CN108178642A - 一种抗水化碱性高温耐火材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗水化碱性高温耐火材料及其制备方法，涉及耐火材料技术领域，包括以下重量份的原料：白云石50‑60份、方镁石15‑30份、钙长石10‑22份、锆英石300目0.2‑0.8份、金属氧化物0.6‑1.2份、稀土元素氧化物0.3‑1.2份、金属铝粉0.2‑0.6份、硅酸钠0.2‑0.6份、碳素0.2‑0.6份、膨胀剂0.2‑0.6份和45wt％碳酸溶液40‑60份；制备方法包括以下步骤：(1)称取原料；(2)研磨；(3)轻水化碳化表面处理；(4)物料混合；(5)制备抗水化碱性高温耐火材料；本发明的碱性高温耐火材料生产工艺简单，在高温环境下的稳定性好、抗碱侵蚀能力强、抗水化性能高、寿命长、生产成本低和节能效率高。

Description

一种抗水化碱性高温耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温耐火材料技术领域，具体涉及一种抗水化碱性高温耐火材料及其制备方法。
背景技术
碱性耐火材料是以氧化镁、氧化钙或二者为主要成分的耐火材料。主要产品有镁质、镁铬质、白云石质及石灰质耐火材料等。其中镁质、白云石、和石灰质属于强碱性耐火材料，镁铬质、铬镁质、镁橄榄石质属于弱碱性耐火材料，特点是耐火度较高，抵抗碱性炉渣能力强，但与酸性炉渣起化学反应，主要用于碱性炼钢炉，有色金属及水泥回转窑等
抗水化性是碱性耐火材料在大气中抵抗水化的能力。它是碱性耐火材料是否烧结良好的重要指标之一。但是现有技术中的碱性耐火材料在烧结时，其中的氧化钙、氧化镁，尤其是氧化钙，在大气中极易吸潮水化，生成氢氧化物，使制品疏松损坏，缩短碱性耐火材料制品的使用时间。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种抗水化碱性高温耐火材料及其制备方法，该高温耐火材料生产工艺简单，在高温环境下的稳定性好、抗碱侵蚀能力强、抗水化性能高、寿命长、生产成本低和节能效率高。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种抗水化碱性高温耐火材料，包括以下重量份的原料：
白云石50-60份、方镁石15-30份、钙长石10-22份、锆英石300目0.2-0.8份、金属氧化物0.6-1.2份、稀土元素氧化物0.3-1.2份、金属铝粉0.2-0.6份、硅酸钠0.2-0.6份、碳素0.2-0.6份、膨胀剂0.2-0.6份和45wt％碳酸溶液40-60份。
优选地，一种抗水化碱性高温耐火材料，包括以下重量份的原料：
包括以下重量份计的原料：白云石58份、方镁石20份、钙长石15份、锆英石300目0.42份、金属氧化物0.9份、稀土元素氧化物0.64份、金属铝粉0.33份、硅酸钠0.45份、碳素0.36份、膨胀剂0.35份和45wt％碳酸溶液55份。
优选地，所述金属氧化物为氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化钛和氧化锌中的一种或几种结合。
优选地，所述稀土元素氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化镨和氧化钕中的一种或几种结合。
优选地，所述碳素为石墨、碳黑和针状焦中的一种或几种结合。
优选地，所述金属氧化物、稀土元素氧化物、金属铝粉、硅酸钠、碳素的纯度≥90％，粒度≤100微米。
优选地，所述膨胀剂为蓝晶石或红柱石。
本发明还公开了一种抗水化碱性高温耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取原料：按照抗水化碱性高温耐火材料的原料重量份数称取各原料；
(2)研磨：先将白云石、方镁石、钙长石和膨胀剂混合，放于400-500摄氏度高温炉中煅烧2-3小时，取出冷却后，送入球磨机内研磨或置入三辊研磨机内研磨，时间1-3小时，即得颗粒大小为200-500目混合物A，备用；
(3)轻水化碳化表面处理：将步骤(2)中制得的混合物A加入到上述重量份的45wt％碳酸溶液中，升温至400-700摄氏度，通过45wt％碳酸溶液高温下水解的二氧化碳和水蒸气的混合气体对混合物A表面进行复合处理，使混合物A表面存在的游离氧化钙与混合气体中的水、二氧化碳反应生成一层致密的碳酸钙防水化薄膜，时间为1-3小时，即得混合物B；
(4)物料混合：向步骤(3)中制得的物料B中依次加入锆英石300目、金属氧化物、稀土元素氧化物、金属铝粉、硅酸钠和碳素，混合均匀，然后转速控制在2000-3500r/min，搅拌时间控制在2-3小时；以喷雾形式加入高速混料机中，搅拌35-50min后出料，密封困料4-10小时后，冷等静压成坯或机压成坯；
(5)制备抗水化碱性高温耐火材料：将步骤(4)中制备的坯体放入干燥室中，在120-200摄氏度下干燥8-12小时，然后将坯体送入电窑中，通入氮气加热到950-1200摄氏度，保温6-10小时，即得抗水化碱性高温耐火材料。
优选地，所述步骤(5)中制得的抗水化碱性高温耐火材料中氧化钙的含量在≥10wt％,氧化镁的含量≤70wt％，氧化铝的含量≤1.2wt％。
本发明具有如下的有益效果：该高温耐火材料生产工艺简单，在高温环境下的稳定性好、抗碱侵蚀能力强、抗水化性能高、寿命长、生产成本低和节能效率高；具体效果如下：
(1)本发明的原料中添加了金属氧化物，金属氧化物加入镁钙砂中，可固溶于方镁石晶体中，另一方面金属氧化物熔化后生成液相，促进氧化钙和氧化镁晶体的长大，白云石存在于方镁石形成的连续网络中，屏蔽了水蒸汽和白云石接触，良好的烧结又减少了水分渗透的通道。
(2)本发明中的原料添加了稀土元素氧化物，稀土元素氧化物的热力学的稳定性与氧化镁和氧化钙相当，少量的稀土氧化物可促进材料的烧结，提高了其抗水化性，并且加入少量的稀土元素能促进氧化镁和氧化钙晶粒的生成发育，降低氧化钙的比表面积，改善了材料的显微结构，增加了材料的抗渣性能。
(3)本发明中的原料添加了金属铝粉，氧化钙与金属铝混合后在氮气下烧成，金属铝能润湿氧化钙表面，利用液相烧结的表观激活，使颗粒重排，增加材料的体积密度，从而增加材料的抗水化性和抗腐蚀性。
(4)本发明的原料中添加了碳素，碳素具有强度高、耐热和耐火的优点，少量的碳素的增加可以提高材料晶粒的硬度及韧性，增加了材料的抗磨性。
(5)本发明的原料中添加了硅酸钠，少量的硅酸钠加入可以使氧化钙结晶长大，形成较稳定的氧化钙晶体，提高了材料的密度，从而减少了氧化钙与水分接触的表面，提高了材料的抗水化性。
(6)本发明中所述膨胀剂为蓝晶石或红柱石，用于补偿耐火材料硬化过程收缩，防止开裂。
(7)本发明中还公开了一种抗水化碱性高温耐火材料的制备方法，该制备方法中通过45wt％碳酸溶液高温下水解的二氧化碳和水蒸气的混合气体对物料表面进行复合处理，使物料表面存在的游离氧化钙与混合气体中的水、二氧化碳反应生成一层致密的碳酸钙防水化薄膜，从而提高了物料的防水性和抗碱侵蚀能力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种抗水化碱性高温耐火材料，包括以下重量份的原料：
白云石50份、方镁石15份、钙长石10份、锆英石300目0.2份、金属氧化物0.6份、稀土元素氧化物0.3份、金属铝粉0.2份、硅酸钠0.2份、碳素0.2份、膨胀剂0.2份和45wt％碳酸溶液40份。
金属氧化物为氧化铁和氧化锌按照质量比1:1组成。
稀土元素氧化物为氧化镧和氧化铈按照质量比3:2组成。
碳素为石墨。
金属氧化物纯度为95％，稀土元素氧化物纯度为98％，金属铝粉纯度为94％，硅酸钠纯度为92％，碳素的纯度为91％，粒度均为50微米。
膨胀剂为蓝晶石。
本实施例中还公开了一种抗水化碱性高温耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取原料：按照抗水化碱性高温耐火材料的原料重量份数称取各原料；
(2)研磨：先将白云石、方镁石、钙长石和膨胀剂混合，放于400摄氏度高温炉中煅烧3小时，取出冷却后，送入球磨机内研磨或置入三辊研磨机内研磨，时间3小时，即得颗粒大小为500目混合物A，备用；
(3)轻水化碳化表面处理：将步骤(2)中制得的混合物A加入到上述重量份的45wt％碳酸溶液中，升温至400摄氏度，通过45wt％碳酸溶液高温下水解的二氧化碳和水蒸气的混合气体对混合物A表面进行复合处理，使混合物A表面存在的游离氧化钙与混合气体中的水、二氧化碳反应生成一层致密的碳酸钙防水化薄膜，时间为1小时，即得混合物B；
(4)物料混合：向步骤(3)中制得的物料B中依次加入锆英石300目、金属氧化物、稀土元素氧化物、金属铝粉、硅酸钠和碳素，混合均匀，然后转速控制在2000r/min，搅拌时间控制在3小时；以喷雾形式加入高速混料机中，搅拌35min后出料，密封困料10小时后，冷等静压成坯或机压成坯；
(5)制备抗水化碱性高温耐火材料：将步骤(4)中制备的坯体放入干燥室中，在120摄氏度下干燥12小时，然后将坯体送入电窑中，通入氮气加热到950摄氏度，保温10小时，即得抗水化碱性高温耐火材料。
步骤(5)中制得的抗水化碱性高温耐火材料中氧化钙的含量为50wt％,氧化镁的含量为30wt％，氧化铝的含量为1.2wt％。
实施例2
一种抗水化碱性高温耐火材料，包括以下重量份的原料：
白云石60份、方镁石30份、钙长石22份、锆英石300目0.8份、金属氧化物1.2份、稀土元素氧化物1.2份、金属铝粉0.6份、硅酸钠0.6份、碳素0.6份、膨胀剂0.6份和45wt％碳酸溶液60份。
金属氧化物为氧化镁和氧化锌按照质量比1:1组成。
稀土元素氧化物为氧化铈、氧化镨和氧化钕按照质量比1:2:2组成。
碳素为针状焦中。
金属氧化物、稀土元素氧化物、金属铝粉、硅酸钠、碳素的纯度均大于≥90％，粒度均为100微米。
膨胀剂为红柱石。
本实施例中还公开了一种抗水化碱性高温耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取原料：按照抗水化碱性高温耐火材料的原料重量份数称取各原料；
(2)研磨：先将白云石、方镁石、钙长石和膨胀剂混合，放于500摄氏度高温炉中煅烧2小时，取出冷却后，送入球磨机内研磨或置入三辊研磨机内研磨，时间1小时，即得颗粒大小为200目混合物A，备用；
(3)轻水化碳化表面处理：将步骤(2)中制得的混合物A加入到上述重量份的45wt％碳酸溶液中，升温至700摄氏度，通过45wt％碳酸溶液高温下水解的二氧化碳和水蒸气的混合气体对混合物A表面进行复合处理，使混合物A表面存在的游离氧化钙与混合气体中的水、二氧化碳反应生成一层致密的碳酸钙防水化薄膜，时间为3小时，即得混合物B；
(4)物料混合：向步骤(3)中制得的物料B中依次加入锆英石300目、金属氧化物、稀土元素氧化物、金属铝粉、硅酸钠和碳素，混合均匀，然后转速控制在3500r/min，搅拌时间控制在2小时；以喷雾形式加入高速混料机中，搅拌50min后出料，密封困料4小时后，冷等静压成坯或机压成坯；
(5)制备抗水化碱性高温耐火材料：将步骤(4)中制备的坯体放入干燥室中，在200摄氏度下干燥8小时，然后将坯体送入电窑中，通入氮气加热到1200摄氏度，保温6小时，即得抗水化碱性高温耐火材料。
步骤(5)中制得的抗水化碱性高温耐火材料中氧化钙的含量为40wt％,氧化镁的含量为20wt％，氧化铝的含量为0.8wt％。
实施例3
一种抗水化碱性高温耐火材料，包括以下重量份的原料：
白云石45份、方镁石20份、钙长石18份、锆英石300目0.6份、金属氧化物1.1份、稀土元素氧化物0.9份、金属铝粉0.4份、硅酸钠0.35份、碳素0.48份、膨胀剂0.5份和45wt％碳酸溶液48份。
金属氧化物为氧化铁、氧化钙和氧化锌按照质量比1:1:2组成。
稀土元素氧化物为氧化镧。
碳素为石墨和碳黑按照质量比3:4组成。
金属氧化物、稀土元素氧化物、金属铝粉、硅酸钠、碳素的纯度均≥90％，粒度均≤100微米。
膨胀剂为红柱石。
本实施例中还公开了一种抗水化碱性高温耐火材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取原料：按照抗水化碱性高温耐火材料的原料重量份数称取各原料；
(2)研磨：先将白云石、方镁石、钙长石和膨胀剂混合，放于400-500摄氏度高温炉中煅烧2-3小时，取出冷却后，送入球磨机内研磨或置入三辊研磨机内研磨，时间1-3小时，即得颗粒大小为200-500目混合物A，备用；
(3)轻水化碳化表面处理：将步骤(2)中制得的混合物A加入到上述重量份的45wt％碳酸溶液中，升温至600摄氏度，通过45wt％碳酸溶液高温下水解的二氧化碳和水蒸气的混合气体对混合物A表面进行复合处理，使混合物A表面存在的游离氧化钙与混合气体中的水、二氧化碳反应生成一层致密的碳酸钙防水化薄膜，时间为2.5小时，即得混合物B；
(4)物料混合：向步骤(3)中制得的物料B中依次加入锆英石300目、金属氧化物、稀土元素氧化物、金属铝粉、硅酸钠和碳素，混合均匀，然后转速控制在3000r/min，搅拌时间控制在2.6小时；以喷雾形式加入高速混料机中，搅拌45min后出料，密封困料8小时后，冷等静压成坯或机压成坯；
(5)制备抗水化碱性高温耐火材料：将步骤(4)中制备的坯体放入干燥室中，在150摄氏度下干燥10小时，然后将坯体送入电窑中，通入氮气加热到1150摄氏度，保温8小时，即得抗水化碱性高温耐火材料。
步骤(5)中制得的抗水化碱性高温耐火材料中氧化钙的含量在为60wt％,氧化镁的含量为50wt％，氧化铝的含量为0.8wt％。
对比实施例
对实施例1-3中制得的抗水化碱性高温耐火材料进行性能测试，结果记录在下表1：
表1
产品测试指标 实施例1 实施例2 实施例3
气孔率％ 65 70 68
体积密度g/cm3 12 8 11
强度MPa 85 83 89
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述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。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)

1.一种抗水化碱性高温耐火材料，其特征在于，包括以下按重量份计的原料：白云石50-60份、方镁石15-30份、钙长石10-22份、锆英石300目0.2-0.8份、金属氧化物0.6-1.2份、稀土元素氧化物0.3-1.2份、金属铝粉0.2-0.6份、硅酸钠0.2-0.6份、碳素0.2-0.6份、膨胀剂0.2-0.6份和45wt％碳酸溶液40-60份。
2.根据权利要求1所述的抗水化碱性高温耐火材料，其特征在于，包括以下重量份计的原料：白云石58份、方镁石20份、钙长石15份、锆英石300目0.42份、金属氧化物0.9份、稀土元素氧化物0.64份、金属铝粉0.33份、硅酸钠0.45份、碳素0.36份、膨胀剂0.35份和45wt％碳酸溶液55份。
3.根据权利要求1所述的抗水化碱性高温耐火材料，其特征在于，所述金属氧化物为氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化钛和氧化锌中的一种或几种结合。
4.根据权利要求1所述的抗水化碱性高温耐火材料，其特征在于，所述稀土元素氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化镨和氧化钕中的一种或几种结合。
5.根据权利要求1所述的抗水化碱性高温耐火材料，其特征在于，所述碳素为石墨、碳黑和针状焦中的一种或几种结合。
6.根据权利要求1所述的抗水化碱性高温耐火材料，其特征在于，所述金属氧化物、稀土元素氧化物、金属铝粉、硅酸钠、碳素的纯度≥90％，粒度≤100微米。
7.根据权利要求1所述的抗水化碱性高温耐火材料，其特征在于，所述膨胀剂为蓝晶石或红柱石。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的抗水化碱性高温耐火材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取原料：按照抗水化碱性高温耐火材料的原料重量份数称取各原料；
(2)研磨：先将白云石、方镁石、钙长石和膨胀剂混合，放于400-500摄氏度高温炉中煅烧2-3小时，取出冷却后，送入球磨机内研磨或置入三辊研磨机内研磨，时间1-3小时，研磨至颗粒大小为200-500目，即得混合物A，备用；
(3)轻水化碳化表面处理：将步骤(2)中制得的混合物A加入到上述重量份的45wt％碳酸溶液中，升温至400-700摄氏度，通过45wt％碳酸溶液高温下水解的二氧化碳和水蒸气的混合气体对混合物A表面进行复合处理，使混合物A表面存在的游离氧化钙与混合气体中的水、二氧化碳反应生成一层致密的碳酸钙防水化薄膜，时间为1-3小时，即得混合物B；
(4)物料混合：向步骤(3)中制得的物料B中依次加入锆英石300目、金属氧化物、稀土元素氧化物、金属铝粉、硅酸钠和碳素，混合均匀，然后转速控制在2000-3500r/min，搅拌时间控制在2-3小时；以喷雾形式加入高速混料机中，搅拌35-50min后出料，密封困料4-10小时后，冷等静压成坯或机压成坯；
(5)制备抗水化碱性高温耐火材料：将步骤(4)中制备的坯体放入干燥室中，在120-200摄氏度下干燥8-12小时，然后将坯体送入电窑中，通入氮气加热到950-1200摄氏度，保温6-10小时，即得抗水化碱性高温耐火材料。
9.根据权利要求8所述的抗水化碱性高温耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中制得的抗水化碱性高温耐火材料中氧化钙的含量在≥10wt％,氧化镁的含量≤70wt％，氧化铝的含量≤1.2wt％。
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