本发明属于耐火材料技术领域。具体涉及一种不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖及其制备方法。
背景技术：
高铝砖、粘土砖是两种常用的硅酸铝质耐火材料，因其耐火度高、价格低廉、抗熔渣侵蚀性强和高温机械强度大，广泛应用于水泥、钢铁、玻璃等行业，如高炉衬体、热风炉炉体、电炉炉顶、鼓风炉炉缸、反射炉和回转窑内衬，以及浇注系统用的塞头、水口砖等。
高铝砖、粘土砖一般在1300℃以上经长时间保温烧成，因此，不仅能耗大和生产成本高，且高温导致的热岛效应和燃料所产生的碳排放极大地增加了环境负荷，严重影响我国节能降耗目标的实现。
目前常用的不烧高铝质砖多以磷酸盐作结合剂，并添加少量软质粘土，虽然制品常温强度较高，但由于磷酸盐结合剂自身晶型多变，受温度和结合剂配比及PH值影响极大，质量不稳定；并且磷酸盐结合剂在混料过程中需分次分量加入，工艺较为复杂。另外磷酸盐对金属构件有一定腐蚀影响，用后的磷酸盐制品处理不当则会引起水体富营养化，产生赤潮现象。另一方面，粘土仅仅作为添加成分加入，并未起到良好的结合作用。
现有的粘土砖采用软质粘土作结合剂，通常还需添加纸浆废液配合使用，虽能共同提高其结合强度，但纸浆废液中常含有亚硫酸盐、硫化钠等杂质，对粘土砖的耐火度和荷重软化温度有一定影响。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖的制备方法，用该方法制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖常温强度大、荷重软化温度高、耐火度高和体积收缩率低。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的步骤是：
步骤一、将5~25份质量的硅溶胶与2~10份质量的软质粘土置于行星球磨机中，研磨4~6h，得到泥浆。
步骤二、将30~40份质量的熟料细粉与1~20份质量的软质粘土置于振动磨中，混磨2~3h，得到预混粉料。
步骤三、将50~55份质量的熟料粗颗粒和10~15份质量的熟料中颗粒混合，加入轮碾机中，搅拌1~2min；再加入所述泥浆和1~2份质量的硅溶胶，搅拌2~3min；然后加入所述预混粉料，搅拌3~5min，得到混合泥料。
步骤四、将所述混合泥料困料6~8h，机压成型，制得生坯；再将所述生坯在110~120℃条件下干燥24~30h，即得不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖。
所述熟料为高铝矾土熟料、或为粘土熟料，其中：高铝矾土熟料中的Al2O3含量≥60wt%，粘土熟料中的SiO2≥45wt%和Al2O3含量≥46wt%；所述熟料粗颗粒为粒径小于3mm且大于等于1mm的熟料，所述熟料中颗粒为粒径小于1mm且大于等于0.088mm的熟料，所述熟料细粉为粒径小于0.088mm的熟料。
所述软质粘土为蒙脱土、累托石、广西白泥和高岭土中的一种或两种，所述软质粘土的粒径小于0.088mm。
所述硅溶胶的SiO2含量为25%~30wt%，粒径为7~20nm，pH值为2.5~3.5。
所述机压成型的压强为150~200MPa。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明在球磨处理中，硅溶胶与粘土粒子碰撞，溶胶稳定性受到破坏，扩散层及部分吸附层水分子（4Å）解离，进入到粘土层间（20~35Å），层间距在机械力和层间水的共同作用下撑大，层间结构受到破坏。脱去水分子的硅溶胶胶核粒径减小(原硅溶胶胶粒7~20nm)，表面层为硅羟基[—SiOH,—Si(OH)2]、H3O+及少量硅氧硅键（—Si—O—Si—）覆盖，呈正电；而粘土边面破键等带负电或少许正电荷，在静电吸引作用力下，胶粒与相邻粘土粒子连接，起到桥接作用。这种粘土-硅溶胶桥接结构在制品中形成网络结构，将骨料、细粉均匀连接起来，结构稳定，产生常温强度。高温使用时，粘土-硅溶胶桥接网络结构由刚玉-莫来石网络结构或莫来石-方石英-玻璃相替代，有利于提高强度、荷重软化温度和耐火度。
本发明所制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖，经检测：耐压强度为20~50MPa，0.2MPa荷重软化开始温度为1300~1580℃，1200~1500℃×3h烧后体积收缩率为0.1~0.8%。
因此，本发明制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖具有常温强度大、荷重软化温度高、耐火度高和体积收缩率低的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
本具体实施方式中：所述软质粘土的粒径小于0.088mm；所述硅溶胶的SiO2含量为25%~30wt%，粒径为7~20nm，pH值为2.5~3.5。实施例中不再赘述。
实施例1
一种不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、将5~9份质量的硅溶胶与2~7份质量的软质粘土置于行星球磨机中，研磨4~6h，得到泥浆。
步骤二、将30~34份质量的熟料细粉与1~3份质量的软质粘土置于振动磨中，混磨2~3h，得到预混粉料。
步骤三、将50~52份质量的熟料粗颗粒和10~12份质量的熟料中颗粒混合，加入轮碾机中，搅拌1~2min；再加入所述泥浆和1~2份质量的硅溶胶，搅拌2~3min；然后加入所述预混粉料，搅拌3~5min，得到混合泥料。
步骤四、将所述混合泥料困料6~8h，机压成型，制得生坯；再将所述生坯在110~120℃条件下干燥24~30h，即得不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖。
本实施例所述熟料为高铝矾土熟料，高铝矾土熟料中的Al2O3含量≥60wt%，；所述熟料粗颗粒为粒径小于3mm且大于等于1mm的高铝矾土熟料，所述熟料中颗粒为粒径小于1mm且大于等于0.088mm的高铝矾土熟料，所述熟料细粉为粒径小于0.088mm的高铝矾土熟料。
本实施例所述软质粘土为蒙脱土，所述软质粘土的粒径小于0.088mm。
本实施例所述机压成型的压强为150~170MPa。
本实施例所制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖，经检测：耐压强度为30~40MPa，0.2MPa荷重软化开始温度为1450~1540℃，1200~1500℃×3h烧后体积收缩率为0.3~0.5%。
实施例2
一种不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、将7~11份质量的硅溶胶与3~8份质量的软质粘土置于行星球磨机中，研磨4~6h，得到泥浆。
步骤二、将32~36份质量的熟料细粉与2~4份质量的软质粘土置于振动磨中，混磨2~3h，得到预混粉料。
步骤三、将51~53份质量的熟料粗颗粒和11~13份质量的熟料中颗粒混合，加入轮碾机中，搅拌1~2min；再加入所述泥浆和1~2份质量的硅溶胶，搅拌2~3min；然后加入所述预混粉料，搅拌3~5min，得到混合泥料。
步骤四、将所述混合泥料困料6~8h，机压成型，制得生坯；再将所述生坯在110~120℃条件下干燥24~30h，即得不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖。
本实施例所述熟料同实施例1。
所述软质粘土为累托石。
所述机压成型的压强为160~180MPa。
本实施例所制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖，经检测：耐压强度为40~50MPa，0.2MPa荷重软化开始温度为1460~1560℃，1200~1500℃×3h烧后体积收缩率为0.4~0.7%。
实施例3
一种不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、将9~13份质量的硅溶胶与4~9份质量的软质粘土置于行星球磨机中，研磨4~6h，得到泥浆。
步骤二、将34~38份质量的熟料细粉与3~5份质量的软质粘土置于振动磨中，混磨2~3h，得到预混粉料。
步骤三、将52~54份质量的熟料粗颗粒和12~14份质量的熟料中颗粒混合，加入轮碾机中，搅拌1~2min；再加入所述泥浆和1~2份质量的硅溶胶，搅拌2~3min；然后加入所述预混粉料，搅拌3~5min，得到混合泥料。
步骤四、将所述混合泥料困料6~8h，机压成型，制得生坯；再将所述生坯在110~120℃条件下干燥24~30h，即得不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖。
本实施例所述熟料同实施例1。
所述软质粘土为广西白泥和高岭土的混合物。
所述机压成型的压强为170~190MPa。
本实施例所制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖，经检测：耐压强度为35~45MPa，0.2MPa荷重软化开始温度为1470~1580℃，1200~1500℃×3h烧后体积收缩率为0.3~0.6%。
实施例4
一种不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤一、将11~15份质量的硅溶胶与5~10份质量的软质粘土置于行星球磨机中，研磨4~6h，得到泥浆。
步骤二、将36~40份质量的熟料细粉与4~6份质量的软质粘土置于振动磨中，混磨2~3h，得到预混粉料。
步骤三、将53~55份质量的熟料粗颗粒和13~15份质量的熟料中颗粒混合，加入轮碾机中，搅拌1~2min；再加入所述泥浆和1~2份质量的硅溶胶，搅拌2~3min；然后加入所述预混粉料，搅拌3~5min，得到混合泥料。
步骤四、将所述混合泥料困料6~8h，机压成型，制得生坯；再将所述生坯在110~120℃条件下干燥24~30h，即得不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖。
本实施例所述熟料同实施例1。
所述软质粘土为蒙脱土和高岭土的混合物。
所述机压成型的压强为180~200MPa。
本实施例所制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖，经检测：耐压强度为30~50MPa，0.2MPa荷重软化开始温度为1450~1550℃，1200~1500℃×3h烧后体积收缩率为0.5~0.8%。
实施例5
一种不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖及其制备方法。本实施例所述制备方法除步骤一、步骤二、熟料和软质粘土外，其余同实施例1：
步骤一、将5~10份质量的硅溶胶与2~7份质量的软质粘土置于行星球磨机中，研磨4~6h，得到泥浆。
步骤二、将30~34份质量的熟料细粉与5~11份质量的软质粘土置于振动磨中，混磨2~3h，得到预混粉料。
本实施例所述熟料为粘土熟料，粘土熟料中：SiO2≥45wt%，Al2O3含量≥46wt%；所述熟料粗颗粒为粒径小于3mm且大于等于1mm的粘土熟料，所述熟料中颗粒为粒径小于1mm且大于等于0.088mm的粘土熟料，所述熟料细粉为粒径小于0.088mm的粘土熟料。
本实施例所述软质粘土为广西白泥。
本实施例所制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖，经检测：耐压强度为20~28MPa，0.2MPa荷重软化开始温度为1300~1380℃，1200~1500℃×3h烧后体积收缩率为0.1~0.3%。
实施例6
一种不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖及其制备方法。本实施例所述制备方法除步骤一、步骤二、熟料和软质粘土外，其余同实施例2：
步骤一、将10~15份质量的硅溶胶与3~8份质量的软质粘土置于行星球磨机中，研磨4~6h，得到泥浆。
步骤二、将32~36份质量的熟料细粉与8~14份质量的软质粘土置于振动磨中，混磨2~3h，得到预混粉料。
本实施例中：所述熟料同实施例5；所述软质粘土为高岭土。
本实施例所制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖，经检测：耐压强度为26~34MPa，0.2MPa荷重软化开始温度为1350~1420℃，1200~1500℃×3h烧后体积收缩率为0.2~0.4%。
实施例7
一种不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖及其制备方法。本实施例所述制备方法除步骤一、步骤二、熟料和软质粘土外，其余同实施例3：
步骤一、将15~20份质量的硅溶胶与4~9份质量的软质粘土置于行星球磨机中，研磨4~6h，得到泥浆。
步骤二、将34~38份质量的熟料细粉与11~17份质量的软质粘土置于振动磨中，混磨2~3h，得到预混粉料。
本实施例中；所述熟料同实施例5；所述软质粘土为蒙脱土和累托石的混合物。
本实施例所制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖，经检测：耐压强度为20~35MPa，0.2MPa荷重软化开始温度为1380~1430℃，1200~1500℃×3h烧后体积收缩率为0.1~0.4%。
实施例8
一种不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖及其制备方法。本实施例所述制备方法除步骤一、步骤二、熟料和软质粘土外，其余同实施例4：
步骤一、将20~25份质量的硅溶胶与5~10份质量的软质粘土置于行星球磨机中，研磨4~6h，得到泥浆。
步骤二、将36~40份质量的熟料细粉与14~20份质量的软质粘土置于振动磨中，混磨2~3h，得到预混粉料。
本实施例中：所述熟料同实施例5；所述软质粘土为累托石和广西白泥的混合物。
本实施例所制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖，经检测：耐压强度为25~35MPa，0.2MPa荷重软化开始温度为1400~1450℃，1200~1500℃×3h烧后体积收缩率为0.3~0.5%。
本具体实施方式在球磨处理中，硅溶胶与粘土粒子碰撞，溶胶稳定性受到破坏，扩散层及部分吸附层水分子（4Å）解离，进入到粘土层间（20~35Å），层间距在机械力和层间水的共同作用下撑大，层间结构受到破坏。脱去水分子的硅溶胶胶核粒径减小(原硅溶胶胶粒7~20nm)，表面层为硅羟基[—SiOH,—Si(OH)2]、H3O+及少量硅氧硅键（—Si—O—Si—）覆盖，呈正电；而粘土边面破键等带负电或少许正电荷，在静电吸引作用力下，胶粒与相邻粘土粒子连接，起到桥接作用。这种粘土-硅溶胶桥接结构在制品中形成网络结构，将骨料、细粉均匀连接起来，结构稳定，产生常温强度。高温使用时，粘土-硅溶胶桥接网络结构由刚玉-莫来石网络结构或莫来石-方石英-玻璃相替代，有利于提高强度、荷重软化温度和耐火度。
本具体实施方式所制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖，经检测：耐压强度为20~50MPa，0.2MPa荷重软化开始温度为1300~1580℃，1200~1500℃×3h烧后体积收缩率为0.1~0.8%。
因此，本具体实施方式制备的不烧粘土-硅溶胶结合硅酸铝砖具有常温强度大、荷重软化温度高、耐火度高和体积收缩率低的特点。