CN108706983A - 一种高强度耐火材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强度耐火材料及其制备方法，由以下成分制备而成：基料、耐火基材、氧化铝、部分稳定氧化锆、碳化锆颗粒、丙烯酸胺、亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、有机结合剂、催化剂和有机溶剂。本发明制备的耐火材料还具有较高的断裂韧性，能够延长耐火材料的使用寿命，同时也能增强耐火材料的使用可靠性，并且本发明的制备方法简单、高效，容易在现有设备上进行大规模的生产。

Description

一种高强度耐火材料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种高强度耐火材料及其制备方法。
背景技术
在传统意义上，耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料，它是为高温技术服务的基础材料，是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及工业高温容器和部件的材料，并且能够承受相应的物理化学变化及机械作用。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云石）为原料制造的，采用某些工业原料和人工合成原料（如工业氧化铝、碳化硅、合成莫来石、合成尖晶石等）也日益增多，因此，耐火材料的种类很多。耐火材料按照矿物组成可以分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料；按照制造方法可以分为天然矿石和人造制品；按其方式可分为块状制品和不定形耐火材料；按照热处理方式可分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品；按照耐火度可分为普通、高级和特级耐火制品；按照化学性质可分为酸性、中性及碱性耐火材料；按照其密度可分为轻质及重质耐火材料；按照其制品的形状和尺寸可分为标准砖、异形砖、特异形砖、管和耐火器皿；还可以按其应用分为高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑用耐火材料等。
无机非金属材料的机械韧性较差是无机非金属和材料中普遍存在的一个问题，作为同属无机非金属材料的耐火材料，其机械韧性也较差，虽然在使用过程中耐火材料几乎不需要进行移动，但是其较差的机械韧性也影响到了其高温时候的抗热震性能，在急冷急热和使用的间隙由于较大的温差耐火材料极易在热胀冷缩作用下发生开裂、剥落等影响耐火材料完整性的情况，降低了耐火材料的使用寿命；同时对于那些需要经常进行移动的耐火材料制品，其较差的机械韧性则会大大增加耐火制品的损坏率，影响其日常使用。
申请号为CN201610172527.1，公开了一种方镁石-尖晶石轻量耐火材料及其制备方法，采用氧化镁碳热还原输运氧化法制得了不同密度梯度的轻量方镁石-尖晶石耐火材料，制备过程需严格的气氛条件，制备的材料表面致密、内部疏松，一旦表面致密层损毁而内部疏松的多孔结构与侵蚀介质接触，材料将会受到严重侵蚀，难以用于使用替代燃料的水泥回转窑中。申请号为CN201410059476.2，公开了一种水泥回转窑用轻量化方镁石-镁铝尖晶石耐火材料及其制备方法，以多孔方镁石-尖晶石骨料替代致密镁砂骨料，制得的轻量化方镁石-镁铝尖晶石耐火材料尽管热震稳定性较好和强度较高，但气孔孔径较大、透气度高、抗盐碱及重金属氧化物侵蚀能力差，难以用于使用替代燃料的水泥回转窑。
综上所述，因此需要一种更好的耐火材料，来改善现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度耐火材料及其制备方法，本发明制备的耐火材料还具有较高的断裂韧性，能够延长耐火材料的使用寿命，同时也能增强耐火材料的使用可靠性，并且本发明的制备方法简单、高效，容易在现有设备上进行大规模的生产。
本发明提供了如下的技术方案：
一种高强度耐火材料，包括以下重量份的原料：基料8-13份、耐火基材7-12份、氧化铝4-9份、部分稳定氧化锆8-13份、碳化锆颗粒6-13份、丙烯酸胺10-15份、亚甲基双丙烯酰胺8-13份、过硫酸铵7-12份、有机结合剂4-9份、催化剂3-6份和有机溶剂5-10份。
优选的，所述耐火材料包括以下重量份的原料：基料9-13份、耐火基材10-12份、氧化铝7-9份、部分稳定氧化锆8-12份、碳化锆颗粒8-13份、丙烯酸胺10-14份、亚甲基双丙烯酰胺11-13份、过硫酸铵7-10份、有机结合剂7-9份、催化剂3-5份和有机溶剂6-10份。
优选的，所述耐火材料包括以下重量份的原料：基料12份、耐火基材11份、氧化铝8份、部分稳定氧化锆11份、碳化锆颗粒12份、丙烯酸胺13份、亚甲基双丙烯酰胺12份、过硫酸铵8份、有机结合剂8份、催化剂4份和有机溶剂9份。
一种高强度耐火材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将基料、耐火基材和氧化铝混合导入球磨罐中球磨2.2-2.9h，再加入有机溶剂，搅拌均匀，得到材料一；
b、将部分稳定氧化锆、碳化锆颗粒、丙烯酸胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵混合，导入高混机中，在800-900r/min的转速下搅拌33-35min，再采用超声振荡25-29min，分散均匀后，得到材料二；
c、向材料一中加入催化剂、有机结合剂，在72-76℃下搅拌溶解8-12min，再将材料二导入，在84-88℃下加热并搅拌42-45min，得到材料三；
d、将材料三置于65-68℃的恒温干燥箱中，干燥10-14min后，粉碎至过300-500目筛，再进行二次干燥处理，之后进行冷却、压制成型，即可得到成品。
优选的，所述步骤a的基料的制备方法为：将赤泥、黏土送入烧结炉中，先升温至160℃，保温35min，再升温至620℃，保温12min，再升温至810℃，保温烧结1.2h，得到基料。
优选的，所述步骤a的耐火基材的制备方法为：将氧化镁粉体、氧化铝粉、二氧化锰粉、金属锰粉和添加剂混合加入到混炼机内，混合均匀后，装入模具中压制成型，再置于160-175℃下干燥1.2-1.4h，干燥后，再于680-720℃下进行烧结1.1-1.5h，即可得到耐火基材。
优选的，所述氧化镁粉体的制备方法为：将菱镁矿细粉置于480℃下烧制2.4h，再升温至670℃，保温烧制3h，冷却后，即可得到氧化镁粉体。
优选的，所述步骤a的有机溶剂为二氯乙烷、二甲苯、四氢呋喃和正己烷按质量比1:2:1:2混合而成。
优选的，所述步骤b的部分稳定氧化锆为氧化钙稳定氧化锆、氧化镁稳定氧化锆和氧化钇稳定氧化锆按质量比3:2:1混合而成。
优选的，所述步骤c的有机结合剂为淀粉、木质素磺酸钙和甲基纤维素按质量比5:3:4混合而成。
本发明的有益效果是：
本发明制备的耐火材料还具有较高的断裂韧性，能够延长耐火材料的使用寿命，同时也能增强耐火材料的使用可靠性，并且本发明的制备方法简单、高效，容易在现有设备上进行大规模的生产。
本发明制备的耐火材料与传统的耐火材料相比，气孔更低，体密更高，拥有更小的膨胀率和重烧线变化，稳定性更好，热震性能更优越，耐磨性更好。
本发明耐火基材中的氧化镁粉体，采用的菱镁矿在高温下分解产生纳米级气孔，利用其在高温时表面扩散和蒸发-凝聚的物质传输过程使氧化镁微晶之间产生颈部链接，限制烧结中后期的颗粒重排，从而可以得到了高孔隙率的氧化镁粉体，提高制备的耐火材料的强度、耐候性和热震稳定性。
本发明中的部分稳定氧化锆，能够较好的包覆在碳化锆表面，因为引入的部分稳定氧化锆的料度较碳化锆的粒度细，表面积大，通过控制两者之间的比例，保证了部分稳定氧化锆均匀分散并包裹碳化锆颗粒，使得制备的耐火材料在高温下能够自身烧结，形成氧化锆结合网络，抗冲刷能力强，同时其氧化后体积有一定的膨胀，避免了烧结引起了较大的体积收缩。
本发明中的有机结合剂为淀粉、木质素磺酸钙和甲基纤维素的配比，在该比例下，其粘结性能更为优异，相较于传统的粘结剂，以上两者的混合，为具有耐高温特性的有机高分子化合物，相较于传统的聚乙烯醇粘结剂，其具有相对更高的熔点、更高的分解温度。
具体实施方式
实施例1
一种高强度耐火材料，包括以下重量份的原料：基料13份、耐火基材7份、氧化铝9份、部分稳定氧化锆8份、碳化锆颗粒6份、丙烯酸胺10份、亚甲基双丙烯酰胺8份、过硫酸铵12份、有机结合剂9份、催化剂6份和有机溶剂5份。
一种高强度耐火材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将基料、耐火基材和氧化铝混合导入球磨罐中球磨2.2h，再加入有机溶剂，搅拌均匀，得到材料一；
b、将部分稳定氧化锆、碳化锆颗粒、丙烯酸胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵混合，导入高混机中，在800r/min的转速下搅拌35min，再采用超声振荡29min，分散均匀后，得到材料二；
c、向材料一中加入催化剂、有机结合剂，在72℃下搅拌溶解12min，再将材料二导入，在84℃下加热并搅拌45min，得到材料三；
d、将材料三置于68℃的恒温干燥箱中，干燥10min后，粉碎至过500目筛，再进行二次干燥处理，之后进行冷却、压制成型，即可得到成品。
步骤a的基料的制备方法为：将赤泥、黏土送入烧结炉中，先升温至160℃，保温35min，再升温至620℃，保温12min，再升温至810℃，保温烧结1.2h，得到基料。
步骤a的耐火基材的制备方法为：将氧化镁粉体、氧化铝粉、二氧化锰粉、金属锰粉和添加剂混合加入到混炼机内，混合均匀后，装入模具中压制成型，再置于175℃下干燥1.4h，干燥后，再于680℃下进行烧结1.1h，即可得到耐火基材。
氧化镁粉体的制备方法为：将菱镁矿细粉置于480℃下烧制2.4h，再升温至670℃，保温烧制3h，冷却后，即可得到氧化镁粉体。
步骤a的有机溶剂为二氯乙烷、二甲苯、四氢呋喃和正己烷按质量比1:2:1:2混合而成。
步骤b的部分稳定氧化锆为氧化钙稳定氧化锆、氧化镁稳定氧化锆和氧化钇稳定氧化锆按质量比3:2:1混合而成。
步骤c的有机结合剂为淀粉、木质素磺酸钙和甲基纤维素按质量比5:3:4混合而成。
实施例2
一种高强度耐火材料，包括以下重量份的原料：基料9份、耐火基材10份、氧化铝9份、部分稳定氧化锆8份、碳化锆颗粒13份、丙烯酸胺14份、亚甲基双丙烯酰胺11份、过硫酸铵10份、有机结合剂7份、催化剂3份和有机溶剂10份。
一种高强度耐火材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将基料、耐火基材和氧化铝混合导入球磨罐中球磨2.9h，再加入有机溶剂，搅拌均匀，得到材料一；
b、将部分稳定氧化锆、碳化锆颗粒、丙烯酸胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵混合，导入高混机中，在900r/min的转速下搅拌33min，再采用超声振荡29min，分散均匀后，得到材料二；
c、向材料一中加入催化剂、有机结合剂，在76℃下搅拌溶解8min，再将材料二导入，在84℃下加热并搅拌45min，得到材料三；
d、将材料三置于68℃的恒温干燥箱中，干燥10min后，粉碎至过500目筛，再进行二次干燥处理，之后进行冷却、压制成型，即可得到成品。
步骤a的基料的制备方法为：将赤泥、黏土送入烧结炉中，先升温至160℃，保温35min，再升温至620℃，保温12min，再升温至810℃，保温烧结1.2h，得到基料。
步骤a的耐火基材的制备方法为：将氧化镁粉体、氧化铝粉、二氧化锰粉、金属锰粉和添加剂混合加入到混炼机内，混合均匀后，装入模具中压制成型，再置于175℃下干燥1.2h，干燥后，再于680℃下进行烧结1.1h，即可得到耐火基材。
氧化镁粉体的制备方法为：将菱镁矿细粉置于480℃下烧制2.4h，再升温至670℃，保温烧制3h，冷却后，即可得到氧化镁粉体。
步骤a的有机溶剂为二氯乙烷、二甲苯、四氢呋喃和正己烷按质量比1:2:1:2混合而成。
步骤b的部分稳定氧化锆为氧化钙稳定氧化锆、氧化镁稳定氧化锆和氧化钇稳定氧化锆按质量比3:2:1混合而成。
步骤c的有机结合剂为淀粉、木质素磺酸钙和甲基纤维素按质量比5:3:4混合而成。
实施例3
一种高强度耐火材料，包括以下重量份的原料：基料12份、耐火基材11份、氧化铝8份、部分稳定氧化锆11份、碳化锆颗粒12份、丙烯酸胺13份、亚甲基双丙烯酰胺12份、过硫酸铵8份、有机结合剂8份、催化剂4份和有机溶剂9份。
一种高强度耐火材料的制备方法，包括以下制备步骤：
a、将基料、耐火基材和氧化铝混合导入球磨罐中球磨2.9h，再加入有机溶剂，搅拌均匀，得到材料一；
b、将部分稳定氧化锆、碳化锆颗粒、丙烯酸胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵混合，导入高混机中，在800r/min的转速下搅拌35min，再采用超声振荡29min，分散均匀后，得到材料二；
c、向材料一中加入催化剂、有机结合剂，在76℃下搅拌溶解8-12min，再将材料二导入，在84℃下加热并搅拌45min，得到材料三；
d、将材料三置于65℃的恒温干燥箱中，干燥14min后，粉碎至过300目筛，再进行二次干燥处理，之后进行冷却、压制成型，即可得到成品。
步骤a的基料的制备方法为：将赤泥、黏土送入烧结炉中，先升温至160℃，保温35min，再升温至620℃，保温12min，再升温至810℃，保温烧结1.2h，得到基料。
步骤a的耐火基材的制备方法为：将氧化镁粉体、氧化铝粉、二氧化锰粉、金属锰粉和添加剂混合加入到混炼机内，混合均匀后，装入模具中压制成型，再置于175℃下干燥1.4h，干燥后，再于680℃下进行烧结1.5h，即可得到耐火基材。
氧化镁粉体的制备方法为：将菱镁矿细粉置于480℃下烧制2.4h，再升温至670℃，保温烧制3h，冷却后，即可得到氧化镁粉体。
步骤a的有机溶剂为二氯乙烷、二甲苯、四氢呋喃和正己烷按质量比1:2:1:2混合而成。
步骤b的部分稳定氧化锆为氧化钙稳定氧化锆、氧化镁稳定氧化锆和氧化钇稳定氧化锆按质量比3:2:1混合而成。
步骤c的有机结合剂为淀粉、木质素磺酸钙和甲基纤维素按质量比5:3:4混合而成。
对比例1
采用现有技术中的普通耐火材料来进行检测。
检测以上实施例和对比例制备的成品，得到以下检测数据：
表一：
检测项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
耐压强度（1200℃） 92MPa 91MPa 94MPa 77MPa
抗折强度（1200℃） 32MPa 37MPa 41MPa 26MPa
热震性（1200℃/10次） 强度损失7% 强度损失6% 强度损失6% 断裂
耐磨性（1200℃/5h） 体积损失2.3% 体积损失2.5% 体积损失2.1% 体积损失7.3%
由表一所得的实验数据，可以得出，本发明的制备方法制备的成品的各项性能显著优异于现有技术中的普通产品，并且在本发明的实施例3中优选的制备方案，其得到的成品性能最为优异。
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 (10)

1.一种高强度耐火材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：基料8-13份、耐火基材7-12份、氧化铝4-9份、部分稳定氧化锆8-13份、碳化锆颗粒6-13份、丙烯酸胺10-15份、亚甲基双丙烯酰胺8-13份、过硫酸铵7-12份、有机结合剂4-9份、催化剂3-6份和有机溶剂5-10份。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐火材料，其特征在于，所述耐火材料包括以下重量份的原料：基料9-13份、耐火基材10-12份、氧化铝7-9份、部分稳定氧化锆8-12份、碳化锆颗粒8-13份、丙烯酸胺10-14份、亚甲基双丙烯酰胺11-13份、过硫酸铵7-10份、有机结合剂7-9份、催化剂3-5份和有机溶剂6-10份。
3.根据权利要求1所述的一种高强度耐火材料，其特征在于，所述耐火材料包括以下重量份的原料：基料12份、耐火基材11份、氧化铝8份、部分稳定氧化锆11份、碳化锆颗粒12份、丙烯酸胺13份、亚甲基双丙烯酰胺12份、过硫酸铵8份、有机结合剂8份、催化剂4份和有机溶剂9份。
4.权利要求1-3任一项所述的一种高强度耐火材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
a、将基料、耐火基材和氧化铝混合导入球磨罐中球磨2.2-2.9h，再加入有机溶剂，搅拌均匀，得到材料一；
b、将部分稳定氧化锆、碳化锆颗粒、丙烯酸胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵混合，导入高混机中，在800-900r/min的转速下搅拌33-35min，再采用超声振荡25-29min，分散均匀后，得到材料二；
c、向材料一中加入催化剂、有机结合剂，在72-76℃下搅拌溶解8-12min，再将材料二导入，在84-88℃下加热并搅拌42-45min，得到材料三；
d、将材料三置于65-68℃的恒温干燥箱中，干燥10-14min后，粉碎至过300-500目筛，再进行二次干燥处理，之后进行冷却、压制成型，即可得到成品。
5.根据权利要求4所述的一种高强度耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a的基料的制备方法为：将赤泥、黏土送入烧结炉中，先升温至160℃，保温35min，再升温至620℃，保温12min，再升温至810℃，保温烧结1.2h，得到基料。
6.根据权利要求4所述的一种高强度耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a的耐火基材的制备方法为：将氧化镁粉体、氧化铝粉、二氧化锰粉、金属锰粉和添加剂混合加入到混炼机内，混合均匀后，装入模具中压制成型，再置于160-175℃下干燥1.2-1.4h，干燥后，再于680-720℃下进行烧结1.1-1.5h，即可得到耐火基材。
7.根据权利要求6所述的一种高强度耐火材料的制备方法，其特征在于，所述氧化镁粉体的制备方法为：将菱镁矿细粉置于480℃下烧制2.4h，再升温至670℃，保温烧制3h，冷却后，即可得到氧化镁粉体。
8.根据权利要求4所述的一种高强度耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a的有机溶剂为二氯乙烷、二甲苯、四氢呋喃和正己烷按质量比1:2:1:2混合而成。
9.根据权利要求4所述的一种高强度耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b的部分稳定氧化锆为氧化钙稳定氧化锆、氧化镁稳定氧化锆和氧化钇稳定氧化锆按质量比3:2:1混合而成。
10.根据权利要求4所述的一种高强度耐火材料的制备方法，其特征在于，所述步骤c的有机结合剂为淀粉、木质素磺酸钙和甲基纤维素按质量比5:3:4混合而成。
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