本发明属于镁橄榄石质耐火材料技术领域。具体涉及一种高强度轻质镁橄榄石质耐火材料及其制备方法。
背景技术：
镁橄榄石晶体具有熔点高、导热系数低、化学性质稳定、耐金属熔体和渣侵蚀性高等优良特性。而天然镁橄榄石不仅杂质含量较高且烧失量大，即使经高温煅烧处理，仍不能满足高档耐火制品的要求，严重影响了耐火材料生产和耐火材料产品的推广。
现有技术中有关镁橄榄石制备的方法，都存在一定的不足。主要表现为原料中的杂质含量较高，以及受制备方法的限制，使所制备的镁橄榄石高温性质不稳定，显著影响产物的高温性能，进而无法与侵蚀介质、还原气氛、碱性粉尘等接触的高温环境下长期使用，限制了其在耐火制品中的应用。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，目的是提供一种原料来源广泛和生产成本低的高强度轻质镁橄榄石质耐火材料的制备方法；用该方法制备的高强度轻质镁橄榄石质耐火材料耐高温性能优良、强度高和高温导热系数低，在还原气氛和碱性粉尘等接触的高温环境下能长期使用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：
第一步、将30~50wt%的含硅原料、20~40wt%的镁盐、1~10wt%的含锌原料、1~10wt%的铁粉和1~10wt%的硼酸混合均匀，压制成型；在还原气氛和800~1200℃条件下热处理3~6小时，破碎，研磨，筛分，即得粒度小于0.045mm的A物料。
第二步、将60~80wt%的所述A物料、5~15wt%的表面活性剂、5~15wt%的增稠剂和3~15wt%的添加剂混合均匀，得到混合料；再外加所述混合料30~60wt%的水，球磨，即得料浆。
第三步、将10~30wt%的所述含硅原料、10~30wt%的镁砂细粉、1~10wt%的所述含锌原料、30~50wt%的城市污泥和1~10wt%的所述表面活性剂混合均匀，压制成型；然后在还原气氛和600~1000℃条件下热处理3~6小时，在中性气氛和1200~1500℃条件下热处理3~6小时，破碎，研磨，筛分，得到粒度小于0.088mm的B物料和粒度为0.088~5mm的C物料。
第四步、将10~30wt%的镁砂颗粒、5~10wt%的所述镁砂细粉、5~10wt%的所述含硅原料、10~30wt%的所述B物料、10~30wt%的所述C物料、1~10wt%的所述含锌原料和1~10wt%的所述料浆混合均匀，压制成型；然后在1300~1500℃条件下热处理3~6小时，制得高强度轻质镁橄榄石质耐火材料。
所述含硅原料的粒度小于0.088mm；所述含硅原料为石英砂或为熔石英，含硅原料中的SiO2含量大于99wt%。
所述镁盐的粒度小于0.088mm；所述镁盐为硝酸镁或为硫酸镁，所述硝酸镁中Mg(NO3)2的含量大于99wt%，所述硫酸镁中MgSO4的含量大于99wt%。
所述含锌原料的粒度小于0.088mm；所述含锌原料为硫酸锌或为磷酸锌，所述硫酸锌中ZnSO4的含量大于99wt%，所述磷酸锌中Zn3(PO4)2的含量大于99wt%。
所述城市污泥的含水量小于10wt%，城市污泥的粒度小于0.088mm；所述城市污泥中：SiO2含量大于30wt%，Fe2O3含量小于6wt%，Al2O3含量大于10wt%。
所述还原气氛为氢气气氛或为一氧化碳气氛。
所述表面活性剂为椰油酸二乙醇酰胺或为烷基糖苷。
所述增稠剂为羟乙基纤维素或为改性淀粉。
所述添加剂为硅溶胶或为白炭黑；所述硅溶胶中SiO2的含量为25~30wt%，所述白炭黑中SiO2的含量大于92wt%。
所述镁砂为烧结镁砂或为电熔镁砂，所述镁砂的MgO含量大于96wt%；所述镁砂细粉的粒度小于0.088mm，所述镁砂颗粒的粒度为1~5mm。
所述中性气氛为氮气气氛或为氩气气氛。
所述压制成型的压强为50~100MPa。
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：
本发明所采用的原料来源广泛，生产成本低；本发明通过对各步骤中的气氛、原料粒度、成型压力及热处理等工序的严格控制，既有利于不同原料颗粒的均化及各种原料颗粒之间的紧密接触，也为微结构的形成提供了合理空间，因而所制备的高强度轻质镁橄榄石质耐火材料具有较高的耐压强度、较低的体积密度和较低的导热系数，在还原气氛和碱性粉尘等接触的高温环境下能长期使用。
本发明制备的高强度轻质镁橄榄石质耐火材料经检测：耐压强度大于5MPa；体积密度小于1.0g/cm3；200~1400℃范围内的导热系数为0.05~0.3W/(m·K)。
因此，本发明原料来源广泛，生产成本低；所制备的高强度轻质镁橄榄石质耐火材料的耐高温性能优良、强度高和高温导热系数低，在还原气氛和碱性粉尘等接触的高温环境下能长期使用。
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。
为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的物料数和压制成型的压强统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述含硅原料的粒度小于0.088mm，所述含硅原料的SiO2含量大于99wt%。
所述镁盐的粒度小于0.088mm；所述硝酸镁中Mg(NO3)2的含量大于99wt%，所述硫酸镁中MgSO4的含量大于99wt%。
所述含锌原料的粒度小于0.088mm。
所述硅溶胶中SiO2的含量为25~30wt%，所述白炭黑中SiO2的含量大于92wt%。
所述镁砂的MgO含量大于96wt%；所述镁砂细粉的粒度小于0.088mm，所述镁砂颗粒的粒度为1~5mm。
所述城市污泥的含水量小于10wt%，城市污泥的粒度小于0.088mm；所述城市污泥中：SiO2含量大于30wt%，Fe2O3含量小于6wt%，Al2O3含量大于10wt%。
所述压制成型的压强为50~100MPa。
实施例1
一种高强度轻质镁橄榄石质耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
第一步、将30~40wt%的含硅原料、30~40wt%的镁盐、1~10wt%的含锌原料、1~10wt%的铁粉和1~10wt%的硼酸混合均匀，压制成型；在还原气氛和800~1100℃条件下热处理3~6小时，破碎，研磨，筛分，即得粒度小于0.045 mm的A物料。
第二步、将60~70wt%的所述A物料、10~15wt%的表面活性剂、10~15wt%的增稠剂和3~10wt%的添加剂混合均匀，得到混合料；再外加所述混合料30~50wt%的水，球磨，即得料浆。
第三步、将10~20wt%的所述含硅原料、20~30wt%的镁砂细粉、1~6wt%的所述含锌原料、40~50wt%的城市污泥和1~6wt%的所述表面活性剂混合均匀，压制成型；然后在还原气氛和600~900℃条件下热处理3~6小时，在中性气氛和1200~1400℃条件下热处理3~6小时，破碎，研磨，筛分，得到粒度小于0.088mm的B物料和粒度为0.088~5mm的C物料。
第四步、将10~20wt%的镁砂颗粒、5~10wt%的所述镁砂细粉、5~10wt%的所述含硅原料、20~30wt%的所述B物料、10~20wt%的所述C物料、5~10wt%的所述含锌原料和5~10wt%的所述料浆混合均匀，压制成型；然后在1300~1400℃条件下热处理3~6小时，制得高强度轻质镁橄榄石质耐火材料。
本实施例中：
所述含硅原料为石英砂；
所述镁盐为硝酸镁；
所述含锌原料为硫酸锌；
所述还原气氛为氢气气氛；
所述表面活性剂为椰油酸二乙醇酰胺；
所述增稠剂为羟乙基纤维素；
所述添加剂为硅溶胶；
所述镁砂为烧结镁砂；
所述中性气氛为氮气气氛。
实施例2
一种高强度轻质镁橄榄石质耐火材料及其制备方法。除下述物料外，其余同实施例1：
所述含硅原料为熔石英；
所述镁盐为硫酸镁；
所述含锌原料为磷酸锌；
所述还原气氛为一氧化碳气氛；
所述表面活性剂为烷基糖苷；
所述增稠剂为改性淀粉；
所述添加剂为白炭黑；
所述镁砂为电熔镁砂；
所述中性气氛为氩气气氛。
实施例3
一种高强度轻质镁橄榄石质耐火材料及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
第一步、将40~50wt%的含硅原料、20~30wt%的镁盐、1~10wt%的含锌原料、1~10wt%的铁粉和1~10wt%的硼酸混合均匀，压制成型；在还原气氛和900~1200℃条件下热处理3~6小时，破碎，研磨，筛分，即得粒度小于0.045mm的A物料。
第二步、将70~80wt%的所述A物料、5~10wt%的表面活性剂、5~10wt%的增稠剂和8~15wt%的添加剂混合均匀，得到混合料；再外加所述混合料40~60wt%的水，球磨，即得料浆。
第三步、将20~30wt%的所述含硅原料、10~20wt%的镁砂细粉、5~10wt%的所述含锌原料、30~40wt%的城市污泥和5~10wt%的所述表面活性剂混合均匀，压制成型；然后在还原气氛和700~1000℃条件下热处理3~6小时，在中性气氛和1300~1500℃条件下热处理3~6小时，破碎，研磨，筛分，得到粒度小于0.088mm的B物料和粒度为0.088~5mm的C物料。
第四步、将20~30wt%的镁砂颗粒、5~10wt%的所述镁砂细粉、5~10wt%的所述含硅原料、10~20wt%的所述B物料、20~30wt%的所述C物料、1~6wt%的所述含锌原料和1~6wt%的所述料浆混合均匀，压制成型；然后在1400~1500℃条件下热处理3~6小时，制得高强度轻质镁橄榄石质耐火材料。
本实施例中：
所述含硅原料为熔石英；
所述镁盐为硫酸镁；
所述含锌原料为磷酸锌；
所述还原气氛为一氧化碳气氛；
所述表面活性剂为烷基糖苷；
所述增稠剂为改性淀粉；
所述添加剂为白炭黑；
所述镁砂为电熔镁砂；
所述中性气氛为氩气气氛。
实施例4
一种高强度轻质镁橄榄石质耐火材料及其制备方法。除下述物料外，其余同实施例1：
所述含硅原料为石英砂；
所述镁盐为硝酸镁；
所述含锌原料为硫酸锌；
所述还原气氛为氢气气氛；
所述表面活性剂为椰油酸二乙醇酰胺；
所述增稠剂为羟乙基纤维素；
所述添加剂为硅溶胶；
所述镁砂为烧结镁砂；
所述中性气氛为氮气气氛。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式所采用的原料来源广泛，生产成本低；本具体实施方式通过对各步骤中的气氛、原料粒度、成型压力及热处理等工序的严格控制，既有利于不同原料颗粒的均化及各种原料颗粒之间的紧密接触，也为微结构的形成提供了合理空间，因而所制备的高强度轻质镁橄榄石质耐火材料具有较高的耐压强度、较低的体积密度和较低的导热系数，在还原气氛和碱性粉尘等接触的高温环境下能长期使用。
本具体实施方式制备的高强度轻质镁橄榄石质耐火材料经检测：耐压强度大于5MPa；体积密度小于1.0g/cm3；200~1400℃范围内的导热系数为0.05~0.3W/(m·K)。
因此，本具体实施方式原料来源广泛，生产成本低；所制备的高强度轻质镁橄榄石质耐火材料的耐高温性能优良、强度高和高温导热系数低，在还原气氛和碱性粉尘等接触的高温环境下能长期使用。