專利名稱：一種六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料及其制備方法， 屬于耐火材料領域。
背景技術：
我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，而能源生產(chǎn)的發(fā)展相對滯后得多?！笆濉逼陂g我國經(jīng)濟保持 9%的增長速度，而一次性能源生產(chǎn)量增長率則只達到4%左右。解決能源短缺的另一個辦 法是節(jié)能，即減少熱損失、提高熱能的利用效率，減少能源浪費。國際上將節(jié)能工程視為“第 五能源”，其意義十分重要。據(jù)國家有關部門推算，我國各類窯爐和輸熱管道由于保溫不善， 每年的熱損失折合標煤約3000 4000萬噸。采用新型保溫技術進行改造，使這些窯爐和 輸熱管道減少熱損失20 30%是完全可能的，這將使我國每年節(jié)約標煤600 800萬噸。 因此，大力發(fā)展保溫材料工業(yè)，廣泛采用優(yōu)質隔熱保溫材料，對我國經(jīng)濟建設的健康、穩(wěn)定 發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。工業(yè)窯爐爐襯用絕熱材料的蓄熱和散熱損失一般占工業(yè)窯爐總能耗的20 45%。普通硅酸鋁質輕質耐火磚、高鋁質輕質耐火磚、氧化鋁空心球耐火磚及耐火纖維制品 是傳統(tǒng)的工業(yè)窯爐用輕質耐火材料。前三者存在密度較高、導熱系數(shù)較高、蓄熱量較大、抗 熱震穩(wěn)定性較差、使用壽命短、使用過程中節(jié)能效果差等問題。耐火纖維制品雖然在窯爐的 節(jié)能效果方面得到充分的證實，但仍存在限制其繼續(xù)發(fā)展的突出問題，如強度很低無法承 擔結構支撐的作用；使用溫度在1200°C以上時容易粉化和掉渣，且抗高溫氣固兩相流(高 溫煙氣和高溫煙氣/固體燃燒顆粒)的沖蝕磨損性能較差，不僅使用壽命較短，還嚴重影響 燒成陶瓷產(chǎn)品“落臟”缺陷的表面質量；在生產(chǎn)和使用過程中存在致癌風險(歐盟已將硅酸 鋁陶瓷纖維列為二類致癌物質并限制生產(chǎn))；耐火纖維價格很高，特別是高溫Al2O3纖維制 品，如英國MorganThermal Ceramics公司和日本伊索萊特公司生產(chǎn)的輕質高性能Al2O3纖 維復合耐高溫絕熱陶瓷材料，在國內(nèi)的售價高達每噸55萬 60萬元人民幣。因此，為解 決傳統(tǒng)工業(yè)窯爐用輕質耐火材料存在的問題，研究開發(fā)新型輕質絕熱保溫材料是十分必要 的。因此，以英國摩根公司為代表的國外一些大的耐火材料生產(chǎn)商和國內(nèi)的許多耐火 材料廠都開發(fā)出了各種新型輕質耐火磚作為窯爐的耐火內(nèi)襯。如鈣長石系列輕質耐火磚、 莫來石輕質耐火磚、剛玉莫來石輕質耐火磚等，但這些材料各有優(yōu)劣。鈣長石系列輕質耐火 磚(鈣長石熔點1550°C;輕質磚導熱系數(shù)0. 17-0. 18ff/m-K,800°C )雖然導熱系數(shù)接近硅 酸鋁纖維，但由于其高溫強度較低，導致使用溫度較低，最高使用溫度從1100°C至1260°C。 莫來石輕質耐火磚(莫來石熔點1850°C ；輕質磚導熱系數(shù)0. 31-0. 36ff/m · K, 800°C ；使用 溫度從1430°C至1540°C )和剛玉莫來石輕質耐火磚(剛玉熔點2050°C ；輕質磚導熱系數(shù) 0. 44-0. 51ff/m -K,800°C ；最高使用溫度從1650°C至1760°C )雖然有較高的使用溫度，但導 熱系數(shù)遠遠高于硅酸鋁纖維內(nèi)襯。同時莫來石質輕質耐火磚抗堿侵蝕性能差，不適合在堿
3性條件下使用，在還原性氣氛中也不穩(wěn)定，易分解成Al2O3和Si02。六鋁酸鈣(其化學式為CaAl12O19或CaO · 6A1203，簡寫為CA6)是具有較強抗水化 能力的鋁鈣系耐高溫化合物，熔點為1875°C，膨脹系數(shù)接近Al2O3，是目前倍受關注的一種 耐火材料。CA6屬六方晶系，垂直于C軸方向的02_的擴散速度比平行于C軸方向的擴散速 度快，具有優(yōu)先形成片狀或板狀晶體的特性。在剛玉_尖晶石、鋁酸鈣水泥結合剛玉、鋁鎂 澆注料等Al2O3-MgO-CaO體系耐火材料中，CA6通常是高溫條件下的反應產(chǎn)物，其片狀晶形 穿插于剛玉相或尖晶石相之間，能夠改善耐火材料的力學性能，在高溫下可以維持較大的 比表面積，可以有好的高溫隔熱作用；同時在高溫還原性氣氛下有很好的穩(wěn)定性，具有較好 的抗堿侵蝕能力和抗渣侵蝕能力。目前在國內(nèi)外已有不少對CA6隔熱材料的研究，并且研 制出成熟的CA6多孔材料產(chǎn)品，這種材料晶體結構類似于陶瓷纖維的纖維結構，具有極低的 熱導率。由于CA6特有的晶體結構和性質使其作為新型高溫隔熱材料得到重視，輕質六鋁 酸鈣絕熱耐火材料是一種新型輕質高溫絕熱耐火材料，與傳統(tǒng)的莫來石輕質耐火材料相 比，具有更高的使用溫度、微米級和亞微米級的氣孔、板片狀的顯微結構、更低的導熱系數(shù)、 低的體積密度、高的化學穩(wěn)定性和良好的抗堿侵蝕性等特點，作為高溫型陶瓷窯爐用輕質 絕熱耐火材料可大幅度降低蓄熱損失和散熱損失，對于提高有效熱利用率具有十分重要的 作用。但是六鋁酸鈣的高溫強度較低也是制約其廣泛應用的一個重要因素。因此，開發(fā)一 種低導熱系數(shù)、高強度的多孔輕質耐火磚對我國高溫窯爐行業(yè)的節(jié)能具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對目前窯爐內(nèi)襯用剛玉系列輕質耐火磚存在導熱系數(shù)較高而影 響節(jié)能效果，輕質六鋁酸鈣絕熱耐火材料強度較低影響使用壽命等問題，利用剛玉耐高溫 性能好，六鋁酸鈣導熱系數(shù)低、在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好、抗堿侵蝕能力和抗渣侵蝕能 力較好并且六鋁酸鈣與Al2O3膨脹系數(shù)十分接近的特點，提出一種六鋁酸鈣和剛玉復相多 孔輕質隔熱保溫耐火材料及其制備方法，來達到制備高效節(jié)能、長壽命的高溫工業(yè)窯爐爐 襯用的輕質耐火磚的目的，從而為高溫工業(yè)的節(jié)能做出貢獻。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明是一種六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料及其制備方法，其 特征在于該耐火磚的主要耐高溫物相為六鋁酸鈣相和剛玉相；該耐火磚的主要化學成分 為A120390. 6% 96. 7wt. %, CaO 0. 01 8. 31wt. %，其它雜質總含量小于 2. Owt. %。所述制備六鋁酸鈣所用的鈣源原料為碳酸鈣、氫氧化鈣或氧化鈣等，原料的顆粒 尺寸小于0.15mm。所述制備六鋁酸鈣所用的鋁源原料為氧化鋁(α-Al2O3或Y-Al2O3都 可以，要求O-Al2O3彡99.0%, y -Al2O3彡99. 0 %)、氫氧化鋁等，原料的顆粒尺寸小于 0. 15mm。本發(fā)明提出的一種六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料及其制備方 法，其特征在于所述方法首先是將各種原料按照Al203/Ca0 > 6(摩爾比)的配比配料后， 先混合均勻，然后一起磨細到小于0. 060mm的孔徑篩的篩余量小于2. Owt. % ；將從磨機中 取出的粉料再加入占總配料的0. 1 18.0%燒失造孔劑(燒失造孔劑可以選擇為木屑鋸末 或其它植物粉末或聚苯乙烯球或焦炭粉或煤炭粉或活性碳等其中的一種或幾種可以在大 于1000°C燒失的物質作為燒失造孔劑，其粒徑彡3. Omm) 一起攪拌混合，混合均勻后再加入6 30%的可飲用水攪拌，得到的泥料采用振動澆注成形方法成形(也可用擠泥機擠出成 形或手工搗打或澆注成形或機壓成形)。成形后的濕坯先在室溫下自然干燥12 24h，然 后在干燥窯中于50 200°C進行烘干。將干燥好的磚坯裝入高溫窯中燒成，最終燒成溫度 1450 1700°C，將燒成出窯冷卻后的磚坯按要求尺寸進行切割，即得到本發(fā)明的低導熱系 數(shù)、在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好、抗堿侵蝕能力和抗渣侵蝕能力較好、強度高、長壽命的 六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料。該六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保 溫耐火材料的相關性能達到體積密度彡0. 48g/Cm3，400°C導熱系數(shù)彡0. 12w/m · k, 800°C 導熱系數(shù)彡0. 20w/m · k，抗折強度彡1. OMPa，耐壓強度彡1. 5MPa。
具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步說明本發(fā)明的原料為所述制備六鋁酸鈣所用的鈣源原料為碳酸鈣、氫氧化鈣或氧 化鈣等，原料的顆粒尺寸為小于0. 15mm。所述制備六鋁酸鈣所用的鋁源原料為氧化鋁 (a-Al2O3 或 Y-Al2O3 都可以，要求 Ci-Al2O3 彡 99.0%，Y-Al2O3 彡 99. 0% )、氫氧化鋁等， 原料的顆粒尺寸小于0. 15mm。本發(fā)明提出的一種六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料及其制備方 法，其特征在于所述方法首先是將各種原料按照Al203/Ca0 > 6(摩爾比)的配比配料后， 先混合均勻，然后一起磨細到小于0. 060mm的孔徑篩的篩余量小于2. Owt. % ；將從磨機中 取出的粉料再加入占總配料的0. 1 18.0%燒失造孔劑(燒失造孔劑可以選擇為木屑鋸 末或其它植物粉末或聚苯乙烯球或焦炭粉或煤炭粉或活性碳等其中的一種或幾種可以在 大于1000°C燒失的物質作為燒失造孔劑，其粒徑彡3. Omm) 一起攪拌混合，混合均勻后再加 入6 30%的可飲用水攪拌，得到的泥料采用振動澆注成形方法成形(也可用擠泥機擠出 成形或手工搗打或澆注成形或機壓成形)。成形后的濕坯先在室溫下自然干燥12 24h， 然后在干燥窯中于50 200°C進行烘干。將干燥好的磚坯裝入高溫窯中燒成，最終燒成溫 度1450 1700°C，將燒成出窯冷卻后的磚坯按要求尺寸進行切割，即得到本發(fā)明的低導熱 系數(shù)、在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好、抗堿侵蝕能力和抗渣侵蝕能力較好、強度高、長壽命 的六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料。一種六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔 熱保溫耐火材料的制備工藝流程為原料一配料一干法球磨一加造孔劑一攪拌一成形一干燥一燒成一加工一檢驗實施例1原料及配比以碳酸鈣(要求CaCO3 ^ 99.0% )為鈣源，氫氧化鋁(要求Al (OH)3 ^ 99.0% ) 為鋁源，原料的顆粒尺寸小于0. 15mm。配料、磨細 首先將各種原料按照AlA/CaO > 6 (摩爾比)的配比裝入磨機中磨細到小于 0. 060mm的孔徑篩的篩余量小于3. Owt. %。加造孔劑攪拌成形加入占總配料8.0%的聚苯乙烯球，總配料4.0%的木屑鋸末(要求其粒徑 ^ 3. Omm)，將球磨好的混合料與聚苯乙烯球、木屑鋸末一起攪拌混合10分鐘，再加入6%的可飲用水攪拌5分鐘，得到的泥料用加壓振動澆注成形。干燥成形后的濕坯在室溫下自然干燥12h，然后在干燥窯中先于100°C干燥4h，再于 200°C烘干8h，使生坯的含水率≤ 3. 0%。燒成將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1500°C。燒成制度為900°C保溫 4h，1300°C保溫 4h，1500°C保溫 5h。加工、檢驗將燒成后的磚坯按要求尺寸進行切割即得到相應的六鋁酸鈣輕質耐火磚。所得制品的主要性能指標如下適宜使用溫度1600°C ；體積密度0. 47g/cm3 ；常溫抗折強度1. 6MPa ；常溫耐壓強 度2. 5MPa ；400°C導熱系數(shù)為 0. 12w/m · k，800°C導熱系數(shù)為 0. 19w/m · k。實施例2原料及配比以氧化鈣(要求CaO≥99.0%)為鈣源，Y-Al2O3 (要求Al2O3≥99. 0% )為鋁源， 原料的顆粒尺寸小于0. 15mm。配料、磨細首先將各種原料按照Al2O3AM) > 6 (摩爾比)的配比裝入球磨機球磨12h，將原 料磨細到小于0. 060mm的孔徑篩的篩余量小于3. Owt. %。加造孔劑攪拌成形加入占總配料10%的聚苯乙烯球(要求其粒徑≤ 3. Omm)，將球磨好的混合料與聚 苯乙烯球一起攪拌混合10分鐘，再加入6%的可飲用水攪拌5分鐘，得到的泥料用加壓振動 澆注成形。干燥成形后的濕坯在室溫下自然干燥12h，然后在干燥窯中先于100°C干燥4h，再于 200°C烘干8h，使生坯的含水率≤ 3. 0%。燒成將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1550°C。燒成制度為900°C保溫 4h，1300°C保溫 4h，1550°C保溫 5h。加工、檢驗將燒成后的磚坯按要求尺寸進行切割即得到相應的六鋁酸鈣輕質耐火磚。所得制品的主要性能指標如下適宜使用溫度16500C ；體積密度0. 46g/cm3 ；常溫抗折強度1. 4MPa ；常溫耐壓強 度2. 2MPa ；400°C導熱系數(shù)為 0. llw/m · k，800°C導熱系數(shù)為 0. 17w/m · k。實施例3原料及配比以碳酸鈣(要求CaCO3≥99.0% )為鈣源，Y -Al2O3 (要求Al2O3≥99. 0% )為鋁 源，原料的顆粒尺寸小于0. 15mm。配料、磨細
首先將各種原料按照Al2O3AM) > 6 (摩爾比)的配比裝入球磨機球磨12h，將原 料磨細到小于0. 060mm的孔徑篩的篩余量小于3. Owt. %。加造孔劑攪拌成形加入占總配料的10. O%焦炭粉和4. O%的木屑鋸末(要求其粒徑彡3. Omm)，將混 合料與焦炭粉一起攪拌混合30分鐘，再加入13%的可飲用水攪拌5分鐘，得到的泥料用振 動澆注成形得到坯體。干燥成形后的濕坯在室溫下自然干燥12h，然后在干燥窯中先于100°C干燥4h，再于 200°C烘干8h，使生坯的含水率< 3. 0%。燒成將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1580°C。燒成制度為900°C保溫 4h，1300°C保溫 4h，1580°C保溫 5h。加工、檢驗將燒成后的磚坯按要求尺寸進行切割即得到相應的六鋁酸鈣輕質耐火磚。所得制品的主要性能指標如下適宜使用溫度1700°C ；體積密度0. 45g/cm3 ；常溫抗折強度1. 2MPa ；常溫耐壓強 度1. 8MPa ；400°C導熱系數(shù)為 0. 10w/m · k，800°C導熱系數(shù)為 0. 16w/m · k。
權利要求
本發(fā)明是一種六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料及其制備方法，其特征在于該耐火磚的主要耐高溫物相為六鋁酸鈣相和剛玉相；該耐火磚的主要化學成分為Al2O390.6％～96.7wt.％，CaO 0.01～8.31wt.％，其它雜質總含量小于2.0wt.％。
2.如權利要求1所述的六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料，其特征在 于所述制備六鋁酸鈣所用的鈣源原料為碳酸鈣、氫氧化鈣或氧化鈣等，原料的顆粒尺寸小 于0.15mm。所述制備六鋁酸鈣所用的鋁源原料為氧化鋁(α-Al2O3或Y-Al2O3都可以，要 求α -Al2O3 ^ 99.0%, y -Al2O3 ^ 99.0% )和氫氧化鋁等，原料的顆粒尺寸小于0. 15mm。
3.一種制備如權利要求1和2所述的六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料 的方法，其特征在于所述方法首先是將各種原料按照Al203/Ca0>6(摩爾比)的配比配料 后，先混合均勻，然后一起磨細到小于0. 060mm的孔徑篩的篩余量小于2. Owt. % ；將從磨機 中取出的粉料再加入占總配料的0. 1 18. 0%燒失造孔劑(燒失造孔劑可以選擇為木屑鋸 末或其它植物粉末或聚苯乙烯球或焦炭粉或煤炭粉或活性碳等其中的一種或幾種可以在 大于1000°C燒失的物質作為燒失造孔劑，其粒徑彡3. Omm) 一起攪拌混合，混合均勻后再加 入6 30%的可飲用水攪拌，得到的泥料采用振動澆注成形方法成形(也可用擠泥機擠出 成形或手工搗打或澆注成形或機壓成形)。成形后的濕坯先在室溫下自然干燥12 24h， 然后在干燥窯中于50 200°C進行烘干。將干燥好的磚坯裝入高溫窯中燒成，最終燒成溫 度1450 1700°C，將燒成出窯冷卻后的磚坯按要求尺寸進行切割，即得到本發(fā)明的低導熱 系數(shù)、在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好、抗堿侵蝕能力和抗渣侵蝕能力較好、強度高、壽命長 的六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料，特別是一種低導熱系數(shù)、強度高、在高溫還原性氣氛下穩(wěn)定性好、抗堿和抗渣侵蝕能力較好、長壽命的高溫窯爐內(nèi)襯用優(yōu)質耐火材料，屬于耐火材料技術領域。該發(fā)明的主要物相為六鋁酸鈣相和剛玉相；其主要化學成分Al2O3+CaO＞95wt.％。本發(fā)明以CaCO3、Ca(OH)2、CaO等作為鈣源，以Al2O3、Al(OH)3等作為鋁源，按Al2O3/CaO＞6(摩爾比)的配比配料混合均勻后，磨細，添加一定量的造孔劑攪拌均勻，然后經(jīng)過成型、干燥、燒結、切割加工等一系列工藝過程，制備一種六鋁酸鈣和剛玉復相多孔輕質隔熱保溫耐火材料。所述隔熱保溫耐火材料是一種導熱系數(shù)低、強度高、壽命長的高溫窯爐內(nèi)襯用輕質耐火磚，可為工業(yè)爐設備提供高效節(jié)能的保證。
文檔編號C04B35/66GK101928153SQ20101026986
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權日2010年9月1日
發(fā)明者劉艷改, 房明浩, 易帥, 黃朝暉 申請人:中國地質大學(北京)