本發(fā)明屬于耐火材料技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料及其制備方法。
背景技術(shù)：
耐火材料直接應(yīng)用于鋼鐵、有色、水泥、玻璃、陶瓷、化工、機械和電力等國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域的高溫工業(yè)生產(chǎn)過程中，是保證上述產(chǎn)業(yè)運行和技術(shù)發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)材料。中國是目前世界上第二大能源生產(chǎn)國和消費國，《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》明確提出應(yīng)大力推行工業(yè)窯爐的節(jié)能改造。研究和開發(fā)高溫輕量耐火材料可大大降低工業(yè)窯爐能耗，對整個高溫工業(yè)節(jié)能減排具有舉足輕重的意義。
目前，高溫輕量耐火材料技術(shù)相對滯后，在一定程度上制約了我國高溫窯爐節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。在現(xiàn)行的隔熱耐火材料中，絕大多數(shù)都使用在保溫層或隔熱層，而未直接使用在與鋼鐵等高溫熔體接觸的工作層。究其原因，主要是由于目前所制備的隔熱耐火材料顯氣孔率過高且孔徑過大、強度較低，若在工作層使用，熔渣會較容易地通過開口氣孔滲透進(jìn)入耐火材料內(nèi)部，對耐火材料帶來毀滅性的破壞。然而，隔熱耐火材料越靠近工作面，其隔熱效果更加顯著。因此，開展可直接用于工作層的低導(dǎo)熱、高強、耐熱震、抗侵蝕的耐火材料，已成為目前本領(lǐng)域所關(guān)注的重要課題之一。
近年來，世界各地開展了許多關(guān)于輕量骨料及其相應(yīng)的工作襯用輕量耐火材料的研究，并報道了許多制備輕量骨料的方法，例如有機物分解法，原位成孔技術(shù)及氫氧化物/碳酸鹽分解法等。然而采用上述制備方法，都是將原料粉磨再成型，一方面工藝較為復(fù)雜，更重要的是，所制備的耐火骨料通常顯氣孔率較高、孔徑較大，使用過程中無法抵御熔渣及高溫介質(zhì)的侵蝕與滲透。
“一種微孔輕量礬土耐火骨料及其制備方法”（ZL 201410447797.X）專利技術(shù)，采用濕法制備了一種微孔輕量礬土耐火骨料，所制備的產(chǎn)品雖具有較低的顯氣孔率和孔徑，但所采用的濕法制備工藝較為復(fù)雜，較難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種生產(chǎn)周期短、成本低和生產(chǎn)效率高的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料制備方法；用該方法制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料顯氣孔率低、閉口氣孔率高、孔徑小和耐高溫介質(zhì)沖刷侵蝕性好。
為實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
將塊狀礬土生料置于微波裝置中，以20~100℃/分鐘的升溫速率，用微波分段升溫法升溫至950℃，自然冷卻至室溫，得到預(yù)燒后的坯料。所述微波分段升溫法升溫至950℃是：用微波加熱的方式，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至350℃、450℃、550℃、650℃和950℃時，各保溫5~30分鐘。
然后將所述預(yù)燒后的坯料轉(zhuǎn)入高溫窯爐中，以3~10℃/分鐘的升溫速率，用窯爐分段升溫法升溫至最終溫度，即得含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料。所述窯爐分段升溫法升溫至最終溫度是：當(dāng)所述高溫窯爐的溫度分別升至1100℃、1200℃和最終溫度時，各保溫1~4小時；最終溫度為1500~1650℃。
所述塊狀礬土生料的Al2O3含量≥45wt%。
所述微波裝置的工作頻率為2.00~2.50GHz。
所述高溫窯爐為電爐、隧道窯、梭式窯和豎窯中的一種。
由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：
本發(fā)明采用天然鋁礬土生礦塊料即塊狀礬土生料直接煅燒，通過兩步燒成工藝，在低溫?zé)崽幚黼A段采用微波燒結(jié)，高頻率電磁波穿透塊狀礬土生料后能夠引起材料內(nèi)部自由或束縛電荷的反復(fù)極化和劇烈運動，在分子間產(chǎn)生碰撞、摩擦和內(nèi)耗，將微波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而產(chǎn)生高能量。該高能量不僅能夠促使天然鋁礬土生礦中一水鋁石、勃姆石、高嶺石和三水鋁石等礦物原位分解或者發(fā)生物相轉(zhuǎn)化形成孔隙；該高能量還能對材料低溫下的燒結(jié)程度有顯著的促進(jìn)作用，在原位形成孔隙的同時，能夠保證材料具有較低的顯氣孔率。本發(fā)明在中高溫下進(jìn)行特定熱處理，促進(jìn)晶界移動速率，使得上述孔隙閉合原位形成的閉口氣孔，達(dá)到同時降低礬土骨料體積密度和顯氣孔率的目的。此外，本發(fā)明所采用的微波燒結(jié)所需的生產(chǎn)周期短、成本低和生產(chǎn)效率高。
本發(fā)明所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料經(jīng)檢測：體積密度為2.55~2.95g/cm3，顯氣孔率為3~12%，平均孔徑為0.2~2μm。
因此，本發(fā)明生產(chǎn)周期短、成本低和生產(chǎn)效率高，所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料具有顯氣孔率低、閉口氣孔率高、孔徑小和耐高溫介質(zhì)沖刷侵蝕性好的特點。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，并非對保護范圍的限制：
為避免重復(fù)，先將本具體實施方式所涉及的原料和工藝參數(shù)統(tǒng)一描述如下，實施例中不再贅述：
所述塊狀礬土生料的Al2O3含量≥45wt%。
所述微波裝置的工作頻率為2.00~2.50GHz。
實施例1
一種含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料及其制備方法。本實施例所述制備方法是：
將塊狀礬土生料置于微波裝置中，以20~60℃/分鐘的升溫速率，用微波分段升溫法升溫至950℃，自然冷卻至室溫，得到預(yù)燒后的坯料。所述微波分段升溫法升溫至950℃是：用微波加熱的方式，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至350℃、450℃、550℃、650℃和950℃時，各保溫5~20分鐘；
然后將所述預(yù)燒后的坯料轉(zhuǎn)入高溫窯爐中，以3~7℃/分鐘的升溫速率，用窯爐分段升溫法升溫至最終溫度，即得含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料。所述窯爐分段升溫法升溫至最終溫度是：當(dāng)所述高溫窯爐中的溫度分別升至1100℃、1200℃和最終溫度時，各保溫2~4小時；所述最終溫度為1500~1600℃。
所述高溫窯爐為電爐。
本實施例所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料經(jīng)檢測：體積密度為2.55~2.65g/cm3，顯氣孔率為8~12%，平均孔徑為1~2μm。
實施例2
一種含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料及其制備方法。本實施例所述制備方法是：
將塊狀礬土生料置于微波裝置中，以20~60℃/分鐘的升溫速率，用微波分段升溫法升溫至950℃，自然冷卻至室溫，得到預(yù)燒后的坯料。所述微波分段升溫法升溫至950℃是：用微波加熱的方式，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至350℃、450℃和550℃時，各保溫5~20分鐘，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至650℃和950℃時，各保溫15~30分鐘。
然后將所述預(yù)燒后的坯料轉(zhuǎn)入高溫窯爐中，以3~7℃/分鐘的升溫速率，用窯爐分段升溫法升溫至最終溫度，即得含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料。所述窯爐分段升溫法升溫至最終溫度是：當(dāng)所述高溫窯爐的溫度分別升至1100℃和1200℃時，各保溫1~3小時，當(dāng)所述高溫窯爐的溫度升至最終溫度時，保溫2~4小時；所述最終溫度為1500~1600℃。
所述高溫窯爐為隧道窯。
本實施例所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料經(jīng)檢測：體積密度為2.55~2.7g/cm3，顯氣孔率為7~10%，平均孔徑為0.8~1.8μm。
實施例3
一種含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料及其制備方法。本實施例所述制備方法是：
將塊狀礬土生料置于微波裝置中，以20~60℃/分鐘的升溫速率，用微波分段升溫法升溫至950℃，自然冷卻至室溫，得到預(yù)燒后的坯料。所述微波分段升溫法升溫至950℃是：用微波加熱的方式，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至350℃、450℃和550℃時，各保溫5~20分鐘，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至650℃和950℃時，各保溫15~30分鐘。
然后將所述預(yù)燒后的坯料轉(zhuǎn)入高溫窯爐中，以3~7℃/分鐘的升溫速率，用窯爐分段升溫法升溫至最終溫度，即得含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料。所述窯爐分段升溫法升溫至最終溫度是：當(dāng)所述高溫窯爐的溫度分別升至1100℃和1200℃時，各保溫2~4小時，當(dāng)所述高溫窯爐的溫度升至最終溫度時，保溫1~3小時；所述最終溫度為1500~1600℃。
所述高溫窯爐為梭式窯。
本實施例所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料經(jīng)檢測：體積密度為2.55~2.7g/cm3，顯氣孔率為6~10%，平均孔徑為0.8~1.5μm。
實施例4
一種含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料及其制備方法。本實施例所述制備方法是：
將塊狀礬土生料置于微波裝置中，以20~60℃/分鐘的升溫速率，用微波分段升溫法升溫至950℃，自然冷卻至室溫，得到預(yù)燒后的坯料。所述微波分段升溫法升溫至950℃是：用微波加熱的方式，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至350℃、450℃和550℃時，各保溫5~20分鐘，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至650℃和950℃時，各保溫15~30分鐘。
然后將所述預(yù)燒后的坯料轉(zhuǎn)入高溫窯爐中，以3~7℃/分鐘的升溫速率，用窯爐分段升溫法升溫至最終溫度，即得含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料。所述窯爐分段升溫法升溫至最終溫度是：當(dāng)所述高溫窯爐的溫度分別升至1100℃、1200℃和最終溫度時，各保溫1~3小時；所述最終溫度為1500~1600℃。
所述高溫窯爐為豎窯。
本實施例所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料經(jīng)檢測：體積密度為2.55~2.75g/cm3，顯氣孔率為6~11%，平均孔徑為0.9~1.7μm。
實施例5
一種含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料及其制備方法。本實施例所述制備方法是：
將塊狀礬土生料置于微波裝置中，以60~100℃/分鐘的升溫速率，用微波分段升溫法升溫至950℃，自然冷卻至室溫，得到預(yù)燒后的坯料。所述微波分段升溫法升溫至950℃是：用微波加熱的方式，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至350℃、450℃、550℃、650℃和950℃時，各保溫5~20分鐘。
然后將所述預(yù)燒后的坯料轉(zhuǎn)入高溫窯爐中，以6~10℃/分鐘的升溫速率，用窯爐分段升溫法升溫至最終溫度，即得含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料。所述窯爐分段升溫法升溫至最終溫度是：當(dāng)所述高溫窯爐的溫度分別升至1100℃、1200℃和最終溫度時，各保溫1~3小時；所述最終溫度為1550~1650℃。
所述高溫窯爐為電爐。
本實施例所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料經(jīng)檢測：體積密度為2.6~2.8g/cm3，顯氣孔率為6~10%，平均孔徑為0.5~1.5μm。
實施例6
一種含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料及其制備方法。本實施例所述制備方法是：
將塊狀礬土生料置于微波裝置中，以60~100℃/分鐘的升溫速率，用微波分段升溫法升溫至950℃，自然冷卻至室溫，得到預(yù)燒后的坯料。所述微波分段升溫法升溫至950℃是：用微波加熱的方式，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至350℃、450℃和550℃時，各保溫5~20分鐘，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至650℃和950℃時，各保溫15~30分鐘。
然后將所述預(yù)燒后的坯料轉(zhuǎn)入高溫窯爐中，以6~10℃/分鐘的升溫速率，用窯爐分段升溫法升溫至最終溫度，即得含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料。所述窯爐分段升溫法升溫至最終溫度是：當(dāng)所述高溫窯爐的溫度分別升至1100℃和1200℃時，各保溫2~4小時，當(dāng)所述高溫窯爐的溫度升至最終溫度時，保溫1~3小時；所述最終溫度為1550~1650℃。
所述高溫窯爐為隧道窯。
本實施例所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料經(jīng)檢測：體積密度為2.7~2.9g/cm3，顯氣孔率為5~9%，平均孔徑為0.5~1.2μm。
實施例7
一種含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料及其制備方法。本實施例所述制備方法是：
將塊狀礬土生料置于微波裝置中，以60~100℃/分鐘的升溫速率，用微波分段升溫法升溫至950℃，自然冷卻至室溫，得到預(yù)燒后的坯料。所述微波分段升溫法升溫至950℃是：用微波加熱的方式，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至350℃、450℃和550℃時，各保溫5~20分鐘，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至650℃和950℃時，各保溫15~30分鐘。
然后將所述預(yù)燒后的坯料轉(zhuǎn)入高溫窯爐中，以6~10℃/分鐘的升溫速率，用窯爐分段升溫法升溫至最終溫度，即得含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料。所述窯爐分段升溫法升溫至最終溫度是：當(dāng)所述高溫窯爐的溫度分別升至1100℃和1200℃時，各保溫1~3小時，當(dāng)所述高溫窯爐的溫度升至最終溫度時，保溫2~4小時；所述最終溫度為1550~1650℃。
所述高溫窯爐為梭式窯。
本實施例所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料經(jīng)檢測：體積密度為2.7~2.95g/cm3，顯氣孔率為3~8%，平均孔徑為0.4~0.9μm。
實施例8
一種含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料及其制備方法。本實施例所述制備方法是：
將塊狀礬土生料置于微波裝置中，以60~100℃/分鐘的升溫速率，用微波分段升溫法升溫至950℃，自然冷卻至室溫，得到預(yù)燒后的坯料。所述微波分段升溫法升溫至950℃是：用微波加熱的方式，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至350℃、450℃和550℃時，各保溫5~20分鐘，當(dāng)所述微波裝置的溫度分別升至650℃和950℃時，各保溫15~30分鐘。
然后將所述預(yù)燒后的坯料轉(zhuǎn)入高溫窯爐中，以6~10℃/分鐘的升溫速率，用窯爐分段升溫法升溫至最終溫度，即得含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料。所述窯爐分段升溫法升溫至最終溫度是：當(dāng)所述高溫窯爐的溫度分別升至1100℃、1200℃和最終溫度時，各保溫2~4小時；所述最終溫度為1550~1650℃。
所述高溫窯爐為豎窯。
本實施例所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料經(jīng)檢測：體積密度為2.7~2.85g/cm3，顯氣孔率為4~10%，平均孔徑為0.2~0.8μm。
本具體實施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：
本具體實施方式采用兩步燒成工藝，在低溫?zé)崽幚黼A段采用微波燒結(jié)，高頻率電磁波穿透至材料內(nèi)部后能夠引起材料內(nèi)部自由或束縛電荷的反復(fù)極化和劇烈運動，在分子間產(chǎn)生碰撞、摩擦和內(nèi)耗，將微波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而產(chǎn)生高能量。一方面，該高能量能夠促使天然鋁礬土生礦中一水鋁石、勃姆石、高嶺石和三水鋁石等礦物原位分解或者發(fā)生物相轉(zhuǎn)化形成孔隙；另一方面，該高能量對材料低溫下的燒結(jié)程度有顯著的促進(jìn)作用，在原位形成孔隙的同時，能夠保證材料具有較低的顯氣孔率。在中高溫下進(jìn)行特定熱處理，促進(jìn)晶界移動速率，使得上述孔隙閉合原位形成閉口氣孔，達(dá)到同時降低礬土骨料體積密度和顯氣孔率的目的。此外，本具體實施方式所采用的微波燒結(jié)所需的時間短，生產(chǎn)效率高。
本具體實施方式所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料經(jīng)檢測：體積密度為2.55~2.95g/cm3，顯氣孔率為3~12%，平均孔徑為0.2~2μm。
因此，本具體實施方式工藝簡單、成本低和效率高，所制備的含微閉氣孔的輕量礬土耐火骨料具有顯氣孔率低、閉口氣孔率高、孔徑小和耐高溫介質(zhì)沖刷侵蝕的特點。