一種高強(qiáng)度輕質(zhì)硅磚及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及耐火材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種抗熱震性能優(yōu)良，抗熔渣、堿金屬侵 蝕性能強(qiáng)，耐沖刷、隔熱保溫性能優(yōu)異、高溫體積穩(wěn)定性好的高強(qiáng)度輕質(zhì)硅磚及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源的日益緊張，各國(guó)對(duì)高溫工業(yè)用節(jié)能材料的研制、生產(chǎn)和使用日益重視。 硅磚由于具有荷重軟化溫度點(diǎn)高、高溫體積穩(wěn)定性好、長(zhǎng)期使用不收縮等特性，在輕質(zhì)耐火 材料體系中被大量應(yīng)用和研究。
[0003] 由于硅石在加熱過(guò)程中的快速晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生較大體積膨脹，使硅磚的燒成比其他 耐火材料困難。制造硅磚的核心技術(shù)是礦化劑的選擇與應(yīng)用，其目的是是為了控制硅磚在 燒成過(guò)程中，由于硅石的晶型轉(zhuǎn)變?cè)诖u內(nèi)產(chǎn)生較大應(yīng)力引起的體積膨脹，避免硅磚在燒成 時(shí)開裂。硅磚燒成時(shí)要求將石英盡可能的轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的高溫礦物相鱗石英和方石英，為了 促進(jìn)這種轉(zhuǎn)化，通常在制作硅磚過(guò)程中加入礦化劑。礦化劑是可與二氧化硅反應(yīng)生成液相 的氧化物，其作用是在加速石英轉(zhuǎn)化的同時(shí)不顯著降低制品的耐火度，并能抑制磚坯燒成 時(shí)因膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，防止制品疏松或開裂。
[0004] 目前制作硅磚實(shí)際使用的礦化劑大多是氧化鐵和氧化鈣，它們不僅具有上述特 點(diǎn)，且能保證硅磚具有很好的高溫力學(xué)性能。但是，生產(chǎn)中使用的氧化鐵和氧化鈣分別以細(xì) 粉形式和石灰乳形式加入，前者粒度不夠細(xì)，在硅磚中分散不夠均勻；后者實(shí)際上加入的是 氫氧化鈣，其石灰乳溶液容易絮凝，不易分散，因此作為礦化劑效果較差。
[0005] 2004年英國(guó)曼徹斯頓大學(xué)的Geim和Novoselov通過(guò)膠帶剝離高定向石墨獲得了 獨(dú)立存在的二維石墨?。℅ra_phene，GN)晶體以來(lái)，石墨稀已經(jīng)成為材料科學(xué)領(lǐng)域極受關(guān)注 的研究熱點(diǎn)之一。石墨烯，實(shí)際上就是單原子層的石墨，它擁有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力 學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性能。
[0006] 石墨烯是目前世界上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，至吸 收2. 3%的光，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m?k，高于碳納米管和金剛石。石墨稀是一種由碳原子 構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，具有強(qiáng)度高，比表面積大，高化學(xué)反應(yīng)活性，高填充性的特 點(diǎn)。
[0007] 中國(guó)專利公布號(hào)CN102557684A，公布日2012年7月11日，名稱為焦?fàn)t用硅磚， 所述硅磚包括原料和輔料，以重量配比表示，原料配方中硅石粗粉200-500份，硅石中粉 330-380份，硅石細(xì)粉80-130份，作為熟料粉的殘硅磚80-120份，輔料包括占原料總重量 1. 2%的礦化劑、8%的石灰乳和1%的紙漿，礦化劑由二氧化錳含量多25%的錳粉；氧化亞鐵 含量多65%的鐵磷粉按1:1的比例混合而成；將硅石粗粉、硅石中粉、硅石細(xì)粉和作為熟料 粉的殘硅磚加入濕碾內(nèi)，再加入礦化劑干混4-5分鐘，然后加入石灰乳，碾壓10-15分鐘后， 再加入紙漿，混煉至泥料均勻，碾壓，成型制坯。其不足之處在于，氧化鐵粒度不夠細(xì)，在硅 磚中分散不夠均勻；氧化鈣實(shí)際上加入的是氫氧化鈣，其石灰乳溶液容易絮凝，不易分散， 因此作為礦化劑效果較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于為了解決現(xiàn)有硅磚制作時(shí)氧化鐵粒度不夠細(xì)，在硅磚中分散不 夠均勻；氧化鈣實(shí)際上加入的是氫氧化鈣，其石灰乳溶液容易絮凝，不易分散的缺陷而提供 一種抗熱震性能優(yōu)良，抗熔渣、堿金屬侵蝕性能強(qiáng)，耐沖刷、隔熱保溫性能優(yōu)異、高溫體積穩(wěn) 定性好的高強(qiáng)度輕質(zhì)娃磚。
[0009] 本發(fā)明另一個(gè)目的是為了提供該硅磚的制備方法。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案： 一種高強(qiáng)度輕質(zhì)硅磚，以硅石為主原料，主原料硅石按粒徑分為硅石顆粒、硅石末、硅 石粗粉與硅石細(xì)粉，所述高強(qiáng)度輕質(zhì)硅磚按以下重量百分比組成為：硅石顆粒15-30%、硅 石末13-25%、硅石粗粉10-20%、硅石細(xì)粉6-19%、石墨烯15-25%、復(fù)合礦化劑2-4%、結(jié)合劑 2-5%、氮化硅3-5%與納米碳化硅1-3%。
[0011] 在本技術(shù)方案中，石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，具有強(qiáng) 度高、比表面積大、高化學(xué)反應(yīng)活性、高填充性的特點(diǎn)；在娃磚中加入石墨稀使得娃磚內(nèi) 部接觸更加緊密，從而減小燒成時(shí)因膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，防止制品疏松或開裂；石墨烯的高強(qiáng) 度保證了硅磚的優(yōu)良的力學(xué)性能，同時(shí)可以提升硅磚的抗酸堿腐蝕性能。
[0012] 作為優(yōu)選，硅石顆粒的粒徑為3. 5-5mm，硅石末的粒徑為l-3mm，硅石粗粉的粒徑 為220-400ym，娃石細(xì)粉的粒徑為0? 5-2ym，氮化娃的粒徑為0? 5-1ym。
[0013] 作為優(yōu)選，復(fù)合礦化劑的原料組成中各組分的重量份為：35份花崗石、35份螢石、 15份鉀長(zhǎng)石、20份硅藻泥、2份氮化硼、10份氧化鉺、3份玻璃微珠與5份納米氧化鋅。在本 技術(shù)方案中，玻璃微珠粒度合適，流動(dòng)性好，分散度高，在復(fù)合礦化劑中加入玻璃微珠，可以 在硅磚內(nèi)部高度均勻分散，促進(jìn)燒結(jié)，并使得硅磚具有更均勻的組織結(jié)構(gòu)，提高制品的強(qiáng)度 和抗熱震性能，納米氧化鋅的粒度細(xì)小，可以填充微細(xì)氣孔，降低制品的氣孔率，提高體積 密度。
[0014] 作為優(yōu)選，所述復(fù)合礦化劑是通過(guò)以下步驟制備的：1)將花崗石、螢石、鉀長(zhǎng)石分 別粉碎過(guò)100-300目篩并去除雜質(zhì)；2)將步驟1)的花崗石、螢石、鉀長(zhǎng)石分別在20小時(shí)內(nèi) 煅燒至1150°C冷卻至25°C;3)按配方稱取步驟2)處理后的花崗石、螢石、鉀長(zhǎng)石，加入硅 藻、氧化鉺與氮化硼，采用濕法球磨磨細(xì)工藝磨成漿料，然后過(guò)400-500目篩；4)將步驟3) 的漿料進(jìn)行干燥，干燥溫度220-280°C，干燥至水分含量< 3-5%后噴灑玻璃微珠與納米氧 化鋅，噴灑的同時(shí)并超聲振動(dòng)，超聲功率為100_120kw。
[0015] 作為優(yōu)選，所述結(jié)合劑為海藻提取物，該結(jié)合劑的制備方法如下：1)清洗：海藻原 料用45-50°C的自來(lái)水浸泡2-3小時(shí)，然后清洗干凈； 2) 粉碎、離心：清洗干凈的海藻，真空破碎，加入海藻體積30倍的乙醇與丁二酯溶液浸 泡并煮沸，乙醇與丁二酯的體積比為1: 1，然后離心分離去渣得海藻清液，離心機(jī)的轉(zhuǎn)速為 4000~6000rpm，離心時(shí)間為 15_20min; 3) 納濾：將海藻清液用5-10倍體積的純水稀釋，然后用納濾膜進(jìn)行透析濃縮，海藻 清液透析濃縮至稀釋前體積的〇. 1-0. 2倍得納濾濃縮液，所述納濾膜的截留分子量為 600-700Da； 4)濃縮干燥：納濾濃縮液進(jìn)一步真空濃縮至固形物含量為40-60%，然后在噴霧干燥器 中噴霧干燥得含水量2-3%的粉末狀海藻提取物。
[0016] 在本技術(shù)方案中，海藻提取物作為結(jié)合劑，可以使得硅磚內(nèi)部結(jié)合緊密，而現(xiàn)有工 藝常用的亞硫酸紙漿廢液對(duì)于環(huán)境污染會(huì)比較嚴(yán)重，而海藻提取物則從天然存在的海藻中 提取制得，綠色環(huán)保。
[0017] -種高強(qiáng)度輕質(zhì)硅磚的制備方法，所述制備方法為：各原料按以上配比稱量，經(jīng)混 合、成型、用模壓振動(dòng)成型機(jī)制成磚坯，磚坯在550-650°C下烘烤20-25小時(shí)，然后將烘烤后 的磚坯放入浸漬罐內(nèi)抽真空處理，真空壓力為0. 05-0. 08mpa，保壓40-50分鐘，然后加入浸 漬劑，繼續(xù)保壓3-5小時(shí)，浸漬后的磚坯在1200-1285°C焙燒，保溫時(shí)間75-85小時(shí)。
[0018] 作為優(yōu)選，浸漬劑為熔融態(tài)的石油焦，浸漬劑的加入量為液面超出磚坯上表面 500-700mm〇
[0019] 本發(fā)明的有益效果為： 1) 本發(fā)明的硅磚抗熱震性能優(yōu)良，抗熔渣、堿金屬侵蝕性能強(qiáng)，耐沖刷、隔熱保溫性能 優(yōu)異、高溫體積穩(wěn)定性好的高強(qiáng)度輕質(zhì)娃磚； 2) 在復(fù)合礦化劑中加入玻璃微珠，可以在硅磚內(nèi)部高度均勻分散，促進(jìn)燒結(jié)，并使得硅 磚具有更均勾的組織結(jié)構(gòu)，提尚制品的強(qiáng)度和抗熱震性能； 3) 納米氧化鋅的粒度細(xì)小，可以填充微細(xì)氣孔，降低制品的氣孔率，提高體積密度； 4) 石墨烯使得硅磚內(nèi)部接觸更加緊密，從而減小燒成時(shí)因膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，防止制品 疏松或開裂； 5) 石墨烯的高強(qiáng)度保證了硅磚的優(yōu)良的力學(xué)性能，同時(shí)可以提升硅磚的抗酸堿腐蝕性 能； 6 )本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，原料豐富，適合工廠化生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋，并非對(duì)其保護(hù)范圍的限制。
[0021] 本發(fā)明采用的硅石顆粒、硅石末、硅石粗粉、硅石細(xì)粉中的二氧化硅含量多97wt%， 娃石顆粒的粒徑為3. 5-5mm，娃石末的粒徑為l-3mm，娃石粗粉的粒徑為220-400ym，娃石 細(xì)粉的粒徑為〇? 5-2ym，氮化硅的粒徑為0? 5-1ym。
[0022] 本發(fā)明中，若非特指，所采用的原料均可從市場(chǎng)購(gòu)得或是本領(lǐng)域常用的，下述實(shí)施 例中的方法，如無(wú)特別說(shuō)明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。
[0023] 實(shí)施例1 一種高強(qiáng)度輕質(zhì)硅磚，以硅石為主原料，主原料硅石按粒徑分為硅石顆粒、硅石末、硅 石粗粉與硅石細(xì)粉，所述高強(qiáng)度輕質(zhì)硅磚按以下重量百分比組成為：硅石顆粒15%、硅石末 25%、硅石粗粉20%、硅石細(xì)粉6%、石墨烯25%、復(fù)合礦化劑3%、結(jié)合劑2%、氮化硅3%與納米碳 化硅1%。
[0024] 復(fù)合礦化劑的原料組成中各組分的重量份為：35份花崗石、35份螢石、15份鉀長(zhǎng) 石、20份硅藻泥、2份氮化硼、10份氧化鉺、3份玻璃微珠與5份納米氧化鋅。復(fù)合礦化劑 是通過(guò)以下步驟制備的：1)將花崗石、螢石、鉀長(zhǎng)石分別粉碎過(guò)100-300目篩并去除雜質(zhì)； 2)將步驟1)的花崗石、螢石、鉀長(zhǎng)石分別在20小時(shí)內(nèi)煅燒至1150°C冷卻至25°C;3)按配 方稱取步驟2)處理后的花崗石、螢石、鉀長(zhǎng)石，加入硅藻、氧化鉺與氮化硼，采用濕法球磨磨 細(xì)工藝磨成漿料，然后過(guò)400-500目篩；4)將步驟3)的漿料進(jìn)行干燥，干燥溫度220°C，干 燥至水分含量< 3-5%后噴灑玻璃微珠與納米氧化鋅，噴灑的同時(shí)并超聲振動(dòng)，超聲功率為 100kw〇
[0025] 結(jié)合劑為海藻提取物，該結(jié)合劑的制備方法如下：1)清洗：海藻原料用45°C的自 來(lái)水浸泡2小時(shí)，然后清洗干凈； 2) 粉碎、離心：清洗干凈的海藻，真空破碎，加入海藻體積30倍的乙醇與丁二酯溶