一种镁橄榄石轻质隔热耐火材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种镁橄榄石轻质隔热耐火材料及其制备方法，该耐火材料按重量百分数计包括下述组分：SiO

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐火材料及其制备方法，特别涉及一种以富镁废渣为原料的镁橄榄石轻质隔热耐火材料及其制备方法。

背景技术

隔热耐火材料是指气孔率高、体积密度小、具有绝热性能、对热可起屏蔽作用的材料。由于隔热耐火材料的质量很轻，通常又称为轻质耐火材料。轻质隔热耐火材料，除了主要用于高于环境温度的条件下防止热的流出损失外，还可以用于低于环境温度的条件下防止热的流入。一般情况下，工业窑炉砌体蓄热损失和炉体表面散热损失，约占燃料消耗的24～45％，采用轻质隔热耐火材料可以减少热量的损失，减轻炉体重量，简化窑炉构造，提高产品质量，降低环境温度，改善劳动条件。

镁橄榄石具有导热系数小、抗渣性好、不水化等特点，可应用于耐火材料。但目前镁橄榄石耐火材料原材料要求高，产品价格贵。选择成本低、化学性质稳定、储量大的废弃物来制备镁橄榄石耐火材料具有较高的经济和技术价值。

富镁废渣是工业冶炼中排放出来的一种固体废弃物，它的形成过程为高温熔融状态下经水淬快速冷却形成的一种脆性炉渣。随着我国金属产量逐年增加，富镁废渣的产量也逐年不断增长，大量堆积侵占土地，污染环境，已报道的研究中，大部分都是用于生产水泥、玻璃等。富镁废渣中含有较多的SiO₂、MgO，是制备镁橄榄石轻质耐火材料的理想原料，开发利用富镁废渣中有效的成分，实现资源化二次利用，变废为宝，生产高附加值的废物资源化产品，是实现可持续发展的重要手段。

发明内容

发明目的：针对现有镁橄榄石耐火材料存在的问题，以富镁废渣为原料，提供一种气孔率高导热系数小、耐火度高、抗热震性好、重烧线收缩率小的镁橄榄石轻质隔热耐火材料，并提供一种制备该耐火材料的方法，该方法生产成本低，操作简单，易于工艺控制。

技术方案：本发明所述的以富镁废渣为原料的镁橄榄石轻质隔热耐火材料，按重量百分数计包括下述组分：

该耐火材料以富镁废渣和含铝废料的混合物为主料、辅以生物质材料和发泡剂制成，其中，主料按重量百分数计，包括60～78％的富镁废渣及22～40％的含铝废料。

较优的，主料与生物质粉、发泡剂的质量比为100：(5～15)：(0～5)。

上述原料中，富镁废渣可为镍渣、铬渣、硅锰渣、废镁砖中的一种或几种。含铝废料可为粉煤灰、煤矸石、污泥、流化床煤灰中的一种。生物质材料为稻壳、秸秆、木炭中的一种。发泡剂为碳酸盐、硼酸盐、碳粉中的一种。

本发明所述的镁橄榄石轻质隔热耐火材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)原料预处理：富镁废渣、含铝废料破碎并粉磨0.5～4h，得到富镁废渣粉体和含铝废料粉体；生物质材料经预处理后破碎并粉磨1h～3h，得到生物质粉体；

(2)球磨混料：按配方称取富镁废渣粉体、含铝废料粉体、生物质粉体、发泡剂，混合、球磨得到混合粉料；

(3)在混合粉料中加水或工业废液，混匀、成型，得到生坯；

(4)将生坯放在匣钵中，置于高温炉中，在空气中升温烧成，然后随炉冷却即得。

上述步骤(1)中，生物质材料的预处理过程为：将生物质材料用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净。

上述步骤(3)中，工业废液可为纸浆废液、制革废液中的一种；成型方法可为模压成型或挤出成型。

优选的，步骤(4)中，升温烧成的升温程序为：0℃～500℃以3～6℃/min升温，保温20～50min；500℃～1000℃以5～7℃/min升温；最后以1～2℃/min升温至1350～1600℃，保温120～180min。

本发明的一个最佳方案是：75份富镁废渣、25份含铝废料，外加10份生物质材料、2份发泡剂，升温烧成程序：20℃～500℃，升温96min，500℃保温30min，500℃～1000℃，升温100min；1000～1600℃升温300min，保温2h，自然冷却到室温。

最佳方案中优选的配方是：20份镍渣、55份废镁砖、25份煤矸石，外加10份稻壳、2份碳酸钠，稻壳和碳酸钠复合造孔效果最佳。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的镁橄榄石轻质隔热耐火材料以富镁废渣为主料，生物质材料和发泡剂复合造孔，降低了生产成本，形成的镁橄榄石轻质隔热耐火材料具有气孔率高、密度小、导热系数低、重烧线收缩率低等优异性能，可以广泛应用于保温隔热材料；(2)本发明所用的生物质材料不但可以降低烧成温度而且可以作为一种造孔剂，同时提高了对农作物的综合利用；(3)本发明所采用的发泡剂简单且易获得，在低温烧成过程中，发泡剂发生分解或还原反应生成气体，发泡时间较长，产生的气孔较多，孔径分布均匀。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

以下实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售产品。

实施例1

原料：镍渣、硅锰渣、粉煤灰，三者质量比为15:45:40，外加15％稻壳；其中，15％稻壳是指稻壳与主料(镍渣+废镁砖+粉煤灰)的质量比为15％。

制备方法：

(1)原料预处理：镍渣、硅锰渣破碎并粉磨0.5～4h，得到镍渣、硅锰渣粉体；稻壳用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净，最后破碎并粉磨1h～3h，得到稻壳粉体；

(2)球磨混料：将镍渣粉、硅锰渣粉、粉煤灰粉按质量比15:45:40，外加15％稻壳粉，称取，球磨2h；

(3)成型：模压成型，得到坯体；

(4)烧成：20℃～500℃，升温96min，500℃保温30min，500℃～1000℃，升温83min，1000℃～1350℃，升温175min，1350℃保温160min，自然冷却到室温。

制得的耐火材料按重量百分数计化学组分为SiO₂>2O₃>2O₃1.5％、CaO>

性能测试：采用阿基米德定律测得耐火材料的气孔率为62％、密度1.08g/cm³，采用万能试验机测得其抗压强度为10.00Mpa，导热系数0.32W/(m·K)，耐火度1500℃，重烧线收缩率0.23％，抗热震(1400℃，水冷)6次。

实施例2

原料：镍渣、铬渣、废镁砖、污泥，四者质量比为15:15:48:22，外加5％秸秆，5％碳粉：其中，5％秸秆是指秸秆与主料(镍渣+铬渣+废镁砖+污泥)的质量比为5％，5％碳粉是指碳粉与主料(镍渣+铬渣+废镁砖+污泥)的质量比为5％。

制备方法：

(1)原料预处理：镍渣、铬渣、废镁砖、污泥破碎并粉磨0.5～4h，得到镍渣、铬渣、废镁砖、污泥粉体；秸秆用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净，最后破碎并粉磨1h～3h，得到秸秆粉体；

(2)球磨混料：将镍渣粉、铬渣粉、废镁砖粉、污泥粉按质量比15:15:48:22，外加5％秸秆粉，5％碳粉，称取，球磨2h；

(3)成型：挤出成型，得到坯体；

(4)烧成：20℃～500℃，升温96min，500℃保温30min，500℃～1000℃，升温83min，1000℃～1550℃，升温275min，1550℃保温160min，自然冷却到室温。

制得的导电耐火材料按重量百分数计化学组分为SiO₂>2O₃10％、Fe₂O₃>

性能测试：采用阿基米德定律测得耐火材料的气孔率为45％、密度1.15g/cm³，采用万能试验机测得其抗压强度为13.72Mpa，导热系数0.38W/(m·K)，耐火度1650℃，重烧线收缩率0.12％，抗热震(1400℃，水冷)7次。

实施例3

原料：铬渣、废镁砖、煤矸石，三者质量比为26:43:31，外加10％木炭，2.5％硼酸；其中，10％木炭是指木炭与主料(铬渣+废镁砖+煤矸石)的质量比为10％，2.5％硼酸是指硼酸与主料(铬渣+废镁砖+煤矸石)的质量比为2.5％。

制备方法：

(1)原料预处理：铬渣、废镁砖、煤矸石破碎并粉磨0.5～4h，得到镍渣、废镁砖、煤矸石粉体；木炭用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净，最后破碎并粉磨1h～3h，得到木炭粉体；

(2)球磨混料：将镍渣粉、废镁砖粉、煤矸石粉按质量比26:43:31，外加10％木炭粉，2.5％硼酸，称取，球磨2h；

(3)成型：模压成型，得到坯体；

(4)烧成：20℃～500℃，升温96min，500℃保温30min，500℃～1000℃，升温83min，1000℃～1450℃，升温225min，1450℃保温120min，自然冷却到室温。

制得的导电耐火材料按重量百分数计化学组分为SiO₂>2O₃14％、Fe₂O₃>

性能测试：采用阿基米德定律测得耐火材料的气孔率为71％、密度1.07g/cm³，采用万能试验机测得其抗压强度为13.12Mpa，导热系数0.65W/(m·K)，耐火度1550℃，重烧线收缩率0.3％，抗热震(1400℃，水冷)4次。

实施例4

原料：镍渣、废镁砖、煤矸石，三者质量比为20:55:25，外加10％稻壳，2％碳酸钠；其中，10％稻壳是指稻壳与主料(镍渣+废镁砖+煤矸石)的质量比为10％，2％碳酸钠是指碳酸钠与主料(镍渣+废镁砖+煤矸石)的质量比为2％。

制备方法：

(1)原料预处理：镍渣、废镁砖、煤矸石破碎并粉磨0.5～4h，得到镍渣、废镁砖、煤矸石粉体；稻壳用体积分数为10％HCl溶液沸煮1～2h，然后用水洗净，最后破碎并粉磨1h～3h，得到稻壳粉体；

(2)球磨混料：将镍渣粉、废镁砖粉、煤矸石粉按质量比20:55:25，外加10％稻壳粉，2％碳酸钠，称取，球磨2h；

(3)成型：模压成型，得到坯体；

(4)烧成：20℃～500℃，升温96min，500℃保温30min，500℃～1000℃，升温83min，1000℃～1600℃，升温300min，1600℃保温120min，自然冷却到室温。

制得的导电耐火材料按重量百分数计化学组分为SiO₂>2O₃10％、Fe₂O₃>

性能测试：采用阿基米德定律测得耐火材料的气孔率为75％、密度1.02g/cm³，采用万能试验机测得其抗压强度为12.25Mpa，导热系数0.3W/(m·K)，耐火度1680℃，重烧线收缩率0.1％，抗热震(1400℃，水冷)9次。