矾土‑钛铝酸钙‑碳化硅复相耐火材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种矾土‑钛铝酸钙‑碳化硅复相耐火材料及其制备方法。其技术方案是：以40~45wt%的特级矾土颗粒、20~30wt%的特级矾土细粉、10~20wt%的钛铝酸钙颗粒、4~9wt%的碳化硅颗粒、4~9wt%的碳化硅细粉、1~2wt%的单质硅、2~5wt%的活性α‑Al2O3细粉、2~6wt%的广西白泥细粉和0.5~1.5wt%的Y2O3细粉为原料，外加所述原料3~4wt%的结合剂，混辗，得到混合料。将所述混合料困料，机压成型，脱模，静置，干燥，在马弗炉中于空气气氛和1400~1530℃条件下保温180~240分钟，随炉冷却，制得矾土‑钛铝酸钙‑碳化硅复相耐火材料。本发明成本低廉、工艺简单和成品率高；所制制品体积密度大、抗折耐压强度大、导热系数小和热震稳定性优良。

说明书

技术领域

本发明属于矾土-碳化硅复相耐火材料技术领域。具体涉及一种矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料及其制备方法。

背景技术

随着天然的矿石原料的消耗以及各种冶炼行业产生大量废渣的堆积，用钛铝酸钙替换特级矾土制备耐火材料具有重大的意义。当前，水泥回转窑过渡带主要使用的是高铝矾土结合碳化硅、莫来石结合碳化硅和塞隆结合碳化硅等各类制品；如“一种莫来石碳化硅复相耐火材料及其制备方法”（CN201610637867.7）专利技术，采用莫来石、碳化硅、矾土和红柱石等作为原料制备莫来石碳化硅复相耐火材料，虽然降低了材料的导热系数，有利于水泥回转窑的节能保温，但所引入的轻质莫来石骨料较多，大大提高了材料的成本，且材料的抗热震性能不优；再如“一种磷酸盐结合低铝硅莫砖及其制备方法”（CN201410444238.3）专利技术，通过用三级高铝矾土替换当前紧缺的特级或者一级矾土，虽降低了制备成本，但制备的磷酸盐结合低铝硅莫砖的显气孔率过大和强度不高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种工艺简单、成本低廉和成品率高的矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料的制备方法，用该方法制备的矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料体积密度大、抗折耐压强度大、导热系数小和热震稳定性优良。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案的具体步骤是：

第一步、以40~45wt%的特级矾土颗粒、20~30wt%的特级矾土细粉、10~20wt%的钛铝酸钙颗粒、4~9wt%的碳化硅颗粒、4~9wt%的碳化硅细粉、1~2wt%的单质硅、2~5wt%的活性α-Al₂O₃细粉、2~6wt%的广西白泥细粉和0.5~1.5wt%的Y₂O₃细粉为原料，外加所述原料3~4wt%的结合剂，混辗8~10min，得到混合料。

第二步、将所述混合料在室温条件下困料4~5小时，在160~180MPa条件下机压成型，脱模，室温条件下静置12~20小时，再于90~110℃条件下干燥24~30小时；然后置于马弗炉中，于空气气氛和1400~1530℃条件下保温180~240分钟，随炉冷却，制得矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料。

所述特级矾土的主要化学成分是：Al₂O₃含量≥85.5wt%，SiO₂含量≥8.61wt%，TiO₂含量≥3.33wt%，Fe₂O₃含量≥1.25wt%，CaO含量≤0.27wt%；

所述特级矾土颗粒的密度为3.46g/cm³，显气孔率为14.5%，粒度为≤3mm；所述特级矾土细粉的粒度为≤0.088mm。

所述钛铝酸钙颗粒的主要化学成分是：Al₂O₃含量≥74.18wt%，CaO含量≥11.69wt%，TiO₂含量≥11.08wt%，Fe₂O₃含量≥1.03wt%，MgO≤1.51wt%，SiO2含量≤0.42wt%；钛铝酸钙颗粒的密度为3.28g/cm³，粒度为≤3mm。

所述碳化硅的SiC含量≥98.78wt%；

所述碳化硅颗粒的粒度≤3mm；所述碳化硅细粉的粒度≤0.088mm。

所述单质硅的Si含量≥95.9wt%；硅粉的粒度为≤0.088mm。

所述活性α-Al₂O₃细粉的粒度≤0.088mm，α-Al₂O₃细粉的Al₂O₃含量≥99.6wt%。

所述广西白泥细粉的主要化学成分是：SiO₂含量≥49.25wt%，Al₂O₃含量≥33.03wt%，Fe₂O₃含量≤1.24wt%；广西白泥细粉的粒度为≤0.088mm。

所述Y₂O₃细粉的主要化学成分是：Y₂O₃含量≥99.8wt%；Y₂O₃的粒度为≤0.075mm。

所述结合剂为亚硫酸纸浆废液和磷酸二氢铝溶液中的一种；所述磷酸二氢铝溶液的浓度≥50wt%。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明选用的原料钛铝酸钙来源丰富，成本低廉，且制备该原料的工艺流程简单，无需特殊的处理技术与设备，故制备矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料的工艺简单和成本低廉。

2、本发明利用钛铝酸钙原料本身的优良特性，如耐火度高、耐磨性好（磨损量A=1.46<矾土的磨损量）、导热系数低、热膨胀系数较低和抗热震性优良，降低了矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料的导热系数和热膨胀系数；且钛铝酸钙原料的主要物相为CA₆，其片状的晶形有利于强度的提高，提升了矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料的强度。

本发明所制备的矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料经检测：成品率为99.0~99.5%；体积密度为2.76~2.86g·cm^-3；显气孔率为14~18%；抗折强度18~26MPa；耐压强度为80~135MPa；导热系数为1.8~2.4W·m^-1·K^-1(1000℃)；热膨胀系数为4.95×10^-6~5.5×10^-6℃^-1(1400℃)；热震（∆T=1100℃，风冷3次）后强度保持率为78~83%。

因此，本发明具有成本低廉、工艺简单和成品率高的特点；所制备的矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料体积密度大、抗折耐压强度大、导热系数小和热震稳定性优良。

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，先将本具体实施方式所涉及的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：

所述特级矾土的主要化学成分是：Al₂O₃含量≥85.5wt%，SiO₂含量≥8.61wt%，TiO₂含量≥3.33wt%，Fe₂O₃含量≥1.25wt%，CaO含量≤0.27wt%；

所述特级矾土颗粒的密度为3.46g/cm³，显气孔率为14.5%，粒度为≤3mm；所述特级矾土细粉的粒度为≤0.088mm。

所述钛铝酸钙颗粒的主要化学成分是：Al₂O₃含量≥74.18wt%，CaO含量≥11.69wt%，TiO₂含量≥11.08wt%，Fe₂O₃含量≥1.03wt%，MgO≤1.51wt%，SiO2含量≤0.42wt%；钛铝酸钙颗粒的密度为3.28g/cm³，粒度为≤3mm。

所述碳化硅的SiC含量≥98.78wt%；所述碳化硅颗粒的粒度≤3mm，所述碳化硅细粉的粒度≤0.088mm。

所述单质硅的Si含量≥95.9wt%；硅粉的粒度为≤0.088mm。

所述活性α-Al₂O₃细粉的粒度≤0.088mm，α-Al₂O₃细粉的Al₂O₃含量≥99.6wt%。

所述广西白泥细粉的主要化学成分是：SiO₂含量≥49.25wt%，Al₂O₃含量≥33.03wt%，Fe₂O₃含量≤1.24wt%；广西白泥细粉的粒度为≤0.088mm。

所述Y₂O₃细粉的主要化学成分是：Y₂O₃含量≥99.8wt%；Y₂O₃的粒度为≤0.075mm。

实施例1

一种矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

第一步、以40~42wt%的特级矾土颗粒、20~24wt%的特级矾土细粉、16~20wt%的钛铝酸钙颗粒、4~6wt%的碳化硅颗粒、7~9wt%的碳化硅细粉、1~2wt%的单质硅、3.5~5wt%的活性α-Al₂O₃细粉、3.5~6wt%的广西白泥细粉和0.5~1.5wt%的Y₂O₃细粉为原料，外加所述原料3~4wt%的结合剂，混辗8~10min，得到混合料。

第二步、将所述混合料在室温条件下困料4~5小时，在160~180MPa条件下机压成型，脱模，室温条件下静置12~20小时，再于90~110℃条件下干燥24~30小时；然后置于马弗炉中，于空气气氛和1400~1450℃条件下保温180~240分钟，随炉冷却，制得矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料。

所述结合剂为亚硫酸纸浆废液。

本发明所制备的矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料经检测：成品率为99.0~99.5%；体积密度为2.81~2.84g·cm^-3；显气孔率为14.5~16%；抗折强度21~24MPa；耐压强度为110~125MPa；导热系数为2.2~2.4W·m^-1·K^-1(1000℃)；热膨胀系数为4.95×10^-6~5.15×10^-6℃^-1(1400℃)；热震（∆T=1100℃，风冷3次）后强度保持率为81~83%。

实施例2

一种矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

第一步、以41~43wt%的特级矾土颗粒、22~26wt%的特级矾土细粉、14~18wt%的钛铝酸钙颗粒、5~7wt%的碳化硅颗粒、6~8wt%的碳化硅细粉、1~2wt%的单质硅、3~4.5wt%的活性α-Al₂O₃细粉、3~5.5wt%的广西白泥细粉和0.5~1.5wt%的Y₂O₃细粉为原料，外加所述原料3~4wt%的结合剂，混辗8~10min，得到混合料。

第二步、将所述混合料在室温条件下困料4~5小时，在160~180MPa条件下机压成型，脱模，室温条件下静置12~20小时，再于90~110℃条件下干燥24~30小时；然后置于马弗炉中，于空气气氛和1430~1480℃条件下保温180~240分钟，随炉冷却，制得矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料。

所述结合剂为磷酸二氢铝溶液；所述磷酸二氢铝溶液的浓度≥50wt%。

本发明所制备的矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料经检测：成品率为99.0~99.5%；体积密度为2.82~2.86g·cm^-3；显气孔率为14~15%；抗折强度23~26MPa；耐压强度为120~135MPa；导热系数为2.1~2.3W·m^-1·K^-1(1000℃)；热膨胀系数为5.05×10^-6~5.25×10^-6℃^-1(1400℃)；热震（∆T=1100℃，风冷3次）后强度保持率为80~82%。

实施例3

一种矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

第一步、以42~44wt%的特级矾土颗粒、24~28wt%的特级矾土细粉、12~16wt%的钛铝酸钙颗粒、6~8wt%的碳化硅颗粒、5~7wt%的碳化硅细粉、1~2wt%的单质硅、2.5~4wt%的活性α-Al₂O₃细粉、2.5~5wt%的广西白泥细粉和0.5~1.5wt%的Y₂O₃细粉为原料，外加所述原料3~4wt%的结合剂，混辗8~10min，得到混合料。

第二步、将所述混合料在室温条件下困料4~5小时，在160~180MPa条件下机压成型，脱模，室温条件下静置12~20小时，再于90~110℃条件下干燥24~30小时；然后置于马弗炉中，于空气气氛和1450~1500℃条件下保温180~240分钟，随炉冷却，制得矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料。

所述结合剂为亚硫酸纸浆废液。

本发明所制备的矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料经检测：成品率为99.0~99.5%；体积密度为2.76~2.79g·cm^-3；显气孔率为16~18%；抗折强度18~21MPa；耐压强度为80~95MPa；导热系数为1.8~2.0W·m^-1·K^-1(1000℃)；热膨胀系数为5.15×10^-6~5.35×10^-6℃^-1(1400℃)；热震（∆T=1100℃，风冷3次）后强度保持率为79~81%。

实施例4

一种矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

第一步、以43~45wt%的特级矾土颗粒、26~30wt%的特级矾土细粉、10~14wt%的钛铝酸钙颗粒、7~9wt%的碳化硅颗粒、4~6wt%的碳化硅细粉、1~2wt%的单质硅、2~3.5wt%的活性α-Al₂O₃细粉、2~4.5wt%的广西白泥细粉和0.5~1.5wt%的Y₂O₃细粉为原料，外加所述原料3~4wt%的结合剂，混辗8~10min，得到混合料。

第二步、将所述混合料在室温条件下困料4~5小时，在160~180MPa条件下机压成型，脱模，室温条件下静置12~20小时，再于90~110℃条件下干燥24~30小时；然后置于马弗炉中，于空气气氛和1480~1530℃条件下保温180~240分钟，随炉冷却，制得矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料。

所述结合剂为磷酸二氢铝溶液；所述磷酸二氢铝溶液的浓度≥50wt%。

本发明所制备的矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料经检测：成品率为99.0~99.5%；体积密度为2.78~2.82g·cm^-3；显气孔率为15~17%；抗折强度19~22MPa；耐压强度为90~115MPa；导热系数为1.9~2.1W·m^-1·K^-1(1000℃)；热膨胀系数为5.25×10^-6~5.5×10^-6℃^-1(1400℃)；热震（∆T=1100℃，风冷3次）后强度保持率为78~80%。

所述结合剂为亚硫酸纸浆废液和磷酸二氢铝溶液中的一种以上；所述磷酸二氢铝溶液的浓度≥50wt%。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明选用的原料钛铝酸钙来源丰富，成本低廉，且制备该原料的工艺流程简单，无需特殊的处理技术与设备，故制备矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料的工艺简单和成本低廉。

2、本发明利用钛铝酸钙原料本身的优良特性，如耐火度高、耐磨性好（磨损量A=1.46<矾土的磨损量）、导热系数低、热膨胀系数较低和抗热震性优良，降低了矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料的导热系数和热膨胀系数；且钛铝酸钙原料的主要物相为CA₆，其片状的晶形有利于强度的提高，提升了矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料的强度。

本发明所制备的矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料经检测：成品率为99.0~99.5%；体积密度为2.76~2.86g·cm^-3；显气孔率为14~18%；抗折强度18~26MPa；耐压强度为80~135MPa；导热系数为1.8~2.4W·m^-1·K^-1(1000℃)；热膨胀系数为4.95×10^-6~5.5×10^-6℃^-1(1400℃)；热震（∆T=1100℃，风冷3次）后强度保持率为78~83%。

因此，本发明具有成本低廉、工艺简单和成品率高的特点；所制备的矾土-钛铝酸钙-碳化硅复相耐火材料体积密度大、抗折耐压强度大、导热系数小和热震稳定性优良。