一种轻量莫来石耐火材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种轻量莫来石耐火材料及其制备方法。其技术方案是：以5～15wt％的3～5mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒、20～45wt％的1～2.8mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒和5～15wt％的0.088～0.95mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒为骨料，以10～25wt％的粒径小于0.088mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷细粉、11～22wt％的莫来石细粉、1～3wt％的二氧化硅微粉和3～7wt％的α‑Al

说明书

技术领域

本发明属于轻量耐火材料技术领域。尤其涉及一种轻量莫来石耐火材料及其制备方法。

背景技术

轻量莫来石耐火材料具有热震稳定性好、抗蠕变性能强和化学稳定性好等优点，广泛用作热风炉、干熄焦炉等高温窑炉的工作衬。轻量莫来石耐火材料采用致密莫来石骨料制得，体积密度大、导热系数高和骨料/基质界面结合强度差，使得材料强度降低的同时，还会造成散热损失，消耗较多能源。为了减少工业窑炉散热损失、减少耐火材料消耗并提高材料骨料/基质界面结合强度，发展骨料/基质界面相容性好的轻量莫来石耐火材料迫在眉睫。

目前，关于制备轻量莫来石耐火材料的研究已有进展。如“一种新型轻质莫来石耐火砖及其制备方法(CN2013101710840)”专利技术，改技术采用致密莫来石为主原料、引入部分轻质莫来石骨料和造孔剂，制得轻质莫来石耐火砖。由于造孔剂使得本已相对疏松的基质更加疏松，严重影响材料强度和抗渣性；又由于轻质莫来石骨料气孔孔径较大，且此材料以致密莫来石为主原料，既会降低材料的强度与抗渣性，也会限制材料导热系数的降低。又如“一种轻质高强自流浇注料制造工艺(201410719345.2)”专利技术，该技术采用莫来石轻质骨料和矾土熟料粉制得轻质自流浇注料，但制品强度和使用温度较低，加之莫来石轻质骨料的气孔孔径较大，亦会降低材料的强度、抗渣性和隔热性能。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单、成本低廉的轻量莫来石耐火材料的制备方法，所制备的轻量莫来石耐火材料的气孔孔径为纳米级，导热系数低、热震稳定性好和抗渣性能优良。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的步骤是：

以5～15wt％的3～5mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒、20～45wt％的1～2.8mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒和5～15wt％的0.088～0.95mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒为骨料，以10～25wt％的粒径小于0.088mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷细粉、11～22wt％的莫来石细粉、1～3wt％的二氧化硅微粉和3～7wt％的α-Al₂O₃微粉为基质，以5～8wt％的硅溶胶为结合剂。

先将所述骨料和所述结合剂混合，搅拌15～30min，再加入所述基质，搅拌15～30min，得到混合料；将所述混合料在110～220℃条件下保温2～10小时，冷却，在30～150MPa条件下机压成型，成型后的坯体于110℃条件下干燥12～36小时；然后置于高温炉内，以2～5℃/min的速率升温至1400～1600℃，保温2～10小时，冷却，即得轻量莫来石耐火材料。

所述纳米孔径的多孔莫来石陶瓷的制备方法是：

第一步、将氢氧化铝细粉置于高温炉内，以3～5℃/min的速率升温至450～600℃，保温1～6小时，再以4～6℃/min的速率升温至1050～1300℃，保温2～6小时，冷却，得到高孔隙率的氧化铝粉体；

第二步、按所述高孔隙率的氧化铝粉体为55～70wt％、所述硅溶胶为10～29wt％和所述二氧化硅微粉为1～20wt％，先将所述高孔隙率的氧化铝粉体置于真空搅拌机中，抽真空至2.0kPa以下，再将所述硅溶胶和所述二氧化硅微粉倒入所述真空搅拌机中，搅拌15～30min，关闭抽真空系统，得到混合料；

第三步、将所述混合料在150～250℃条件下保温1～3h，冷却，在80～150MPa条件下机压成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥12～36小时；然后将干燥后的坯体置于高温炉内，以3～5℃/min的速率升温至800～1100℃，保温1～3h，再以4～6℃/min的速率升温至1400～1600℃，保温2～6h，即得纳米孔径的多孔莫来石陶瓷。

所述纳米孔径的多孔莫来石陶瓷经破碎和筛分，分别得到：

粒径为3～5mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒；

粒径为1～2.8mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒；

粒径为0.088～0.95mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒；

粒径小于0.088mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷细粉。

所述莫来石细粉的Al₂O₃含量为60～72wt％；所述莫来石细粉的粒径小于0.074mm。

所述二氧化硅微粉的SiO₂含量大于96wt％；所述二氧化硅微粉粒径小于0.002mm。

所述α-Al₂O₃微粉中的Al₂O₃含量大于97wt％；所述α-Al₂O₃微粉的粒径小于0.005mm。

所述硅溶胶的SiO₂含量为30～40wt％。

所述氢氧化铝细粉的Al₂O₃含量为60～66wt％；所述氢氧化铝细粉的粒径小于0.088mm。

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：

(1)本发明采用的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷，是利用氢氧化铝细粉在450～600℃条件下分解生成氧化铝微晶并产生纳米级气孔；在1050～1300℃时，根据表面扩散物质传输机理氧化铝微晶之间会产生颈部链接，限制烧结中后期的颗粒重排，得到了高孔隙率的氧化铝粉体。向高孔隙率的氧化铝粉体中的氧化铝颗粒间引入硅溶胶，在真空条件下让溶液中SiO₂富集在氧化铝颗粒颈部，高温下生成具有一定体积膨胀的莫来石，阻碍纳米孔合并长大；向高孔隙率的氧化铝粉体中加入二氧化硅微粉，填充了高孔隙率的氧化铝粉体间的空隙，一方面会使高孔隙率的氧化铝粉体间的气孔纳米化，另一方面二氧化硅微粉与高孔隙率的氧化铝粉体中的氧化铝原位反应形成莫来石颈部连接以阻止氧化铝颗粒在高温烧结过程中的重排；得到强度高和抗渣性能好的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷：显气孔率为28～58％；体积密度为1.17～2.01g/cm³；平均孔径为150～1100nm；物相组成为莫来石。从而使所制备的轻量莫来石耐火材料强度高和抗渣性能优良。

(2)本发明利用纳米孔径的多孔莫来石陶瓷骨料的纳米级气孔，降低制品导热系数，减缓熔渣渗透，并能吸收因温度剧变产生的热应力，提高轻量莫来石耐火材料的抗渣性和热震稳定性。

(3)本发明利用基质中α-Al₂O₃微粉与二氧化硅微粉和硅溶胶原位反应生成一定体积膨胀的莫来石，一方面能堵塞基质中细粉的间隙，使基质中气孔孔径纳米化，另一方面能促进基质细粉间固固连接的形成，且能使轻量莫来石耐火材料内部物相全为莫来石相，改善了内部应力分布。

(4)本发明利用骨料表面纳米孔与基质细粉中纳米颗粒的反应烧结行为形成犬牙交错、咬合程度更好的界面，增强骨料与基质之间的界面结合强度，进一步提高了轻量莫来石耐火材料的力学性能。所以，制备的轻量莫来石耐火材料不仅制备工艺简单、成本低廉，而且导热系数低、热震稳定性好和抗渣性能优良。

本发明所制备的轻量莫来石耐火材料经检测：显气孔率为23～55％；体积密度为1.26～2.15g/cm³；平均孔径为300～1500nm；耐压强度为60～140MPa；物相组成为莫来石。

因此，本发明所得的轻量莫来石耐火材料气孔孔径为纳米级，制备工艺简单，成本低廉，具有导热系数低、热震稳定性好和抗渣性能优良等特点。

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中的物料统一描述如下，实施例中不再赘述：

所述纳米孔径的多孔莫来石陶瓷经破碎和筛分，分别得到：

粒径为3～5mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒；

粒径为1～2.8mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒；

粒径为0.088～0.95mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒；

粒径小于0.088mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷细粉。

所述莫来石细粉的Al₂O₃含量为60～72wt％；所述莫来石细粉的粒径小于0.074mm。

所述二氧化硅微粉的SiO₂含量大于96wt％；所述二氧化硅微粉粒径小于0.002mm。

所述α-Al₂O₃微粉中的Al₂O₃含量大于97wt％；所述α-Al₂O₃微粉的粒径小于0.005mm。

所述硅溶胶的SiO₂含量为30～40wt％。

所述氢氧化铝细粉的Al₂O₃含量为60～66wt％；所述氢氧化铝细粉的粒径小于0.088mm。

实施例1

一种轻量莫来石耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：

以5～12wt％的3～5mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒、20～30wt％的1～2.8mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒和8～15wt％的0.088～0.95mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒为骨料，以16～25wt％的粒径小于0.088mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷细粉、11～19wt％的莫来石细粉、1～3wt％的二氧化硅微粉和6～7wt％的α-Al₂O₃微粉为基质，以5～8wt％的硅溶胶为结合剂。

先将所述骨料和所述结合剂混合，搅拌15～30min，再加入所述基质，搅拌15～30min，得到混合料；将所述混合料在110～220℃条件下保温2～7小时，冷却，在30～110MPa条件下机压成型，成型后的坯体于110℃条件下干燥12～24小时；然后置于高温炉内，以3～5℃/min的速率升温至1400～1450℃，保温2～4小时，冷却，即得轻量莫来石耐火材料。

所述纳米孔径的多孔莫来石陶瓷的制备方法是：

第一步、将氢氧化铝细粉置于高温炉内，以4～5℃/min的速率升温至500～600℃，保温1～3小时，再以5～6℃/min的速率升温至1200～1300℃，保温2～3小时，冷却，得到高孔隙率的氧化铝粉体；

第二步、按所述高孔隙率的氧化铝粉体为55～60wt％、所述硅溶胶为24～29wt％和所述二氧化硅微粉为15～20wt％，先将所述高孔隙率的氧化铝粉体置于真空搅拌机中，抽真空至2.0kPa以下，再将所述硅溶胶和所述二氧化硅微粉倒入所述真空搅拌机中，搅拌15～30min，关闭抽真空系统，得到混合料；

第三步、将所述混合料在150～250℃条件下保温1～3h，冷却，在80～120MPa条件下机压成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥12～18小时；然后将干燥后的坯体置于高温炉内，以4～5℃/min的速率升温至800～1000℃，保温1～3h，再以5～6℃/min的速率升温至1400～1500℃，保温2～3h，即得纳米孔径的多孔莫来石陶瓷。

本实施中的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒：显气孔率为38～58％；体积密度为1.17～1.73g/cm³；平均孔径为750～1100nm；物相组成为莫来石。

本实施例所制备的轻量莫来石耐火材料经检测：显气孔率为35～55％；体积密度为1.26～1.47g/cm³；平均孔径为900～1500nm；耐压强度为60～100MPa。

实施例2

一种轻量莫来石耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：

以6～13wt％的3～5mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒、25～35wt％的1～2.8mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒和7～14wt％的0.088～0.95mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒为骨料，以14～23wt％的粒径小于0.088mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷细粉、12～20wt％的莫来石细粉、1～3wt％的二氧化硅微粉和5～6wt％的α-Al₂O₃微粉为基质，以5～8wt％的硅溶胶为结合剂。

先将所述骨料和所述结合剂混合，搅拌15～30min，再加入所述基质，搅拌15～30min，得到混合料；将所述混合料在110～220℃条件下保温3～8小时，冷却，在40～120MPa条件下机压成型，成型后的坯体于110℃条件下干燥18～24小时；然后置于高温炉内，以3～5℃/min的速率升温至1450～1500℃，保温4～6小时，冷却，即得轻量莫来石耐火材料。

所述纳米孔径的多孔莫来石陶瓷的制备方法是：

第一步、将氢氧化铝细粉置于高温炉内，以4～5℃/min的速率升温至500～600℃，保温2～4小时，再以5～6℃/min的速率升温至1150～1250℃，保温3～4小时，冷却，得到高孔隙率的氧化铝粉体；

第二步、按所述高孔隙率的氧化铝粉体为60～65wt％、所述硅溶胶为19～24wt％和所述二氧化硅微粉为12～17wt％，先将所述高孔隙率的氧化铝粉体置于真空搅拌机中，抽真空至2.0kPa以下，再将所述硅溶胶和所述二氧化硅微粉倒入所述真空搅拌机中，搅拌15～30min，关闭抽真空系统，得到混合料；

第三步、将所述混合料在150～250℃条件下保温1～3h，冷却，在90～130MPa条件下机压成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥18～24小时；然后将干燥后的坯体置于高温炉内，以4～5℃/min的速率升温至800～1000℃，保温1～3h，再以5～6℃/min的速率升温至1400～1500℃，保温3～4h，即得纳米孔径的多孔莫来石陶瓷。

本实施中的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒：显气孔率为35～48％；体积密度为1.45～1.81g/cm³；平均孔径为550～1000nm；物相组成为莫来石。

本实施例所制备的轻量莫来石耐火材料经检测：显气孔率为31～45％；体积密度为1.53～1.93g/cm³；平均孔径为700～1300nm；耐压强度为75～115MPa。

实施例3

一种轻量莫来石耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：

以7～14wt％的3～5mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒、30～40wt％的1～2.8mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒和6～13wt％的0.088～0.95mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒为骨料，以12～21wt％的粒径小于0.088mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷细粉、13～21wt％的莫来石细粉、1～3wt％的二氧化硅微粉和4～5wt％的α-Al₂O₃微粉为基质，以5～8wt％的硅溶胶为结合剂。

先将所述骨料和所述结合剂混合，搅拌15～30min，再加入所述基质，搅拌15～30min，得到混合料；将所述混合料在110～220℃条件下保温4～9小时，冷却，在50～130MPa条件下机压成型，成型后的坯体于110℃条件下干燥16～30小时；然后置于高温炉内，以2～4℃/min的速率升温至1500～1550℃，保温6～8小时，冷却，即得轻量莫来石耐火材料。

所述纳米孔径的多孔莫来石陶瓷的制备方法是：

第一步、将氢氧化铝细粉置于高温炉内，以3～4℃/min的速率升温至450～550℃，保温3～5小时，再以4～5℃/min的速率升温至1050～1150℃，保温4～5小时，冷却，得到高孔隙率的氧化铝粉体；

第二步、按所述高孔隙率的氧化铝粉体为63～68wt％、所述硅溶胶为10～25wt％和所述二氧化硅微粉为9～14wt％，先将所述高孔隙率的氧化铝粉体置于真空搅拌机中，抽真空至2.0kPa以下，再将所述硅溶胶和所述二氧化硅微粉倒入所述真空搅拌机中，搅拌15～30min，关闭抽真空系统，得到混合料；

第三步、将所述混合料在150～250℃条件下保温1～3h，冷却，在100～140MPa条件下机压成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥24～30小时；然后将干燥后的坯体置于高温炉内，以3～4℃/min的速率升温至900～1100℃，保温1～3h，再以4～5℃/min的速率升温至1500～1600℃，保温4～5h，即得纳米孔径的多孔莫来石陶瓷。

本实施中的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒：显气孔率为31～43％；体积密度为1.59～1.92g/cm³；平均孔径为350～900nm；物相组成为刚玉和莫来石。

本实施例所制备的轻量莫来石耐火材料经检测：显气孔率为27～40％；体积密度为1.67～2.04g/cm₃；平均孔径为500～1100nm；耐压强度为90～125MPa。

实施例4

一种轻量莫来石耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：

以8～15wt％的3～5mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒、35～45wt％的1～2.8mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒和5～12wt％的0.088～0.95mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒为骨料，以10～19wt％的粒径小于0.088mm的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷细粉、14～22wt％的莫来石细粉、1～3wt％的二氧化硅微粉和3～4wt％的α-Al₂O₃微粉为基质，以5～8wt％的硅溶胶为结合剂。

先将所述骨料和所述结合剂混合，搅拌15～30min，再加入所述基质，搅拌15～30min，得到混合料；将所述混合料在110～220℃条件下保温5～10小时，冷却，在60～150MPa条件下机压成型，成型后的坯体于110℃条件下干燥24～36小时；然后置于高温炉内，以2～4℃/min的速率升温至1550～1600℃，保温8～10小时，冷却，即得轻量莫来石耐火材料。

所述纳米孔径的多孔莫来石陶瓷的制备方法是：

第一步、将氢氧化铝细粉置于高温炉内，以3～4℃/min的速率升温至450～550℃，保温4～6小时，再以4～5℃/min的速率升温至1100～1200℃，保温5～6小时，冷却，得到高孔隙率的氧化铝粉体；

第二步、按所述高孔隙率的氧化铝粉体为65～70wt％、所述硅溶胶为24～29wt％和所述二氧化硅微粉为1～10wt％，先将所述高孔隙率的氧化铝粉体置于真空搅拌机中，抽真空至2.0kPa以下，再将所述硅溶胶和所述二氧化硅微粉倒入所述真空搅拌机中，搅拌15～30min，关闭抽真空系统，得到混合料；

第三步、将所述混合料在150～250℃条件下保温1～3h，冷却，在110～150MPa条件下机压成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥30～36小时；然后将干燥后的坯体置于高温炉内，以3～4℃/min的速率升温至900～1100℃，保温1～3h，再以4～5℃/min的速率升温至1500～1600℃，保温5～6h，即得纳米孔径的多孔莫来石陶瓷。

本实施中的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷颗粒：显气孔率为28～38％；体积密度为1.71～2.01g/cm³；平均孔径为150～800nm；物相组成为刚玉和莫来石。

本实施例所制备的轻量莫来石耐火材料经检测：显气孔率为23～35％；体积密度为1.46～2.15g/cm³；平均孔径为300～1000nm；耐压强度为100～140MPa。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本具体实施方式采用的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷，是利用氢氧化铝细粉在450～600℃条件下分解生成氧化铝微晶并产生纳米级气孔；在1050～1300℃时，根据表面扩散物质传输机理氧化铝微晶之间会产生颈部链接，限制烧结中后期的颗粒重排，得到了高孔隙率的氧化铝粉体。向高孔隙率的氧化铝粉体中的氧化铝颗粒间引入硅溶胶，在真空条件下让溶液中SiO₂富集在氧化铝颗粒颈部，高温下生成具有一定体积膨胀的莫来石，阻碍纳米孔合并长大；向高孔隙率的氧化铝粉体中加入二氧化硅微粉，填充了高孔隙率的氧化铝粉体间的空隙，一方面会使高孔隙率的氧化铝粉体间的气孔纳米化，另一方面二氧化硅微粉与高孔隙率的氧化铝粉体中的氧化铝原位反应形成莫来石颈部连接以阻止氧化铝颗粒在高温烧结过程中的重排；得到强度高和抗渣性能好的纳米孔径的多孔莫来石陶瓷：显气孔率为28～58％；体积密度为1.17～2.01g/cm³；平均孔径为150～1100nm；物相组成为莫来石。从而使所制备的轻量莫来石耐火材料强度高和抗渣性能优良。

(2)本具体实施方式利用纳米孔径的多孔莫来石陶瓷骨料的纳米级气孔，降低制品导热系数，减缓熔渣渗透，并能吸收因温度剧变产生的热应力，提高轻量莫来石耐火材料的抗渣性和热震稳定性。

(3)本具体实施方式利用基质中α-Al₂O₃微粉与二氧化硅微粉和硅溶胶原位反应生成一定体积膨胀的莫来石，一方面能堵塞基质中细粉的间隙，使基质中气孔孔径纳米化，另一方面能促进基质细粉间固固连接的形成，且能使轻量莫来石耐火材料内部物相全为莫来石相，改善了内部应力分布。

(4)本具体实施方式利用骨料表面纳米孔与基质细粉中纳米颗粒的反应烧结行为形成犬牙交错、咬合程度更好的界面，增强骨料与基质之间的界面结合强度，进一步提高了轻量莫来石耐火材料的力学性能。所以，制备的轻量莫来石耐火材料不仅制备工艺简单、成本低廉，而且导热系数低、热震稳定性好和抗渣性能优良。

本具体实施方式所制备的轻量莫来石耐火材料经检测：显气孔率为23～55％；体积密度为1.26～2.15g/cm³；平均孔径为300～1500nm；耐压强度为60～140MPa；物相组成为莫来石。

因此，本具体实施方式所得的轻量莫来石耐火材料气孔孔径为纳米级，制备工艺简单，成本低廉，具有导热系数低、热震稳定性好和抗渣性能优良等特点。