一种方镁石-尖晶石轻量耐火材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种方镁石?尖晶石轻量耐火材料及制备方法，制备的方镁石?尖晶石轻量耐火材料具有从外到内的密度梯度，外部为致密外层，而内部多孔，致密外层赋予材料抗工作介质浸渗性能，内部多孔赋予材料保温隔热性能。制备方法是选取镁砂和碳作为反应原料，压制好的试样至于气氛烧结炉中，对可控气氛炉抽真空，然后充入Ar作为保护，将炉体加热一定温度并通入O2，镁砂和碳发生碳热还原反应，生成Mg蒸汽，Mg蒸汽扩散与通入的O2反应生成氧化镁，氧化生成氧化镁或反应生成的尖晶石使试样基质部分产生结合。具有烧成温度较低、试样气孔率、体积密度可调，耐压强度和荷重软化温度较高的特点。
【专利说明】
_种方镆石-尖晶石轻量耐火材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及耐火材料生产技术领域，具体涉及一种方镁石-尖晶石轻量耐火材料 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 方镁石-尖晶石质耐火材料由于其使用温度高、抗渣蚀性能好、抗热震、原料易得 等优势在RH精炼炉、水泥回转窑以及玻璃窑格子体等热工设备方面具有广泛的应用。随着 能源危机成为全球最为关切的问题之一，节能降耗已成为政府和企业主要控制和考核的指 标。随着对耐火材料研究的深入，科技工作者提出了轻量耐火材料的概念，该类耐火材料体 积密度介于轻质耐火材料和重质耐火材料之间，通过在耐火材料中引入轻量骨料（闭气孔 率较高，表面较为致密的颗粒），可以做到在不显著降低耐火材料高温使用性能的前提下， 降低耐火材料体积密度。业已研究表明隔热耐火材料越靠近高温工作面，其隔热节能效果 越好。为此用引入轻量骨料的轻量耐火材料取代重质耐火材料作为高温窑炉工作衬，尤其 是用于与工作介质接触的高温工作衬，可望取得更好地节能降耗效果。关于方镁石-尖晶石 轻量耐火材料目前已有的报道是通过在方镁石-尖晶石浇注料中引入轻量尖晶石骨料制备 出方镁石-尖晶石轻量耐火浇注料。研究证实，轻量骨料的引入使得该浇注耐火材料体积密 度降低，隔热性能提高，但同时导致浇注料抗熔渣浸渗能力降低，影响其使用寿命。
【发明内容】
[0003] 针对上述【背景技术】所存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，开发一种方镁石-尖 晶石轻量耐火材料。借助氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结法制备方镁石-尖晶石轻 量耐火材料。以解决高抗侵蚀性能和低导热率之间的矛盾。使制备的方镁石-尖晶石轻量耐 火材料在保持低导热率的情况下，提高其抗侵蚀性能和高温使用性能。
[0004] 为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
[0005] -种方镁石-尖晶石轻量耐火材料的制备方法，其特征在于，包括下列制备步骤：
[0006] 步骤一，选取镁砂和碳作为反应原料，将原料磨细到180目及以下，按照MgO和(：摩 尔比1:1混合均匀，作为耐火材料配料中细粉中的造孔和反应组份；
[0007] 步骤二，将耐火材料原料按照一定的颗粒级配进行配料，骨料部分与细粉部分的 比例为50~80:20~50之间，其中细粉部分是尖晶石细粉和步骤一混合好的MgO和C粉体，根 据制品要求，所述的MgO和C粉体占细粉部分的20%~70 % ;细粉部分需要共混30分钟至90 分钟，以便各组分混合均匀；
[0008] 步骤三，按着先加入骨料部分混合2~5分钟，再加入酚醛树脂稀释液混合3~5分 钟，再加入细粉部分，混合5~20分钟，在混合机中混合时间总计在20~30分钟;混合后的物 料置于密闭容器或塑料袋中睏料2小时至6小时；
[0009] 步骤四，经睏料后的物料采用半干法成型，压制成一定形状；
[0010] 步骤五，将成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温 和保温方式进行干燥，最后在110°c保温6小时到24小时；
[0011] 步骤六，干燥后成型试样烧成在可控气氛炉中进行，首先对可控气氛炉抽真空，然 后充入Ar作为保护气体，将炉体加热至1450°C~1650Γ，到达该温度范围内即进行保温，并 通入〇2，控制通入〇2流速，保证碳热还原反应生成的Mg蒸汽反应完全，成型试样通过反应烧 结，获得具有较低体积密度和较高强度的方镁石-尖晶石轻量耐火材料。
[0012] 采用本发明制备的方镁石-尖晶石轻量耐火材料，具有从外到内的密度梯度，外部 为致密外层，而内部多孔，致密外层赋予材料抗工作介质浸渗性能，内部多孔赋予材料保温 隔热性能。
[0013] 其优点主要表现在以下几个方面：
[0014] (1)由于采用氧化镁碳热还原输运氧化实现试样的造孔和反应烧结，为此可以通 过调整氧化镁和碳质材料的加入量、加入粒度和配料比例，方便地调节制品的体积密度、气 孔率和气孔分布，从而调控保温隔热性能。
[0015] (2)由于采用氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结，使得试样基质部分有很好 的结合，使得方镁石-尖晶石轻量耐火材料强度较高，甚至高于同材质其他制备方法获得的 重质耐火材料。
[0016] (3)由于将氧化镁碳热还原输运氧化法制备氧化镁与化学气相浸渗基本理论进行 嫁接，在镁蒸汽与氧气在多孔基质中发生反应时，存在物质传输和化学反应动力学之间的 矛盾，使得试样外部反应产物较多，而内部产物较少，从而形成基质部分的密度梯度和结合 强度梯度。能够在保持轻量耐火材料低导热率的情况下，使材料具有较高强度和高温使用 性能，。
[0017] (4)由于镁蒸汽氧化是一个强放热反应，通过反应烧结可以使制品烧成温度降低。
[0018] (5)可以根据不同的使用场合选择使用轻量尖晶石骨料、轻量烧结镁砂或致密尖 晶石骨料，产品性能可调控范围大。
【具体实施方式】
[0019] 氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结法制备轻量耐火材料的基本原理是:在耐 火材料配料时，在细粉中引入氧化镁细粉和石墨细粉(炭黑、焦炭等碳质材料细粉均可），高 温下试样中氧化镁与石墨发生碳热还原反应生成镁蒸汽Mg(g)和一氧化碳C0(g)，在试样内 部形成气孔，镁蒸汽向外扩散与试样外向内扩散的氧气发生放热反应生成氧化镁，新生成 的氧化镁将尖晶石轻量骨料以及基质结合，借助于镁蒸气氧化的强放热和反应结合使得试 样具有较高的强度。在镁蒸汽与氧气在多孔基质中发生反应时，存在物质传输和化学反应 动力学之间的矛盾，使得试样外部反应产物较多，而内部产物较少，从而形成基质部分的密 度梯度和结合强度梯度。试样外部致密度高，有利于高温下抗介质浸渗，提高抗侵蚀性，内 部气孔率较高，有利于保温隔热。需要说明的是，以下是发明人给出的最优实施例，本发明 不限于这些实施例，经
【申请人】的实验证明，在本发明给出的范围内，均能够制备出方镁石- 尖晶石轻量耐火材料。
[0020] 本实施例给出一种方镁石-尖晶石轻量耐火材料的制备方法，制备过程包括下列 步骤：
[0021] 步骤一，选取镁砂和碳作为反应原料，将原料磨细至180目及以下，按照MgO和(：摩 尔比1:1混合均匀，作为耐火材料配料中细粉中的造孔和反应组份。
[0022]步骤二，将耐火材料原料按照一定的颗粒级配进行配料。骨料部分与细粉部分的 比例为50~80:20~50之间，其中细粉部分是尖晶石细粉和步骤一混合好的MgO和C粉体，根 据制品要求，所述的MgO和C粉体占细粉部分的20%~70% ;为了提高产品质量均匀性和稳 定性，细粉部分需要共混30分钟至90分钟，以便各组分混合均匀。
[0023] 步骤三，按着先加入骨料部分混合2~5分钟，再加入酚醛树脂乙二醇稀释液混合3 ~5分钟，再加入细粉，混合5~20分钟，在混合机中混合时间总计在20~30分钟。混合后的 物料置于密闭容器或塑料袋中睏料2小时至6小时，使结合剂(酚醛树脂乙二醇)分布更加均 匀，易于成型。
[0024] 步骤四，经睏料后的物料采用半干法成型，压制成一定形状和尺寸的试样坯，根据 试样坯的尺寸大小，采用不同吨位的压机。
[0025] 步骤五，将成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温 和保温方式进行干燥，最后在1 l〇°C保温6小时到24小时。
[0026] 步骤六，干燥后成型试样烧成在可控气氛炉中进行，首先对可控气氛炉抽真空，然 后充入Ar作为保护气体，将炉体加热至1450°C~1600°C，到达该温度范围内即可进行保温， 并通入〇2，控制通入〇2流速，保证碳热还原反应生成的Mg蒸汽反应完全，成型试样通过反应 烧结，获得具有较低体积密度和较高强度的方镁石-尖晶石轻量耐火材料。
[0027] 本发明制备的方镁石-尖晶石轻量耐火材料，具有体积密度较低，耐压强度较高的 特点，可望在保证保温隔热性能的同时，具有较好的抗介质侵蚀性能。
[0028] 根据本发明，所述的镁砂为烧结镁砂或电熔镁砂；
[0029] 所述的碳为炭黑、石墨、焦炭、煤粉、废石墨电极或者冶金过程中不可利用的细焦 炭颗粒。
[0030] 所述骨料是轻量镁砂颗粒、轻量尖晶石颗粒、致密尖晶石颗粒、烧结镁砂、电熔镁 砂或者它们的混合物。
[0031] 以下是具体的实施例。
[0032] 实施例1:
[0033] 将180目电熔镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1:1混合均匀。分别以1~3mm和 0.1~1mm的尖晶石颗粒为粗颗粒和中颗粒。以镁砂细粉、石墨细粉和尖晶石细粉为基质部 分配料，粗颗粒：中颗粒:细粉比例为40: 20:40。其中细粉部分尖晶石细粉和氧化镁与石墨 混合粉的比例为2:1。以酚醛树脂乙二醇溶液作为结合剂，加入量为配料总重量的8%，配料 经充分混合后置于密闭容器或塑料袋中睏料2小时；经睏料后的物料采用半干法在液压机 上成型试样，成型压力150MPa，成型试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段 升温和保温方式进行干燥，最后在110 °C保温6小时;将干燥后成型试样放入可控气氛炉内， 抽真空后充AH呆护，加热至1450Γ时开始保温，并通入02,02流速为250L/h(氧气流速可根据 试样多少和尺寸大小调整），保温4小时，得到方镁石-尖晶石轻量耐火材料。其性能见表1。 [0034]表1:实例1方镁石-尖晶石轻量耐火材料的性能
[0035]
[0036] 实施例2:
[0037] 将180目烧结镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1:1混合均匀。分别以1mm~3mm和 0.1~1mm的轻量尖晶石为粗颗粒和中颗粒。以镁砂细粉、石墨细粉和氧化铝微粉为基质部 分配料，粗颗粒：中颗粒:细粉比例为40: 20:40。其中细粉部分氧化铝微粉和氧化镁与石墨 混合粉的比例为2:1。以酚醛树脂乙二醇溶液作为结合剂，加入量为配料总重量的8%，配料 经充分混合后置于密闭容器或塑料袋中睏料2小时;经睏料后的物料在液压机上成型，成型 压力150MPa，成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温 方式进行干燥，最后在110°C保温6小时;将干燥后成型试样放入可控气氛炉内，抽真空后充 AH呆护，加热至1550Γ时开始保温，并通入02,02流速为250L/h(氧气流速可根据试样多少和 尺寸大小调整），保温4小时，得到方镁石-尖晶石轻量耐火材料。其性能见表2。
[0038]表2:实例2方镁石-尖晶石轻量耐火材料的性能 [0039]
[0040] 实施例3:
[0041 ] 将180目电熔镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1:1混合均匀。分别以1~3mm的轻 量镁砂颗粒为粗颗粒，〇. 1~1_轻量尖晶石为中颗粒，以镁砂细粉、石墨细粉和氧化铝微粉 为基质部分配料，粗颗粒：中颗粒:细粉比例为40:20:40。其中细粉部分氧化铝微粉和氧化 镁与石墨混合粉的比例为3:1。以酚醛树脂乙二醇溶液作为结合剂，加入量为配料总重量的 8%，配料经充分混合后，置于密闭容器或塑料袋中睏料4小时;经睏料后的物料采用半干法 在液压机上成型，成型压力150MPa，试样经干燥后，成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后 在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最后在ll〇°C保温24小时;干燥后成型 试样放入可控气氛炉内，抽真空后充AH呆护，加热至1600°C时开始保温，并通入02，02流速为 250L/h(氧气流速可根据试样多少和尺寸大小调整），保温4小时，得到方镁石-尖晶石轻量 耐火材料。试样性能见表3。
[0042] 表3:实例3方镁石-尖晶石轻量耐火材料的性能
[0043]
[0044] 实施例4:
[0045] 将180目电熔镁砂与180目石墨，按MgO和C摩尔比1:1混合均匀。分别以0.1~3mm的 轻量尖晶石颗粒为骨料。以镁砂细粉、石墨细粉和氧化铝微粉为基质部分配料，骨料:细粉 比例为50: 50。其中细粉部分氧化铝微粉和氧化镁与石墨混合粉的比例为3:1。以酚醛树脂 乙二醇溶液作为结合剂，加入量为配料总重量的10%，配料经充分混合后，置于密闭容器或 塑料袋中睏料4小时;经睏料后的物料采用半干法在液压机上成型，成型压力150MPa，成型 好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保温方式进行干燥，最 后在110°C保温24小时；干燥后成型试样烧成在气氛炉中，抽真空后充Ar保护，加热至1600 °C时开始保温，并通入02,02流速为250L/h(氧气流速可根据试样多少和尺寸大小调整），保 温4小时，得到方镁石-尖晶石轻量耐火材料。试样性能见表4。
[0046] 表4:实例4方镁石-尖晶石轻量耐火材料性能
[0047]
【主权项】
1. 一种方镁石-尖晶石轻量耐火材料的制备方法，其特征在于，包括下列制备步骤： 步骤一，选取镁砂和碳作为反应原料，将原料磨细到180目及以下，按照MgO和C摩尔比 1:1混合均匀，作为耐火材料配料中细粉中的造孔和反应组份； 步骤二，将耐火材料原料按照一定的颗粒级配进行配料，骨料部分与细粉部分的比例 为50~80:20~50之间，其中细粉部分是尖晶石细粉和步骤一混合好的MgO和C粉体，根据制 品要求，所述的MgO和C粉体占细粉部分的20%~70% ;细粉部分需要共混30分钟至90分钟， 以便各组分混合均匀； 步骤三，按着先加入骨料部分混合2~5分钟，再加入酚醛树脂稀释液混合3~5分钟，再 加入细粉部分，混合5~20分钟，在混合机中混合时间总计在20~30分钟；混合后的物料置 于密闭容器或塑料袋中睏料2小时至6小时； 步骤四，经睏料后的物料采用半干法成型，压制成一定形状； 步骤五，将成型好的试样自然凉晒半天至1天，然后在干燥设备中，采用阶段升温和保 温方式进行干燥，最后在1 l〇°C保温6小时到24小时； 步骤六，干燥后成型试样烧成在可控气氛炉中进行，首先对可控气氛炉抽真空，然后充 入Ar作为保护气体，将炉体加热至1450Γ~1650Γ，到达该温度范围内即进行保温，并通入 〇2，控制通入〇 2流速，保证碳热还原反应生成的Mg蒸汽反应完全，成型试样通过反应烧结，获 得具有较低体积密度和较高强度的方镁石-尖晶石轻量耐火材料。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的镁砂为烧结镁砂或者电熔镁砂。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳为炭黑、石墨、焦炭、煤粉、废石墨电 极或者冶金过程中不可利用的细焦炭颗粒。4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述骨料是轻量镁砂颗粒、轻量尖晶石颗粒、 致密尖晶石颗粒、烧结镁砂、电熔镁砂或者它们的混合物。5. 权利要求1至4其中之一所述方法制备的方镁石-尖晶石轻量耐火材料。6. 如权利要求5所述的方镁石-尖晶石轻量耐火材料，其特征在于，该方镁石-尖晶石轻 量耐火材料具有从外到内的密度梯度，外部为致密外层，而内部多孔，致密外层赋予材料抗 工作介质浸渗，内部多孔赋予材料保温隔热。
【文档编号】C04B35/622GK105837242SQ201610172527
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】尹洪峰, 高魁, 辛亚楼, 袁蝴蝶
【申请人】西安建筑科技大学