CN104529488A - 一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖及其制备方法，按重量份数计，其原料组成为：莫来石轻质骨料50-55份、α-AL₂O₃微粉8-10份、电熔莫来石粉12-15份、滑石粉18-22份、高岭土粉5-8份、纳米SiO₂粉2-2.5份以及重量为上述组分总重0.5-1％的结合剂，配方制得的成品中含有纳米复合堇青石-莫来石共同晶相成分，可有效解决隔热耐火砖抗震性能差、使用寿命短的问题，成品抗热震性能好，耐高温性能稳定，抗高温蠕变，在使用中有效防止掉砖、碎裂，使用寿命长，生产效率高，避免因停炉维修给企业造成的极大经济损失。

Description

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及新型耐火材料技术领域，具体的说是一种长期热冲击侵蚀、高温工业炉衬用的抗热震隔热耐火砖。

背景技术

目前，高温工业窑炉日益追求大型化、长寿命和节能环保技术。而陶瓷辊道窑冷却带（前端）炉顶、高温隧道窑窑车等这些工业炉炉衬特殊部位因长期承受热冲击侵蚀及温度急剧变化，不仅需要良好的隔热性能，而且需要良好的抗急冷急热的热震稳定性能。显然国内现有的轻质粘土砖或轻质高铝砖无法满足技术需求。虽然现有技术中已经出现有抗热震型的耐火砖出现，但其由于自身配料的一些缺陷，造成产品的抗热震稳定性未及最优。

发明内容

本发明的目的是，研制一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖，解决隔热耐火砖抗震性能差、使用寿命短的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖，按重量份数计，其原料组成为：莫来石轻质骨料50-55份、α-AL₂O₃微粉8-10份、电熔莫来石粉12-15份、滑石粉18-22份、高岭土粉5-8份、纳米SiO₂粉2-2.5份以及重量为上述组分总重0.5-1％的结合剂；

所述的莫来石轻质骨料是由AL₂O₃、SiO₂、TiO₂、Fe₂O₃和水混合后烧制而成的粒径为0.5-3.0mm的球状颗粒，且其自然堆积容重为0.6-0.7g/cm³，其中各组分的质量百分含量为AL₂O₃ 50-53％、SiO₂ 42-46％、TiO₂1-1.5％、Fe₂O₃0.8-1.0％。

所述α-AL₂O₃ 微粉的化学成分中：AL₂O₃≥99％，SiO₂≤0.25％，Fe₂O₃≤0.05％，且其粒径≤325目，所述电熔莫来石粉的化学成分中：AL₂O₃≥71％，SiO₂20-22％，Fe₂O₃≤0.5％，R₂O≤0.3％，且其粒径≤220目；所述滑石粉的化学成分中：SiO₂≥61％，MgO≥31％，AL₂O₃≤1.0％，R₂O≤0.4％，Fe₂O₃≤0.3％，且其粒径≤220目；所述高岭土粉的化学成分中：AL₂O₃42-48％, SiO₂44-50％, Fe₂O₃≤0.6％, TiO₂≤1％, R₂O≤0.8％，且其粒径≤260目；所述纳米SiO₂粉的化学成分中：SiO₂≥99.95％，且其粒径≤60 nm，比表面积为650-680㎡/g，自然堆积密度＜0.12 g/cm³，羟基含量≥30％。

所述结合剂为聚乙烯醇。

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖的制备方法，包括以下步骤：

（1）、按所述重量份数取莫来石轻质骨料、α-AL₂O₃ 微粉、电熔莫来石粉、滑石粉、高岭土粉和纳米SiO₂粉，在搅拌混合过程中，向其中加入结合剂和3-4份水，充分搅拌均匀后，备用；

（2）、把搅拌好的物料进行振动成型；

（3）、将成型后的砖坯送入隧道式干燥器中，在40-120℃条件下匀速烘干；

（4）、将烘干的砖坯送入1550±10℃的高温隧道窑中烧制，自然降温后即得成品。

有益效果：

本发明的一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖，含有纳米复合堇青石-莫来石共同晶相成分，可有效解决隔热耐火砖抗震性能差、使用寿命短的问题，成品抗热震性能好，耐高温性能稳定，抗高温蠕变，在使用中有效防止掉砖、碎裂，使用寿命长，生产效率高，避免因停炉维修给企业造成的极大经济损失。

具体实施方式

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖，按重量份数计，其原料组成为：莫来石轻质骨料50-55份、α-AL₂O₃微粉8-10份、电熔莫来石粉12-15份、滑石粉18-22份、高岭土粉5-8份、纳米SiO₂粉2-2.5份以及重量为上述组分总重0.5-1％的结合剂；

所述的莫来石轻质骨料是由AL₂O₃、SiO₂、TiO₂、Fe₂O₃和水混合后烧制而成的粒径为0.5-3.0mm的球状颗粒，且其自然堆积容重为0.6-0.7g/cm³，其中各组分的质量百分含量为AL₂O₃ 50-53％、SiO₂ 42-46％、TiO₂1-1.5％、Fe₂O₃0.8-1.0％。

所述α-AL₂O₃ 微粉的化学成分中：AL₂O₃≥99％，SiO₂≤0.25％，Fe₂O₃≤0.05％，且其粒径≤325目，所述电熔莫来石粉的化学成分中：AL₂O₃≥71％，SiO₂20-22％，Fe₂O₃≤0.5％，R₂O≤0.3％，且其粒径≤220目；所述滑石粉的化学成分中：SiO₂≥61％，MgO≥31％，AL₂O₃≤1.0％，R₂O≤0.4％，Fe₂O₃≤0.3％，且其粒径≤220目；所述高岭土粉的化学成分中：AL₂O₃42-48％, SiO₂44-50％, Fe₂O₃≤0.6％, TiO₂≤1％, R₂O≤0.8％，且其粒径≤260目；所述纳米SiO₂粉的化学成分中：SiO₂≥99.95％，且其粒径≤60 nm，比表面积为650-680㎡/g，自然堆积密度＜0.12 g/cm³，羟基含量≥30％。

所述结合剂为聚乙烯醇，其平均聚合度DP1700-1800；酸值：≤3.0％；粘度：21-26map.s；碱化度：86-89；细度200目。

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖的制备方法，包括以下步骤：

（1）、按所述重量份数取莫来石轻质骨料、α-AL₂O₃ 微粉、电熔莫来石粉、滑石粉、高岭土粉，然后向其中加入纳米SiO₂粉，把配比好的原材料投入卧式搅拌机搅拌，搅拌过程中加入3-4份水和结合剂，充分搅拌均匀后，备用；

（2）、把搅拌好的物料通过160T数控振动成型机进行成型；

（3）、将成型后的砖坯送入隧道式干燥器中，在40-120℃条件下匀速烘干；

（4）、将烘干的砖坯成柱装在窑车上送入1550±10℃的智能高温隧道窑中烧制，自然降温后即得成品。

本发明采用自主创新的技术路线、科学的颗粒级配和优化的原料配位，制备了一种含有纳米复合堇青石-莫来石的高强抗热震型轻质隔热耐火砖。该技术具有两个技术关键点：1、是充分利用堇青石晶相热膨胀系数小和莫来石晶相耐高温性能稳定，晶相组成趋优特性，科学控制其晶相组成。堇青石（2MgO·2AL₂O₃·5SiO₂）：莫来石（3AL₂O₃·2SiO₂）=3：7，促使其热震稳定性达到最优。2、是引入纳米技术，微量加入纳米SiO₂，进一步提高产品的韧性，改善耐高温性能，以提高其热震稳定性和抗高温蠕变性。

本发明技术创新点在于产品烧制成型后的成品中为堇青石-莫来石共同晶相组成，减少伴生玻璃晶相和方石英晶相。堇青石具有热膨胀系数小、热震稳定性好、但耐高温性能偏低的特性，而莫来石具有耐高温性能优、耐压抗折强度大、但热膨胀系数大的特性。如何使二晶相优势互补共生存在，研究表明当晶相组成为：堇青石（2MgO·2AL₂O₃·5SiO₂）：莫来石（3AL₂O₃·2SiO₂）=3：7时，产品性能综合最优。以常规的高岭土矿为研究对象，针对其矿物特性，选用高岭土、α-AL₂O₃ 微粉、滑石、轻质莫来石骨料、电熔莫来石粉基本工艺配比，以晶相组成3份堇青石和7份莫来石为技术标准科学配比。试验证明，产品在高温煅烧过程中由于矿物杂质的影响，或多或少伴生有玻璃相及游离方石英晶相，不但降低了产品的耐高温性能，而且热膨胀系数明显增加，故适量加入纳米SiO₂对产品性能显著提高。纳米SiO₂粒径小（60nm）表面能高，表面原子配位不足，具有高活性、强吸附配位特性，很容易与其它原子结合反应。纳米SiO₂作为微量添加剂引入，改善了产品的烧结性和显微结构，从而强烈影响产品的力学性能。纳米SiO₂粉分布于骨料颗粒间或颗粒内，使晶粒、晶格发生畸变，促进烧结。同时，晶粒内形成很多次界面，在产品受热应力作用时，可引起裂纹偏续或裂纹被钉孔，提高产品的断裂强度和韧性，改善耐高温性能，提高抗热震性和高温蠕变性。试验表明，适量加入纳米SiO₂粉（1-2％），可大幅提高产品的力学性能，其耐压强度与未加入纳米SiO₂相比增加1.5倍，热震稳定性增加2.2倍（产品试验数据为1100℃空冷达≥80次）。同时，为了确保堇青石-莫来石晶体发育完全，需粉料经球磨机共磨，细度超微，防止高岭土、滑石中R₂O、Fe₂O₃杂质影响，需拣选分级，深加工，高梯度磁选机除去杂质，抑制硅玻璃相形成。

实施例1

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖，按重量份数计，其原料组成为：莫来石轻质骨料50份、α-AL₂O₃微粉8份、电熔莫来石粉12份、滑石粉18份、高岭土粉5份、纳米SiO₂粉2份以及重量为上述组分总重0.5％的聚乙烯醇；

所述的莫来石轻质骨料是由AL₂O₃、SiO₂、TiO₂、Fe₂O₃和水混合后烧制而成的粒径为0.5mm的球状颗粒，且其自然堆积容重为0.6g/cm³，其中各组分的质量百分含量为AL₂O₃ 50％、SiO₂ 42％、TiO₂1％、Fe₂O₃0.8％。

所述α-AL₂O₃ 微粉的化学成分中：AL₂O₃≥99％，SiO₂≤0.25％，Fe₂O₃≤0.05％，且其粒径≤325目，所述电熔莫来石粉的化学成分中：AL₂O₃≥71％，SiO₂20-22％，Fe₂O₃≤0.5％，R₂O≤0.3％，且其粒径≤220目；所述滑石粉的化学成分中：SiO₂≥61％，MgO≥31％，AL₂O₃≤1.0％，R₂O≤0.4％，Fe₂O₃≤0.3％，且其粒径≤220目；所述高岭土粉的化学成分中：AL₂O₃42-48％, SiO₂44-50％, Fe₂O₃≤0.6％, TiO₂≤1％, R₂O≤0.8％，且其粒径≤260目；所述纳米SiO₂粉的化学成分中：SiO₂≥99.95％，且其粒径≤60 nm，比表面积为650-680㎡/g，自然堆积密度＜0.12 g/cm³，羟基含量≥30％。

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖的制备方法，包括以下步骤：

（1）、按所述重量份数取莫来石轻质骨料、α-AL₂O₃ 微粉、电熔莫来石粉、滑石粉、高岭土粉和纳米SiO₂粉，在搅拌混合过程中，向其中加入结合剂和3份水，充分搅拌均匀后，备用；

（2）、把搅拌好的物料进行振动成型；

（3）、将成型后的砖坯送入隧道式干燥器中，在40℃条件下匀速烘干；

（4）、将烘干的砖坯送入1540℃的高温隧道窑中烧制，自然降温后即得成品。

实施例2

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖，按重量份数计，其原料组成为：莫来石轻质骨料53份、α-AL₂O₃微粉9份、电熔莫来石粉13份、滑石粉20份、高岭土粉7份、纳米SiO₂粉2.2份以及重量为上述组分总重0.8％的聚乙烯醇；

所述的莫来石轻质骨料是由AL₂O₃、SiO₂、TiO₂、Fe₂O₃和水混合后烧制而成的粒径为2.1mm的球状颗粒，且其自然堆积容重为0.6-0.7g/cm³，其中各组分的质量百分含量为AL₂O₃ 50-53％、SiO₂ 42-46％、TiO₂1-1.5％、Fe₂O₃0.8-1.0％。

所述α-AL₂O₃ 微粉的化学成分中：AL₂O₃≥99％，SiO₂≤0.25％，Fe₂O₃≤0.05％，且其粒径≤325目，所述电熔莫来石粉的化学成分中：AL₂O₃≥71％，SiO₂20-22％，Fe₂O₃≤0.5％，R₂O≤0.3％，且其粒径≤220目；所述滑石粉的化学成分中：SiO₂≥61％，MgO≥31％，AL₂O₃≤1.0％，R₂O≤0.4％，Fe₂O₃≤0.3％，且其粒径≤220目；所述高岭土粉的化学成分中：AL₂O₃42-48％, SiO₂44-50％, Fe₂O₃≤0.6％, TiO₂≤1％, R₂O≤0.8％，且其粒径≤260目；所述纳米SiO₂粉的化学成分中：SiO₂≥99.95％，且其粒径≤60 nm，比表面积为650-680㎡/g，自然堆积密度＜0.12 g/cm³，羟基含量≥30％。

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖的制备方法，包括以下步骤：

（1）、按所述重量份数取莫来石轻质骨料、α-AL₂O₃ 微粉、电熔莫来石粉、滑石粉、高岭土粉和纳米SiO₂粉，在搅拌混合过程中，向其中加入结合剂和3.5份水，充分搅拌均匀后，备用；

（2）、把搅拌好的物料进行振动成型；

（3）、将成型后的砖坯送入隧道式干燥器中，在90℃条件下匀速烘干；

（4）、将烘干的砖坯送入1550℃的高温隧道窑中烧制，自然降温后即得成品。

实施例3

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖，按重量份数计，其原料组成为：莫来石轻质骨料55份、α-AL₂O₃微粉10份、电熔莫来石粉15份、滑石粉22份、高岭土粉8份、纳米SiO₂粉2.5份以及重量为上述组分总重1％的聚乙烯醇；

所述的莫来石轻质骨料是由AL₂O₃、SiO₂、TiO₂、Fe₂O₃和水混合后烧制而成的粒径为3.0mm的球状颗粒，且其自然堆积容重为0.6-0.7g/cm³，其中各组分的质量百分含量为AL₂O₃ 50-53％、SiO₂ 42-46％、TiO₂1-1.5％、Fe₂O₃0.8-1.0％。

所述α-AL₂O₃ 微粉的化学成分中：AL₂O₃≥99％，SiO₂≤0.25％，Fe₂O₃≤0.05％，且其粒径≤325目，所述电熔莫来石粉的化学成分中：AL₂O₃≥71％，SiO₂20-22％，Fe₂O₃≤0.5％，R₂O≤0.3％，且其粒径≤220目；所述滑石粉的化学成分中：SiO₂≥61％，MgO≥31％，AL₂O₃≤1.0％，R₂O≤0.4％，Fe₂O₃≤0.3％，且其粒径≤220目；所述高岭土粉的化学成分中：AL₂O₃42-48％, SiO₂44-50％, Fe₂O₃≤0.6％, TiO₂≤1％, R₂O≤0.8％，且其粒径≤260目；所述纳米SiO₂粉的化学成分中：SiO₂≥99.95％，且其粒径≤60 nm，比表面积为650-680㎡/g，自然堆积密度＜0.12 g/cm³，羟基含量≥30％。

一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖的制备方法，包括以下步骤：

（1）、按所述重量份数取莫来石轻质骨料、α-AL₂O₃ 微粉、电熔莫来石粉、滑石粉、高岭土粉和纳米SiO₂粉，在搅拌混合过程中，向其中加入结合剂和4份水，充分搅拌均匀后，备用；

（2）、把搅拌好的物料进行振动成型；

（3）、将成型后的砖坯送入隧道式干燥器中，在40-120℃条件下匀速烘干；

（4）、将烘干的砖坯送入1550±10℃的高温隧道窑中烧制，自然降温后即得成品。

对本发明所制得的纳米复合堇青石-莫来石高强抗热震型轻质隔热耐火砖进行性能参数测定，其测定结果为：体积密度g/cm³≤1.2；导热系数（350±25℃）≤0.38W/m.k；线变化率1400℃×12h(％) ≤0.5；耐压强度MPa≥10；热震稳定性1100℃空冷（次）≥80；AL₂O₃(%)≥60；Fe₂O₃(%)≤1.0，MgO(%)≥2.8。

Claims (4)

1.一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖，其特征在于：按重量份数计，其原料组成为：莫来石轻质骨料50-55份、α-AL₂O₃微粉8-10份、电熔莫来石粉12-15份、滑石粉18-22份、高岭土粉5-8份、纳米SiO₂粉2-2.5份以及重量为上述组分总重0.5-1％的结合剂和18-20%的水；

所述的莫来石轻质骨料是由AL₂O₃、SiO₂、TiO₂、Fe₂O₃和水混合后烧制而成的粒径为0.5-3.0mm的球状颗粒，且其自然堆积容重为0.6-0.7g/cm³，其中各组分的质量百分含量为AL₂O₃ 50-53％、SiO₂ 42-46％、TiO₂1-1.5％、Fe₂O₃0.8-1.0％。

2.如权利要求1所述的一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖，其特征在于：所述α-AL₂O₃ 微粉的化学成分中：按照重量百分比，AL₂O₃≥99％，SiO₂≤0.25％，Fe₂O₃≤0.05％，且其粒径≤325目，所述电熔莫来石粉的化学成分中：按照重量百分比，AL₂O₃≥71％，SiO₂20-22％，Fe₂O₃≤0.5％，R₂O≤0.3％，且其粒径≤220目；所述滑石粉的化学成分中：按照重量百分比，SiO₂≥61％，MgO≥31％，AL₂O₃≤1.0％，R₂O≤0.4％，Fe₂O₃≤0.3％，且其粒径≤220目；所述高岭土粉的化学成分中：按照重量百分比，AL₂O₃42-48％, SiO₂44-50％, Fe₂O₃≤0.6％, TiO₂≤1％, R₂O≤0.8％，且其粒径≤260目；所述纳米SiO₂粉的化学成分中：按照重量百分比，SiO₂≥99.95％，且其粒径≤60 nm，比表面积为650-680㎡/g，自然堆积密度＜0.12 g/ cm³，羟基含量≥30％。

3.如权利要求1所述的一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖，其特征在于：所述结合剂为聚乙烯醇。

4.如权利要求1所述的一种高强抗热震型轻质隔热耐火砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、按所述重量份数取莫来石轻质骨料、α-AL₂O₃ 微粉、电熔莫来石粉、滑石粉、高岭土粉和纳米SiO₂粉，在搅拌混合过程中，向其中加入结合剂和水，充分搅拌均匀后，备用；

（2）、把搅拌好的物料进行振动成型；

（3）、将成型后的砖坯送入隧道式干燥器中，在40-120℃条件下匀速烘干；

（4）、将烘干的砖坯送入1550±10℃的高温隧道窑中烧制，自然降温后即得成品。