一種輕量耐火材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輕量耐火材料的制備方法，制備的輕量耐火材料在保持低導(dǎo)熱率的情況下，提高了其高溫使用性能。制法是選取鎂砂和碳作為反應(yīng)原料，壓制好的試樣至于氣氛燒結(jié)爐中，對可控氣氛爐抽真空，然后充入Ar作為保護(hù)，將爐體加熱一定溫度并通入O2，鎂砂和碳發(fā)生碳熱還原反應(yīng)，生成Mg蒸汽，Mg蒸汽擴(kuò)散與通入的O2反應(yīng)，通過生成氧化鎂或尖晶石等高溫耐火相使試樣基質(zhì)部分產(chǎn)生結(jié)合。形成基質(zhì)部分的密度梯度和結(jié)合強(qiáng)度梯度。使制備的輕量耐火材料外部致密，內(nèi)部多孔，能很好地兼顧低導(dǎo)熱和抗侵滲性能。該方法具有燒成溫度較低、試樣氣孔率、體積密度可調(diào)，耐壓強(qiáng)度和荷重軟化溫度高的特點。
【專利說明】
_種輕量耐火材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及耐火材料生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種輕量耐火材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高溫窯爐工作襯用耐火材料一般由致密骨料和基質(zhì)組成(熔鑄耐火材料除外），骨 料相對致密，而基質(zhì)較為疏松;通常侵蝕和損毀首先從基質(zhì)開始，無論骨料是否損毀都會因 變質(zhì)層熱物理性能變化產(chǎn)生剝落等而損毀，故重質(zhì)骨料適當(dāng)輕量化應(yīng)該不會大幅度降低耐 火材料的強(qiáng)度和抗介質(zhì)侵蝕性能。為此在耐火材料界提出輕量耐火材料的概念，以區(qū)別于 輕質(zhì)耐火材料和重質(zhì)耐火材料，通過引入具有較高氣孔率(尤其是閉氣孔率)骨料代替致密 骨料，制備致密度高于輕質(zhì)而低于重質(zhì)耐火材料的一類耐火材料用于熱工窯爐工作襯，意 在不太影響耐火材料高溫使用性能的前提下，達(dá)到保溫隔熱，節(jié)能降耗的目的，這一類耐火 材料叫做輕量耐火材料。目前，關(guān)于輕量耐火材料的制備方法主要分為兩大類，現(xiàn)綜合評述 如下：
[0003] (1)燒成輕量耐火材料的制備。一般采用粉末冶金的制備方法，也就是通過在配料 中引入輕量骨料，按著一定的顆粒級配與細(xì)粉混合，經(jīng)成型、干燥、燒成、冷卻得到產(chǎn)品。
[0004] (2)不燒輕量耐火材料，一般是在配料中引入輕量骨料，通過混合、澆注(或搗打、 或壓制)成型，經(jīng)養(yǎng)護(hù)(或烘烤)得到產(chǎn)品。
[0005] 上述兩類方法由于多孔骨料的引入使得作為工作襯的輕量耐火材料體積密度降 低，導(dǎo)熱率降低，熱工設(shè)備的表面溫度降低，熱散失降低，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。但已有研 究表明這類輕量耐火材料作為工作襯與重質(zhì)耐火材料相比抗?jié)B透性能降低，影響其使用。
[0006] 總之，通過引入輕量骨料可以達(dá)到降低耐火材料體積密度和導(dǎo)熱率，但同時導(dǎo)致 抗工作介質(zhì)浸滲能力降低，影響使用性能。也就是現(xiàn)有技術(shù)還未能很好地兼顧低導(dǎo)熱和抗 浸滲性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述【背景技術(shù)】所存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種輕量耐火 材料的制備新方法。通過氧化鎂碳熱還原輸運(yùn)氧化結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)法制備具有梯度密度輕量 耐火材料，以解決高抗侵蝕性能和低導(dǎo)熱率之間的矛盾。使制備的輕量耐火材料在保持輕 量耐火材料低導(dǎo)熱率的情況下，提高其抗侵蝕性能和高溫使用性能。
[0008] 為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：
[0009] -種輕量耐火材料的制備方法，其特征在于，包括下列步驟：
[0010] 步驟一，選取鎂砂和碳作為反應(yīng)原料，將原料破碎到0.088~1mm，按照MgO和C摩爾 比1:1混合均勻，作為耐火材料配料中細(xì)粉部分的一部分；
[0011]步驟二，將耐火材料原料按著一定的顆粒級配進(jìn)行配料，骨料部分是輕量骨料或 者是致密骨料，骨料部分與細(xì)粉部分的比例為50~80:20~50之間，其中細(xì)粉部分包含步驟 一混合好的MgO和C粉體，所述的MgO和C粉體占細(xì)粉部分的20%~70 % ;細(xì)粉部分需要共混 30分鐘至90分鐘；
[0012] 步驟三，按著先加入骨料部分混合2~5分鐘，再加入酚醛樹脂稀釋液混合3~5分 鐘，再加入細(xì)粉部分，混合5~20分鐘，在混合機(jī)中混合時間總計在20~30分鐘;混合后的物 料置于密閉容器或塑料袋中睏料2小時至6小時；
[0013] 步驟四，經(jīng)睏料后的物料采用半干法成型，壓制成一定形狀；
[0014]步驟五，將成型好的試樣自然涼曬半天至1天，然后在干燥設(shè)備中，采用階段升溫 和保溫方式進(jìn)行干燥，最后在ll〇°C保溫6小時到24小時；
[0015] 步驟六，干燥后成型試樣燒成在可控氣氛爐中進(jìn)行，首先對可控氣氛爐抽真空，然 后充入Ar作為保護(hù)氣體，將爐體加熱至1450°C~1650Γ，到達(dá)該溫度范圍內(nèi)即可進(jìn)行保溫， 并通入〇2，控制通入〇2流速，保證碳熱還原反應(yīng)生成的Mg蒸汽反應(yīng)完全，成型試樣通過反應(yīng) 燒結(jié)，獲得具有較低體積密度和較高強(qiáng)度的輕量耐火材料。
[0016] 采用本發(fā)明制備的輕量耐火材料，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
[0017] (1)由于采用氧化鎂碳熱還原輸運(yùn)氧化實現(xiàn)試樣的造孔和反應(yīng)燒結(jié)，為此可以通 過調(diào)整氧化鎂和碳質(zhì)材料的加入量、加入粒度和比例，方便地調(diào)節(jié)制品的體積密度、氣孔率 和氣孔分布，從而控制保溫隔熱性能。
[0018] (2)由于采用氧化鎂碳熱還原輸運(yùn)氧化結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)，使得試樣基質(zhì)部分有很好 的結(jié)合，使得輕量耐火材料強(qiáng)度較高，甚至高于同材質(zhì)其他制備方法的重質(zhì)耐火材料。
[0019] (3)由于將氧化鎂碳熱還原輸運(yùn)氧化法制備氧化鎂與化學(xué)氣相浸滲基本理論進(jìn)行 嫁接，在鎂蒸汽與氧氣在多孔基質(zhì)中發(fā)生反應(yīng)時，存在物質(zhì)傳輸和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)之間的 矛盾，使得試樣外部反應(yīng)產(chǎn)物較多，而內(nèi)部產(chǎn)物較少，從而形成基質(zhì)部分的密度梯度和結(jié)合 強(qiáng)度梯度。能夠在保持輕量耐火材料低導(dǎo)熱率的情況下，使材料具有較高強(qiáng)度和高溫使用 性能，。
[0020] (4)由于鎂蒸汽氧化是一個強(qiáng)放熱反應(yīng)，通過反應(yīng)燒結(jié)可以使制品燒成溫度降低。
【具體實施方式】
[0021] 本發(fā)明的方法，可用于制備剛玉-尖晶石輕量耐火材料、尖晶石輕量耐火材料、鎂 鈣質(zhì)輕量耐火材料和氧化鎂質(zhì)輕量耐火材料。
[0022] 本發(fā)明提出如下兩條解決措施：（1)在引入輕量骨料的同時，通過強(qiáng)化耐火材料基 質(zhì)部分提高耐火材料的高溫使用性能；（2)通過制備具有梯度密度耐火材料工作襯解決高 抗侵蝕性能和低導(dǎo)熱率之間的矛盾。為此將氧化鎂碳熱還原輸運(yùn)氧化法制備氧化鎂技術(shù)與 化學(xué)氣相浸滲基本理論進(jìn)行嫁接，能夠在保持輕量耐火材料低導(dǎo)熱率的情況下，提高其抗 侵蝕性能和高溫使用性能。
[0023] 氧化鎂碳熱還原輸運(yùn)氧化結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)法制備輕量耐火材料的基本原理是:在耐 火材料配料時，在細(xì)粉部分引入氧化鎂細(xì)粉和石墨細(xì)粉(炭黑、焦炭等碳質(zhì)材料細(xì)粉均可）， 高溫下試樣中氧化鎂與石墨發(fā)生碳熱還原反應(yīng)生成鎂蒸汽Mg(g)和一氧化碳C0(g)，在試樣 內(nèi)部形成氣孔，鎂蒸汽向外擴(kuò)散與試樣外向內(nèi)擴(kuò)散的氧氣發(fā)生放熱反應(yīng)生成氧化鎂(氧化 鎂也可以與其他成分反應(yīng)生成高溫相）。在鎂蒸汽與氧氣在多孔基質(zhì)中發(fā)生反應(yīng)時，存在物 質(zhì)傳輸和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)之間的矛盾，使得試樣外部反應(yīng)產(chǎn)物較多，而內(nèi)部產(chǎn)物較少，從而 形成基質(zhì)部分的密度梯度和結(jié)合強(qiáng)度梯度。該方法可用于制備剛玉-尖晶石輕量耐火材料、 尖晶石輕量耐火材料、氧化鎂-氧化鈣質(zhì)輕量耐火材料以及氧化鎂質(zhì)輕量耐火材料。
[0024]本實施例給出一種輕量耐火材料的制備方法，包括下列步驟：
[0025] 步驟一，選取鎂砂和碳作為反應(yīng)原料，將原料磨細(xì)到0.088mm以下，按照MgO和C摩 爾比1:1混合均勻，作為耐火材料配料中細(xì)粉部分的一部分。
[0026]步驟二，將耐火材料原料按著一定的顆粒級配進(jìn)行配料。骨料部分可以是輕量骨 料，也可以是致密骨料。一般骨料與細(xì)粉部分的比例在50~80: 20~50之間，其中細(xì)粉部分 包含步驟一混合好的MgO和C粉體，根據(jù)制品要求，所述MgO和C粉體占細(xì)粉部分的20 %~ 70%。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量均勻性，細(xì)粉部分需要共混30分鐘至90分鐘，以便各組分混合均 勻。
[0027] 步驟三，按著先加入骨料部分混合2~5分鐘，再加入酚醛樹脂稀釋液混合3~5分 鐘，再加入細(xì)粉部分，混合5~20分鐘，在混合機(jī)中混合時間總計在20~30分鐘。混合后置于 密閉容器或塑料袋中睏料2小時至6小時，使結(jié)合劑分布更加均勻，易于成型。
[0028] 步驟四，將混合好的物料采用半干法成型，壓制成一定形狀，根據(jù)型坯的尺寸，采 用不同噸位的壓機(jī)。
[0029] 步驟五，將成型好的試樣自然涼曬半天至1天，然后在干燥設(shè)備中，采用階段升溫 和保溫方式進(jìn)行干燥，最后在1 l〇°C保溫6到24小時。
[0030] 步驟六，試樣燒成在可控氣氛爐中進(jìn)行，首先對可控氣氛爐抽真空，然后充入Ar作 為保護(hù)氣體，將爐體加熱至1450°C~1650°C，到達(dá)該溫度范圍內(nèi)即進(jìn)行保溫，并通入02,控 制通入〇2流速，保證碳熱還原反應(yīng)生成的Mg蒸汽反應(yīng)完全，試樣通過反應(yīng)燒結(jié)，獲得具有較 低體積密度和較高強(qiáng)度的輕量耐火材料。
[0031] 所述的鎂砂為燒結(jié)鎂砂或電熔鎂砂;所述的碳為炭黑，石墨，焦炭，煤粉，廢石墨電 極或者冶金過程中不可利用的細(xì)焦炭顆粒。
[0032] 本發(fā)明制備的輕量耐火材料具有體積密度較低，耐壓強(qiáng)度較高的特點，可望在保 證保溫隔熱性能的同時，具有較好的抗介質(zhì)侵蝕性能。
[0033]以下是發(fā)明人給出的本發(fā)明的最優(yōu)實施例，本發(fā)明不限于這些實施例，經(jīng)
【申請人】 的實驗證明，在本發(fā)明給出的范圍內(nèi)，均能夠制備出輕量耐火材料。
[0034] 實施例1:
[0035] 將180目鎂砂與180目石墨，按MgO和C摩爾比1:1混合均勻。分別以1~3mm的板狀剛 玉和0.1~1mm的板狀顆粒為粗顆粒和中顆粒。以鎂砂細(xì)粉、石墨細(xì)粉和氧化鋁微粉為基質(zhì) 部分配料，粗顆粒：中顆粒:細(xì)粉比例為40:20:40。其中細(xì)粉部分氧化鋁微粉和氧化鎂與石 墨混合粉的比例為2:1。以酚醛樹脂乙二醇溶液作為結(jié)合劑，加入量為配料總重量的8%，配 料經(jīng)充分混合后，置于密閉容器或塑料袋中睏料2小時，經(jīng)睏料后的物料采用半干法在液壓 機(jī)上成型，成型壓力150MPa，成型好的試樣自然涼曬半天至1天，然后在干燥設(shè)備中，采用階 段升溫和保溫方式進(jìn)行干燥，最后在ll〇°C保溫6小時；干燥后成型試樣在可控氣氛爐中燒 成，將成型試樣放入可控氣氛爐內(nèi)，抽真空后充Ar保護(hù)，加熱至1450°C時開始保溫，并通入 〇2，02流速為250L/h，保溫4小時，得到剛玉-尖晶石輕量耐火材料。性能見表1。
[0036]表1:剛玉-尖晶石輕量耐火材料的性能
[0037]
[0038] 實施例2:
[0039] 將180目鎂砂與180目石墨，按MgO和C摩爾比1:1混合均勻。分別以1~3謹(jǐn)和0 · 1~ 1_的輕量尖晶石顆粒為粗顆粒和中顆粒。以鎂砂細(xì)粉、石墨細(xì)粉和氧化鋁微粉為基質(zhì)部分 配料，粗顆粒：中顆粒:細(xì)粉比例為40 :20:40。其中細(xì)粉部分氧化鋁微粉和氧化鎂與石墨混 合粉的比例為2:1。以酚醛樹脂乙二醇溶液作為結(jié)合劑，加入量為配料總重量的8%，配料經(jīng) 充分混合后，置于密閉容器或塑料袋中睏料4小時;在液壓機(jī)上成型，成型壓力150MPa，成型 好的試樣自然涼曬半天至1天，然后在干燥設(shè)備中，采用階段升溫和保溫方式進(jìn)行干燥，最 后在110°C保溫12小時;干燥后成型試樣在可控氣氛爐中燒成，將成型試樣放入可控氣氛爐 內(nèi)，抽真空后充Ar保護(hù)，加熱至1500°C時開始保溫，并通入02，02流速為250L/h，保溫4小時， 得到尖晶石輕量耐火材料。性能見表2。
[0040] 表2:尖晶石輕量耐火材料的性能
[0041]
[0042] 實施例3:
[0043] 將180目鎂砂與180目石墨，按MgO和C摩爾比1:1混合均勻。分別以1~3謹(jǐn)和0 · 1~ 1mm的CaO含量56 %的鎂鈣砂顆粒為粗顆粒和中顆粒。以鎂砂細(xì)粉、石墨細(xì)粉和鎂鈣砂細(xì)粉 為基質(zhì)部分配料，粗顆粒：中顆粒:細(xì)粉比例為40:20:40。其中細(xì)粉部分鎂鈣砂細(xì)粉和氧化 鎂與石墨混合粉的比例為2:1。以石蠟作為結(jié)合劑，加入量為配料總重量的8%，配料經(jīng)充分 混合后，置于密閉容器或塑料袋中睏料6小時；經(jīng)睏料后的物料采用半干法在液壓機(jī)上成 型，成型壓力150MPa，成型好的試樣自然涼曬半天至1天，然后在干燥設(shè)備中，采用階段升溫 和保溫方式進(jìn)行干燥，最后在ll〇°C保溫12小時;干燥后成型試樣在可控氣氛爐中燒成，將 成型試樣放入可控氣氛爐內(nèi)，抽真空后充Ar保護(hù)，加熱至1600 °C時開始保溫，并通入〇2，〇2流 速為250L/h，保溫4小時，得到鎂鈣質(zhì)輕量耐火材料。性能見表3。
[0044]表3:氧化鎂-氧化鈣質(zhì)輕量耐火材料的性能
[0045]
【主權(quán)項】
1. 一種輕量耐火材料的制備方法，其特征在于，包括下列步驟： 步驟一，選取鎂砂和碳作為反應(yīng)原料，將原料破碎到0.088~1mm，按照MgO和C摩爾比1: 1混合均勻，作為耐火材料配料中細(xì)粉部分的一部分； 步驟二，將耐火材料原料按著一定的顆粒級配進(jìn)行配料，骨料部分是輕量骨料或者是 致密骨料，骨料部分與細(xì)粉部分的比例為50~80: 20~50之間，其中細(xì)粉部分包含步驟一混 合好的MgO和C粉體，所述的MgO和C粉體占細(xì)粉部分的20%~70% ;細(xì)粉部分需要共混30分 鐘至90分鐘； 步驟三，按著先加入骨料部分混合2~5分鐘，再加入酚醛樹脂稀釋液混合3~5分鐘，再 加入細(xì)粉部分，混合5~20分鐘，在混合機(jī)中混合時間總計在20~30分鐘；混合后的物料置 于密閉容器或塑料袋中睏料2小時至6小時； 步驟四，經(jīng)睏料后的物料采用半干法成型，壓制成一定形狀； 步驟五，將成型好的試樣自然涼曬半天至1天，然后在干燥設(shè)備中，采用階段升溫和保 溫方式進(jìn)行干燥，最后在1 l〇°C保溫6小時到24小時； 步驟六，干燥后成型試樣燒成在可控氣氛爐中進(jìn)行，首先對可控氣氛爐抽真空，然后充 入Ar作為保護(hù)氣體，將爐體加熱至1450Γ~1650°C，到達(dá)該溫度范圍內(nèi)即可進(jìn)行保溫，并通 入02，控制通入0 2流速，保證碳熱還原反應(yīng)生成的Mg蒸汽反應(yīng)完全，成型試樣通過反應(yīng)燒結(jié)， 獲得具有較低體積密度和較高強(qiáng)度的輕量耐火材料。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鎂砂為燒結(jié)鎂砂或者電熔鎂砂。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳為炭黑、石墨、焦炭、煤粉、廢石墨電 極或者冶金過程中不可利用的細(xì)焦炭顆粒。4. 權(quán)利要求1至3其中之一制備的輕量耐火材料。5. 如權(quán)利要求3所述的輕量耐火材料，其特征在于，所述的輕量耐火材料外部反應(yīng)產(chǎn)物 較多，而內(nèi)部產(chǎn)物較少，從而形成基質(zhì)部分的密度梯度和結(jié)合強(qiáng)度梯度;能夠在保持輕量耐 火材料低導(dǎo)熱率的情況下，使材料具有較高強(qiáng)度和高溫使用性能。
【文檔編號】C04B38/00GK105837243SQ201610172542
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】尹洪峰, 辛亞樓, 高魁, 袁蝴蝶
【申請人】西安建筑科技大學(xué)