本發(fā)明屬于輕質(zhì)耐火材料技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著高溫工業(yè)節(jié)能降耗的需求越來越大，各種熱工窯爐對能源的利用率要求也越來越高，輕質(zhì)化、低導(dǎo)熱及高強度的耐火材料可有效節(jié)約能源，如“一種莫來石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料及其制備方法”(CN 201510186484.8)，因此，性能優(yōu)良的隔熱類耐火材料直接影響了高溫工業(yè)的能源消耗與穩(wěn)定運行。
鎂橄欖石(2MgO·SiO2，簡寫為M2S)是MgO-SiO2系統(tǒng)中唯一穩(wěn)定的耐火相，具有熔點高(1890℃)、荷重軟化溫度高和抗熱震性能好等優(yōu)點，可用于加熱爐爐底、熱風(fēng)爐和玻璃窯等各種工業(yè)窯爐蓄熱室的格子磚。
目前，制備鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料的方法主要有化學(xué)法、燒失法和發(fā)泡法。
采用化學(xué)法制備鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料，主要以化學(xué)反應(yīng)造孔(含鎂碳酸鹽受熱產(chǎn)生氣體等)，如“高紅外反射率鎂橄欖石輕質(zhì)耐火保溫材料及其制備方法”(CN 201510348217.6)，該方法雖有其優(yōu)點，但制備鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料過程中，氣孔的形態(tài)及化學(xué)反應(yīng)速率難以穩(wěn)定控制，這對鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料的導(dǎo)熱性能等造成了一定的影響。
采用燒失法制備鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料，主要通過引入可燃物，如炭黑、淀粉和鋸末等，可燃物燃燒后留下孔隙，但采用燒失法造孔，一般孔隙尺寸較大(取決于可燃物尺寸)，雖有效降低了鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)，但同時也大大降低了材料的強度。
采用發(fā)泡法制備鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料，一般以鎂橄欖石原料和發(fā)泡劑混勻后成型、干燥、燒成(董童霖，等.“發(fā)泡法制備莫來石輕質(zhì)耐火材料工藝研究”，《武漢科技大學(xué)學(xué)報》，2009，32(2)：pp184～187；王華，等.“發(fā)泡注漿法合成莫來石輕質(zhì)耐火材料”《火災(zāi)科學(xué)》，2013，22(2)：pp84～87)，發(fā)泡法雖有其明顯的優(yōu)點，但發(fā)泡液中大量的水分在干燥階段逸出時易導(dǎo)致成型的坯體材料坍塌損毀，降低了材料的成品率。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的在于提供一種成本低廉和成品率高的鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料的制備方法，用該方法制備的鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料的體積密度低、耐壓強度大和導(dǎo)熱系數(shù)小。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的制備方法的具體步驟是：
第一步、在40～45℃水浴條件下，將DDBAC發(fā)泡劑、聚丙烯酰胺、碳酸氫銨和水置入容器中，超聲分散3～5分鐘，制得發(fā)泡液；其中：DDBAC發(fā)泡劑∶聚丙烯酰胺∶碳酸氫銨∶水的質(zhì)量比為1∶(1～4)∶(2～5)∶(50～60)。
第二步、按天然鎂橄欖石礦︰碳化硅的質(zhì)量比為100︰(4～7)配料，球磨至粒度≤100μm，得到混合料。
第三步、將所述混合料在行星球磨機中混合10～15分鐘，在30～50MPa條件下壓制成型；再置于馬弗爐中，在空氣氣氛和900～1000℃條件下熱處理30～60分鐘，隨爐冷卻，出爐后破碎，研磨至粒度為50～60μm，得到熱處理料。
第四步、按所述發(fā)泡液∶所述熱處理料∶草酸鎂的質(zhì)量比為(30～40)∶100∶(6～8)，將所述發(fā)泡液、所述熱處理料和草酸鎂攪拌5～7分鐘，加入模具中成型，得到成型后的坯體。
第五步、將成型后的坯體置于真空冷凍干燥機中冷凍干燥36～48小時，得到干燥后的坯體。
第六步、將干燥后的坯體置于馬弗爐中，在1400～1550℃條件下保溫30～40分鐘，隨爐自然冷卻，即得鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料。
所述DDBAC發(fā)泡劑的十二烷基二甲基芐基氯化銨含量≥95wt％。
所述聚丙烯酰胺為分析純。
所述碳酸氫銨為分析純。
所述天然鎂橄欖石礦的主要化學(xué)成分是：MgO含量為50～55wt％，SiO2含量為35～40wt％，F(xiàn)e2O3含量≤0.2wt％。
所述碳化硅的SiC含量≥98wt％。
所述草酸鎂為分析純。
所述真空冷凍干燥機的冷凍干燥溫度為-40～-45℃，真空壓強為0.05～0.1Pa。
由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
1、本發(fā)明采用天然鎂橄欖石礦為主要原料，來源豐富，降低了鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料的制備成本。
2、本發(fā)明采用真空冷凍技術(shù)對材料進行干燥，有效提高了坯體材料的成品率，提升了泡沫的穩(wěn)定性，進而提高了鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料的強度。
本發(fā)明所制備的鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料經(jīng)檢測：成品率為98.5～99.0％；體積密度為0.75～0.80g·cm-3；耐壓強度為8～13MPa；導(dǎo)熱系數(shù)為0.15～0.20W·m-1·K-1。
因此，本發(fā)明具有成本低廉和成品率高的特點；所制備的鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料體積密度低、耐壓強度大和導(dǎo)熱系數(shù)小。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步的描述，并非對其保護范圍的限制。
本具體實施方式中：
所述DDBAC發(fā)泡劑的十二烷基二甲基芐基氯化銨含量≥95wt％。
所述聚丙烯酰胺為分析純。
所述碳酸氫銨為分析純。
所述天然鎂橄欖石礦的主要化學(xué)成分是：MgO含量為50～55wt％，SiO2含量為35～40wt％，F(xiàn)e2O3含量≤0.2wt％。
所述碳化硅的SiC含量≥98wt％。
所述草酸鎂為分析純。
所述真空冷凍干燥機的冷凍干燥溫度為-40～-45℃，真空壓強為0.05～0.1Pa。
實施例中不再贅述。
實施例1
一種鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料及其制備方法。本實施例所述制備方法的具體步驟是：
第一步、在40～45℃水浴條件下，將DDBAC發(fā)泡劑、聚丙烯酰胺、碳酸氫銨和水置入容器中，超聲分散3～5分鐘，制得發(fā)泡液；其中：DDBAC發(fā)泡劑∶聚丙烯酰胺∶碳酸氫銨∶水的質(zhì)量比為1∶(1～3)∶(2～4)∶(50～54)。
第二步、按天然鎂橄欖石礦︰碳化硅的質(zhì)量比為100︰(4～6)配料，球磨至粒度≤100μm，得到混合料。
第三步、將所述混合料在行星球磨機中混合10～15分鐘，在30～50MPa條件下壓制成型；再置于馬弗爐中，在空氣氣氛和900～1000℃條件下熱處理30～60分鐘，隨爐冷卻，出爐后破碎，研磨至粒度為50～60μm，得到熱處理料。
第四步、按所述發(fā)泡液∶所述熱處理料∶草酸鎂的質(zhì)量比為(30～34)∶100∶(6～6.8)，將所述發(fā)泡液、所述熱處理料和草酸鎂攪拌5～7分鐘，加入模具中成型，得到成型后的坯體。
第五步、將成型后的坯體置于真空冷凍干燥機中冷凍干燥36～48小時，得到干燥后的坯體。
第六步、將干燥后的坯體置于馬弗爐中，在1400～1500℃條件下保溫30～40分鐘，隨爐自然冷卻，即得鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料。
本實施例所制備的鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料經(jīng)檢測：成品率為98.5～98.7％；體積密度為0.75～0.77g·cm-3；耐壓強度為8～10MPa；導(dǎo)熱系數(shù)為0.15～0.17W·m-1·K-1。
實施例2
一種鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料及其制備方法。本實施例所述制備方法的具體步驟是：
第一步、在40～45℃水浴條件下，將DDBAC發(fā)泡劑、聚丙烯酰胺、碳酸氫銨和水置入容器中，超聲分散3～5分鐘，制得發(fā)泡液；其中：DDBAC發(fā)泡劑∶聚丙烯酰胺∶碳酸氫銨∶水的質(zhì)量比為1∶(1～3)∶(2～4)∶(52～56)。
第二步、按天然鎂橄欖石礦︰碳化硅的質(zhì)量比為100︰(4～6)配料，球磨至粒度≤100μm，得到混合料。
第三步、將所述混合料在行星球磨機中混合10～15分鐘，在30～50MPa條件下壓制成型；再置于馬弗爐中，在空氣氣氛和900～1000℃條件下熱處理30～60分鐘，隨爐冷卻，出爐后破碎，研磨至粒度為50～60μm，得到熱處理料。
第四步、按所述發(fā)泡液∶所述熱處理料∶草酸鎂的質(zhì)量比為(32～36)∶100∶(6.4～7.2)，將所述發(fā)泡液、所述熱處理料和草酸鎂攪拌5～7分鐘，加入模具中成型，得到成型后的坯體。
第五步、將成型后的坯體置于真空冷凍干燥機中冷凍干燥36～48小時，得到干燥后的坯體。
第六步、將干燥后的坯體置于馬弗爐中，在1400～1500℃條件下保溫30～40分鐘，隨爐自然冷卻，即得鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料。
本實施例所制備的鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料經(jīng)檢測：成品率為98.6～98.8％；體積密度為0.76～0.78g·cm-3；耐壓強度為9～11MPa；導(dǎo)熱系數(shù)為0.16～0.18W·m-1·K-1。
實施例3
一種鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料及其制備方法。本實施例所述制備方法的具體步驟是：
第一步、在40～45℃水浴條件下，將DDBAC發(fā)泡劑、聚丙烯酰胺、碳酸氫銨和水置入容器中，超聲分散3～5分鐘，制得發(fā)泡液；其中：DDBAC發(fā)泡劑∶聚丙烯酰胺∶碳酸氫銨∶水的質(zhì)量比為1∶(2～4)∶(3～5)∶(54～58)。
第二步、按天然鎂橄欖石礦︰碳化硅的質(zhì)量比為100︰(5～7)配料，球磨至粒度≤100μm，得到混合料。
第三步、將所述混合料在行星球磨機中混合10～15分鐘，在30～50MPa條件下壓制成型；再置于馬弗爐中，在空氣氣氛和900～1000℃條件下熱處理30～60分鐘，隨爐冷卻，出爐后破碎，研磨至粒度為50～60μm，得到熱處理料。
第四步、按所述發(fā)泡液∶所述熱處理料∶草酸鎂的質(zhì)量比為(34～38)∶100∶(6.8～7.6)，將所述發(fā)泡液、所述熱處理料和草酸鎂攪拌5～7分鐘，加入模具中成型，得到成型后的坯體。
第五步、將成型后的坯體置于真空冷凍干燥機中冷凍干燥36～48小時，得到干燥后的坯體。
第六步、將干燥后的坯體置于馬弗爐中，在1450～1550℃條件下保溫30～40分鐘，隨爐自然冷卻，即得鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料。
本實施例所制備的鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料經(jīng)檢測：成品率為98.7～98.9％；體積密度為0.77～0.79g·cm-3；耐壓強度為10～12MPa；導(dǎo)熱系數(shù)為0.17～0.19W·m-1·K-1。
實施例4
一種鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料及其制備方法。本實施例所述制備方法的具體步驟是：
第一步、在40～45℃水浴條件下，將DDBAC發(fā)泡劑、聚丙烯酰胺、碳酸氫銨和水置入容器中，超聲分散3～5分鐘，制得發(fā)泡液；其中：DDBAC發(fā)泡劑∶聚丙烯酰胺∶碳酸氫銨∶水的質(zhì)量比為1∶(2～4)∶(3～5)∶(56～60)。
第二步、按天然鎂橄欖石礦︰碳化硅的質(zhì)量比為100︰(5～7)配料，球磨至粒度≤100μm，得到混合料。
第三步、將所述混合料在行星球磨機中混合10～15分鐘，在30～50MPa條件下壓制成型；再置于馬弗爐中，在空氣氣氛和900～1000℃條件下熱處理30～60分鐘，隨爐冷卻，出爐后破碎，研磨至粒度為50～60μm，得到熱處理料。
第四步、按所述發(fā)泡液∶所述熱處理料∶草酸鎂的質(zhì)量比為(36～40)∶100∶(7.2～8)，將所述發(fā)泡液、所述熱處理料和草酸鎂攪拌5～7分鐘，加入模具中成型，得到成型后的坯體。
第五步、將成型后的坯體置于真空冷凍干燥機中冷凍干燥36～48小時，得到干燥后的坯體。
第六步、將干燥后的坯體置于馬弗爐中，在1450～1550℃條件下保溫30～40分鐘，隨爐自然冷卻，即得鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料。
本實施例所制備的鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料經(jīng)檢測：成品率為98.8～99.0％；體積密度為0.78～0.80g·cm-3；耐壓強度為11～13MPa；導(dǎo)熱系數(shù)為0.18～0.20W·m-1·K-1。
本具體實施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
1、本具體實施方式采用天然鎂橄欖石礦為主要原料，來源豐富，降低了鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料的制備成本。
2、本具體實施方式采用真空冷凍技術(shù)對材料進行干燥，有效提高了坯體材料的成品率，提升了泡沫的穩(wěn)定性，進而提高了鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料的強度。
本具體實施方式所制備的鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料經(jīng)檢測：成品率為98.5～99.0％；體積密度為0.75～0.80g·cm-3；耐壓強度為8～13MPa；導(dǎo)熱系數(shù)為0.15～0.20W·m-1·K-1。
因此，本具體實施方式具有成本低廉和成品率高的特點；所制備的鎂橄欖石質(zhì)輕質(zhì)耐火材料體積密度低、耐壓強度大和導(dǎo)熱系數(shù)小。