本发明涉及一种炭素焙烧炉用高性能碱性耐火材料，具体涉及一种火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖及其制备方法。
背景技术：
铝工业是国民经济的重要支柱产业，电解铝工业的发展离不开炭阳极技术发展。近年来，焙烧阳极炭块的能耗不断加大，给铝电解行业的发展带来了很大的制约，炭素工业窑炉的能耗水平和节能技术则是降低电解铝工业的能耗水平的重要组成部分。炭素工业炉的最高温度一般都在1200～1400℃，并且它们所处理的物料和产品具有易氧化、高挥发分、产品指标和工艺曲线要求严格等特点。
目前，我国铝用炭素阳极焙烧炉，均采用敞开式环形焙烧，生产实践表明，焙烧炉的热利用率和热损失各占一半。每吨炭素阳极炉成品的燃料消耗一般在2.4GJ/t（约折合一般重油60kg/t～80kg/t）。目前发达国家的焙烧炉在阳极原料要求十分苛刻和沥青被完全燃烧（新技术）的条件下，燃料消耗可以降到1.8GJ/t～1.9GJ/t的重油。因此，降低铝用炭素阳极焙烧炉的燃料消耗和选择相适应的耐火材料是一项重要研究课题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种炭素焙烧炉用高导热富镁尖晶石复合砖，用于炭素焙烧炉的炉墙砌筑；即本发明提供一种火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖及其制备方法。本发明制备的产品高导热富镁尖晶石复合砖能够有效降低炉墙的能源损耗，延长使用寿命，节约能耗，从而提高经济效益。
为了解决上述问题，本发明采取的技术方案是：
本发明提供一种火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，以重量百分含量表示，所述高导热富镁尖晶石复合砖主要由原料粒度≤4mm的烧结镁砂20～50%，粒度≤4mm的高铁镁砂25～60%，粒度≤0.088mm的铁铝尖晶石1～10%，粒度4～1mm的镁铝尖晶石4～20%和添加剂1～10%组成；另外加入占上述所有原料总重量2～5%的结合剂。
根据上述的火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，所述烧结镁砂中MgO的质量百分含量为80～95%，Fe2O3的质量百分含量为0.5～3%，其余为杂质含量。
根据上述的火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，所述高铁镁砂中MgO的质量百分含量为75～90%，Fe2O3的质量百分含量为4～6%，其余为杂质含量。
根据上述的火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，所述铁铝尖晶石中Fe2O3的质量百分含量为25～40%，Al2O3的质量百分含量为45～65%，其余为杂质含量。
根据上述的火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，所述镁铝尖晶石中MgO的质量百分含量为25～40%，Al2O3的质量百分含量为40～65%，其余为杂质含量。
根据上述的火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，所述添加剂为α-Al2O3微粉、锆英砂、TiO2细粉和铁鳞中的至少一种。
根据上述的火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，所述α-Al2O3微粉的粒度为＜10μm，α-Al2O3微粉中Al2O3的质量百分含量＞99%；
所述锆英砂的粒度＜0.088mm，锆英砂中ZrO2 的质量百分含量为50～69%、SiO2 的质量百分含量为25～38%；
所述TiO2细粉的粒度＜0.045mm，TiO2细粉中TiO2的质量百分含量≥99.1%；所述铁鳞的粒度＜0.088mm，铁鳞中Fe2O3的质量百分含量65～80%。
根据上述的火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，所述结合剂为复合结合剂，复合结合剂是由纸浆废液和盐卤复合而成，其比重为1.0～1.6g/cm3。
另外，提供一种上述火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
a、首先按照上述高导热富镁尖晶石复合砖的配料比例称取各种原料，先将称取的烧结镁砂、高铁镁砂和镁铝尖晶石先加入湿碾机进行混料，然后加入结合剂混碾5～10min，最后加入铁铝尖晶石和添加剂，混匀后得到混合物料；
b、将步骤a得到的混合物料采用液压压砖机或摩擦压砖机进行压制成型，压砖机的压力控制为630～2000t，压制后所得砖坯的体积密度为3.0g/cm3；
c、将步骤b得到的砖坯在80～160℃下干燥8～24h；然后采用高温隧道窑进行烧成，烧成温度为1550～1650℃，在此烧成温度下保温3～12h，保温后冷却出窑，得到产品高导热富镁尖晶石复合砖。
根据上述火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖的制备方法，所得产品高导热富镁尖晶石复合砖中的主要化学成分为MgO 80～90%，Al2O3 1～10%和Fe2O3 3～15%。
本发明的积极有益效果：
1、本发明技术方案中引入α-Al2O3微粉，烧结过程中能与方镁石生成部分的镁铝尖晶石，填充孔隙；同时α-Al2O3微粉具有较高的表面活性，促进烧结；从而提高砖的致密度和强度。
2、本发明技术方案中引入锆英砂，由于硅酸盐相润湿了方镁石，气孔易于沿晶界排除，使得砖的显气孔率降低；同时MgO和ZrO2之间的有限固溶，促进致密化的作用，提高砖的强度；而MgO和ZrO2在物理性能上的差异，导致内部产生微裂纹，热震时它能吸收主裂纹扩展时的应变能，抑制和减缓裂纹扩展，增加了材料的韧性，从而提高了砖的热震稳定性。
3、本发明技术方案采用的TiO2细粉为锐钛矿型，添加TiO2细粉，TiO2与方镁石反应生成Mg2TiO4尖晶石，而后Mg2TiO4尖晶石与Mg2AlO4形成Mg4Al2Ti9O25固溶体；随着Mg2TiO4被Mg2AlO4吸收、固溶，形成新型的方镁石-尖晶石-氧化钛硅酸盐系统的复相结构，从而改善了材料的结构性能、力学、热学和使用性能，使其产品具有良好的烧结性能和热震稳定性。
4、本发明技术方案中引入铁鳞，高温过程中，FeO溶解在方镁石中，以（Mg·Fe）O形式存在，Fe2O3则与方镁石形成镁铁尖晶石，镁铁尖晶石也能部分溶解在方镁石中形成有限固溶体，从而促进基体与基质之间的结合，使制品达到良好的烧结，提高强度。
5、本发明采用的结合剂为复合结合剂，其比重为1.0～1.6g/cm3。具有的优点为：①砖坯泥料润滑易于成型，坯体棱角好，外观完整，生坯就具有较好的强度，易于搬运，半成品率高。②卤族元素Cl-蒸汽对MA的晶体发育成长有促进作用，也有助烧效果，使制品在中高温下，始终保持较高的强度。
6、本发明制备的产品高导热富镁尖晶石复合砖能够有效降低炉墙的能源损耗，延长使用寿命，节约能耗，从而提高经济效益。
7、本发明产品高导热富镁尖晶石复合砖具有较高的导热系数、良好的热震稳定性、耐压强度高、抗蠕变性好等优良性能，可以取代传统的黏土砖、高铝砖和硅砖，在节约能源、延长炉衬使用寿命有显著的效果。因此，本发明具有良好的经济效益和社会效益。
8、本发明通过引入α-Al2O3微粉和铁鳞，高温过程中，促进基体与基质之间的结合，与方镁石生成部分的镁铝尖晶石和镁铁尖晶石，提高表面活性、促进烧结，从而提高砖体的致密度和强度。
9、本发明通过添加TiO2细粉，使材料的烧结温度降低，在较低温度下达到良好烧结，在烧结过程中形成的许多封闭的微孔结构，则提高了材料的热震稳定性。通过引入锆英砂使砖体内部产生微裂纹，热震时它能吸收主裂纹扩展时的应变能，抑制和减缓裂纹扩展，增加了材料的韧性，也提高了砖的热震稳定性。本发明产品高导热富镁尖晶石复合砖的综合性能指标如表1所示。
10、本发明产品适用于炭素焙烧炉，具有高的导热系数、良好的热震稳定性、耐压强度高和抗蠕变性好，可以取代传统的黏土砖、高铝砖和硅砖，在节约能源、延长炉衬使用寿命有很好的效果，具有良好的经济效益和社会效益。
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具体实施方式：
以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明的内容。
以下实施例中：采用的烧结镁砂中MgO的质量百分含量为80～95%，Fe2O3的质量百分含量为0.5～3%，其余为杂质含量；高铁镁砂中MgO的质量百分含量为75～90%，Fe2O3的质量百分含量为4～6%，其余为杂质含量；铁铝尖晶石中Fe2O3的质量百分含量为25～40%，Al2O3的质量百分含量为45～65%，其余为杂质含量；所述镁铝尖晶石中MgO的质量百分含量为25～40%，Al2O3的质量百分含量为40～65%，其余为杂质含量。
采用的α-Al2O3微粉的粒度为＜10μm，α-Al2O3微粉中Al2O3的质量百分含量＞99%；锆英砂的粒度＜0.088mm，锆英砂中ZrO2 的质量百分含量为50～69%、SiO2 的质量百分含量为25～38%；TiO2细粉的粒度＜0.045mm，TiO2细粉中TiO2的质量百分含量≥99.1%；铁鳞的粒度＜0.088mm，铁鳞中Fe2O3的质量百分含量65～80%。
实施例1：
本发明火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的烧结镁砂40%，粒度≤4mm的高铁镁砂37%，粒度≤0.088mm的铁铝尖晶石8%，粒度4～1mm的镁铝尖晶石12%和添加剂α-Al2O3微粉3%组成；另外加入占上述所有原料总重量3%的结合剂（结合剂是由纸浆废液和盐卤复合而成，其比重为1.3g/cm3）。
实施例2：
本发明实施例1火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖的制备方法，该制备方法的详细步骤如下：
首先按照实施例1所述高导热富镁尖晶石复合砖的配料比例称取各种原料，先将称取的烧结镁砂、高铁镁砂和镁铝尖晶石先加入湿碾机进行混料，然后加入结合剂混碾10min，最后加入铁铝尖晶石和添加剂，混匀后得到混合物料；
b、将步骤a得到的混合物料采用液压压砖机进行压制成型，压砖机的压力控制为1000t，压制后所得砖坯的体积密度为3.0g/cm3；
c、将步骤b得到的砖坯在120℃下干燥10h；然后采用高温隧道窑进行烧成，烧成温度为1580℃，在此烧成温度下保温6h，保温后冷却出窑，得到产品高导热富镁尖晶石复合砖（所得产品的相关性能检测指标详见表2）。
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实施例3：
本发明火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的烧结镁砂35%，粒度≤4mm的高铁镁砂40%，粒度≤0.088mm的铁铝尖晶石10%，粒度4～1mm的镁铝尖晶石10%和添加剂锆英砂5%组成；另外加入占上述所有原料总重量2.8%的结合剂（结合剂是由纸浆废液和盐卤复合而成，其比重为1.22g/cm3）。
实施例4：
本发明实施例3火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖的制备方法，该制备方法的详细步骤如下：
首先按照实施例3所述高导热富镁尖晶石复合砖的配料比例称取各种原料，先将称取的烧结镁砂、高铁镁砂和镁铝尖晶石先加入湿碾机进行混料，然后加入结合剂混碾8min，最后加入铁铝尖晶石和添加剂，混匀后得到混合物料；
b、将步骤a得到的混合物料采用液压压砖机进行压制成型，压砖机的压力控制为1200t，压制后所得砖坯的体积密度为3.0g/cm3；
c、将步骤b得到的砖坯在160℃下干燥8h；然后采用高温隧道窑进行烧成，烧成温度为1630℃，在此烧成温度下保温3h，保温后冷却出窑，得到产品高导热富镁尖晶石复合砖（所得产品的相关性能检测指标详见表3）。
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实施例5：
本发明火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的烧结镁砂42%，粒度≤4mm的高铁镁砂30%，粒度≤0.088mm的铁铝尖晶石6%，粒度4～1mm的镁铝尖晶石15%和添加剂7%（添加剂7%是由4%的铁鳞和3%的α-Al2O3微粉组成）组成；另外加入占上述所有原料总重量2.5%的结合剂（结合剂是由纸浆废液和盐卤复合而成，其比重为1.4g/cm3）。
实施例6：
本发明实施例5火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖的制备方法，该制备方法的详细步骤如下：
首先按照实施例5所述高导热富镁尖晶石复合砖的配料比例称取各种原料，先将称取的烧结镁砂、高铁镁砂和镁铝尖晶石先加入湿碾机进行混料，然后加入结合剂混碾10min，最后加入铁铝尖晶石和添加剂，混匀后得到混合物料；
b、将步骤a得到的混合物料采用液压压砖机进行压制成型，压砖机的压力控制为1200t，压制后所得砖坯的体积密度为3.0g/cm3；
c、将步骤b得到的砖坯在110℃下干燥18h；然后采用高温隧道窑进行烧成，烧成温度为1550℃，在此烧成温度下保温6h，保温后冷却出窑，得到产品高导热富镁尖晶石复合砖（所得产品的相关性能检测指标详见表4）。
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实施例7：
本发明火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的烧结镁砂28%，粒度≤4mm的高铁镁砂46%，粒度≤0.088mm的铁铝尖晶石4%，粒度4～1mm的镁铝尖晶石16%和添加剂6%（添加剂6%是由4%的铁鳞和2%的TiO2细粉组成）组成；另外加入占上述所有原料总重量2.0%的结合剂（结合剂是由纸浆废液和盐卤复合而成，其比重为1.12g/cm3）。
实施例8：
本发明实施例7火道墙用高导热富镁尖晶石复合砖的制备方法，该制备方法的详细步骤如下：
首先按照实施例7所述高导热富镁尖晶石复合砖的配料比例称取各种原料，先将称取的烧结镁砂、高铁镁砂和镁铝尖晶石先加入湿碾机进行混料，然后加入结合剂混碾7min，最后加入铁铝尖晶石和添加剂，混匀后得到混合物料；
b、将步骤a得到的混合物料采用液压压砖机进行压制成型，压砖机的压力控制为800t，压制后所得砖坯的体积密度为3.0g/cm3；
c、将步骤b得到的砖坯在140℃下干燥12h；然后采用高温隧道窑进行烧成，烧成温度为1650℃，在此烧成温度下保温4h，保温后冷却出窑，得到产品高导热富镁尖晶石复合砖（所得产品的相关性能检测指标详见表5）。
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