莫来石晶种诱导生产高抗热震性隔热材料的方法

摘要

本发明公开了一种莫来石晶种诱导生产高抗热震性隔热材料的方法，该方法将莫来石晶种3～15wt％、高岭土20～35wt％、硅线石5～15wt％、煅烧α-氧化铝20～40wt％、刚玉砂20～40％和造孔剂6～15wt％混合制备得到泥料后，依次经过练泥、成型、干燥和烧成。本发明莫来石晶种诱导生产高抗热震性隔热材料方法促进了基体材料内柱状晶的形成，所得材料明显提高了强度和韧性并具有优异的抗热震稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种莫来石晶种诱导生产高抗热震性隔热材料的方法。

背景技术

莫来石，其化学组成为3Al₂O₃·2SiO₂。莫来石具有耐火度高，热导率低，抗热震性好，抗化学侵蚀、抗蠕变性好，荷重软化温度高，体积稳定性好等优点。在生产莫来石耐火材料时，为了防止过量的SiO₂结晶转化产生裂纹影响制品的性能，故一般配料时使Al₂O₃成分过量。这样生产出的莫来石制品中通常含有10～20％的刚玉(Al₂O₃)相。虽然刚玉相有利于提高材料的高温强度，但是对于需要经受频繁的快速冷热循环的环境而言，刚玉相与莫来石相间的热膨胀差异(Al₂O₃的热膨胀系数为7.2～8.0×10^-6/℃，莫来石热膨胀系数约为5.1×10^-6/℃)较大，有可能造成很高的热应力，导致耐火材料制品开裂。因此，要减少材料中Al₂O₃晶相的含量，通常的方法是提高原料中SiO₂的加入量，保证与Al₂O₃充分反应，形成莫来石相。但莫来石耐火材料按理论组成配料时，往往会有无法与Al₂O₃充分反应的SiO₂晶体残留在材料中。在SiO₂晶体发生结晶转变时，会伴随着体积变化，使材料强度下降，也会对抗热震性造成不利影响。

因此，亟需开发出新的技术，既能消除耐火材料中过多的Al₂O₃晶体，提高莫来石相含量，又不会产生游离SiO₂等对材料抗热震性不利的组分，即在保证高隔热效率以及必要的机械强度的同时，提高材料的抗热震性能。那么，如何获得尽可能高的莫来石相含量，减少残留的Al₂O₃和SiO₂晶相，从而提高材料的抗热震性，就成了目前需要重点研究解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种莫来石晶种诱导生产高抗热震性隔热材料的方法。

本发明在研究过程中发现，隔热耐火材料的抗热震稳定性与其微观结构密切相关。在隔热耐火材料中都存在着一定大小、数量的微裂纹，在热应力的作用下，这些裂纹会发生扩展蔓延，同时也可能生成新的裂纹，这对材料的热稳定性非常不利。这一现象在晶粒较大的材料中更为显著。由于裂纹大都沿着晶界扩展，因此在细晶材料中，裂纹的扩展路径更长，扩展所需能量更高，这就有利于提高材料的韧性，从而改善其抗热震性。另一方面，长柱状的晶粒可以使裂纹在扩展过程中发生分叉、偏转，还能产生裂纹桥联、晶粒拔出或断裂等，而这些都增加了裂纹扩展所需消耗的能力，从而提高了材料的机械性能和抗热震性。因此，要获得具有优良抗热震性能的莫来石耐火材料，就需要对其晶体生长进行控制，抑制晶粒过分长大，同时促进长柱状莫来石晶体的形成和生长，形成类似于纤维增韧的微观结构。

针对上述关键问题，本发明通过在配方中加入适量的莫来石晶种，促进烧成过程中莫来石晶体的形成和长大来提高材料中莫来石相的含量。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种莫来石晶种诱导生产高抗热震性隔热材料的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a)混泥：取莫来石晶种3～15wt％(优选3～5wt％)、高岭土20～35wt％、硅线石5～15wt％、煅烧α-氧化铝20～40wt％、刚玉砂20～40％和造孔剂6～15wt％(上述原料重量之和为100％)，搅拌混合3～5min后，再加入上述材料25～40wt％的水搅拌混合得到泥料；

b)练泥：抽出泥料中的空气，挤制成泥段，在密闭环境中陈腐；

c)成型：将陈腐后的泥料挤压成型得到坯体；

d)干燥：将坯体在温度为60～120℃，湿度小于75％的条件下干燥18～24小时后，再将坯体在温度为100～200℃，湿度小于45％条件下干燥18～24小时，干燥后的坯体含水率在8wt％以下；

e)烧成：将经过干燥后的坯体进行烧成，即得；

其中，所述的莫来石晶种是由以下方法制备得到的：将高岭土、氧化铝及造孔剂按照25-35∶75-65∶3-5的重量比在温度为1200-1500℃的条件下预烧结后，破碎、球磨，用NaOH溶液洗涤，去除残余的玻璃相和其他杂相，再用清水过滤，干燥，球磨，过筛。

所述“a)”步骤中加水搅拌时间可为20～30min。

所述“b)”步骤中陈腐的条件为密闭环境下放置6～12小时。

所述“e)”步骤中烧成温度为1570-1650℃，高温段恒温时间为6-12小时。NaOH溶液的质量百分比浓度优选为5-15％。优选采用NaOH溶液洗涤的次数为2～4次，再用清水过滤3～5遍。

莫来石晶种制备过程中预烧结的时间是3～6小时，最后过筛的目数是60-100目。本发明所用的造孔剂为干锯末，含水率小于10％。生产过程中球磨材料直至能通过筛。本发明所述的“％”均为质量百分含量，所用原料均市售可得。

与现有技术比较本发明的有益效果：一方面本发明在原料中加入了3-15wt％的莫来石晶种，通过分散性控制技术，使其均匀分布于原料中，在适当的工艺参数下进行成型、干燥和烧成后，特别是通过控制干燥方式和干燥速度，制备出了具有柱状莫来石晶体微观结构的莫来石耐火材料(微观结构照片如图1所示)，并且材料中具有大量的0.5微米左右的纳微孔。因此，本发明莫来石晶种诱导生产高抗热震性隔热材料方法促进了基体材料内柱状晶的形成，使得孔隙尺寸及分布更加合理，明显提高了材料的强度和韧性并能获得优异的抗热震稳定性。

通过本发明方法获得的材料，能够经受反复的冷热循环冲击，特别适用于各种存在急冷急热工况的同时又有一定保温要求的工业炉。

附图说明

图1为本发明所制备出的具有柱状莫来石晶体微观结构的材料的微观结构照片。

图2为本发明所制备出的材料的X射线衍射图。

具体实施方式

实施例1

a)混泥：取莫来石晶种5wt％、高岭土25wt％、硅线石8wt％、煅烧α-氧化铝20wt％，刚玉砂30wt％(以上原料均通过100目筛)、干锯末12wt％(干锯末含水率低于10％，通过6目筛)，按比例先进行4min的搅拌混合，再加入上述材料重量35wt％的水搅拌25min得到混合均匀的泥料；所述的莫来石晶种是由以下方法制备得到的：将高岭土、氧化铝及造孔剂干锯末(含水率低于10％)按照30∶70∶5的重量比在温度为1300℃的条件下预烧结5小时后，破碎、球磨通过100目筛，用质量百分比浓度为10％的NaOH溶液洗涤2～4次，再用清水过滤3～5遍，干燥，球磨，过100目筛。

b)练泥：按照常规方法，抽出泥料中的空气，挤制成泥段，在常温密闭环境中陈腐10小时。

c)成型：按照常规方法，将陈腐后的泥料投入自动成型机中在常温下挤压成型得到坯体；挤出速度为每小时3.5-4吨。

d)干燥：在干燥窑中，将坯体在温度为100℃，湿度为小于75％的条件下进行初步干燥20小时后，再将坯体在温度为150℃，湿度为小于45％条件下进行20小时深度干燥，干燥后的坯体含水率在8wt％以下。

e)烧成：将干燥后的坯体在隧道窑内进行烧成，烧成气氛为空气，烧成温度为1620℃，高温段恒温时间为8小时，烧成后得到产品。

实施例2

a)混泥：取莫来石晶种3wt％、高岭土20wt％、硅线石12wt％、煅烧α-氧化铝33wt％，刚玉砂20wt％(以上原料均通过100目筛)、干锯末12wt％(含水率低于10％，通过6目筛)，按比例先进行5min的搅拌混合，再加入上述材料重40wt％的水搅拌20min得到混合均匀的泥料；所述的莫来石晶种是由以下方法制备得到的：将高岭土、氧化铝及造孔剂干锯末(含水率低于10％)按照25∶75∶3的重量比在温度为1500℃的条件下预烧结3小时后，破碎、球磨通过100目筛，用质量百分比浓度为15％的NaOH溶液洗涤2～4次，再用清水过滤3～5遍，干燥，球磨，过60目筛。

b)练泥：按照常规方法，抽出泥料中的空气，挤制成泥段，在常温密闭环境中陈腐12小时。

c)成型：按照常规方法，将陈腐后的泥料投入自动成型机中在常温下挤压成型得到坯体；挤出速度为每小时3.5-4.5吨。

d)干燥：在干燥窑中，将坯体在温度为120℃，湿度为小于75％的条件下进行初步干燥18小时后，再将坯体在温度为200℃，湿度为小于45％条件下进行24小时深度干燥，干燥后的坯体含水率在8wt％以下。

e)烧成：将干燥后的坯体在隧道窑内按常规步骤进行烧成；烧成气氛为空气，烧成温度为1650℃，高温段恒温时间为6小时，烧成后得到产品。

实施例3

a)混泥：取莫来石晶种15wt％、高岭土34wt％、硅线石5wt％、煅烧α-氧化铝20wt％，刚玉砂20wt％(以上原料均通过100目筛)、干锯末6wt％(干锯末含水率低于10％，通过6目筛)，按比例先进行3min的搅拌混合，再加入上述材料重量25wt％的水搅拌30min得到混合均匀的泥料；所述的莫来石晶种是由以下方法制备得到的：将高岭土、氧化铝及造孔剂干锯末(含水率低于10％)按照35∶65∶4的重量比在温度为1200℃的条件下预烧结6小时后，破碎、球磨通过100目筛，用质量百分比浓度为5％的NaOH溶液洗涤2～4次，再用清水过滤3～5遍，干燥，球磨，过60目筛。

b)练泥：按照常规方法，抽出泥料中的空气，挤制成泥段，在密闭环境中陈腐6小时。

c)成型：按照常规方法，将陈腐后的泥料投入自动成型机中在常温下挤压成型得到坯体；挤出速度为每小时3.5-4.5吨。

d)干燥：在干燥窑中，将坯体在温度为60℃，湿度为小于75％的条件下进行初步干燥24小时后，再将坯体在温度为100℃，湿度为小于45％条件下进行深度18小时干燥，干燥后的坯体含水率在8wt％以下。

e)烧成：将干燥后的坯体在隧道窑内进行烧成。烧成气氛为空气，烧成温度为1570℃，高温段恒温时间为12小时，烧成后得到产品。

实施例4

a)混泥：取莫来石晶种15wt％、高岭土20wt％、硅线石15wt％、煅烧α-氧化铝20wt％，刚玉砂20wt％(以上原料均通过100目筛)、干锯末10wt％(含水率低于10％，通过6目筛)，按比例先进行4min的搅拌混合，再加入上述材料重量30wt％的水搅拌25min得到混合均匀的泥料；所述的莫来石晶种是由以下方法制备得到的：将高岭土、氧化铝及造孔剂干锯末(含水率低于10％)按照30∶70∶4的重量比在温度为1300℃的条件下预烧结5小时后，破碎、球磨通过100目筛，用质量百分比浓度为10％的NaOH溶液洗涤2～4次，再用清水过滤3～5遍，干燥，球磨，过100目筛。

b)练泥：按照常规方法，抽出泥料中的空气，挤制成泥段，在密闭环境中陈腐10小时。

c)成型：按照常规方法，将陈腐后的泥料投入自动成型机中在常温下挤压成型得到坯体；挤出速度为每小时3.5-4.5吨；

d)干燥：在干燥窑中，将坯体在温度为80℃，湿度为小于75％的条件下进行初步干燥22小时后，再将坯体在温度为160℃，湿度为小于45％条件下进行深度22小时干燥，干燥后的坯体含水率在8wt％以下。干燥窑利用隧道窑排气余热进行干燥。通过调节进气阀门，控制干燥窑内温度，对坯体进行干燥。

e)烧成：将干燥后的坯体在隧道窑内进行烧成。烧成气氛为空气，烧成温度为1600℃，高温段恒温时间为10小时，烧成后得到产品。

对比例

a)混泥：取高岭土30wt％、硅线石8wt％、煅烧α-氧化铝30wt％，刚玉砂20wt％(以上原料均通过100目筛)、干锯末12wt％(含水率低于10％，通过6目筛)，按比例先进行4min的干混，再加入上述材料重量35wt％的水搅拌25min得到混合均匀的泥料；

b)练泥：按照常规方法，抽出泥料中的空气，挤制成泥段，在密闭环境中陈腐10小时；

c)成型：按照常规方法，将陈腐后的泥料投入自动成型机中在常温下挤压成型得到坯体；挤出速度为每小时3.5-4.5吨；

d)干燥：将坯体放在烘房中在温度为60℃左右，湿度小于75％的条件下进行初步干燥2～3天后，再将坯体在温度为150℃，湿度为小于45％条件下进行30小时深度干燥，干燥后的坯体含水率在10wt％以下。

e)烧成：将干燥后的坯体在隧道窑内进行烧成；烧成气氛为空气，烧成温度为1570℃，高温段恒温时间为8小时，烧成后得到产品。

下表为本发明高抗热震性隔热材料与现有隔热耐火材料的主要技术指标对比表：