液为改性水玻璃;所述结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量的5%;
(3)将所述半成品蓄热砖在1800℃下烧结5h,得到所述铁系蓄热砖;
步骤(1)得到混合粉料的时间和步骤(2)混合粉料与结合剂溶液混合的时间共35min。
实施例2
本实施例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)混合质量分数为35%的赤铁矿粉、25%的菱镁矿粉、20%的钛精矿粉和20%的陶土,得到混合粉料;
(2)将所述混合粉料与浓度为1%的结合剂溶液混合后,进行压力为1200kN的压制成型并进行温度为120℃的干燥24h,得到半成品蓄热砖;所述结合剂溶液为聚乙酸乙烯酯乳液;所述结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量的5%;
(3)将所述半成品蓄热砖在1800℃下烧结4h,得到所述铁系蓄热砖;
步骤(1)得到混合粉料的时间和步骤(2)混合粉料与结合剂溶液混合的时间共40min。
实施例3
本实施例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)混合质量分数为40%的赤铁矿粉、15%的菱镁矿粉、25%的钛精矿粉和20%的陶土,得到混合粉料;
(2)将所述混合粉料与浓度为2%的结合剂溶液混合后,进行压力为1000kN的压制成型并进行温度为120℃的干燥24h,得到半成品蓄热砖;所述结合剂溶液为海藻酸钠水溶液;所述结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量的5%;
(3)将所述半成品蓄热砖在1800℃下烧结3h,得到所述铁系蓄热砖;
步骤(1)得到混合粉料的时间和步骤(2)混合粉料与结合剂溶液混合的时间共30min。
实施例1~3制备得到的铁系蓄热砖的荷重软化温度可达1280℃,在承受恒定压负荷产生变形的温度较高,在实际工作温度下不易发生变形;实施例1~3制备得到的铁系蓄热砖的导热系数可达1.828~1.907W/(m·K);比热容可达1.031J/(g·K)(200℃),1.286J/(g·K)(400℃),具有很好的导热性能和蓄热能力。
实施例4
本实施例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)混合质量分数为34%的赤铁矿粉、18%的菱镁矿粉、28%的钛精矿粉和20%的陶土,得到混合粉料;
(2)将所述混合粉料与浓度为2.5%的结合剂溶液混合后,进行压力为1000kN的压制成型并进行温度为100℃的干燥12h,得到半成品蓄热砖;所述结合剂溶液为聚乙酸乙烯酯乳液;所述结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量的10%;
(3)将所述半成品蓄热砖在1600℃下烧结5h,得到所述铁系蓄热砖;
步骤(1)得到混合粉料的时间和步骤(2)混合粉料与结合剂溶液混合的时间共50min。
实施例5
本实施例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)混合质量分数为30%的赤铁矿粉、20%的菱镁矿粉、20%的钛精矿粉和30%的陶土,得到混合粉料;
(2)将所述混合粉料与浓度为1.5%的结合剂溶液混合后,进行压力为1100kN的压制成型并进行温度为110℃的干燥48h,得到半成品蓄热砖;所述结合剂溶液为改性水玻璃;所述结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量的8%;
(3)将所述半成品蓄热砖在2000℃下烧结4.5h,得到所述铁系蓄热砖;
步骤(1)得到混合粉料的时间和步骤(2)混合粉料与结合剂溶液混合的时间共45min。
实施例6
本实施例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法除了将步骤(2)所述结合剂溶液海藻酸钠水溶液替换为硫酸镁水溶液外,其余均与实施例4相同。
实施例7
本实施例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法除了将步骤(2)所述结合剂溶液的添加量替换为占所述混合粉料质量的3%外,其余均与实施例4相同。
实施例8
本实施例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法除了将步骤(2)所述结合剂溶液的添加量替换为占所述混合粉料质量的13%外,其余均与实施例4相同。
对比例1
本对比例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法除了步骤(1)中混合质量分数为20%的赤铁矿粉、25%的菱镁矿粉、25%的钛精矿粉和30%的陶土,得到混合粉料外,其余均与实施例4相同。
对比例2
本对比例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法除了将步骤(1)中混合质量分数为45%的赤铁矿粉、15%的菱镁矿粉、20%的钛精矿粉和20%的陶土,得到混合粉料外,其余均与实施例4相同。
对比例3
本对比例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法除了将步骤(3)所述烧结的温度替换为1300℃外,其余均与实施例4相同。
对比例4
本对比例提供一种铁系蓄热砖的制备方法,所述制备方法除了将步骤(3)所述烧结的温度替换为2300℃外,其余均与实施例4相同。
采用氯化亚锡-三氯化钛-重铬酸钾法测试上述实施例和对比例得到的铁系蓄热砖中Fe2O3的含量,并计算得出Fe2O3的回收率;
采用密度公式ρ=m/V测试上述实施例和对比例得到的铁系蓄热砖的体积密度;
采用固体孔隙率测试仪测试上述实施例和对比例得到的铁系蓄热砖的显气孔率;
采用回弹仪测试上述实施例和对比例得到的铁系蓄热砖的抗压强度,结果如表1所示。
表1
从表1可以看出:
(1)本发明提供的铁系蓄热砖的制备方法简单,制备得到的铁系蓄热砖结构致密,体积密度可达3.69g/cm3以上,显气孔率为10~11%,且力学性能优良,抗压强度可达63.3MPa以上;
(2)综合实施例4与实施例6可以看出,当实施例6中将结合剂溶液海藻酸钠水溶液替换为硫酸镁水溶液,制备得到的铁系蓄热砖显气孔率大幅度增加为15.2%,性能降低;由此表明,本发明采用特定的结合剂溶液与混合粉料进行混合,保证制备得到的铁系蓄热砖具有较低的显气孔率;
(3)综合实施例4与实施例7~8可以看出,实施例7中结合剂溶液的添加量较少,制备得到的铁系蓄热砖的体积密度大幅度降低,仅为3.10g/cm3,抗压强度显著降低为55.6MPa,出现掉渣的情况;实施例8中结合剂溶液的添加量较多,制备得到的铁系蓄热砖的体积密度也降低为3.18g/cm3,显气孔率大幅增加为14.0%,抗压强度显著降低为57.4MPa,出现难以成型的情况;由此表明,本发明限定结合剂溶液的添加量在特定范围,保证制备得到的铁系蓄热砖具有较高的体积密度和抗压强度,力学性能优良;
(4)综合实施例4与对比例1~2可以看出,对比例1中赤铁矿粉的比例较低,制备得到的铁系蓄热砖体积密度和抗压强度仅略微降低,但氧化铁回收率显著降低,仅为31.5%;对比例2中赤铁矿粉的比例较高,制备得到的铁系蓄热砖体积密度和抗压强度仅略微降低,氧化铁回收率大幅度提高,为52.2%,由此表明,本发明采用特定比例的赤铁矿粉作为原料,在保证铁系蓄热砖具有优良性能的前提下,还实现了氧化铁的回收,经济性高且绿色环保;
(5)综合实施例4与对比例3~4可以看出,对比例3中烧结的温度较低,制备得到的铁系蓄热砖的抗压强度大幅度降低为54.9%,且出现掉渣的情况;对比例4中烧结的温度较高,制备得到的铁系蓄热砖的抗压强度大幅度降低为53.8%,且出现砖体开裂的情况;由此表明,本发明限定烧结的温度在特定的范围,避免了掉渣或砖体开裂情况的出现,制备得到的铁系蓄热砖抗压强度高,力学性能好。
申请人声明,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,所属技术领域的技术人员应该明了,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的铁系蓄热砖,其特征在于,所述赤铁矿粉的组成按质量分数计包括:
TFe 65~67%
SiO2 3~8%
A12O3 1~3%。
3.根据权利要求1或2所述的铁系蓄热砖,其特征在于,所述菱镁矿粉的组成按质量分数计包括:
MgO 42~46%
SiO2 1~2%
CaO 1~2%。
6.一种如权利要求1~5任一项所述的铁系蓄热砖的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:
(1)混合质量分数为30~40%的赤铁矿粉、15~25%的菱镁矿粉、20~30%的钛精矿粉和20~30%的陶土,得到混合粉料;
(2)将所述混合粉料与结合剂溶液混合后,进行压制成型并干燥,得到半成品蓄热砖;
(3)将所述半成品蓄热砖在1600~2000℃下烧结,得到所述铁系蓄热砖。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)得到混合粉料的时间和步骤(2)混合粉料与结合剂溶液混合的时间共30~50min。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述结合剂溶液包括改性水玻璃、聚乙酸乙烯酯乳液或海藻酸钠水溶液中的任意一种;
优选地,所述结合剂溶液的浓度为1~3%;
优选地,所述结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量的5~10%;
优选地,所述压制成型的压力为60~80MPa;
优选地,所述干燥的温度为100~120℃;
优选地,所述干燥的时间为12~48h。
9.根据权利要求6~8任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述烧结的时间为6~8h。
10.根据权利要求6~9任一项所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:
(1)混合质量分数为30~40%的赤铁矿粉、15~25%的菱镁矿粉、20~30%的钛精矿粉和20~30%的陶土,得到混合粉料;
(2)将所述混合粉料与浓度为1~3%的结合剂溶液混合后,进行压力为60~80MPa的压制成型并进行温度为100~120℃的干燥12~48h,得到半成品蓄热砖;所述结合剂溶液包括改性水玻璃、聚乙酸乙烯酯乳液或海藻酸钠水溶液中的任意一种;所述结合剂溶液的添加量占所述混合粉料质量的5~10%;
(3)将所述半成品蓄热砖在1600~2000℃下烧结6~8h,得到所述铁系蓄热砖;
步骤(1)得到混合粉料的时间和步骤(2)混合粉料与结合剂溶液混合的时间共30~50min。
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