一种耐火材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种耐火材料以及该耐火材料的制备方法。所述耐火材料含有燃煤残渣和结合剂，所述燃煤残渣的颗粒直径为大于0mm且小于等于10mm；且以所述燃煤残渣的总重量为基准，颗粒直径为大于0mm且小于2mm的燃煤残渣的含量为20-60重量%，颗粒直径为2mm-5mm的燃煤残渣的含量为20-50重量%，颗粒直径为大于5mm且小于等于10mm的燃煤残渣的含量为0-60重量%。本发明提供的耐火材料不仅具有较为优异的耐火性能，还可实现废弃资源的再利用，具有良好的经济效益和社会效益。
【专利说明】一种耐火材料及其制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种耐火材料和该耐火材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]耐火材料是指耐火度不低于1580°C的一类无机非金属材料。所述耐火度是指耐火材料锥形体试样在没有荷重情况下，抵抗高温作用而不软化的温度。目前，耐火材料已经被广泛应用冶金、化工、石油、机械制造等领域。其中，在冶金工业中用量最大，约占总产量的50-60%。耐火材料的种类繁多，通常按耐火度高低分为普通耐火材料(1580-1770°C)、高级耐火材料(1770-2000°C )和特级耐火材料(2000°C以上)。按化学特性分为酸性耐火材料、中性耐火材料和碱性耐火材料。
[0003]燃煤残渣为工业锅炉产生的固体废弃物，其主要成分为Al2O3和SiO2，此外还含有少量的Fe203、CaO、MgO等成分。其中，以100重量份的燃煤残渣的总重量为基准，Al2O3的含量为20-30重量％，SiO2的含量为50-60重量％，Fe2O3的含量≤8重量％，CaO的含量≤4重量％，MgO的含量< 5重量％。目前，仅有极少量的燃煤残渣被用于制作建筑材料，大部分作为工业固体废弃物排放。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供了一种新的耐火材料以及该耐火材料的制备方法。
[0005]本发明提 供了一种耐火材料，其中，所述耐火材料含有燃煤残渣和结合剂，所述燃煤残渣的颗粒直径为大于Omm且小于等于IOmm;且以所述燃煤残渣的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于2mm的燃煤残洛的含量为20-60重量％,颗粒直径为的燃煤残渣的含量为20-50重量％，颗粒直径为大于5mm且小于等于IOmm的燃煤残渣的含量为0-60重量％。
[0006]本发明还提供了一种耐火材料的制备方法，其中，该方法包括将燃煤残渣和结合剂混合均匀，所述燃煤残渣的颗粒直径为大于Omm且小于等于IOmm ;且以所述燃煤残渣的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于2mm的燃煤残渣的含量为20-60重量％，颗粒直径为的燃煤残禮:的含量为20-50重量％，颗粒直径为大于5mm且小于等于IOmm的燃煤残渣的含量为0-60重量％。
[0007]本发明的发明人发现，所述燃煤残渣中含有的二氧化硅和三氧化二铝都是耐火材料的有效组分，当将燃煤残渣的颗粒直径控制在大于Omm且小于等于10mm，且以所述燃煤残渣的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于2mm的燃煤残渣的含量控制在20-60重量％，颗粒直径为的燃煤残渣的含量控制在20-50重量％，颗粒直径为大于5mm且小于等于IOmm的燃煤残渣的含量控制在0-60重量％时，得到的耐火材料的耐火性能非常优异，可用于加热炉、热风管道和高炉渣沟的工作层，从而实现便废为宝的目的。该耐火材料不仅具有性价比高的优点，而且可实现废弃资源的再利用，有利于环境保护，具有良好的经济效益和社会效益。[0008]根据本发明的一种优选实施方式，当所述耐火材料中还含有钒铝土和/或软质粘土，且所述钒铝土和/或软质粘土的颗粒直径在本发明的优选范围内时，得到的耐火材料具有更为优异的耐火性能。
[0009]根据本发明的另一种优选实施方式，当所述耐火材料中还含有焦炭，且所述焦炭的颗粒直径在本发明的优选范围内时，能够提高耐火材料的耐火度，使得到的耐火材料具有更为优异的耐火性能，从而使其能够在较为苛刻的环境中使用。
[0010]本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【具体实施方式】
[0011]以下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0012]本发明提供的所述耐火材料含有燃煤残渣和结合剂，所述燃煤残渣的颗粒直径为大于0mm且小于等于10mm ;且以所述燃煤残渣的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于2mm的燃煤残渣的含量为20-60重量％，颗粒直径为的燃煤残渣的含量为20-50重量％，颗粒直径为大于5mm且小于等于IOmm的燃煤残洛的含量为0_60重量％。[0013]本发明对所述耐火材料中的燃煤残渣和结合剂的含量没有特别地限定，但为了使得到的耐火材料能够兼具良好的耐火性能和粘结强度，优选情况下，以100重量份的所述燃煤残渣为基准，所述结合剂的含量为0.1-120重量份，优选为15-100重量份。
[0014]根据本发明，如上所述，燃煤残渣为工业锅炉产生的固体废弃物，其主要成分为Al2O3和SiO2，此外还含有少量的Fe203、Ca0、Mg0等成分。其中，以100重量份的燃煤残渣的总重量为基准，Al2O3的含量为20-30重量％，SiO2的含量为50-60重量％，Fe2O3的含量< 8重量％，CaO的含量≤4重量％，MgO的含量≤5重量％。
[0015]本发明对所述结合剂的种类没有特别地限定，可以为现有的各种具有粘合性能、能够将所述燃煤残渣颗粒粘连在一起且具有较好的耐火性的物质。通常来说，所述结合剂包括有机结合剂和无机结合剂。所述有机结合剂例如可以选自焦油浙青、羧甲基纤维素钠和三聚磷酸钠中的一种或多种。其中，所述羧甲基纤维素钠可以通过商购得到，例如，可以购自宁津县昌海纤维素有限公司，型号为D-3。此外，所述无机结合剂例如可以为铝酸钙水泥和/或硅灰。所述水泥的具体实例可以包括但不限于:普通铝酸钙水泥、纯铝酸钙水泥等，特别优选为纯铝酸钙水泥。
[0016]根据本发明，尽管只要含有燃煤残渣和结合剂，并将所述燃煤残渣的颗粒直径控制在上述范围内，得到的耐火材料便具有优异的耐火性能，但为了能够更好地平衡该材料的耐火性能和粘结强度，优选情况下，所述耐火材料中还含有钒铝土和/或软质粘土。
[0017]其中，所述钒铝土是一种富含铝质矿物的化学或生物化学岩，其主要成分为Al2O3和Fe203。通常来说，以所述钒铝土的总重量为基准，所述A12O3的含量> 53重量％，所述Fe2O3的含量< 3重量％。一般地，所述钒铝土的体积密度为> 2.45g/cm3，吸水率< 6重量％。
[0018]所述软质粘土是一种具有可塑性的耐火粘土。其主要成分为Al2O3和Fe203。通常来说，以所述软质粘土的总重量为基准，所述Al2O3的含量> 30重量％，所述Fe2O3的含量(2.0重量％。一般地，所述软质粘土的耐火度≥1670°C，灼减< 15%，可塑性< 2.0。[0019]此外，所述钒铝土和软质粘土的加入量可以在较宽的范围内进行选择和变动，并可以根据实际情况进行合理选择，例如，以100重量份的燃煤残渣为基准，所述钒铝土和软质粘土的总含量可以为0.15-500重量份，优选为25-200重量份。进一步地，所述钒铝土与软质粘土的重量比优选为50-150:1。
[0020] 本发明对所述钒铝土的使用形态没有特别地限定，通常可以为颗粒状。优选情况下，所述钒铝土的颗粒直径大于Omm且小于等于IOmm ;且以所述钒铝土的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于5mm的f凡招土的含量为0_80重量％,颗粒直径为180目的f凡招土的含量为20-100重量％,颗粒直径为5mm-10mm的钥;招土的含量为0_40重量％,这样得到的耐火材料的耐火性能更为优异。
[0021 ] 需要说明的是，在本发明中，颗粒直径为大于Omm且小于5mm的钒铝土的含量不包括颗粒直径为180目的钒铝土的含量。
[0022]本发明对所述软质粘土的使用形态也没有特别地限定，优选直径为180目的颗粒，这样能够得到进一步提高所述耐火材料的耐火性能。
[0023]根据本发明，尽管只要含有燃煤残渣、粘结剂、以及选择性含有的铝矾土和/或软质粘土的耐火材料便能够具有很好的耐火性能，但为了进一步提高得到的耐火材料的耐火度，优选情况下，所述耐火材料中还含有焦炭。
[0024]其中，所述焦炭是指炼焦物料在隔绝空气的高温炭化室内经过热解、缩聚、固化、收缩等复杂的物理化学过程而获得的固体炭质材料。其主要成分为固定碳，此外，还含有少量的硫、灰分和挥发分。以所述焦炭的总重量为基准，所述固定碳的含量> 83重量％、所述硫的含量< 0.5重量％、所述挥发分的含量< 1.5重量％、所述灰分的含量< 15重量％。
[0025]本发明对所述焦炭的含量没有特别地限定，例如，以100重量份的燃煤残渣为基准，所述焦炭的含量可以为40-200重量份,优选为80-180重量份。
[0026]根据本发明，优选情况下，所述焦炭的颗粒直径为Omm且小于等于5mm，这样能够提高耐火材料的耐火度，使得到的耐火材料具有更为优异的耐火性能，从而使其能够在较为苛刻的环境中使用。
[0027]本发明提供的耐火材料的制备方法包括将燃煤残渣和结合剂混合均匀，所述燃煤残渣的颗粒直径为大于Omm且小于等于IOmm ;且以所述燃煤残渣的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于2mm的燃煤残洛的含量为20-60重量％,颗粒直径为的燃煤残洛的含量为20-50重量％,颗粒直径为大于5mm且小于等于IOmm的燃煤残洛的含量为0_60
重量％。
[0028]根据本发明，可以采用现有的各种方法得到具有以上颗粒直径的燃煤残渣，例如，可以将所述燃煤残渣加工成直径分布较宽的颗粒(如颗粒直径为0_-20_)，然后再将其过筛以分离出颗粒直径分别为大于Omm且小于2mm、2mm-5mm、以及大于5mm且小于等于IOmm的燃煤残渣，然后将具有这三种直径的燃煤残渣颗粒混合均匀。此外，也可以先分别将所述燃煤残渣加工成直径大于0_且小于等于2_的颗粒、直径为2_-5_的颗粒、以及直径为大于5mm且小于IOmm的颗粒，然后再将这三种粒径的燃煤残渣颗粒混合均匀。
[0029]根据本发明，所述燃煤残渣和结合剂的用量可以在较宽的范围内进行选择和变动，例如，以100重量份的所述燃煤残渣为基准，所述结合剂的用量可以为0.1-120重量份，优选为15-100重量份。[0030]根据本发明，为了使得到的耐火材料具有更为优异的耐火性能，优选情况下，该方法还包括将钒铝土和/或软质粘土与燃煤残渣和结合剂一起混合均匀；且以100重量份的所述燃煤残渣为基准，所述钒铝土和软质粘土的总用量为0.15-500重量份，优选为25-200重量份。此外，更优选地，所述钒铝土与软质粘土的重量比优选为50-150:1。
[0031]本发明对所述钒铝土的使用形态没有特别地限定，只要能够均匀分布在燃煤残渣、结合剂以及选择性含有的软质粘土中即可，通常可以可颗粒的形式使用。所述颗粒的直径可以在较宽的范围内进行选择和变动，优选地，所述钒铝土的颗粒直径大于Omm且小于等于10mm。其中，以所述钒铝土的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于5mm的钒铝土的含量可以为0-80重量％，颗粒直径为180目的钒铝土的含量可以为20-100重量％，颗粒直径为5mm-10mm的钒铝土的含量可以为0_40重量％，这样能够增大各物质之间的接触面积，提高得到的耐火材料的堆积密度，从而使其具有更为优异的耐火性能。将所述钒铝土加工成具有上述粒径范围的颗粒的方式可以与上述加工燃煤残渣颗粒的方法相同，在此将不再赘述。
[0032]根据本发明，为了提高所述耐火材料的耐火性能，所述软质粘土也优选以颗粒的形态使用，特别优选其颗粒直径为180目。
[0033]根据本发明，更优选地，本发明提供的耐火材料的制备方法还包括将焦炭与燃煤残渣、结合剂以及钒铝土和/或软质粘土一起混合均匀；且100重量份的燃煤残渣为基准，所述焦炭的用量为40-250重量份，优选为80-180重量份，这样能够使得到的耐火材料具有更好的耐高温性能，从而使得到的耐火材料能够用于较为苛刻的环境。所述焦炭的颗粒直径优选为大于Omm且小于等于5mm。
[0034]根据本发明， 所述混合的方式为本领域技术人员公知，通常可以在搅拌设备中进行。所述混合的时间以实现将上述物料混合均匀为准，一般可以为5-10分钟。
[0035]以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
[0036]实施例1
[0037]该实施例用于说明本发明提供的耐火材料及其制备方法。
[0038]先分别将燃煤残渣和焦炭加工成直径大于Omm且小于5mm的颗粒，并将软质粘土加工成直径为180目的细粉料，然后按燃煤残渣为20重量％、焦炭为35重量％、软质粘土为37重量％、作为结合剂的焦油浙青为8重量％的配比配料，并将该配料在搅拌设备中混合10分钟，得到耐火材料NI。
[0039]实施例2
[0040]该实施例用于说明本发明提供的耐火材料及其制备方法。
[0041]先分别将燃煤残渣和焦炭加工成直径大于0_且小于5_的颗粒，并将软质粘土加工成直径为180目的细粉料，然后按燃煤残渣为30重量％、焦炭为28重量％、软质粘土为32重量％、作为结合剂的焦油浙青为8重量％、作为结合剂的娃灰为2重量％的配比配料，并将该配料在搅拌设备中混合10分钟,得到耐火材料N2。
[0042]实施例3
[0043]该实施例用于说明本发明提供的耐火材料及其制备方法。
[0044]先分别将燃煤残渣和焦炭加工成直径大于Omm且小于5mm的颗粒，并将软质粘土加工成直径为180目的细粉料，然后按燃煤残渣为50重量％、焦炭为20重量％、软质粘土为20重量％、作为结合剂的焦油浙青为10重量％的配比配料，并将该配料在搅拌设备中混合8分钟，得到耐火材料N3。
[0045]实施例4
[0046]该实施例用于说明本发明提供的耐火材料及其制备方法。
[0047]先分别将燃煤残洛加工成直径为5mm-10mm以及直径大于Omm且小于5mm的颗粒，并分别将f凡招土加工成直径为5mm-10mm、大于Omm且小于5mm、以及180目的细粉料。再按颗粒直径为5mm-10mm的燃煤残渣为20重量％、颗粒直径大于Omm且小于5mm的燃煤残渣为15重量％、颗粒直径为5mm-10mm的招帆土为20重量％、颗粒直径大于Omm且小于5mm的铝矾土为15重量％、颗粒直径为180目的铝矾土为20重量％、作为结合剂的铝酸盐水泥为5重量％、作为结合剂的娃灰为5重量％的配比配料,并加入重量为上述配料的0.15重量％的三聚磷酸钠,在搅拌设备中混合10分钟,得到耐火材料N4。
[0048]实施例5
[0049]该实施例用于说明本发明提供的耐火材料及其制备方法。
[0050]先分别将燃煤残洛加工成直径为5mm-10mm以及直径大于Omm且小于5mm的颗粒，并将铝矾土加工成直径为180目的细粉料。再按颗粒直径为5mm-10mm的燃煤残渣为40重量％、颗粒直径大于Omm且小于5mm的燃煤残渣为30重量％、颗粒直径为180目的铝矾土为20重量％、作为结合剂的铝酸盐水泥为5重量％、作为结合剂的硅灰为5重量％的配比配料，并加入重量为上述配料的0.15重量％的三聚磷酸钠，在搅拌设备中混合10分钟，得到耐火材料N5。
[0051]实施例6
[0052]该实施例用于说明本发明提供的耐火材料及其制备方法。
[0053]先分别将燃煤残洛加工成直径为以及直径大于Omm且小于2mm的颗粒，并分别将招帆土加工成直径为2mm-5mm、大于Omm且小于2mm、以及180目的细粉料颗粒，将软质粘土加工成直径为180目的细粉料。再按颗粒直径为2_-5_的燃煤残渣为10重量％、颗粒直径大于Omm且小于2mm的燃煤残渣为15重量％、颗粒直径为大于等于2mm且小于5mm的招帆土为15重量％、颗粒直径大于Omm且小于2mm的招帆土为20重量％、颗粒直径为180目的招帆土为11重量％、颗粒直径为180目的软质粘土为7重量％、作为结合剂的铝酸盐水泥为20重量％、作为结合剂的硅灰为I重量％、作为结合剂的羧甲基纤维钠为I重量％的配比配料，并加入重量为上述配料的0.2重量％的三聚磷酸钠，在搅拌设备中混合10分钟，得到耐火材料N6。
[0054]实施例7
[0055]该实施例用于说明本发明提供的耐火材料及其制备方法。
[0056]先分别将燃煤 残洛加工成直径为以及直径大于Omm且小于2mm的颗粒，并将铝矾土加工成直径为180目的细粉料，然后将软质粘土加工成直径为180目的细粉料。再按颗粒直径为的燃煤残渣为25重量％、颗粒直径大于Omm且小于2mm的燃煤残渣为35重量％、颗粒直径为180目的铝矾土为10重量％、颗粒直径为180目的软质粘土为10重量％、作为结合剂的铝酸盐水泥为16重量％、作为结合剂的硅灰为2重量％、作为结合剂的羧甲基纤维素为2重量％的配比配料，并加入重量为上述配料的0.2重量％的三聚磷酸钠，在搅拌设备中混合10分钟，得到耐火材料N7。[0057]实施例8
[0058]该实施例用于说明本发明提供的耐火材料及其制备方法。
[0059]先将燃煤残渣加工成直径大于Omm且小于5mm的颗粒，然后按燃煤残渣为80重量％、作为结合剂的焦油浙青为20重量％的配比配料，并将该配料在搅拌设备中混合5分钟，得到耐火材料N8。
[0060]对比例1
[0061]该对比例用于说明参比的耐火材料及其制备方法。
[0062]按照实施例8的方法制备耐火材料，不同的是，直径大于Omm且小于5mm的燃煤残渣颗粒用相同重量份的直径为15mm-20mm的燃煤残渣颗粒替代，得到参比耐火材料DN1。
[0063]测试例1-8
[0064]测试例1-8用于说明本发明提供的耐火材料的耐火性能的测试。
[0065]分别将由实施例1-3制备得到的耐火材料N1-N3按照YB/T5116-1993中规定的粘土质和高铝质耐火可塑料试样制备方法进行制样，并将得到的样品分别在110°c干燥24小时和在1350°C煅烧3小时，再按照YB/T5116-1993中规定的粘土质和高铝质耐火可塑料线强度试验方法对样品的常温(25°C)耐压强度进行测试。所得结果如表1所示。
[0066]分别将由实施例4-8制备得到的耐火材料N4-N8按照YB/T5202.1-2003中规定的不定型耐火材料试样制备方法进行制样，并将得到的样品分别在110°c干燥24小时和在1350°C煅烧3小时，再按照YB/T5201-1993中规定的致密耐火浇注料耐压强度试验方法对样品的常温(25°C)耐压强度进行测试。所得结果如表1所示。
[0067]对比测试例I
[0068]该对比测试例用于说明参比耐火材料耐火性能的测试。
[0069]按照测试例8的方法对由对比例I制备得到的耐火材料DNl的耐火性能进行测试。所得结果如表1所示。
[0070]表1
[0071]
【权利要求】
1.一种耐火材料，其特征在于，所述耐火材料含有燃煤残渣和结合剂，所述燃煤残渣的颗粒直径为大于Omm且小于等于10mm ;且以所述燃煤残渣的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于2mm的燃煤残渣的含量为20-60重量％，颗粒直径为的燃煤残渣的含量为20-50重量％,颗粒直径为大于5mm且小于等于IOmm的燃煤残洛的含量为0-60重量％。
2.根据权利要求1所述的 耐火材料，其中，以100重量份的所述燃煤残渣为基准，所述结合剂的含量为0.1-120重量份，优选为15-100重量份。
3.根据权利要求1或2所述的耐火材料，其中，所述结合剂选自焦油浙青、铝酸钙水泥、娃灰、羧甲基纤维素钠和三聚磷酸钠中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的耐火材料，其中，所述耐火材料中还含有钒铝土和/或软质粘土 ；且以100重量份的燃煤残渣为基准，所述钒铝土和软质粘土的总含量为0.15-500重量份，优选为25-200重量份。
5.根据权利要求4所述的耐火材料，其中，所述钒铝土的颗粒直径为大于Omm且小于等于IOmm ;且以所述钒铝土的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于5mm的钒铝土的含量为0-80重量％，颗粒直径为180目的钒铝土的含量为20-100重量％，颗粒直径为5mm-10mm的钥;招土的含量为0-40重量％。
6.根据权利要求4所述的耐火材料，其中，所述软质粘土的颗粒直径为180目。
7.根据权利要求1、2、5或6所述的耐火材料，其中，所述耐火材料中还含有焦炭；且以100重量份的燃煤残渣为基准，所述焦炭的含量为40-250重量份，优选为80-180重量份。
8.根据权利要求7所述的耐火材料，其中，所述焦炭的颗粒直径为大于Omm且小于等于5mm ο
9.一种耐火材料的制备方法，其特征在于，该方法包括将燃煤残渣和结合剂混合均匀，所述燃煤残渣的颗粒直径为大于Omm且小于等于IOmm;且以所述燃煤残渣的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于2mm的燃煤残渣的含量为20-60重量％，颗粒直径为的燃煤残渣的含量为20-50重量％，颗粒直径为大于5mm且小于等于IOmm的燃煤残渣的含量为0-60重量％。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，以100重量份的所述燃煤残渣为基准，所述结合剂的用量为0.1-120重量份，优选为15-100重量份。
11.根据权利要求9或10所述的制备方法，其中，该方法还包括将钒铝土和/或软质粘土与燃煤残渣和结合剂一起混合均匀；且以100重量份的所述燃煤残渣为基准，所述钒铝土和软质粘土的总用量为0.15-500重量份，优选为25-200重量份。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其中，所述钒铝土的颗粒直径为大于Omm且小于等于IOmm ;且以所述钒铝土的总重量为基准，颗粒直径为大于Omm且小于5mm的钒铝土的含量为0-80重量％，颗粒直径为180目的钒铝土的含量为20-100重量％，颗粒直径为5mm-1Omm的钥;招土的含量为0-40重量％。
13.根据权利要求11所述的制备方法，其中，所述软质粘土的颗粒直径为180目。
14.根据权利要求9、10、12或13所述的制备方法，其中，该方法还包括将焦炭与燃煤残渣、结合剂以及钒铝土和/或软质粘土一起混合均匀；且以100重量份的燃煤残渣为基准，所述焦炭的用量为40-250重量份,优选为80-180重量份。
【文档编号】C04B35/66GK103896602SQ201210583774
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月28日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】杨强, 吴传坤, 尚鹏刚, 王怀斌, 段晓东, 郭强 申请人:攀钢冶金材料有限责任公司