方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖

摘要

本发明公开了一种方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，由工作层和隔热层复合而成，工作层以镁铁砂、铁铝尖晶石砂、电熔镁砂为主要原料，隔热层以中重质合成橄榄石砂、中轻质合成镁橄榄石砂、菱镁石颗粒、镁砂细粉、稻壳灰为主要原料，经过配料、混炼、成型、干燥、烧成等步骤而制得。本发明复合砖的工作层耐侵蚀能力强、热震稳定性好、易于粘挂窑皮、导热系数低，隔热层具有良好的高温体积稳定性、较高的机械强度和较低的导热系数，因此，该复合砖可以用于水泥回转窑高温带，而且使用寿命长，能显著降低窑体散热损失，具有很好的节能减排效果。

说明书

技术领域

本发明涉及耐火材料领域，具体涉及一种方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石 复合砖。

背景技术

水泥生产工业是著名的耗能大户，也是排放二氧化碳的大户。目前，我国正 计划发展第二代新型干法水泥生产技术，将熟料生产工艺热耗从700～750kcal/kg 降低到650kcal/kg，即降低热耗50～100kcal/kg。在水泥生产工艺中，表面散热 导致的热耗约占总生产工艺热耗的10％，为70kcal/kg；而且在表面散热热耗中 窑体散热导致的热耗约占50％，窑尾预热器、分解炉约占35％，三次风管、冷 却机约占15％。因此，如果能降低水泥生产工艺中的表面散热导致的热耗，就能 为水泥工业的节能减排做出很大的贡献。降低表面散热热耗的首要任务就是降低 水泥回转窑窑体散热，尤其是降低水泥窑烧成带、过渡带的散热损失。

目前，水泥窑烧成带使用的耐火砖主要是方镁石-镁铁/铁铝尖晶石砖(简称 镁铁砖)，其导热系数约为3.0W/mk；过渡带还有少量使用方镁石-镁铝尖晶石砖 (简称镁铝砖)，其导热系数约为3.5W/mk；从导热系数来看，不管是镁铁砖还 是镁铝砖，导热系数均比较高，实际使用过程中节能效果不显著。申请号为 201210183879.9，名称为“镁铁尖晶石隔热复合砖”的专利公开了一种镁铁尖晶 石隔热复合砖，该复合砖主要用高纯镁砂/电熔镁砂及合成镁铁铝尖晶石作为耐 火层的主料，用橄榄石作为隔热层主料；但是镁砂是一种高导热的物质，工作层 (耐火层)采用高纯镁砂/电熔镁砂作原料，将极大增加材料的导热性，抵消隔 热层带来的节能效果，同时隔热层的主要原料——橄榄石属于重质橄榄石，其导 热系数也比较高，仅仅通过在基质中加入一些造孔剂(锯末/聚轻球)并不能有 效降低材料的导热系数，因此，该复合砖隔热效果差，用于具有窑皮的水泥回转 窑烧成带节能效果不显著，而且使用寿命短，未能得到推广应用。因此，需要开 发一种具有更好性能可以用于水泥回转窑高温带的复合砖。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄 榄石复合砖，该复合砖的工作层耐侵蚀能力强、热震稳定性好、易于粘挂窑皮、 导热系数低，隔热层具有良好的高温体积稳定性、较高的机械强度和较低的导热 系数，因此，该复合砖可以用于水泥回转窑高温带，而且使用寿命长，能显著降 低窑体散热损失，具有很好的节能减排效果。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，由工作层和隔热层复合而成， 所述工作层的原料组成为：粒度为3-5mm的镁铁砂10～20wt％、粒度为1-3mm 的镁铁砂15～25wt％、粒度为1-2mm的铁铝尖晶石砂5～15wt％、粒度为 0.088-1mm的镁铁砂5～15wt％、粒度为0.088-1mm的铁铝尖晶石砂5～15wt％、 粒度＜0.088mm的镁铁砂细粉20～35wt％和粒度＜0.020mm的电熔镁砂微粉5～ 10wt％，外加占所述工作层原料总重0.03～0.1wt％的减水剂和4～6wt％的结合剂； 所述隔热层的原料组成为：粒度为3-5mm的中重质合成镁橄榄石砂10～20wt％、 粒度为1-3mm的中重质合成镁橄榄石砂18～28wt％、粒度为1-2mm的中轻质合 成镁橄榄石砂10～20wt％、粒度为0.088-1mm的中重质合成镁橄榄石砂4～ 15wt％、粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒4～10wt％、粒度＜0.088mm的由中 质合成镁橄榄石砂研磨得到的细粉17～20wt％、粒度＜0.088mm的镁砂细粉4～ 10wt％和稻壳灰3～7wt％，外加占所述隔热层原料总重0～2wt％粒度＜1mm的 聚苯乙烯球和5～10wt％的结合剂。

根据上述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，所述中重质合成镁橄 榄石砂或中轻质合成镁橄榄石砂是一种具有高强度、低导热系数(0.8～1.2W/mk)、 高温下体积稳定的中质镁橄榄石耐火材料，其中，所述中重质合成镁橄榄石砂的 体积密度A₁为2.3≤A₁≤2.6g/cm³；所述中轻质合成镁橄榄石砂的体积密度A₂为1.8≤A₂＜2.3g/cm³；所述中质合成镁橄榄石砂为中重质合成镁橄榄石砂、中 轻质合成镁橄榄石砂其中之一或两者的混合物，其体积密度A为1.8≤A≤ 2.6g/cm³。

根据上述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，所述中重质合成镁橄 榄石砂或中轻质合成镁橄榄石砂的制备方法为：

(1)将85～93wt％粒度＜0.2mm的菱镁石尾矿颗粒在1200～1350℃下轻烧 0.5～5小时，得到轻烧菱镁石尾矿颗粒，然后将轻烧菱镁石尾矿颗粒和7～15wt％ 粒度＜0.044mm的石英粉混合，混匀后进行研磨，得到粒径小于0.088mm的轻 烧菱镁石尾矿-石英混合料；

(2)a.制备中重质合成镁橄榄石砂：向步骤(1)得到的混合料中加入成孔 剂和的结合剂，成孔剂的加入量占混合料总重的比例为M，5wt％≤M≤25wt％， 结合剂的加入量为混合料总重的3～12wt％，然后进行混合、混炼、110～150MPa 压强机压、干燥处理，干燥后在1650～1720℃下焙烧4～9小时，得到中重质合 成镁橄榄石，将中重质合成镁橄榄石破碎即得到中重质合成镁橄榄石砂；

b.制备中轻质合成镁橄榄石砂：向步骤(1)得到的混合料中加入成孔剂和 的结合剂，成孔剂的加入量占混合料总重的比例为N，25wt％＜N≤40wt％，结 合剂的加入量为混合料总重的3～12wt％，然后进行混合、混炼、110～150MPa 压强机压、干燥处理，干燥后在1650～1720℃下焙烧4～9小时，得到中轻质合 成镁橄榄石，将中轻质合成镁橄榄石破碎即得到中轻质合成镁橄榄石砂。

根据上述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，所述成孔剂是粒度为 0.088-0.5mm的菱镁石颗粒。

根据上述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，所述镁铁砂的化学成 分为：MgO 85～97wt％、Fe₂O₃2～14wt％、余量为杂质。

根据上述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，所述减水剂为聚羧酸 高效减水剂。

根据上述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，所述结合剂为木质磺 酸镁溶液。

根据上述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，所述木质磺酸镁溶液 的浓度为1.05～1.25g/cm³。

根据上述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，所述木质磺酸镁溶液 的浓度为1.15g/cm³。

根据上述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖，所述复合砖的制备方 法包括以下步骤：

(1)制备工作层制砖料：按工作层原料组成准备各原料，混合均匀后，再 加入减水剂和结合剂，用湿碾机混炼至均匀；

(2)制备隔热层制砖料：按隔热层原料组成准备各原料，混合均匀后，再 加入聚苯乙烯球和结合剂，用湿碾机混炼至均匀；

(3)成型、烧成：用分隔板将砖模具隔开分为热端和冷端两部分，在热端 加入工作层制砖料，在冷端加入隔热层制砖料，然后抽出分隔板，用摩擦压砖机 压制成砖坯，将砖坯在干燥窑中100～120℃干燥20～26小时，然后在1500～1600℃ 烧制5～8小时，出窑。

本发明积极有益效果：

(1)本发明复合砖工作层采用镁铁砂替代镁砂作为主要原料，显著降低了 高温条件下辐射传热，提高了工作层的隔热性能；同时采用粒度＜0.020mm的电 熔镁砂微粉填充粗骨料、细骨料和细粉堆积体积中的空隙，并配合减水剂使用有 效降低了显气孔率，提高了工作层的耐侵蚀性，既解决了因增强工作层隔热性改 变砖内温度场，致使侵蚀层扩大而损坏其抗侵蚀性的问题，同时又可以防止使用 普通烧结镁砂超细粉水化而使砖坯开裂。

(2)本发明复合砖的隔热层采用具有高强度、低导热性的中质合成镁橄榄 石砂替代高强度、高导热性的橄榄石作为主料，同时添加一些细粒和造孔剂，解 决了复合砖隔热层高强度与低导热性能之间的矛盾，提高了复合砖隔热层强度/ 导热率比值，在不影响隔热层强度的前提下进一步提高了其隔热性。

(3)本发明复合砖采用木质磺酸镁溶液代替传统的结合剂——木质磺酸钙 溶液，可避免复合砖烧成过程中形成低熔物质(CaO·MgO·SiO₂)，起到提高工 作层材料的耐高温、抗侵蚀性能的作用，同时还可以降低隔热层材料烧成收缩， 提高复合砖成品的合格率。

(4)本发明复合砖的工作层耐侵蚀能力强、热震稳定性好、易于粘挂窑皮、 导热系数低、荷重软化温度低；隔热层具有良好的高温体积稳定性、较高的机械 强度和较低的导热系数，该复合砖集耐火与隔热功能于一体，有效弥补了镁铁尖 晶石复合砖、镁铝尖晶石复合砖导热率高的缺点，因此，可以用于水泥回转窑高 温带，而且使用寿命长，能显著降低窑体散热损失，具有很好的节能减排效果； 并且生产成本较低，具有较好的经济和社会效益，可以推广应用。

(5)本发明的复合砖与现有技术中的镁铁尖晶石隔热复合砖(申请号： 201210183879.9)的性能对比(见表1)。由表1的结果可知，本发明的复合砖工 作层和隔热层的导热系数分别为2.5～2.6W/mk和0.8～1.1W/mk，与镁铁尖晶石 隔热复合砖相比有了明显降低，显著提高了综合隔热效果；同时，工作层显气孔 率降低到了12～13％，提高了其抗侵蚀性。

表1 本发明的复合砖与现有镁铁尖晶石隔热复合砖的性能对比

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些 实施例。

实施例1～6:

表2 实施例1～6中方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖工作层和隔热 层的原料组成

注：1)实施例1和2中所述木质磺酸镁溶液的浓度为1.05g/cm³，所述镁铁砂的化学成分为：MgO 85wt％、 Fe₂O₃14wt％、余量为杂质，所述中质合成镁橄榄石砂是指中重质合成镁橄榄石砂；2)实施例3中所述木 质磺酸镁溶液的浓度为1.25g/cm³，所述镁铁砂的化学成分为：MgO 90wt％、Fe₂O₃8wt％、余量为杂质， 所述中质合成镁橄榄石砂是指中轻质合成镁橄榄石砂；3)实施例4和5中所述木质磺酸镁溶液的浓度为 1.15g/cm³，所述镁铁砂的化学成分为：MgO 85wt％、Fe₂O₃10wt％、余量为杂质，所述中质合成镁橄榄石 砂是指中重质合成镁橄榄石砂和中轻质合成镁橄榄石砂的混合物；4)实施例6中所述木质磺酸镁溶液的浓 度为1.15g/cm³，所述镁铁砂的化学成分为：MgO 97wt％、Fe₂O₃2wt％、余量为杂质，所述中质合成镁橄 榄石砂是指中轻质合成镁橄榄石砂。

实施例7：

上述实施例1～6之一任意所述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖 的制备方法之一，包括以下步骤：(1)制备工作层制砖料：按工作层原料组成准 备各原料，混合均匀后，再加入减水剂和结合剂，用湿碾机混炼至均匀；(2)制 备隔热层制砖料：按隔热层原料组成准备各原料，混合均匀后，再加入聚苯乙烯 球和结合剂，用湿碾机混炼至均匀；(3)成型、烧成：用分隔板将砖模具隔开分 为热端和冷端两部分，在热端加入工作层制砖料，在冷端加入隔热层制砖料，然 后抽出分隔板，用摩擦压砖机压制成砖坯，将砖坯在干燥窑中100℃干燥26小 时，然后在1600℃烧制5小时，出窑。

实施例8：

上述实施例1～6之一任意所述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖 的制备方法之二与实施例7基本相同，其不同之处在于：制成砖坯后，将砖坯在 干燥窑中120℃干燥20小时，然后在1500℃烧制8小时，出窑。

实施例9：

上述实施例1～6之一任意所述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖 的制备方法之三与实施例7基本相同，其不同之处在于：制成砖坯后，将砖坯在 干燥窑中110℃干燥24小时，然后在1550℃烧制7小时，出窑。

实施例10：

上述实施例1～6之一任意所述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复合砖 的制备方法之四与实施例7基本相同，其不同之处在于：制成砖坯后，将砖坯在 干燥窑中110℃干燥20小时，然后在1500℃烧制5小时，出窑。

本发明实施例1～6制备得到的复合砖的性能检测结果见表3。

表3 实施例1～6制备得到的复合砖性能参数检测结果

(1)上述实施例1～6之一任意所述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复 合砖中：

所述中重质合成镁橄榄石砂的制备方法之一为：(1)将93wt％粒度＜0.2mm 的菱镁石尾矿颗粒在1350℃下轻烧0.5小时，得到轻烧菱镁石尾矿颗粒，然后将 轻烧菱镁石尾矿颗粒和7wt％粒度＜0.044mm的石英粉混合，混匀后进行研磨， 得到粒径小于0.088mm的轻烧菱镁石尾矿-石英混合料；(2)向上述混合料中加 入占混合料总重5wt％的粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒和3wt％的木质磺酸镁 溶液，进行混合、混炼、150MPa压强机压、干燥处理，干燥后在1720℃下焙烧 9小时，得到中重质合成镁橄榄石，将中重质合成镁橄榄石破碎即得到中重质合 成镁橄榄石砂。

其中，所述菱镁石尾矿颗粒为浮选菱镁矿石提取高纯矿石所遗留的物质，其 主要化学成分为：MgO 40.7％，SiO₂19.4％，CaO 0.7％，Al₂O₃4.5％，Fe₂O₃0.8％， KCl 0.7％，烧失量33.2％。

所述中轻质合成镁橄榄石砂的制备方法与中重质合成镁橄榄石砂基本相同， 具体不同之处在于成孔剂——粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒的加入量为 26wt％，结合剂——木质磺酸镁溶液的加入量为6wt％。

(2)上述实施例1～6之一任意所述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复 合砖中：

所述中重质合成镁橄榄石砂的制备方法之二为：(1)将91wt％粒度＜0.2mm 的菱镁石尾矿颗粒在1300℃下轻烧1小时，得到轻烧菱镁石尾矿颗粒，然后将 轻烧菱镁石尾矿颗粒和9wt％粒度＜0.044mm的石英粉混合，混匀后进行研磨， 得到粒径小于0.088mm的轻烧菱镁石尾矿-石英混合料；(2)向上述混合料中加 入占混合料总重10wt％的粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒和6wt％的木质磺酸 镁溶液，进行混合、混炼、140MPa压强机压、干燥处理，干燥后在1700℃下焙 烧8小时，得到中重质合成镁橄榄石，将中重质合成镁橄榄石破碎即得到中重质 合成镁橄榄石砂。

其中，所述菱镁石尾矿颗粒的主要化学成分为：MgO 40.7％，SiO₂19.4％， CaO 0.7％，Al₂O₃4.5％，Fe₂O₃0.8％，KCl 0.7％，烧失量33.2％。

所述中轻质合成镁橄榄石砂的制备方法与中重质合成镁橄榄石砂基本相同， 具体不同之处在于成孔剂——粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒的加入量为 30wt％，结合剂——木质磺酸镁溶液的加入量为8wt％。

(3)上述实施例1～6之一任意所述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复 合砖中：

所述中重质合成镁橄榄石砂的制备方法之三为：(1)将85wt％粒度＜0.2mm 的菱镁石尾矿颗粒在1200℃下轻烧5小时，得到轻烧菱镁石尾矿颗粒，然后将 轻烧菱镁石尾矿颗粒和15wt％粒度＜0.044mm的石英粉混合，混匀后进行研磨， 得到粒径小于0.088mm的轻烧菱镁石尾矿-石英混合料；(2)向上述混合料中加 入占混合料总重15wt％的粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒和10wt％的木质磺酸 镁溶液，进行混合、混炼、110MPa压强机压、干燥处理，干燥后在1650℃下焙 烧4小时，得到中重质合成镁橄榄石，将中重质合成镁橄榄石破碎即得到中重质 合成镁橄榄石砂。

其中，所述菱镁石尾矿颗粒为浮选菱镁矿石提取高纯矿石所遗留的物质，其 主要化学成分为：MgO 40.6％，SiO₂17.6％，CaO 0.8％，Al₂O₃3.5％，Fe₂O₃1.0％， KCl 0.6％，烧失量35.9％。

所述中轻质合成镁橄榄石砂的制备方法与中重质合成镁橄榄石砂基本相同， 具体不同之处在于成孔剂——粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒的加入量为 40wt％，结合剂——木质磺酸镁溶液的加入量为12wt％。

(4)上述实施例1～6之一任意所述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复 合砖中：

所述中重质合成镁橄榄石砂的制备方法之四为：(1)将90wt％粒度＜0.2mm 的菱镁石尾矿颗粒在1280℃下轻烧3小时，得到轻烧菱镁石尾矿颗粒，然后将 轻烧菱镁石尾矿颗粒和10wt％粒度＜0.044mm的石英粉混合，混匀后进行研磨， 得到粒径小于0.088mm的轻烧菱镁石尾矿-石英混合料；(2)向上述混合料中加 入占混合料总重20wt％的粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒和8wt％的木质磺酸 镁溶液，进行混合、混炼、130MPa压强机压、干燥处理，干燥后在1680℃下焙 烧6小时，得到中重质合成镁橄榄石，将中重质合成镁橄榄石破碎即得到中重质 合成镁橄榄石砂。

其中，所述菱镁石尾矿颗粒的主要化学成分为：MgO 40.5％，SiO₂15.8％， CaO 1.0％，Al₂O₃2.5％，Fe₂O₃1.2％，KCl 0.4％，烧失量38.6％。

所述中轻质合成镁橄榄石砂的制备方法与中重质合成镁橄榄石砂基本相同， 具体不同之处在于成孔剂——粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒的加入量为 35wt％，结合剂——木质磺酸镁溶液的加入量为12wt％。

(5)上述实施例1～6之一任意所述的方镁石-镁铁铁铝尖晶石/镁橄榄石复 合砖中：

所述中重质合成镁橄榄石砂的制备方法之五为：(1)将88wt％粒度＜0.2mm 的菱镁石尾矿颗粒在1250℃下轻烧4小时，得到轻烧菱镁石尾矿颗粒，然后将 轻烧菱镁石尾矿颗粒和12wt％粒度＜0.044mm的石英粉混合，混匀后进行研磨， 得到粒径小于0.088mm的轻烧菱镁石尾矿-石英混合料；(2)向上述混合料中加 入占混合料总重25wt％的粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒和10wt％的木质磺酸 镁溶液，进行混合、混炼、120MPa压强机压、干燥处理，干燥后在1670℃下焙 烧5小时，得到中重质合成镁橄榄石，将中重质合成镁橄榄石破碎即得到中重质 合成镁橄榄石砂。

其中，所述菱镁石尾矿颗粒为浮选菱镁矿石提取高纯矿石所遗留的物质，其 主要化学成分为：MgO 40.5％，SiO₂15.8％，CaO 1.0％，Al₂O₃2.5％，Fe₂O₃1.2％， KCl 0.4％，烧失量38.6％。

所述中轻质合成镁橄榄石砂的制备方法与中重质合成镁橄榄石砂基本相同， 具体不同之处在于成孔剂——粒度为0.088-0.5mm的菱镁石颗粒的加入量为 30wt％。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变 化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。