一种轻量莫来石质耐火材料及其制备方法与流程

1.本发明属于莫来石质耐火材料技术领域。尤其涉及一种轻量莫来石质耐火材料及其制备方法。


背景技术：

2.粉煤灰是煤经过燃烧后通过各种手段捕捉下来的细灰，是燃煤发电厂排出的主要固体废物。近年来，由于电力工业的高速发展使燃煤发电厂的粉煤灰排放量逐年提高。粉煤灰若不经处理，一方面会造成空气中悬浮颗粒物的增多，导致空气质量的下降；另一方面，粉煤灰中含有的一些有毒物质可能会进入河流中，污染水源。因此，加强粉煤灰的利用已成为当务之急。
3.目前，粉煤灰主要用于生产粉煤灰水泥、粉煤灰砖、粉煤灰硅酸盐砌块、粉煤灰加气混凝土及其他建筑材料，还可用作农业肥料和土壤改良剂，回收工业原料和用作环境材料。由于粉煤灰中主要组成为氧化铝和氧化硅，粉煤灰也可作为制备铝硅系耐火材料的原料，尤其是制备莫来石质耐火材料的原料。粉煤灰在耐火材料领域主要用于制备轻质莫来石质耐火材料。
[0004]“一种粉煤灰轻质高温莫来石耐火砖”(cn103183517a)专利技术，该技术的原料配比为：粉煤灰40％～50％、粘土25％～35％、铝粉10％～20％、煤矸石7％～8％、聚苯乙烯1％～2％、锯末0.5％～1.5％，所制备的莫来石耐火砖虽节能，保温效率高，但该技术采用10％～20％的铝粉，成本高且生产过程中存在一定的安全隐患。
[0005]“一种低成本多孔莫来石保温材料的制备方法”(cn103253959a)专利技术，该技术选择粉煤灰为主要原料，经预处理、混料、发泡、注浆、脱模干燥及烧结工艺，所得的多孔莫来石保温材料的孔隙率为85～93％，导热系数为0.05～0.10w/(m
·
k)，但工艺复杂且其抗压强度仅为1.0～3.0mpa。
[0006]“一种利用高铝粉煤灰制备莫来石质轻质耐火材料的方法”(cn103964866a)专利技术，该技术以高铝粉煤灰为原料，最高用量达到60％，通过振动浇注成型、养护、干燥、烧成等工艺制备莫来石质轻质耐火材料；该技术制备的轻质耐火材料虽莫来石含量高和导热系数≤0.7w/(m
·
k)，但其耐压强度最高仅为35.6mpa，且限定粉煤灰中氧化铝含量≥40％。
[0007]
公开了“一种利用高铝粉煤灰制备莫来石相复相材料的方法”(cn104609842a)专利技术，其实施例中耐压强度范围仅为3.25～43.91mpa，所选用粉煤灰中氧化铝含量为45.01wt％。
[0008]“一种高强度轻质耐火材料及其制备方法”(cn106365655a)专利技术，该技术采用粉煤灰、氧化铝、碳酸钙、碳酸镁、碳酸钠、氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化铋和成孔剂作为原料，所制得的轻质耐火材料虽然常温耐压强度高达250mpa，但其物相复杂，使用的氧化钛、氧化锆及氧化铋原料价格昂贵，并且原料中的碳酸钠、氧化锌及成孔剂中的蛭石和明矾等熔点均不高，很可能会损害轻质耐火材料的高温性能。
[0009]
粉煤灰作为非主要原料也可以用于制备传统重质莫来石耐火材料，如公开了“一
种高强度莫来石耐火砖”(cn109400190a)专利技术，采用莫来石颗粒、二氧化硅粉末、高岭土和粉煤灰等为原料，粉煤灰用量折算为3.8～9.2wt％；所制得的莫来石耐火砖的耐腐蚀性能和耐火性能较好，且强度较高。但是，和轻质莫来石耐火材料相比，其导热系数要高得多，不利于高温工业的节能。


技术实现要素：

[0010]
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种能大量利用粉煤灰制备轻量莫来石质耐火材料的方法，所制备的轻量莫来石质耐火材料导热系数低和强度高，能够替代传统重质莫来石耐火材料和能满足高温工业节能的需要。
[0011]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0012]
(1)所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量是：
[0013][0014]
(2)所述轻量莫来石质耐火材料的制备方法包括以下步骤：
[0015]
①
按所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量进行配料，先将所述粉煤灰、所述磁铁矿粉和所述铝锆复合溶胶共混，混合5～15min，制成混合料a。再将所述三级生矾土细粉、所述α
‑
al2o3微粉和所述la2o3细粉加入到所述混合料a中，继续混合15～20min，得到混合料b。然后将所述混合料b困料12～24小时，于60～100mpa条件下压制成型，得到素坯。
[0016]
②
将所述素坯在100～120℃条件下干燥12～24h；在磁感应强度为1～10mt的条件下，先以4～6℃/min的速率由室温升温至1000℃，再以1.5～2.5℃/min的速率升温至1400℃～1600℃，保温3～5h，自然冷却，切磨，制得轻量莫来石质耐火材料。
[0017]
所述粉煤灰的al2o3含量大于30wt％；所述粉煤灰的粒度小于150μm。
[0018]
所述三级生矾土细粉的al2o3含量大于56wt％；三级生矾土细粉的粒度小于95μm。
[0019]
所述α
‑
al2o3微粉的纯度为99.3wt％；α
‑
al2o3微粉的粒度小于10μm。
[0020]
所述铝锆复合溶胶中：zro2含量大于5wt％；al2o3含量大于10wt％。
[0021]
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
[0022]
(1)本发明能充分发挥粉煤灰比重小、粒度细(小于150μm范围)以及含有一定量的空心玻璃微珠等特点，所制备的轻量莫来石质耐火材料气孔率高、导热系数低并且平均孔径为2～10μm。
[0023]
(2)粉煤灰为煤炭高温燃烧的产物，活性较差，且粉煤灰粒子间结合性较差，直接大量应用粉煤灰制备耐火材料难以获得高的强度。本发明通过引入3～12wt％的三级生矾土细粉，大大提高了素坯的塑形，有利于获得高密度素坯，也为后续烧结过程中的传质打下良好基础。粉煤灰、三级生矾土细粉以及α
‑
al2o3微粉几乎均没有磁性，即使外加磁场其作用
也较弱；本发明通过预混工艺，均匀地引入0.4～1.5wt磁铁矿粉，有利于提高体系与磁场的相互作用；在洛伦兹力作用下，轻量莫来石质耐火材料内部的传质进一步加快，配合合适的升温速率有利于在轻量莫来石质耐火材料内部形成柱状莫来石，从而显著提高轻量莫来石质耐火材料的强度。
[0024]
(3)粉煤灰中原本含有一定量玻璃相，高温下玻璃相转化成液相，液相的促烧结作用有利于提高轻量莫来石质耐火材料的强度；但是，过量的液相会对轻量莫来石质耐火材料的高温性能产生负面影响。本发明引入0.2～1wt的la2o3细粉，在高温烧结过程中la
3
融入高温液相中，在不影响液相促烧结作用的同时降低液相的粘度，从而确保轻量莫来石质耐火材料具有良好的耐高温性能。
[0025]
(4)本发明中粉煤灰的用量为原料的60～72wt％，能大大降低粉煤灰对于生态环境所造成的压力，所制得轻量莫来石质耐火材料性能优良，完全可以提高替代传统重质莫来石耐火材料，不仅满足高温工业节能的需要，而且大大提高了粉煤灰的附加值。
[0026]
本发明所制备的轻量莫来石质耐火材料经检测：体积密度为1.71～2.09g/cm3；显气孔率为27.6～41.5％；平均孔径在2
‑
9μm之内；常温耐压强度为101.3～178.5mpa；1000℃时的导热系数在0.450～0.732(w/(m
·
k))。
[0027]
因此，本发明所制备的轻量莫来石质耐火材料具有粉煤灰利用率高、气孔率较高、平均孔径小、强度较高且导热系数低的特点；能够替代传统重质莫来石耐火材料和满足高温工业节能的需要。
具体实施方式
[0028]
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
[0029]
一种轻量莫来石质耐火材料及其制备方法。本具体实施方式所述制备方法是：
[0030]
(1)所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量是：
[0031][0032]
(2)所述轻量莫来石质耐火材料的制备方法包括以下步骤：
[0033]
①
按所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量进行配料，先将所述粉煤灰、所述磁铁矿粉和所述铝锆复合溶胶共混，混合5～15min，制成混合料a。再将所述三级生矾土细粉、所述α
‑
al2o3微粉和所述la2o3细粉加入到所述混合料a中，继续混合15～20min，得到混合料b。然后将所述混合料b困料12～24小时，于60～100mpa条件下压制成型，得到素坯。
[0034]
②
将所述素坯在100～120℃条件下干燥12～24h；在磁感应强度为1～10mt的条件下，先以4～6℃/min的速率由室温升温至1000℃，再以1.5～2.5℃/min的速率升温至1400℃～1600℃，保温3～5h，自然冷却，切磨，制得轻量莫来石质耐火材料。
[0035]
本具体实施方式中：
[0036]
所述粉煤灰的al2o3含量大于30wt％；所述粉煤灰的粒度小于150μm；
[0037]
所述三级生矾土细粉的al2o3含量大于56wt％；三级生矾土细粉的粒度小于95μm；
[0038]
所述α
‑
al2o3微粉的纯度为99.3wt％；α
‑
al2o3微粉的粒度小于10μm；
[0039]
所述铝锆复合溶胶中：zro2含量大于5wt％；al2o3含量大于10wt％。
[0040]
实施例中不再赘述。
[0041]
实施例1
[0042]
一种轻量莫来石质耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
[0043]
(1)所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量是：
[0044][0045][0046]
(2)所述轻量莫来石质耐火材料的制备方法包括以下步骤：
[0047]
①
按所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量进行配料，先将所述粉煤灰、所述磁铁矿粉和所述铝锆复合溶胶共混，混合5min，制成混合料a。再将所述三级生矾土细粉、所述α
‑
al2o3微粉和所述la2o3细粉加入到所述混合料a中，继续混合15min，得到混合料b。然后将所述混合料b困料12小时，于70mpa条件下压制成型，得到素坯。
[0048]
②
将所述素坯在100℃条件下干燥12h；在磁感应强度为1mt的条件下，先以4℃/min的速率由室温升温至1000℃，再以1.5℃/min的速率升温至1400℃℃，保温3h，自然冷却，切磨，制得轻量莫来石质耐火材料。
[0049]
本实施例制备的轻量莫来石质耐火材料经检测：体积密度为1.75g/cm3；显气孔率为40.1％；平均孔径为4.45μm；常温耐压强度为121.7mpa；1000℃时的导热系数为0.569(w/(m
·
k))。
[0050]
实施例2
[0051]
一种轻量莫来石质耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
[0052]
(1)所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量是：
[0053][0054]
(2)所述轻量莫来石质耐火材料的制备方法包括以下步骤：
[0055]
①
按所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量进行配料，先将所述粉煤灰、所述磁铁矿粉和所述铝锆复合溶胶共混，混合8min，制成混合料a。再将所述三级生矾土细粉、所述α
‑
al2o3微粉和所述la2o3细粉加入到所述混合料a中，继续混合16min，得到混合料b。然后将所述混合料b困料15小时，于80mpa条件下压制成型，得到素坯。
[0056]
②
将所述素坯在110℃条件下干燥15h；在磁感应强度为5mt的条件下，先以5℃/min的速率由室温升温至1000℃，再以2℃/min的速率升温至1500℃，保温4h，自然冷却，切磨，制得轻量莫来石质耐火材料。
[0057]
本实施例制备的轻量莫来石质耐火材料经检测：体积密度为1.87g/cm3；显气孔率为38.4％；平均孔径为4.49μm；常温耐压强度为156.5mpa；1000℃时的导热系数为0.618(w/(m
·
k))。
[0058]
实施例3
[0059]
一种轻量莫来石质耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
[0060]
(1)所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量是：
[0061][0062]
(2)所述轻量莫来石质耐火材料的制备方法包括以下步骤：
[0063]
①
按所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量进行配料，先将所述粉煤灰、所述磁铁矿粉和所述铝锆复合溶胶共混，混合10min，制成混合料a。再将所述三级生矾土细粉、所述α
‑
al2o3微粉和所述la2o3细粉加入到所述混合料a中，继续混合18min，得到混合料b。然后将所述混合料b困料19小时，于100mpa条件下压制成型，得到素坯。
[0064]
②
将所述素坯在120℃条件下干燥18h；在磁感应强度为10mt的条件下，先以6℃/min的速率由室温升温至1000℃，再以2.5℃/min的速率升温至1600℃，保温5h，自然冷却，切磨，制得轻量莫来石质耐火材料。
[0065]
本实施例制备的轻量莫来石质耐火材料经检测：体积密度为2.09g/cm3；显气孔率为27.6％；平均孔径为8.24μm；常温耐压强度为178.5mpa；1000℃时的导热系数为0.732(w/(m
·
k))。
[0066]
实施例4
[0067]
一种轻量莫来石质耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
[0068]
(1)所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量是：
[0069][0070]
(2)所述轻量莫来石质耐火材料的制备方法包括以下步骤：
[0071]
①
按所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量进行配料，先将所述粉煤灰、所述磁铁矿粉和所述铝锆复合溶胶共混，混合13min，制成混合料a。再将所述三级生矾土细粉、所述α
‑
al2o3微粉和所述la2o3细粉加入到所述混合料a中，继续混合19min，得到混合料b。然后将所述混合料b困料22小时，于90mpa条件下压制成型，得到素坯。
[0072]
②
将所述素坯在110℃条件下干燥21h；在磁感应强度为8mt的条件下，先以5℃/min的速率由室温升温至1000℃，再以2℃/min的速率升温至1500℃，保温4h，自然冷却，切磨，制得轻量莫来石质耐火材料。
[0073]
本实施例制备的轻量莫来石质耐火材料经检测：体积密度为1.82g/cm3；显气孔率为35.5％；平均孔径为5.41μm；常温耐压强度为136.4mpa；1000℃时的导热系数为0.676(w/(m
·
k))。
[0074]
实施例5
[0075]
一种轻量莫来石质耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
[0076]
(1)所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量是：
[0077][0078]
(2)所述轻量莫来石质耐火材料的制备方法包括以下步骤：
[0079]
①
按所述轻量莫来石质耐火材料的原料及其含量进行配料，先将所述粉煤灰、所述磁铁矿粉和所述铝锆复合溶胶共混，混合15min，制成混合料a。再将所述三级生矾土细粉、所述α
‑
al2o3微粉和所述la2o3细粉加入到所述混合料a中，继续混合20min，得到混合料b。然后将所述混合料b困料24小时，于60mpa条件下压制成型，得到素坯。
[0080]
②
将所述素坯在100℃条件下干燥24h；在磁感应强度为3mt的条件下，先以4℃/min的速率由室温升温至1000℃，再以1.5℃/min的速率升温至1400℃，保温3h，自然冷却，切磨，制得轻量莫来石质耐火材料。
[0081]
本实施例制备的轻量莫来石质耐火材料经检测：体积密度为1.71g/cm3；显气孔率为41.5％；平均孔径为2.04μm；常温耐压强度为101.3mpa；1000℃时的导热系数为0.450(w/
(m
·
k))。
[0082]
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
[0083]
(1)本具体实施方式能充分发挥粉煤灰比重小、粒度细(小于150μm范围)以及含有一定量的空心玻璃微珠等特点，所制备的轻量莫来石质耐火材料气孔率高、导热系数低并且平均孔径为2～10μm。
[0084]
(2)粉煤灰为煤炭高温燃烧的产物，活性较差，且粉煤灰粒子间结合性较差，直接大量应用粉煤灰制备耐火材料难以获得高的强度。本具体实施方式通过引入3～12wt％的三级生矾土细粉，大大提高了素坯的塑形，有利于获得高密度素坯，也为后续烧结过程中的传质打下良好基础。粉煤灰、三级生矾土细粉以及α
‑
al2o3微粉几乎均没有磁性，即使外加磁场其作用也较弱；本具体实施方式通过预混工艺，均匀地引入0.4～1.5wt磁铁矿粉，有利于提高体系与磁场的相互作用；在洛伦兹力作用下，轻量莫来石质耐火材料内部的传质进一步加快，配合合适的升温速率有利于在轻量莫来石质耐火材料内部形成柱状莫来石，从而显著提高轻量莫来石质耐火材料的强度。
[0085]
(3)粉煤灰中原本含有一定量玻璃相，高温下玻璃相转化成液相，液相的促烧结作用有利于提高轻量莫来石质耐火材料的强度；但是，过量的液相会对轻量莫来石质耐火材料的高温性能产生负面影响。本具体实施方式引入0.2～1wt的la2o3细粉，在高温烧结过程中la
3
融入高温液相中，在不影响液相促烧结作用的同时降低液相的粘度，从而确保轻量莫来石质耐火材料具有良好的耐高温性能。
[0086]
(4)本具体实施方式中粉煤灰的用量为原料的60～72wt％，能大大降低粉煤灰对于生态环境所造成的压力，所制得轻量莫来石质耐火材料性能优良，完全可以提高替代传统重质莫来石耐火材料，不仅满足高温工业节能的需要，而且大大提高了粉煤灰的附加值。
[0087]
本具体实施方式所制备的轻量莫来石质耐火材料经检测：体积密度为1.71～2.09g/cm3；显气孔率为27.6～41.5％；平均孔径在2
‑
9μm之内；常温耐压强度为101.3～178.5mpa；1000℃时的导热系数在0.450～0.732(w/(m
·
k))。
[0088]
因此，本具体实施方式所制备的轻量莫来石质耐火材料具有粉煤灰利用率高、气孔率较高、平均孔径小、强度较高且导热系数低的特点；能够替代传统重质莫来石耐火材料和满足高温工业节能的需要。