CN115724652A - 一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，属于氢气冶金领域。涉及的一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，低密高强钙长石质隔热材料采用高岭土细粉、刚玉颗粒、刚玉细粉、氧化铝微粉、二氧化硅微粉、钙源为原料，以锯末为造孔剂，以纯铝酸钙水泥为结合剂，以FS 20为减水剂，以HVPV为增塑剂，加入水溶液，进行机械练泥；练泥完成后将泥料均匀投射填充在整个模具内，干燥完成后进行热处理得到低密高强钙长石质隔热材料。本发明制备的轻质隔热材料兼具轻质、高强、易加工等性能特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，属于氢气冶金领域。
背景技术
在全球低碳经济发展和“脱碳”大潮的背景下，以降低碳排放为中心的传统钢铁冶金工艺技术变革已成为钢铁行业绿色发展的新趋势；用氢气代替煤炭，改变能源消耗结构是彻底解决生产过程中环境污染和碳排放问题的关键潜在技术；目前，世界各国都高度重视氢冶金前沿技术的研发和应用，但研究多集中在富氢还原高炉炼铁和氢气气基竖炉直接还原炼铁等工艺的相关技术研究方面，而对氢气冶金技术配套用保温隔热耐火材料的研究少见报道。
轻质隔热耐火材料作为氢冶金技术配套的关键材料，要求具有良好的保温隔热性能，易加工性能及较高的结构强度，同时还要求具备良好的抗高温氢气冲刷及侵蚀的性能。
轻质隔热材料的制备方法主要有造孔剂法、泡沫法、空心球法、真空抽滤法等；造孔剂法是在陶瓷粉料中加入造孔剂，利用造孔剂在烧成过程中流失形成孔；采用造孔剂法制备多孔材料的成型方法多为机压成型。在制备高气孔率、密度≤0.8g/cm3的多孔材料时，需引入足够多的造孔剂，导致坯体成型过程中弹性后效过大，坯体易开裂变形。泡沫法是在陶瓷浆料中引入发泡剂，采用发泡工艺将气孔引入浆料，结合凝胶工艺成型多孔坯体；该方法制备的多孔材料具有较高的气孔率，气孔率可达到90%，密度可低至0.3-0.6g/cm3；但该方法制备的隔热材料整体强度较低，热震稳定性差，无法用作高抗热震性窑炉的内衬材料。空心球法是在材料中引入空心球，采用机压成型工艺或者浇注工艺成型。制备的空心球材料密度一般大于1.4 g/cm3，且具有较高的强度，多用于窑炉砌筑的结构件。但材料的整体易加工性能相对较差。真空抽滤法主要用于成型制备耐火纤维材料，采用该方法制备的多孔纤维板易加工性能好，密度≤0.8 g/cm3，且具有良好的保温隔热功能。但材料的强度偏低，不能作为结构件。
基于此，面向氢冶金技术推广的需要，提出了一种低密、高强、轻质隔热、具有良好加工性能且可满足氢冶金技术需要的高性能轻质隔热材料及其制备方法。
发明内容
本发明主要针对现有轻质隔热材料成型制备及使用中存在的问题，提出一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法。
本发明为完成上述发明目的采用如下技术方案：
一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，低密高强钙长石质隔热材料采用高岭土细粉、刚玉颗粒、刚玉细粉、氧化铝微粉、二氧化硅微粉、钙源为原料，以锯末为造孔剂，以纯铝酸钙水泥为结合剂，以FS 20为减水剂，以HVPV为增塑剂，加入水溶液，进行机械练泥；原料配比为高岭土细粉30-50%；刚玉20-35%；纯铝酸钙水泥8-15%；氧化铝微粉7-10%；二氧化硅微粉0.5-1.5%；锯末造孔剂20-35%；FS20 0.5-1%；HVPV 0.5-1%；CaO源 5-10%；水30-60%；锯末造孔剂、FS20、HVPV、CaO源、水均为外加；练泥完成后将泥料均匀投射填充在整个模具内，干燥完成后进行热处理得到低密高强钙长石质隔热材料；隔热材料的组成为SiO2 29.83~56.9%、Al2O3 33-65.31%、CaO 9-13%；气孔率为60%-87%，密度为0.6-1.3g/cm3，导热系数为0.1-0.4w(m.k)，耐压强度达到2-10mpa；材料的孔结构为条形孔结构，具有良好的热震稳定性和较长的使用寿命，材料服役温度大于1300℃。
所述高岭土细粉的粒度≤75μm。
所述的刚玉颗粒、刚玉细粉为电熔白刚玉、板状刚玉中的一种或者几种；粒度0-0.2mm占比为15-25%；粒度≤45μm占比为15-20%；氧化铝微粉占比为5-10%。
所述的钙源为分析纯CaO、氢氧化钙或鳞石灰中的一种或者复合。
所述的原料配比中需控制Fe2O3总含量≤0.3%；TiO2总含量≤0.1%。
所述的练泥工艺在捏合机中完成，依次称取高岭土细粉、电熔白刚玉颗粒、电熔白刚玉细粉、二氧化硅微粉，锯末、FS20减水剂、HVPV为增塑剂、水溶液进行机械练泥30min，最后加入纯铝酸钙水泥练泥30min。
泥料沿垂直于模具面方向均匀投射填充在整个模具内，投射速度控制为15-30m/S。
所述的成型模具为透气透水模具，模具从前、后、左、右、上、下六面均能透气、透水。
干燥过程为室温下养护24H；脱模后自然干燥24H；恒温恒湿箱中分别于50℃、80℃、110℃干燥24H；湿度控制为60-80%。
热处理温度为1350-1400℃，保温3-6H。
本发明提出的一种兼具轻质隔热、高强、加工性能优良的轻质钙长石质隔热材料，采用将泥料快速投射入模具的成型方式避免了传统机压成型方式因加入过多造孔剂产生的弹性后效过大及产品开裂问题；同时，该成型方式与浇注成型方式相比，加水量少，有利于坯体材料强度的提升，避免干燥过程开裂；开发钙长石质轻质隔热材料主要是考虑到钙长石具有较低的导热系数，本身具有良好的隔热功能；在成分设计中，引入氧化钙、二氧化硅微粉、氧化铝原料，通过原位反应形成钙长石，提高材料的结合强度；引入铝酸钙水泥，借助纯铝酸钙水泥的早期水化吸水，可快速提高坯体的早期强度，利于成型；采用锯末为造孔剂，可得到不均匀的条形孔结构，进一步提高材料的热震稳定性；整体控制材料中Fe2O3总含量≤0.3%；TiO2总含量≤0.1%，可提高材料抗氢气冲刷和侵蚀性及对高温氢气环境的适应性。
采用该方法制备的轻质隔热材料兼具轻质、高强、易加工等性能特点；与传统的空心球材料相比，密度可低至0.5-1.2g/cm3，导热系数低至0.1-0.4w(m.k)，具有良好的保温隔热功能；且材料的易加工性能好，提高了材料在砌筑和修复过程中对窑炉和环境的适应性。与传统耐火纤维材料相比，具有相对较高的强度，耐压强度达到2-5Mpa，克服了纤维材料强度偏低的问题，可作为结构支撑材料使用；另外，材料中Fe2O3含量≤0.3%，TiO2含量≤0.1%，具有良好的抗氢气冲刷和侵蚀性，可满足氢冶金领域对隔热材料的使用要求，有助于氢冶金技术的推广应用。
附图说明
图1-1、1-2为实施例1制备的轻质隔热材料的照片；
图2-1、2-2为实施例1制备轻质隔热材料的显微形貌照片；
表1为实施例1制备的轻质隔热材料的性能指标。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明加以详细说明：
实施例1：
分别称取高岭土细粉45%；电熔白刚玉粒度0-0.2mm，20%；电熔白刚玉粒度≤45μm，15%；氧化铝微粉10%；纯铝酸钙水泥8.5%；二氧化硅微粉1.5%；锯末造孔剂35%（外加）；FS20分散剂 1%（外加）；HVPV增塑剂 1%（外加）；工业CaO 6%（外加）；水60%（外加），原料配比中控制Fe2O3总含量≤0.25%；TiO2总含量≤0.05%。在捏合机中练泥30分钟，练泥完成后以20m/S的投射速度将泥团快速射入模具，让泥料均匀充满整个模具进行成型；成型模具为透气、透水木模；干燥过程为室温下养护24H；脱模后自然干燥24H；恒温恒湿箱中分别于50℃、80℃、110℃干燥24H；干燥过程湿度控制为80%。干燥完成后进行热处理，热处理温度为1380℃，保温6H，制备钙长石质隔热材料。
制备钙长石质隔热材料的组成为SiO2 29.83%、Al2O3 65.31%、CaO 8%；气孔率为78%，密度为0.7g/cm3，导热系数为0.25w(m.k)，耐压强度达到5mpa；材料的孔结构为条形孔结构，具有良好的热震稳定性和较长的使用寿命，材料服役温度不高于1360℃。
该实施例所制备的轻质隔热材料的照片如图1所示，显微形貌照片如图2所示，制备的轻质隔热材料的性能指标如表1所示，
表1为实施例1制备的轻质隔热材料的性能指标
实施例2：
分别称取高岭土细粉50%；电熔白刚玉粒度0-0.2mm，18%；电熔白刚玉粒度≤45μm，15%；氧化铝微粉占比为7%；纯铝酸钙水泥9%；二氧化硅微粉1%；锯末造孔剂30%（外加）；FS20分散剂 1%（外加）；HVPV增塑剂 0.5%（外加）；CaO源 6%（外加）；水80%（外加），原料配比中控制Fe2O3总含量≤0.25%；TiO2总含量≤0.05%。在捏合机中练泥60分钟，练泥完成后以15m/S的投射速度将泥团快速射入模具，让泥料均匀充满整个模具进行成型；成型模具为透气、透水木模；干燥过程为室温下养护48H；脱模后自然干燥48H；恒温恒湿箱中分别于50℃、80℃、110℃干燥24H；干燥过程湿度控制为70%。干燥完成后进行热处理，热处理温度为1350℃，保温6H，制备钙长石质隔热材料。
制备钙长石质隔热材料的组成为SiO2 31.2%、Al2O3 63.91%、CaO 9%；气孔率为78%，密度为0.86g/cm3，导热系数为0.25w(m.k)，耐压强度达到5mpa；材料的孔结构为条形孔结构，具有良好的热震稳定性和较长的使用寿命，材料服役温度不高于1350℃。
实施例3：
分别称取高岭土细粉45%；电熔白刚玉粒度0-0.2mm，18%；电熔白刚玉粒度≤45μm，19.5%；氧化铝微粉占比为7%；纯铝酸钙水泥9%；二氧化硅微粉1.5%；锯末造孔剂25%（外加）；FS20分散剂 1%（外加）；HVPV增塑剂 1%（外加）；CaO源 7%（外加）；水80%（外加），原料配比中控制Fe2O3总含量≤0.25%；TiO2总含量≤0.05%。在捏合机中练泥30分钟，练泥完成后以20m/S的投射速度将泥团快速射入模具，让泥料均匀充满整个模具进行成型；成型模具为透气、透水木模；干燥过程为室温下养护24H；脱模后自然干燥24H；恒温恒湿箱中分别于50℃、80℃、110℃干燥24H；干燥过程湿度控制为80%。干燥完成后进行热处理，热处理温度为1380℃，保温6H，制备钙长石质隔热材料。
制备钙长石质隔热材料的组成为SiO2 21.5%、Al2O3 69.4%、CaO 10%；气孔率为72%，密度为1.0g/cm3，导热系数为0.3w(m.k)，耐压强度达到7mpa；材料的孔结构为条形孔结构，具有良好的热震稳定性和较长的使用寿命，材料服役温度不高于1380℃。
Claims (10)
1.一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，其特征在于：低密高强钙长石质隔热材料采用高岭土细粉、刚玉颗粒、刚玉细粉、氧化铝微粉、二氧化硅微粉、钙源为原料，以锯末为造孔剂，以纯铝酸钙水泥为结合剂，以FS 20为减水剂，以HVPV为增塑剂，加入水溶液，进行机械练泥；原料配比为高岭土细粉30-50%；刚玉20-35%；纯铝酸钙水泥8-15%；氧化铝微粉7-10%；二氧化硅微粉0.5-1.5%；锯末造孔剂20-35%；FS20 0.5-1%；HVPV0.5-1%；CaO源 5-10%；水30-60%；锯末造孔剂、FS20、HVPV、CaO源、水均为外加；练泥完成后将泥料均匀投射填充在整个模具内，干燥完成后进行热处理得到低密高强钙长石质隔热材料；隔热材料的组成为SiO2 29.83~56.9%、Al2O3 33-65.31%、CaO9-13%；气孔率为60%-87%，密度为0.6-1.3g/cm3，导热系数为0.1-0.4w(m.k)，耐压强度达到2-10mpa；材料的孔结构为条形孔结构，具有良好的热震稳定性和较长的使用寿命，材料服役温度大于1300℃。
2.如权利要求1所述的一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，其特征在于：所述高岭土细粉的粒度≤75μm。
3.如权利要求1所述的一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，其特征在于：所述的刚玉颗粒、刚玉细粉为电熔白刚玉、板状刚玉中的一种或者几种；粒度0-0.2mm占比为15-25%；粒度≤45μm占比为15-20%；氧化铝微粉占比为5-10%。
4.如权利要求1所述的一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，其特征在于：所述的钙源为分析纯CaO、氢氧化钙、或鳞石灰中的一种或者复合。
5.如权利要求1所述的一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，其特征在于：所述的原料配比中需控制Fe2O3总含量≤0.3%；TiO2总含量≤0.1%。
6.如权利要求1所述的一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，其特征在于：所述的练泥工艺在捏合机中完成，依次称取高岭土细粉、电熔白刚玉颗粒、电熔白刚玉细粉、二氧化硅微粉，锯末、FS20减水剂、HVPV为增塑剂、水溶液进行机械练泥30min，最后加入纯铝酸钙水泥练泥30min。
7.如权利要求1所述的一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，其特征在于：泥料沿垂直于模具面方向均匀投射填充在整个模具内，投射速度控制为15-30m/S。
8.如权利要求1所述的一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，其特征在于：所述的成型模具为透气透水模具，模具从前、后、左、右、上、下六面均能透气、透水。
9.如权利要求1所述的一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，其特征在于：干燥过程为室温下养护24H；脱模后自然干燥24H；恒温恒湿箱中分别于50℃、80℃、110℃干燥24H；湿度控制为60-80%。
10.如权利要求1所述的一种氢冶金领域用低密高强钙长石质隔热材料的制备方法，其特征在于：热处理温度为1350-1400℃，保温3-6H。
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