本發(fā)明涉及耐火材料制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種多孔耐火材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)意義上，耐火材料是指耐火度不低于1580℃的無(wú)機(jī)非金屬材料，它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料，是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及工業(yè)高溫容器和部件的材料，并且能夠承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機(jī)械作用。
大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云石）為原料制造的，采用某些工業(yè)原料和人工合成原料（如工業(yè)氧化鋁、碳化硅、合成莫來(lái)石、合成尖晶石等）也日益增多，因此，耐火材料的種類(lèi)很多。耐火材料按照礦物組成可以分為氧化硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、白云石質(zhì)、橄欖石質(zhì)、尖晶石質(zhì)、含碳質(zhì)、含鋯質(zhì)耐火材料及特殊耐火材料；按照制造方法可以分為天然礦石和人造制品；按其方式可分為塊狀制品和不定形耐火材料；按照熱處理方式可分為不燒制品、燒成制品和熔鑄制品；按照耐火度可分為普通、高級(jí)和特級(jí)耐火制品；按照化學(xué)性質(zhì)可分為酸性、中性及堿性耐火材料；按照其密度可分為輕質(zhì)及重質(zhì)耐火材料；按照其制品的形狀和尺寸可分為標(biāo)準(zhǔn)磚、異形磚、特異形磚、管和耐火器皿；還可以按其應(yīng)用分為高爐用、水泥窯用、玻璃窯用、陶瓷窯用耐火材料等。
多孔耐火材料在工業(yè)窯爐和其他熱工設(shè)備上用作隔熱材料，其具有氣孔率高、體積密度小、熱導(dǎo)率低的耐火材料；工業(yè)窯爐砌體蓄熱損失和爐體表面散熱損失約占燃料消耗的24～45%，能量損失巨大，使得能源利用率低，使用熱導(dǎo)率低、熱容量小的多孔耐火材料作爐體結(jié)構(gòu)材料，可節(jié)省燃料消耗；同時(shí)，由于窯爐可以快速升溫和冷卻，能提高設(shè)備生產(chǎn)效率；還能減輕爐體重量，簡(jiǎn)化窯爐構(gòu)造，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低環(huán)境溫度，改善勞動(dòng)條件。但是輕質(zhì)耐火材料也存在力學(xué)強(qiáng)度低，不能用于承重，而且其耐磨性能也較差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種氣孔率高、體積密度小、熱導(dǎo)率低，并且機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性能較優(yōu)的多孔耐火材料；
本發(fā)明還提供了一種步驟簡(jiǎn)潔且能夠制得高氣孔率、低體積密度、低熱導(dǎo)率、較高力學(xué)強(qiáng)度和較高耐磨性能多孔耐火材料的制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種多孔耐火材料，由以下重量份的原料制得：氧化鋁660～700份，氧化硅180～220份，碳酸鈣80～120份，碳酸鎂55～75份，碳酸鈉15～20份，氧化鈦30～40份，氧化鋯20～25份，氧化鋅10～12份，致孔劑300～500份。
氧化鋁與氧化硅體系的無(wú)機(jī)氧化物會(huì)形成莫來(lái)石相，莫來(lái)石是一種具有較高熔點(diǎn)的無(wú)機(jī)化合物，其熔點(diǎn)在1850℃以上，硅鋁氧化物體系是一個(gè)常見(jiàn)且優(yōu)良的耐火材料體系，同時(shí)碳酸鎂和碳酸鈣在高溫時(shí)會(huì)分解產(chǎn)生氧化鎂、氧化鈣和二氧化碳，生成的二氧化碳具有制孔的作用，氧化鎂、氧化鈣也是具有較高熔點(diǎn)的無(wú)機(jī)氧化物，與硅鋁系氧化物反應(yīng)形成固溶體可以增進(jìn)耐火材料的耐火度，但是由于硅鋁系氧化物和氧化鎂、氧化鈣等原料的反應(yīng)溫度較高，使得耐火材料的合成溫度較高，能耗也很大，為了在不影響耐火度或較小影響耐火度的前提下適當(dāng)降低合成溫度，因此在原料中再添加具有降低合成溫度的燒結(jié)助劑，氧化鈦是一些具有良好性能的燒結(jié)助劑，在少量添加的情況下即可以顯著的降低耐火材料的合成溫度，同時(shí)這幾種燒結(jié)助劑的加入也不會(huì)像鉀鈉系燒結(jié)助劑一樣對(duì)耐火度造成一個(gè)較大的影響。
作為優(yōu)選，氧化鋁的純度為95～99wt%，氧化硅的純度為90%～96wt%。
作為優(yōu)選，致孔劑由以下重量份的原料組成：葡萄糖20份，炭粉30～50份，聚乙烯微球40～60份，白云石40～60份，明礬40～50份。
多孔耐火材料是由于其中具有較多的氣孔具有輕質(zhì)隔熱的效果，現(xiàn)有技術(shù)中制備多孔耐火材料多使用單一的致孔劑，一般為木屑等較原始的致孔劑；單一的致孔劑，孔道形成的溫度單一，而且由于幾乎是在同一溫度區(qū)間形成孔道，也即為了在耐火材料中間形成氣孔，在同一溫度區(qū)間會(huì)排放大量的氣體，短時(shí)間內(nèi)大量氣體的沖擊會(huì)造成耐火材料結(jié)構(gòu)變得特別松散，制得的耐火材料的機(jī)械強(qiáng)度很差；同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中，有些致孔劑是在較低溫時(shí)就使耐火材料內(nèi)部形成孔道，但是溫度升高后，在高溫反應(yīng)下這些孔道又會(huì)被封閉或者被填補(bǔ)，造成氣孔率下降，甚至耐火材料發(fā)生坍縮。因此本發(fā)明中采用復(fù)合的致孔劑，使得從100～800℃區(qū)間范圍內(nèi)不同階段都會(huì)有致孔劑產(chǎn)生氣體在耐火材料中形成氣孔，致孔劑分解氣體釋放更加的緩和，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)，這樣就不會(huì)造成氣體在短時(shí)間內(nèi)釋放，避免了氣體沖擊導(dǎo)致的耐火材料結(jié)構(gòu)特別松散的不利情形，也可以避免繼續(xù)高溫反應(yīng)后氣孔被重新填補(bǔ)的情況。
這些致孔劑在整個(gè)高溫反應(yīng)的不同時(shí)期發(fā)生分解放出不同種類(lèi)的氣體，在100～150℃溫度時(shí)明礬失去結(jié)晶水，在300～450℃溫度時(shí)葡萄糖炭化釋放水汽，在600～800℃溫度時(shí)聚乙烯微球發(fā)生熱分解放出氣體，葡萄糖炭化后形成的炭和炭粉也在這個(gè)溫度區(qū)間發(fā)生反應(yīng)放出氣體，失結(jié)晶水后的明礬也在這個(gè)溫度區(qū)間分解生成含硫氣體和氧化鋁、氧化鉀，白云石也在這個(gè)溫度區(qū)間開(kāi)始分解，最后在1300～1400℃溫度區(qū)間內(nèi)，致孔劑中所有的高溫可分解物質(zhì)完全分解產(chǎn)生氣體并完成燒結(jié)，所有物質(zhì)變得穩(wěn)定。致孔劑中的多種物質(zhì)在不同溫度發(fā)生程度不同的分解產(chǎn)生不同種類(lèi)的氣體，使得制得的耐火材料中的氣孔更加豐富，孔徑的分布也更加多樣和均勻，而且在整個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生氣體，發(fā)生致孔反應(yīng)使得不會(huì)因反應(yīng)溫度升高部分先生成的氣孔被重新填補(bǔ)的情況。
一種多孔耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除致孔劑外的原料中加入除致孔劑外原料重量2～2.5倍的無(wú)水乙醇，在轉(zhuǎn)速為2000～2500rpm下球磨2～4小時(shí)，然后再向其中加入致孔劑，在轉(zhuǎn)速為1000～1200rpm下球磨1～2小時(shí)，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料模壓成型；
c）將模壓成型后的原料進(jìn)行燒結(jié)，由室溫開(kāi)始升溫，在100～150℃保溫20～40分鐘，在300～450℃保溫20～40分鐘，在600～800℃保溫60～80分鐘，在1300～1400℃燒結(jié)7～11小時(shí)，然后自然冷卻至室溫，制得多孔耐火材料初品；其中，各階段升溫速率都為8～10℃/min；
d）將制得的多孔耐火材料初品，在鹽酸溶液中浸泡20～60分鐘，接著清洗烘干后制得多孔耐火材料。
兩步球磨法使除致孔劑外的原料更加的均勻細(xì)膩，改善燒結(jié)性能，也可以使得燒結(jié)而成的耐火材料在非孔區(qū)域更加的致密，增強(qiáng)強(qiáng)度；多溫度區(qū)間的燒結(jié)方法是配合致孔劑的種類(lèi)，讓不同的致孔劑在各自的溫度范圍內(nèi)起到致孔的作用；最后的鹽酸溶液浸泡時(shí)為了除去顯氣孔內(nèi)殘存的、未燒結(jié)的氧化鈣等一些影響耐火度等的未反應(yīng)物。
作為優(yōu)選，步驟b中模壓成型的壓力為8～10MPa。
作為優(yōu)選，步驟b中，原料經(jīng)10～12MPa模壓成型后再在14～16MPa下進(jìn)行冷等靜壓成型，保壓時(shí)間為30～60秒。
作為優(yōu)選，步驟d中鹽酸溶液的PH值為5.8～6.2。
因此，本發(fā)明具有以下有益效果：
（1）本發(fā)明中的耐火材料具有較低的體積密度，較大的氣孔率；
（2）本發(fā)明中的耐火材料還具有較高的可使用溫度和較高的耐壓強(qiáng)度；
（3）本發(fā)明中的耐火材料還具有較低的熱導(dǎo)率，具有良好的隔熱作用。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例1
一種多孔耐火材料，由以下重量份的原料制得：氧化鋁660份，氧化硅180份，碳酸鈣80份，碳酸鎂55份，碳酸鈉15份，氧化鈦30份，氧化鋯20份，氧化鋅10份，致孔劑300份；
其中，致孔劑由以下重量份的原料組成：葡萄糖20份，炭粉30份，聚乙烯微球40份，白云石40份，明礬40份。
一種多孔耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除致孔劑外的原料中加入除致孔劑外原料重量2倍的無(wú)水乙醇，在轉(zhuǎn)速為2000rpm下球磨2小時(shí)，然后再向其中加入致孔劑，在轉(zhuǎn)速為1000rpm下球磨1小時(shí)，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料模壓成型；
c）將模壓成型后的原料進(jìn)行燒結(jié)，由室溫開(kāi)始升溫，在100℃保溫20分鐘，在300℃保溫20分鐘，在600℃保溫60分鐘，在1300℃燒結(jié)7小時(shí)，然后自然冷卻至室溫，制得多孔耐火材料初品；其中，各階段升溫速率都為8℃/min；
d）將制得的多孔耐火材料初品，在鹽酸溶液中浸泡20分鐘，接著清洗烘干后制得多孔耐火材料。
實(shí)施例2
一種多孔耐火材料，由以下重量份的原料制得：氧化鋁680份，氧化硅200份，碳酸鈣100份，碳酸鎂65份，碳酸鈉17份，氧化鈦35份，氧化鋯22份，氧化鋅11份，致孔劑400份；
其中，致孔劑由以下重量份的原料組成：葡萄糖20份，炭粉40份，聚乙烯微球50份，白云石50份，明礬45份。
一種多孔耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除致孔劑外的原料中加入除致孔劑外原料重量2.2倍的無(wú)水乙醇，在轉(zhuǎn)速為2200rpm下球磨3小時(shí)，然后再向其中加入致孔劑，在轉(zhuǎn)速為1100rpm下球磨1.5小時(shí)，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料模壓成型；
c）將模壓成型后的原料進(jìn)行燒結(jié)，由室溫開(kāi)始升溫，在120℃保溫30分鐘，在380℃保溫30分鐘，在700℃保溫70分鐘，在1350℃燒結(jié)9小時(shí)，然后自然冷卻至室溫，制得多孔耐火材料初品；其中，各階段升溫速率都為9℃/min；
d）將制得的多孔耐火材料初品，在鹽酸溶液中浸泡40分鐘，接著清洗烘干后制得多孔耐火材料。
實(shí)施例3
一種多孔耐火材料，由以下重量份的原料制得：氧化鋁700份，氧化硅220份，碳酸鈣120份，碳酸鎂75份，碳酸鈉20份，氧化鈦40份，氧化鋯25份，氧化鋅12份，致孔劑500份；
其中，致孔劑由以下重量份的原料組成：葡萄糖20份，炭粉50份，聚乙烯微球60份，白云石60份，明礬50份。
一種多孔耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除致孔劑外的原料中加入除致孔劑外原料重量2.5倍的無(wú)水乙醇，在轉(zhuǎn)速為2500rpm下球磨4小時(shí)，然后再向其中加入致孔劑，在轉(zhuǎn)速為1200rpm下球磨2小時(shí)，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料模壓成型；
c）將模壓成型后的原料進(jìn)行燒結(jié)，由室溫開(kāi)始升溫，在150℃保溫40分鐘，在450℃保溫40分鐘，在800℃保溫80分鐘，在1400℃燒結(jié)11小時(shí)，然后自然冷卻至室溫，制得多孔耐火材料初品；其中，各階段升溫速率都為10℃/min；
d）將制得的多孔耐火材料初品，在鹽酸溶液中浸泡60分鐘，接著清洗烘干后制得多孔耐火材料。
實(shí)施例4
一種多孔耐火材料，由以下重量份的原料制得：氧化鋁660份，氧化硅220份，碳酸鈣80份，碳酸鎂55份，碳酸鈉15份，氧化鈦30份，氧化鋯20份，氧化鋅10份，致孔劑300份；氧化鋁的純度為95wt%，氧化硅的純度為90%wt%；
其中，致孔劑由以下重量份的原料組成：葡萄糖20份，炭粉30份，聚乙烯微球40份，白云石40份，明礬40份。
一種多孔耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除致孔劑外的原料中加入除致孔劑外原料重量2倍的無(wú)水乙醇，在轉(zhuǎn)速為2000rpm下球磨2小時(shí)，然后再向其中加入致孔劑，在轉(zhuǎn)速為1000rpm下球磨1小時(shí)，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料經(jīng)10MPa模壓成型后再在14MPa下進(jìn)行冷等靜壓成型，保壓時(shí)間為30秒；
c）將模壓成型后的原料進(jìn)行燒結(jié)，由室溫開(kāi)始升溫，在100℃保溫20分鐘，在300℃保溫20分鐘，在600℃保溫60分鐘，在1300℃燒結(jié)7小時(shí)，然后自然冷卻至室溫，制得多孔耐火材料初品；其中，各階段升溫速率都為8℃/min；
d）將制得的多孔耐火材料初品，在PH值為5.8的鹽酸溶液中浸泡20分鐘，接著清洗烘干后制得多孔耐火材料。
實(shí)施例5
一種多孔耐火材料，由以下重量份的原料制得：氧化鋁680份，氧化硅200份，碳酸鈣100份，碳酸鎂65份，碳酸鈉18份，氧化鈦35份，氧化鋯23份，氧化鋅11份，致孔劑400份；氧化鋁的純度為97wt%，氧化硅的純度為93wt%；
其中，致孔劑由以下重量份的原料組成：葡萄糖20份，炭粉40份，聚乙烯微球50份，白云石50份，明礬45份。
一種多孔耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除致孔劑外的原料中加入除致孔劑外原料重量2.3倍的無(wú)水乙醇，在轉(zhuǎn)速為2300rpm下球磨3小時(shí)，然后再向其中加入致孔劑，在轉(zhuǎn)速為1100rpm下球磨1.5小時(shí)，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料經(jīng)11MPa模壓成型后再在15MPa下進(jìn)行冷等靜壓成型，保壓時(shí)間為45秒；
c）將模壓成型后的原料進(jìn)行燒結(jié)，由室溫開(kāi)始升溫，在125℃保溫30分鐘，在380℃保溫30分鐘，在700℃保溫70分鐘，在1350℃燒結(jié)9小時(shí)，然后自然冷卻至室溫，制得多孔耐火材料初品；其中，各階段升溫速率都為9℃/min；
d）將制得的多孔耐火材料初品，在PH值為6的鹽酸溶液中浸泡40分鐘，接著清洗烘干后制得多孔耐火材料。
實(shí)施例6
一種多孔耐火材料，由以下重量份的原料制得：氧化鋁700份，氧化硅180份，碳酸鈣120份，碳酸鎂75份，碳酸鈉20份，氧化鈦40份，氧化鋯25份，氧化鋅12份，致孔劑500份；氧化鋁的純度為99wt%，氧化硅的純度為96wt%；
其中，致孔劑由以下重量份的原料組成：葡萄糖20份，炭粉50份，聚乙烯微球60份，白云石60份，明礬50份。
一種多孔耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除致孔劑外的原料中加入除致孔劑外原料重量2.5倍的無(wú)水乙醇，在轉(zhuǎn)速為2500rpm下球磨4小時(shí)，然后再向其中加入致孔劑，在轉(zhuǎn)速為1200rpm下球磨2小時(shí)，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料經(jīng)12MPa模壓成型后再在16MPa下進(jìn)行冷等靜壓成型，保壓時(shí)間為60秒；
c）將模壓成型后的原料進(jìn)行燒結(jié)，由室溫開(kāi)始升溫，在150℃保溫40分鐘，在450℃保溫40分鐘，在800℃保溫80分鐘，在1400℃燒結(jié)11小時(shí)，然后自然冷卻至室溫，制得多孔耐火材料初品；其中，各階段升溫速率都為10℃/min；
d）將制得的多孔耐火材料初品，在PH值為6.2的鹽酸溶液中浸泡60分鐘，接著清洗烘干后制得多孔耐火材料。
技術(shù)指標(biāo)：
1.氣孔率42～48%；
2.體積密度1.3g/cm3及以下；
3.最高可使用溫度1300℃；
4.熱導(dǎo)率（1000℃環(huán)境下）：0.76W/（m·℃）
5.常溫耐壓強(qiáng)度：≥200MPa。