專利名稱：一種六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚及其制備方法，屬于耐火材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，而能源生產(chǎn)的發(fā)展相對滯后得多。解決能源短缺的另一個辦 法是節(jié)能，即減少熱損失、提高熱能的利用效率，減少能源浪費。國際上將節(jié)能工程視為“第 五能源”，其意義十分重要。因此，大力發(fā)展絕熱材料工業(yè)，廣泛采用優(yōu)質(zhì)絕熱材料，對我國 經(jīng)濟建設(shè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。工業(yè)窯爐爐襯用絕熱材料的蓄熱和散熱損失一般占工業(yè)窯爐總能耗的20 45%。普通硅酸鋁質(zhì)輕質(zhì)耐火磚、高鋁質(zhì)輕質(zhì)耐火磚、氧化鋁空心球耐火磚及耐火纖維制品 是傳統(tǒng)的工業(yè)窯爐用輕質(zhì)耐火材料。前三者存在密度較高、導(dǎo)熱系數(shù)較高、蓄熱量較大、抗 熱震穩(wěn)定性較差、使用壽命短、使用過程中節(jié)能效果差等問題。耐火纖維制品雖然在窯爐的 節(jié)能效果方面得到充分的證實，但仍存在限制其繼續(xù)發(fā)展的突出問題，如強度很低無法承 擔結(jié)構(gòu)支撐的作用；使用溫度在1200°C以上時容易粉化和掉渣，且抗高溫氣固兩相流(高 溫煙氣和高溫煙氣/固體燃燒顆粒)的沖蝕磨損性能較差，不僅使用壽命較短，還嚴重影響 燒成陶瓷產(chǎn)品“落臟”缺陷的表面質(zhì)量；在生產(chǎn)和使用過程中存在致癌風(fēng)險(歐盟已將硅酸 鋁陶瓷纖維列為二類致癌物質(zhì)并限制生產(chǎn))；耐火纖維價格很高，特別是高溫Al2O3纖維制 品，如英國MorganThermal Ceramics公司和日本伊索萊特公司生產(chǎn)的輕質(zhì)高性能Al2O3纖 維復(fù)合耐高溫絕熱陶瓷材料，在國內(nèi)的售價高達每噸55萬 60萬元人民幣。因此，為解 決傳統(tǒng)工業(yè)窯爐用輕質(zhì)耐火材料存在的問題，研究開發(fā)新型輕質(zhì)絕熱保溫材料是十分必要 的。六鋁酸鈣(其化學(xué)式為CaAl12O19或CaO · 6A1203，簡寫為CA6)是具有較強抗水化 能力的鋁鈣系耐高溫化合物，熔點為1875°C，膨脹系數(shù)接近Al2O3，是目前倍受關(guān)注的一種 耐火材料。CA6屬六方晶系，垂直于C軸方向的02_的擴散速度比平行于C軸方向的擴散速 度快，具有優(yōu)先形成片狀或板狀晶體的特性。在剛玉_尖晶石、鋁酸鈣水泥結(jié)合剛玉、鋁鎂 澆注料等Al2O3-MgO-CaO體系耐火材料中，CA6通常是高溫條件下的反應(yīng)產(chǎn)物，其片狀晶形 穿插于剛玉相或尖晶石相之間，能夠改善耐火材料的力學(xué)性能，在高溫下可以維持較大的 比表面積，可以有好的高溫隔熱作用；同時在高溫還原性氣氛下有很好的穩(wěn)定性，具有較好 的抗堿侵蝕能力和抗渣侵蝕能力。目前在國內(nèi)外已有不少對CA6隔熱材料的研究，并且研 制出成熟的CA6多孔材料產(chǎn)品，這種材料晶體結(jié)構(gòu)類似于陶瓷纖維的纖維結(jié)構(gòu)，具有極低的 熱導(dǎo)率。由于CA6特有的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)使其作為新型高溫隔熱材料得到重視，輕質(zhì)六鋁 酸鈣絕熱耐火材料是一種新型輕質(zhì)高溫絕熱耐火材料，與傳統(tǒng)的莫來石輕質(zhì)耐火材料相 比，具有更高的使用溫度、微米級和亞微米級的氣孔、板片狀的顯微結(jié)構(gòu)、更低的導(dǎo)熱系數(shù)、 低的體積密度、高的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的抗堿侵蝕性等特點，作為高溫型陶瓷窯爐用輕質(zhì) 絕熱耐火材料可大幅度降低蓄熱損失和散熱損失，對于提高有效熱利用率具有十分重要的作用。目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出可以進行工業(yè)應(yīng)用的六鋁酸鈣多孔骨料，國內(nèi)也出現(xiàn)將六鋁 酸鈣用于鋁精煉用耐火材料的報導(dǎo)，如中國發(fā)明專利“鋁精煉用透氣耐火材料及其制備方 法”(公開號CN1884201A)，但用于高溫窯爐的輕質(zhì)磚幾乎沒有報道。因此開發(fā)具有自主知 識產(chǎn)權(quán)的六鋁酸鈣輕質(zhì)磚對我國經(jīng)濟建設(shè)和高溫行業(yè)的節(jié)能具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對目前窯爐爐襯用耐火纖維制品強度低、抗高溫氣固兩相流(高 溫煙氣和高溫煙氣/固體燃燒顆粒)的沖蝕磨損性能較差、生產(chǎn)和使用過程中存在致癌風(fēng) 險、價格高，普通硅酸鋁質(zhì)輕質(zhì)耐火磚、高鋁質(zhì)輕質(zhì)耐火磚和氧化鋁空心球耐火磚存在密度 較高、導(dǎo)熱系數(shù)較高、蓄熱量較大、抗熱震穩(wěn)定性較差、使用壽命短、使用過程中節(jié)能效果差 等問題，利用六鋁酸鈣的低導(dǎo)熱系數(shù)、在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好、抗堿侵蝕能力和抗渣 侵蝕能力較好、長壽命的特點，提出一種六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚及其制備方法，來達到制備高 效節(jié)能、長壽命的高溫工業(yè)窯爐爐襯用的輕質(zhì)耐火磚的目的，從而為高溫工業(yè)的節(jié)能做出 貝獻。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明是一種六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚及其制備方法，其特征在于該耐火磚的主要 耐高溫物相為六鋁酸鈣相；該耐火磚的主要化學(xué)成分為=Al2O3 87. 6% 91. 6wt. %, CaO 8. 3 IOwt. %，其它雜質(zhì)總含量小于5. Owt. %。所述制備六鋁酸鈣所用的鈣源原料可以為碳酸鈣、氫氧化鈣或氧化鈣等化工原 料，也可以是石灰石或石灰等經(jīng)過高溫煅燒能夠生成氧化鈣的礦物原料(石灰石要求 CaCO3 > 98. 0%，石灰(生石灰或熟石灰，主要含氧化鈣或氫氧化鈣)要求氧化鈣或氫氧化 鈣均彡98. 0% )原料的顆粒尺寸為小于0. 15mm。所述制備六鋁酸鈣所用的鋁源原料為氧 化鋁(a-Al2O3 或 Y-Al2O3 都可以，要求 α -Al2O3 ^ 99.0%, y -Al2O3 彡 99. 0% )、氫氧化 鋁等，原料的顆粒尺寸為小于0. 15mm。本發(fā)明提出的一種六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚及其制備方法，其特征在于所述方法 首先是將各種原料按照六鋁酸鈣的理論配比配料后，先混合均勻，然后一起磨細到小于 0.060mm的孔徑篩的篩余量小于3. Owt. % ；將從磨機中取出的粉料再加入占總配料的 0. 1 18. 0%燒失造孔劑(燒失造孔劑可以選擇為木屑鋸末或其它植物粉末或聚苯乙烯球 或焦炭粉或煤炭粉或活性碳等其中的一種或幾種可以在大于1000°c燒失的物質(zhì)作為燒失 造孔劑，其粒徑< 3. Omm) 一起攪拌混合，混合均勻后再加入6 30%的可飲用水攪拌，得 到的泥料采用振動澆注成形方法成形(也可用擠泥機擠出成形或手工搗打或澆注成形或 機壓成形)。成形后的濕坯在室溫下自然干燥12 24h，然后在干燥窯中于50 200°C進 行烘干。將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1450 1600°C，將燒成出窯冷卻后 的磚坯按要求尺寸進行切割，即得到本發(fā)明的低導(dǎo)熱系數(shù)、在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好、 抗堿侵蝕能力和抗渣侵蝕能力較好、長壽命的六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚。該六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火 磚的相關(guān)性能達到體積密度彡0. 48g/Cm3，400°C導(dǎo)熱系數(shù)彡0. 10w/m · k，800°C導(dǎo)熱系數(shù) (0. 15w/m · k，抗折強度彡1. OMPa，耐壓強度彡1. 2MPa。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明本發(fā)明的原料為所述制備六鋁酸鈣所用的鈣源原料可以為碳酸鈣、氫氧化鈣或 氧化鈣等化工原料，也可以是石灰石或石灰等經(jīng)過高溫煅燒能夠生成氧化鈣的礦物原料 (石灰石要求CaCO3 > 98. 0%，石灰(生石灰或熟石灰，主要含氧化鈣或氫氧化鈣)要求氧 化鈣或氫氧化鈣均>98.0%)原料的顆粒尺寸小于0. 15mm。所述制備六鋁酸鈣所用的鋁源 原料為氧化鋁(α -Al2O3 或 Y -Al2O3 都可以，要求 α -Al2O3 ^99.0%, y -Al2O3 ^99.0%), 氫氧化鋁等，原料的顆粒尺寸小于0. 15mm。本發(fā)明提出的一種六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚及其制備方法，其特征在于所述方法 首先是將各種原料按照六鋁酸鈣的理論配比配料后，先混合均勻，然后一起磨細到小于 0.060mm的孔徑篩的篩余量小于3. Owt. % ；將從磨機中取出的粉料再加入占總配料的 0. 1 18. 0%燒失造孔劑(燒失造孔劑可以選擇為木屑鋸末或其它植物粉末或聚苯乙烯球 或焦炭粉或煤炭粉或活性碳等其中的一種或幾種可以在大于1000°c燒失的物質(zhì)作為燒失 造孔劑，其粒徑< 3. Omm) 一起攪拌混合，混合均勻后再加入6 30%的可飲用水攪拌，得到 的泥料采用振動澆注成形方法成形(也可用擠泥機擠出成形或手工搗打或澆注成形或機 壓成形)。成形后的濕坯在室溫下自然干燥12 24h，然后在干燥窯中于50 200°C進行 烘干。將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1450 1600°C，將燒成出窯冷卻后的 磚坯按要求尺寸進行切割，即得到本發(fā)明的低導(dǎo)熱系數(shù)、在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好、抗 堿侵蝕能力和抗渣侵蝕能力較好、長壽命的六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚。一種六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚的制備工藝流程為原料一配料一干法球磨一加造孔劑一攪拌一成形一干燥一燒成一加工一檢驗實施例1原料及配比以碳酸鈣(要求CaCO3 ^ 98.0% )為鈣源，氫氧化鋁(要求Al (OH)3 ^ 99.0% ) 為鋁源，原料的顆粒尺寸為小于0. 15mm。配料、磨細首先將各種原料按照六鋁酸鈣的理論配比裝入磨機中磨細到小于0. 060mm的孔 徑篩的篩余量小于3. Owt. %。加造孔劑攪拌成形加入占總配料8.0%的聚苯乙烯球，總配料4.0%的木屑鋸末(要求其粒徑 (3. Omm)，將球磨好的混合料與聚苯乙烯球、木屑鋸末一起攪拌混合10分鐘，再加入6%的 可飲用水攪拌5分鐘，得到的泥料用加壓振動澆注成形。干燥成形后的濕坯在室溫下自然干燥12h，然后在干燥窯中先于100°C干燥4h，再于 200°C烘干8h，使生坯的含水率< 3. 0%。燒成將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1500°C。燒成制度為900°C保溫 4h，1100°C保溫 4h，1500°C保溫 3h。加工、檢驗
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將燒成后的磚坯按要求尺寸進行切割即得到相應(yīng)的六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚。所得制品的主要性能指標如下適宜使用溫度1600°C ；體積密度0. 47g/cm3 ；常溫抗折強度1. 6MPa ；常溫耐壓強 度2. OMPa ；400°C導(dǎo)熱系數(shù)為 0. 08w/m · k，800°C導(dǎo)熱系數(shù)為 0. 15w/m · k。實施例2原料及配比以氧化鈣(要求CaO彡98.0%)為鈣源，Y-Al2O3 (要求Al2O3彡99. 0% )為鋁源， 原料的顆粒尺寸為小于0. 15mm。配料、磨細首先將各種原料按照六鋁酸鈣的理論配比裝入球磨機球磨12h，將原料磨細到小 于0. 060mm的孔徑篩的篩余量小于3. Owt. %。加造孔劑攪拌成形加入占總配料6 %的焦炭粉和8 %的聚苯乙烯球(要求其粒徑< 3. Omm)，將球磨好 的混合料與聚苯乙烯球一起攪拌混合10分鐘，再加入6%的可飲用水攪拌5分鐘，得到的泥 料用加壓振動澆注成形。干燥成形后的濕坯在室溫下自然干燥12h，然后在干燥窯中先于100°C干燥4h，再于 200°C烘干8h，使生坯的含水率< 3. 0%。燒成將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1550°C。燒成制度為900°C保溫 4h，1100°C保溫 4h，1550°C保溫 3h。加工、檢驗將燒成后的磚坯按要求尺寸進行切割即得到相應(yīng)的六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚。所得制品的主要性能指標如下適宜使用溫度16500C ；體積密度0. 46g/cm3 ；常溫抗折強度1. 4MPa ；常溫耐壓強 度2. OMPa ；400°C導(dǎo)熱系數(shù)為 0. 09w/m · k，800°C導(dǎo)熱系數(shù)為 0. 14w/m · k。實施例3原料及配比以碳酸鈣(要求CaCO3 ^ 98.0% )為鈣源，Y -Al2O3 (要求Al2O3彡99. 0% )為鋁 源，原料的顆粒尺寸為小于0. 15mm。配料、磨細首先將各種原料按照六鋁酸鈣的理論配比裝入球磨機球磨12h，將原料磨細到小 于0. 060mm的孔徑篩的篩余量小于3. Owt. %。加造孔劑攪拌成形加入占總配料的10. 0%焦炭粉和4. 0%的木屑鋸末(要求其粒徑彡3. Omm)，將混 合料與焦炭粉一起攪拌混合30分鐘，再加入13%的可飲用水攪拌5分鐘，得到的泥料用振 動澆注成形得到坯體。干燥成形后的濕坯在室溫下自然干燥12h，然后在干燥窯中先于100°C干燥4h，再于200°C烘干8h，使生坯的含水率< 3.0%。燒成將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1580°C。燒成制度為900°C保溫 4h，1100°C保溫 4h，1580°C保溫 3h。加工、檢驗將燒成后的磚坯按要求尺寸進行切割即得到相應(yīng)的六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚。所得制品的主要性能指標如下適宜使用溫度1700°C ；體積密度0. 45g/cm3 ；常溫抗折強度1. 2MPa ；常溫耐壓強 度1. 8MPa ；400°C導(dǎo)熱系數(shù)為 0. 07w/m · k，800°C導(dǎo)熱系數(shù)為 0. 12w/m · k。
權(quán)利要求
本發(fā)明是一種六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚及其制備方法，其特征在于該耐火磚的主要耐高溫物相為六鋁酸鈣相；該耐火磚的主要化學(xué)成分為Al2O3 87.6％～91.6wt.％，CaO 8.3～10wt.％，其它雜質(zhì)總含量小于5.0wt.％。
2.如權(quán)利要求1所述的六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚，其特征在于所述制備六鋁酸鈣所用的 鈣源原料可以為碳酸鈣、氫氧化鈣或氧化鈣等化工原料，也可以是石灰石或石灰等經(jīng)過高 溫煅燒能夠生成氧化鈣的礦物原料(石灰石要求CaCO3 > 98. 0%，石灰(生石灰或熟石灰， 主要含氧化鈣或氫氧化鈣)要求氧化鈣或氫氧化鈣均> 98.0%)原料的顆粒尺寸為小于 0. 15mm。所述制備六鋁酸鈣所用的鋁源原料為氧化鋁(α-Al2O3或Y-Al2O3都可以，要求 α -Al2O3 ^ 99.0%, y -Al2O3 ^ 99.0% )、氫氧化鋁等，原料的顆粒尺寸為小于0. 15mm。
3.一種制備如權(quán)利要求1和2所述的六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚的方法，其特征在于所述 方法首先是將各種原料按照六鋁酸鈣的理論配比配料后，先混合均勻，然后一起磨細到小 于0. 060mm的孔徑篩的篩余量小于3. Owt. % ；將從磨機中取出的粉料再加入占總配料的 0. 1 18. 0%燒失造孔劑(燒失造孔劑可以選擇為木屑鋸末或其它植物粉末或聚苯乙烯球 或焦炭粉或煤炭粉或活性碳等其中的一種或幾種可以在大于1000°c燒失的物質(zhì)作為燒失 造孔劑，其粒徑< 3. Omm) 一起攪拌混合，混合均勻后再加入6 30%的可飲用水攪拌，得到 的泥料采用振動澆注成形方法成形(也可用擠泥機擠出成形或手工搗打或澆注成形或機 壓成形)。成形后的濕坯在室溫下自然干燥12 24h，然后在干燥窯中于50 200°C進行 烘干。將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1450 1600°C，將燒成出窯冷卻后的 磚坯按要求尺寸進行切割，即得到本發(fā)明的低導(dǎo)熱系數(shù)、在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好、抗 堿侵蝕能力和抗渣侵蝕能力較好、長壽命的六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚，特別是一種導(dǎo)熱系數(shù)低、在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好、抗堿和抗渣侵蝕能力較好、長壽命的高溫窯爐內(nèi)襯用優(yōu)質(zhì)耐火材料，屬于耐火材料技術(shù)領(lǐng)域。該發(fā)明采用六鋁酸鈣為主晶相；其主要化學(xué)成分Al2O3+CaO＞90wt.％。本發(fā)明以碳酸鈣、氫氧化鈣、氧化鈣、石灰石或石灰等作為鈣源，以氧化鋁、氫氧化鋁等作為鋁源，按六鋁酸鈣的理論配比配料混合均勻后，磨細，添加一定量的造孔劑攪拌均勻，然后采用半干振動澆注成型、調(diào)濕可控干燥、高溫引氣造孔、一步原位反應(yīng)燒結(jié)、切割加工等一系列工藝過程，制備一種六鋁酸鈣輕質(zhì)耐火磚。所述輕質(zhì)耐火磚是一種低導(dǎo)熱系數(shù)、長壽命的高溫窯爐內(nèi)襯用輕質(zhì)耐火磚，可為工業(yè)爐設(shè)備提供高效節(jié)能的保證。
文檔編號C04B35/622GK101928135SQ20101026988
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者劉艷改, 房明浩, 易帥, 曾春燕, 黃朝暉 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)