莫来石球形骨料增强耐火材料的制备方法与流程

本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及莫来石球形骨料增强耐火材料的制备方法。

背景技术：

耐火材料是一类保证高温工业正常运行，乃至高温工业使得某些技术进步的使能材料，使得如钢铁、水泥、有色金属、玻璃、陶瓷及各种机械、化工产品的制造和加工成为可能。常规耐火材料制备工艺为：将骨料(不规则颗粒)和基质原料(细粉)进行混合，再采用不同的成型工艺制备为定性耐火材料或直接作为浇注料使用。长期以来，耐火材料性能的改善和创新更多着手在基质方面。骨料自身的特性、骨料和基质的相互作用，在很大程度上影响耐火材料的整体性能，却被忽视。传统的骨料制备方法为：将所需的原料直接烧制、破碎和筛分，将大块的熟料经过破碎和分级获得。该方法制备的骨料形状不规则，每一个粒度范围内的粒度分布难以控制。同时，形成特定晶型结构后的熟料经过各种设备破碎，对其骨料的形状、性能产生影响。

随着技术的发展，在高温、保温材料领域出现了氧化铝空心球耐火材料，其耐火材料是空心、球形骨料，其具有优异的性能。球形骨料针对于不规则骨料在耐火材料中的优势也就越加明显。但是球形实心骨料的制备对于以前制备不规则骨料的生产厂家却是技术难题。

陶粒砂是一种人工合成的球形陶瓷产品，主要被用于开采岩层间的天然气或者石油。使用环境对其有球形度、耐酸碱性、堆积密度、抗压强度、颗粒级配等都有要求。产品根据其视密度大体可以区分为高密高强(视密度＞3.0g/cm³)、中密高强(视密度2.8-3.0g/cm³)、低密高强(视密度2.6-2.8g/cm³)和超低密高强陶粒砂(视密度＜2.6g/cm³)。对于采气或采油的使用厂家，根据其多年的实验和应用经验，为了扩大陶粒砂在使用过程中的导流率，要求产品的尺寸以20-40目、30-50目、40-70目和70-140目为主。作为陶粒砂的生产厂家则要求烧制的产品目数集中在规定的区间内同时符合其他指标，基本工艺为配料、球磨、制粉、滚制成球、过筛、烧成和过筛。在整个制备陶粒砂的过程中，筛上和筛下的目数产品只能作为废料堆放，其废料的性能和产品是一样的，只是尺寸不符合要求而已，最终废料采用回磨处理，造成了极大的浪费，增加了制造成本。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种莫来石球形骨料增强耐火材料的制备方法。该方法采用莫来石质的陶粒砂废料作为球形骨料，并加入不同尺寸级配的球形陶粒砂半成品作为基质，采用无压、自填充成型，在高温窑炉中烧成，制备出集料增强型耐火材料。

为了实现上述目的，本发明用于制备耐火材料的前期原料分为二大类：

第一类：以莫来石为主要晶型结构的陶粒砂废料。该废料有以下明显的特点：1、主要晶型为莫来石，具有良好的抗热震性和耐高温性能。2、具有较高的球形度，甚至可以达到球形度90％以上。3、堆积密度为1.55-1.76g/cm³左右，视密度为2.8±0.2g/cm³左右。4、陶粒砂球形废料的颗粒尺寸为产品颗粒尺寸以外分布，颗粒分布集中在特定区域，最小可以达到220目。5、陶粒砂球形废料不具有水分，耐火度在1650±50℃。

第二类：采用陶粒砂废料原料类似的原料制备的球形半成品作为基质原料。1、该基质原料具有一定的半成品强度，同时具有球形的外观形貌。2、该球形半成品的颗粒尺寸可以定制，颗粒分布具有分布宽、连续的特点。3、球形半成品在烧成过程中具有约16-20％的收缩。4、该球形半成品的废料可以进行粉碎回收再利用。5、该球形半成品在制备过程中添加了粘结剂，同时具有约10％左右的水分。

本发明的技术方案如下：一种莫来石球形骨料增强耐火材料的制备方法，其特征是，

(1)原料组成

原料(重量份)：废陶粒砂(骨料)30-70份，球形陶粒砂半成品(基质)30-70份；

所述废陶粒砂的组成为：按重量比计，20目筛上的占40-60％，140目筛下的占40-60％；

所述球形陶粒砂半成品，它大体分为粗、中、细三类加入，其具体的尺寸分布为(按重量比计)为：

粗类：10-60目的占60±5％，60-120目的占30±3％，120目以上的占10±2％；

中类：10-60目的占30±3％，60-120目的占40±4％，120目以上的占30±3％；

细类：10-60目的占10±2％，60-120目的占30±3％，120目以上的占60±5％；

(2)将废陶粒砂按步骤(1)所要求的目数收集待用，并根据上述比例搭配后，备用；

(3)在陶粒砂的生产过程中的半成品阶段，将球形半成品通过双层摇摆筛收集步骤(1)所要求的目数待用，并根据比例搭配出不同类型的球形陶粒砂半成品，备用；

(4)将步骤(2)准备的废陶粒砂和步骤(3)准备的球形陶粒砂半成品按照步骤(1)重量份称重、混合和搅拌均匀；

(5)提前配制氧化铝粉浆均匀涂抹在匣钵内表面，自然晾干，待用；

(6)将步骤(4)配方料自动下料到准备好的匣钵中，陈腐和振动成型一体化完成，将表面刮平，获得耐火材料半成品；

(7)将步骤(6)获得的装有耐火材料半成品的匣钵在隧道窑中以8～25℃/min的加热速度自室温升温至1400-1450℃或1500-1550℃两个温度分别烧成，保温3-6h，再以15～30℃/min的冷却速度降温，得到莫来石球形骨料增强耐火材料。其工艺具体如图1所示。

本发明步骤(1)中陶粒砂优选采用焦宝石作为主要原料制备而成，焦宝石煅烧后的氧化铝含量约为44-47％。

进一步的，所述陶粒砂的配方体系为Al₂O₃-SiO₂-MgO，烧成后主晶相为莫来石。配方重量份为：生焦宝石80-90份，粘土5-10份，滑石0-6份。

本发明步骤(1)中陶粒砂的制备工艺为配料、球磨、喷雾制粒、粉碎造粒粉、滚制成型、回转窑1400±50℃煅烧、过筛和包装。

本发明步骤(1)中球形陶粒砂半成品制备工艺为配料、球磨、喷雾制粒、粉碎造粒粉、滚制成型、筛分。它可以从陶粒砂生产线半成品处直接获取，也可以投入新的配方体系重新制备。采用陶粒砂的球形半成品相对于粉末基质具有更好的流动性，在无压成型过程中易获得密实的半成品。本发明采用三种不同类型球形半成品目的是相对于加压成型制备的密实半成品具有可控的内部气孔率。

本发明步骤(3)采用的双层摇摆筛尺寸为1000*3100，周期为10-40次/min。

本发明步骤(4)采用搅拌机为装料2吨，搅拌速率为10-60转/min，每次搅拌时间为10-40min。

本发明步骤(5)采用的氧化铝粉浆是通过氧化铝粉、水和聚乙烯醇混合后获得，其重量比为50:50:0.5，便于耐火材料在烧制后从匣钵中取出。匣钵尺寸为400*350*250。

本发明陶粒砂采用回转窑在1400±50℃烧制获得，陶粒砂的主晶相为莫来石，耐火度为1650±50℃，当给陶粒砂球形废料中加入不同类型球形的陶粒砂半成品基质时，本发明采取了1400-1450℃和1500-1550℃两个不同的烧制温度，同时获得了不同类型的耐火材料。

本发明与现有的技术相比，具有以下显著的特点：

(1)本发明采用球形废陶粒砂作为新型耐火材料的骨料，该球形骨料具有高流动性、有利于紧密堆积和骨料分布均匀性，通过骨料加强改善耐火材料的使用性能；

(2)本发明采用球形陶粒砂半成品基质提高了球形原料的比例，去掉常规的粉末状基质，使球形骨料与球形基质填充、接触，完成无压、自填充成型，煅烧后形成集料增强型耐火材料；

(3)本发明针对陶粒砂废料进行再利用，发挥废料的自身优势，通过球形骨料的形式引入耐火材料中，达到了提高耐火材料性能的目的，另一方面也提供废陶粒砂再利用的技术方案；

(4)本发明针对废陶粒砂作为球形骨料引入制备新型耐火材料，消除了普通骨料不利于尺寸控制的弊端，改善配方料的流动性，获得更均匀致密的结构，提高了抗腐蚀性等。该耐火材料适用对流动性、输送性、气密性和隔热性等要求高的领域；

(5)本发明的原料采用废料回收，生产工艺简单，制作成本低，制备出含莫来石球形骨料增强新型耐火材料。

附图说明

图1为耐火材料制备工艺流程图；

图2为废陶粒砂电镜照片；

图3为陶粒砂半成品电镜照片。

具体实施方式

实施例对本发明仅作进一步说明，但不仅限于此，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下获得其他实施例，均属于本发明保护的范围。

废陶粒砂的获取方法如下：

(1)配比(重量份)：生焦宝石90份，粘土8份，滑石2份。其中焦宝石生料的化学组成(重量比)：Al₂O₃ 38.5％，SiO₂ 44.5％，Fe₂O₃ 0.89％，K₂O 0.1％，Na₂O 0.12％，CaO 0.12％，MgO 0.18％，TiO₂ 0.6％；烧失14.2％。

将生焦宝石和滑石送入破碎机内破碎为5-10mm；然后加入粘土混合均匀；

(2)将上述原料装入湿式球磨机中加水湿磨(按质量比，混合料：氧化铝球研磨介质：水＝1：2.0～2.5：0.8～1.2)，然后通过自带的325目筛网进行筛选后，得到泥浆；

(3)将浆料放入浆池中搅拌、陈腐；然后将陈腐后的浆料通过柱塞泵打入喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到水分含量为1～5％的松散颗粒；所述喷雾干燥塔的进口温度为550～750℃，出口温度为110～135℃；所述喷雾干燥塔为离心式或压力式造粒塔；

(4)粉料打散：使用打散设备将步骤(3)所得到的松散颗粒再次打散为湿磨后粒径的粉料；

(5)造粒：然后将粉料转入圆盘制粒机中，在制粒机单向匀速转动下，加入浓度为1％聚乙烯醇水溶液滚制成型，然后采用回转窑在1400℃烧制而成，陶粒砂的主晶相为莫来石，耐火度为1650℃；

(6)然后经过筛分，20目筛上的，140目筛下的废陶粒砂用于本发明，符合尺寸要求的成品用于采气或采油使用。

所获得的废陶粒砂球形度90％以上；堆积密度为1.65g/cm³，视密度为2.80g/cm³。产品如图2所示。

球形陶粒砂半成品的获取方法如下：

(1)～(4)步骤同上。

(5)造粒：然后将粉料转入圆盘制粒机中，在制粒机单向匀速转动下，加入浓度为1％聚乙烯醇水溶液滚制成型，将球形半成品通过双层摇摆筛收集所要求的目数待用，并根据粗类比例搭配球形半成品基质。该球形陶粒砂半成品的含水量为10±2％。产品如图3所示。

实施例1：

(1)原料组成

配比(重量份)：废陶粒砂(骨料)70份，球形陶粒砂半成品(基质)30份；

其中废陶粒砂的组成为(重量比)：20目筛上的占40％，140目筛下的占60％；

球形陶粒砂半成品采用粗类加入，其具体的尺寸分布为(重量比)：10-60目的占60％，60-120目的占30％，120目以上的占10％。

(2)将废陶粒砂按步骤(1)所要求的目数收集待用，并根据比例搭配；

(3)在陶粒砂的生产半成品阶段，将球形半成品通过双层摇摆筛收集步骤(1)所要求的目数待用，并根据粗类比例搭配球形半成品基质；双层摇摆筛尺寸为1000*3100，周期为20次/min；

(4)将步骤(2)准备的废陶粒砂骨料和步骤(3)准备的球形半成品基质进行称重、混合和搅拌均匀；其中采用搅拌机为装料2吨，搅拌速率为10转/min，每次搅拌时间为40min；

(5)提前配制氧化铝粉浆均匀涂抹在尺寸为400*350*250匣钵内表面，自然晾干待用；其中氧化铝粉浆，按重量比氧化铝粉、水和聚乙烯醇为50:50:0.5；

(6)将步骤(4)配方料自动下料到准备好的匣钵中，陈腐和振动成型一体化完成，将表面刮平，获得定性耐火材料半成品；

(7)将步骤(6)获得的装有耐火材料的匣钵在隧道窑中以25℃/min的加热速度自室温分别升温至1440℃或1540℃烧成，保温6h，再以15℃/min的冷却速度降温，得到含莫来石球形骨料增强新型耐火材料。

获得的耐火材料性能指标见表1。

实施例2：

(1)原料组成

配比(重量份)：废陶粒砂(骨料)65份，球形陶粒砂半成品(基质)35份，

其中废陶粒砂的组成为(重量比)：其中20目筛上的占50％，140目筛下的占50％；

其中球形陶粒砂半成品采用中类加入，其具体的尺寸分布为(重量比)：10-60目的占30％，60-120目的占40％，120目以上的占30％；

(2)将废陶粒砂按步骤(1)所要求的目数收集待用，并根据比例搭配；

(3)在陶粒砂的生产半成品阶段，将球形半成品通过双层摇摆筛收集步骤(1)所要求的目数待用，并根据中类比例搭配球形半成品基质。双层摇摆筛尺寸为1000*3100，周期为25次/min；

(4)将步骤(2)准备的废陶粒砂骨料和步骤(3)准备的球形半成品基质称重、混合和搅拌均匀；其中采用搅拌机为装料2吨，搅拌速率为15转/min，每次搅拌时间为30min；

(5)提前配制氧化铝粉浆均匀涂抹在尺寸为400*350*250匣钵内表面，自然晾干待用，其中氧化铝粉浆，按重量比氧化铝粉、水和聚乙烯醇为50:50:0.5；

(6)将步骤(4)配方料自动下料到的准备好的匣钵中，陈腐和振动成型一体化完成，将表面刮平，获得定性耐火材料半成品；

(7)将步骤(6)获得的装有耐火材料的匣钵在隧道窑中以20℃/min的加热速度自室温分别升温至1430℃或1530℃烧成，保温6h，再以19℃/min的冷却速度降温，得到含莫来石球形骨料增强新型耐火材料。

获得的耐火材料性能指标见表1。

实施例3：

(1)原料组成

配比(重量份)：废陶粒砂(骨料)70份，球形陶粒砂半成品(基质)30份；

所述废陶粒砂的组成为(重量比)：20目筛上的占60％，140目筛下的占40％；

球形陶粒砂半成品采用细类加入，其具体的尺寸分布为(重量比)：10-60目的占10％，60-120目的占30％，120目以上的占60％；

(2)将废陶粒砂按步骤(1)所要求的目数收集待用，并根据比例搭配；

(3)在陶粒砂的生产半成品阶段，将球形半成品通过双层摇摆筛收集步骤(1)所要求的目数待用，并根据细类比例搭配球形半成品基质。双层摇摆筛尺寸为1000*3100，周期为35次/min；

(4)将步骤(2)准备的废陶粒砂骨料和步骤(3)准备的球形半成品基质称重、混合和搅拌均匀；其中采用搅拌机为装料2吨，搅拌速率为40转/min，每次搅拌时间为40min；

(5)提前配制氧化铝粉浆均匀涂抹在尺寸为400*350*250匣钵内表面，自然晾干待用，其中氧化铝粉浆，按重量比氧化铝粉、水和聚乙烯醇为50:50:0.5；

(6)将步骤(4)配方料自动下料到的准备好的匣钵中，陈腐和振动成型一体化完成，将表面刮平，获得定性耐火材料半成品；

(7)将步骤(6)获得的装有耐火材料的匣钵在隧道窑中以25℃/min的加热速度自室温升温至1420℃或1520℃烧成，保温6h，再以15℃/min的冷却速度降温，得到含莫来石球形骨料增强新型耐火材料。

获得的耐火材料性能指标见表1。

表1 耐火材料性能指标