一种微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料及其制备方法 【技术领域】
本发明属于耐火材料领域， 尤其是涉及一种微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料及 其制备方法。背景技术
莫来石 - 碳化硅复相耐火材料是目前新型干法水泥回转窑上下过渡带、 次烧成带 广泛使用的耐火材料。新型干法水泥生产技术大幅提高了水泥生产系统的热效率和产量， 推动水泥生产朝着优质、 高效、 大型化和自动化方向发展， 代表着当今世界水泥生产的潮 流。 然而， 在新型干法水泥生产技术中， 不仅回转窑窑径大、 窑速快和窑温高， 材料热应力和 机械应力非常大 ； 而且为充分利用余热预热生料和大量采用废弃物作为替代原料或替代燃 料， 导致碱、 氯、 硫化合物在水泥窑内循环富集， 造成耐火材料损毁严重， 往往导致计划外停 窑检修， 成为影响水泥窑优质、 高产和低耗的瓶颈。 随着我国新型干法水泥回转窑的大型化 和数量的增加， 低成本、 高质量莫来石 - 碳化硅复相耐火材料需求也随之增加。 “大型水泥窑用硅莫红砖及其制造方法” (ZL 200610097276.1) 专利技术， 采用 特级矾土骨料、 碳化硅、 电熔白刚玉粉和红柱石粉为主要原料制成硅莫红砖， 隔热效果虽 较好， 但其烧成温度较高， 并且其抗气态碱、 氯、 硫化合物侵蚀性能仍较差。 “高强致密硅 莫砖及其制作方法” (CN200910095683.2) 专利技术和 “特种硅莫砖” (CN201010288841.9) 专利技术， 所制得的硅莫砖虽耐压强度高和热震稳定性好， 但其抗碱、 氯、 硫化合物侵 蚀性能也较差。 “一种硅莫砖” (CN201010143497.4) 专利技术， 制得的硅莫砖虽强度高 和保温效果好， 但同样未解决抗气态碱、 氯、 硫化合物侵蚀性能差的问题。 “硅莫耐磨复 合 砖” (ZL 200610128393.X) 专 利 技 术 和 “一 种 硅 莫 结 构 隔 热 一 体 化 复 合 砖 及 制 备 方 法” (CN201010192172.5) 专利技术主要解决的是降低水泥回转窑简体散热问题， 但也同样 未解决抗气态碱、 氯、 硫化合物侵蚀性能差的问题。
发明内容 本发明旨在克服现有技术缺陷， 目的在于提供一种高强耐磨、 保温性能好且抗碱、 氯、 硫化合物侵蚀性能优良的微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料及其制备方法。
为实现上述目的， 该耐火材料的原料及其质量百分含量如下， 其中， d 表示粒度 ：
3mm ＞ d ≥ 1mm 的特级矾土颗粒 25 ～ 30％ ；
1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的特级矾土颗粒 24 ～ 27％ ；
1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的 SiC 颗粒 10 ～ 15％ ；
d ＜ 0.074mm 的特级矾土细粉 10 ～ 15％ ；
d ＜ 0.088mm 的红柱石细粉 5 ～ 10％ ；
d ＜ 0.088mm 的叶蜡石细粉 2 ～ 5％ ；
α-Al2O3 微粉 3 ～ 5％ ；
SiO2 微粉 3 ～ 5％ ；
广西白泥 4 ～ 6％ ；
单质 Si 粉 1 ～ 3％ ；
Al 粉 1 ～ 2％。
以下外加剂为上述原料总质量的百分含量 ：
糊精 1 ～ 2％ ；
木质素磺酸钙 0.4 ～ 0.6％ ；
水 2 ～ 4％。
按上述原料和外加剂的各自质量百分含量， 制备微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材 料， 其制备步骤是 ：
(1) 将木质素磺酸钙溶于水中， 制成溶有木质素磺酸钙的水溶液， 备用 ；
(2) 将 α-Al2O3 微粉、 SiO2 微粉、 广西白泥、 单质 Si 粉和 Al 粉共混， 制成预混合 粉；
(3) 先将 3mm ＞ d ≥ 1mm 的特级矾土颗粒、 粒度 1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的特级矾土颗 粒、 1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的 SiC 颗粒和糊精在湿碾机中共混 1 ～ 2 分钟， 加入步骤 (1) 的溶有 木质素磺酸钙的水溶液， 再混 2 ～ 4 分钟， 制成混合物 A ； 然后将 d ＜ 0.074mm 的特级矾土 细粉、 d ＜ 0.088mm 的红柱石细粉、 粒度 d ＜ 0.088mm 的叶蜡石细粉和步骤 (2) 所制的预混 合粉加入到混合物 A 中， 混练 20 ～ 40 分钟， 制成泥料 ；
(4) 将步骤 (3) 所制泥料困料 24 ～ 36 小时， 机压成型 ；
(5) 将成型后的坯体在 90 ～ 110℃条件下干燥 ； 在 1250 ～ 1450℃条件下烧成， 烧 成的升温速度为 1 ～ 2.5℃ / 分钟。
在上述技术方案中 ： 3mm ＞ d ≥ 1mm 的特级矾土颗粒、 1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的特级矾 土颗粒和 d ＜ 0.074mm 的特级矾土细粉中的 Al2O3 含量≥ 86wt％； 1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的 SiC 颗粒中 SiC 含量≥ 94wt％ ； d ≤ 0.088mm 红柱石细粉中 Al2O3 含量≥ 57wt％ ； α-Al2O3 微粉 的平均粒径为 1 ～ 4μm ； SiO2 微粉的平均粒径小于 2μm。
由于采用上述技术方案， 本发明在制备过程中以 3mm 为临界粒度， 同时采用了优 化比例的 α-Al2O3 微粉和 SiO2 微粉， 这些微粉可以填充到更为细小的孔隙中， 尽可能满足 颗粒紧密堆积的需要。 在原料中引入的红柱石细粉和叶蜡石细粉在烧成过程中会转化成莫 来石相并分解出无定形 SiO2， 将会产生一定的体积膨胀， 降低材料中的孔径尺寸， 而且分解 出的高活性 SiO2 能起到促烧结作用， 提高制品的强度。
在原料中添加单质 Si 粉和 Al 粉， 不仅能起到促进烧结的作用， 提高制品的强度， 而且 Si 和 Al 在烧成过程中会发生氧化或氮化， 同样存在一定的体积膨胀效应， 能进一步 降低材料中的孔隙尺寸。与以往的莫来石 - 碳化硅复相耐火材料相比， 本发明的微孔莫来 石 - 碳化硅复相耐火材料最大特征是材料结构均匀， 材料内部气孔尺寸较小， 其平均孔径 一般在 5μm 以下。随着材料中气孔直径的减小， 气孔中气体分子的运动受固体骨架的限制 会加大， 参与热传递程度降低， 从而导致材料导热系数的下降 ； 并且， 碱、 氯、 硫化合物通常 以气态形式由材料开口气孔侵入， 将材料中孔径尺寸降至微米尺度， 可以大幅增加碱、 氯、 硫气态化合物侵入阻力， 从而能有效降低碱、 氯、 硫化合物的侵蚀。
因此， 本发明制备的微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料具有高强耐磨、 保温性能 好且抗碱、 氯、 硫化合物侵蚀性能优良的特点， 能够满足新型干法水泥生产的需要。具体实施方式
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。
为避免重复， 现将本具体实施方式所涉及到的原料的理化参数统一描述如下， 实 施例中不再赘述 ： 3mm ＞ d ≥ 1mm 的特级矾土颗粒、 1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的特级矾土颗粒和 d ＜ 0.074mm 的特级矾土细粉中的 Al2O3 含量≥ 86wt％； 1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的 SiC 颗粒中 SiC 含量≥ 94wt％ ； d ≤ 0.088mm 红柱石细粉中 Al2O3 含量≥ 57wt％ ； α-Al2O3 微粉的平均粒径 为 1 ～ 4μm ； SiO2 微粉的平均粒径小于 2μm。
实施例 1 ：
一种微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料及其制备方法， 该耐火材料的原料及其质 量百分含量如下 ( 其中， d 表示粒度， 下同 ) ：
3mm ＞ d ≥ 1mm 的特级矾土颗粒 25 ～ 27％ ；
1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的特级矾土颗粒 26 ～ 27％ ；
1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的 SiC 颗粒 10 ～ 12％ ；
d ≤ 0.074mm 的特级矾土细粉 10 ～ 12％ ； d ≤ 0.088mm 的红柱石细粉 8 ～ 10％ ；
d ≤ 0.088mm 的叶蜡石细粉 3 ～ 5％ ；
α-Al2O3 微粉 3 ～ 4％ ；
SiO2 微粉 4 ～ 5％ ；
广西白泥 5 ～ 6％ ；
单质 Si 粉 1 ～ 2％ ；
Al 粉 1 ～ 1.5％。
以下外加剂为上述原料总质量的百分含量 ：
糊精 1 ～ 2％ ；
木质素磺酸钙 0.4 ～ 0.6％ ；
水 2 ～ 4％。
按上述原料和外加剂的各自质量百分含量， 制备微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材 料， 本实施例的制备步骤是 ：
(1) 将木质素磺酸钙溶于水中， 制成溶有木质素磺酸钙的水溶液， 备用 ；
(2) 将 α-Al2O3 微粉、 SiO2 微粉、 广西白泥、 单质 Si 粉和 Al 粉共混， 制成预混合 粉；
(3) 先将 3mm ＞ d ≥ 1mm 的特级矾土颗粒、 粒度 1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的特级矾土颗 粒、 1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的 SiC 颗粒和糊精在湿碾机中共混 1 ～ 2 分钟， 加入步骤 (1) 的溶有 木质素磺酸钙的水溶液， 再混 2 ～ 4 分钟， 制成混合物 A ； 然后将 d ＜ 0.074mm 的特级矾土 细粉、 d ＜ 0.088mm 的红柱石细粉、 粒度 d ＜ 0.088mm 的叶蜡石细粉和步骤 (2) 所制的预混 合粉加入到混合物 A 中， 混练 20 ～ 40 分钟， 制成泥料 ；
(4) 将步骤 (3) 所制泥料困料 24 ～ 36 小时， 机压成型 ；
(5) 将成型后的坯体在 90 ～ 110℃条件下干燥 ； 在 1350 ～ 1450℃条件下烧成， 烧 成的升温速度为 1 ～ 2.5℃ / 分钟。
6102432312 A CN 102432315
3说明书4/5 页本实施例所制得的微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料的体积密度为 2.6 ～ 2.7g/ cm ， 显气孔率≤ 19％， 平均孔径≤ 4.5μm， 耐压强度≥ 87MPa， 常温导热系数≤ 2.1w/m·k， 抗碱、 氯、 硫化合物侵蚀性能优良。
实施例 2 ：
一种微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料及其制备方法， 该耐火材料的原料及其质 量百分含量如下 ：
3mm ＞ d ≥ 1mm 的特级矾土颗粒 28 ～ 30％ ；
1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的特级矾土颗粒 24 ～ 25％ ；
1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的 SiC 颗粒 13 ～ 15％ ；
d ≤ 0.074mm 的特级矾土细粉 10 ～ 12％ ；
d ≤ 0.088mm 的红柱石细粉 6 ～ 8％ ；
d ≤ 0.088mm 的叶蜡石细粉 2 ～ 4％ ；
α-Al2O3 微粉 4 ～ 5％ ；
SiO2 微粉 3 ～ 4％ ；
广西白泥 4 ～ 5％ ；
单质 Si 粉 1 ～ 2％ ； Al 粉 1.5 ～ 2％。 本实施例中的外加剂与实施例 1 相同。 本实施例的制备步骤中， 除步骤 (5) 中的 1250 ～ 1350℃条件下烧成外， 其余同实施例 1。 本实施例所制得的微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料的体积密度为 2.6 ～ 2.7g/ cm ， 显气孔率≤ 18％， 平均孔径≤ 3.8μm， 耐压强度≥ 94MPa， 常温导热系数≤ 2.2w/m·k， 抗碱、 氯、 硫化合物侵蚀性能优良。
实施例 3 ：
一种微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料及其制备方法， 该耐火材料的原料及其质 量百分含量如下 ：
3mm ＞ d ≥ 1mm 的特级矾土颗粒 26 ～ 28％ ；
1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的特级矾土颗粒 25 ～ 26％ ；
1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的 SiC 颗粒 11 ～ 13％ ；
d ≤ 0.074mm 的特级矾土细粉 13 ～ 15％ ；
d ≤ 0.088mm 的红柱石细粉 5 ～ 7％ ；
d ≤ 0.088mm 的叶蜡石细粉 2 ～ 4％ ；
α-Al2O3 微粉 3 ～ 4％ ；
SiO2 微粉 3 ～ 4％ ；
广西白泥 5 ～ 6％ ；
单质 Si 粉 2 ～ 3％ ；
Al 粉 1 ～ 1.5％。
本实施例中的外加剂与实施例 1 相同。
本实施例的制备步骤中， 除步骤 (5) 中的 1300 ～ 1400℃条件下烧成外， 其余同实
3施例 1。 本实施例所制得的微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料的体积密度为 2.6 ～ 2.7g/ cm ， 显气孔率≤ 17％， 平均孔径≤ 3.5μm， 耐压强度≥ 103MPa， 常温导热系数≤ 1.8w/m· k， 抗碱、 氯、 硫化合物侵蚀性能优良。
实施例 4 ：
一种微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料及其制备方法， 该耐火材料的原料及其质 量百分含量如下 ：
3mm ＞ d ≥ 1mm 的特级矾土颗粒 27 ～ 29％ ；
1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的特级矾土颗粒 24 ～ 25％ ；
1mm ＞ d ≥ 0.1mm 的 SiC 颗粒 10 ～ 12％ ；
d ≤ 0.074mm 的特级矾土细粉 12 ～ 14％ ；
d ≤ 0.088mm 的红柱石细粉 6 ～ 8％ ；
d ≤ 0.088mm 的叶蜡石细粉 2 ～ 4％ ；
α-Al2O3 微粉 3 ～ 4％ ；
SiO2 微粉 3 ～ 4％ ；
3广西白泥 4 ～ 5％ ；
单质 Si 粉 2 ～ 3％ ；
Al 粉 1 ～ 1.5％。
本实施例中的外加剂和制备步骤均同实施例 1。
本实施例所制得的微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料的体积密度为 2.6 ～ 2.7g/ 3 cm ， 显气孔率≤ 18％， 平均孔径≤ 4.2μm， 耐压强度≥ 97MPa， 常温导热系数≤ 1.7w/m·k， 抗碱、 氯、 硫化合物侵蚀性能优良。
本 具 体 实 施 方 式 在 制 备 过 程 中 以 3mm 为 临 界 粒 度， 同时采用了优化比例的 α-Al2O3 微粉和 SiO2 微粉， 这些微粉可以填充到更为细小的孔隙中， 尽可能满足颗粒紧密 堆积的需要。 在原料中引入的红柱石细粉和叶蜡石细粉在烧成过程中会转化成莫来石相并 分解出无定形 SiO2， 将会产生一定的体积膨胀， 降低材料中的孔径尺寸， 而且分解出的高活 性 SiO2 能起到促烧结作用， 提高制品的强度。
在原料中添加单质 Si 粉和 Al 粉， 不仅能起到促进烧结的作用， 提高制品的强度， 而且 Si 和 Al 在烧成过程中会发生氧化或氮化， 同样存在一定的体积膨胀效应， 能进一步降 低材料中的孔隙尺寸。与以往的莫来石 - 碳化硅复相耐火材料相比， 本具体实施方式的微 孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料最大特征是材料结构均匀， 材料内部气孔尺寸较小， 其平 均孔径一般在 5μm 以下。随着材料中气孔直径的减小， 气孔中气体分子的运动受固体骨架 的限制会加大， 参与热传递程度降低， 从而导致材料导热系数的下降 ； 并且， 碱、 氯、 硫化合 物通常以气态形式由材料开口气孔侵入， 将材料中孔径尺寸降至微米尺度， 可以大幅增加 碱、 氯、 硫气态化合物侵入阻力， 从而能有效降低碱、 氯、 硫化合物的侵蚀。
因此， 本具体实施方式制备的微孔莫来石 - 碳化硅复相耐火材料具有高强耐磨、 保温性能好且抗碱、 氯、 硫化合物侵蚀性能优良的特点， 能够满足新型干法水泥生产的需 要。
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