专利名称：一种使用磷酸改善轻质耐火砖力学性能的方法
技术领域：
本发明涉及轻质耐火砖，特别是涉及一种使用磷酸改善轻质耐火砖力学性能的方法。
背景技术：
耐火砖是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温容器和部件的材料，并 能承受相应的物理化学及机械作用。按其密度可分为轻质耐火砖和重质耐火砖，其中轻质耐 火砖又称隔热耐火砖，是气孔率高、体积密度低、热导率低的耐火材料，特点是低密度(密 度低于1.3g/cm3)、具有多孔结构(气孔率一般为40% 85%)和高的隔热性。轻质耐火砖包 括轻质高铝砖、轻质刚玉砖、轻质堇青石砖、轻质莫来石砖、轻质粘土砖、轻质硅砖、轻质 空心球制品等，常常用作工业窑炉炉体保温材料，它可以减轻炉体质量，简化窑炉结构，降 低燃料消耗，还有助于实现窑炉的快速升温和冷却，提高设备生产效率，同时其生产成本低， 使得轻质耐火砖在该领域有着不可替代的地位。但与重质耐火砖相比，轻质耐火砖由于基体 组织结构比较疏松、孔壁强度较低，因此其抗压强度一般都很低(低于10MPa)，不能用于承 重结构，同时抗渣能力差，与炉料直接接触时，熔渣会很快侵入砖体气孔内，使之碎裂。因 此，改善轻质耐火砖的表面性能和力学性能具有现实意义。
磷酸盐在低温时能形成网状长链结构，类似于有机物的聚合，因此也有磷酸盐聚合物一 称。因此磷酸盐可以作为胶黏剂使用，它往往是由酸式磷酸盐、偏磷酸盐、焦磷酸盐或者直 接由磷酸与金属氧化物、卤化物、氢氧化物、碱性盐类、硅酸盐、硼酸盐等的反应产物为基 料组成。国内外对此的研究报道很多，特别是使用磷酸与金属氧化物反应后黏结氮化硅、碳 化硅等高温结构陶瓷，这些技术已经相当成熟。它与其它无机胶黏剂相比，磷酸盐胶黏剂耐 水性更好、固化收縮率小、高温强度较大以及可在较低温度固化等优点。当磷酸与含有铝、 硅、镁等元素组成的化合物时，将会发生化学反应生成相应的磷酸盐，起到黏结和结构增强 作用。因此，在考虑磷酸与含有铝、硅、镁等元素的轻质耐火砖作用时，将会修复轻质耐火 砖基体中的微裂纹，增加孔壁结构的强度，起到改善其力学性能的作用。通过前期实验表明， 当使用缓慢的升温速率升温至450 60(TC时，磷酸与耐火砖中的氧化铝、氧化硅等发生反应 生成相应磷酸盐，修复了耐火砖中的微裂纹，大大提高了其力学强度。
对国内外专利和文献的査新结果表明还没有使用磷酸改善轻质耐火砖力学性能的研究 报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种使用磷酸改善轻质耐火砖力学性能的方法，该 方法简便易行，并且可以提高轻质耐火砖的力学性能。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是将轻质耐火砖浸渍在质量浓度为25 85%的
磷酸溶液中，浸渍时间为2 5小时；取出耐火砖放入高温炉中进行热处理，热处理温度为450 600°C，保温1 3小时，然后随炉冷却至室温得到改性的轻质耐火砖。 本发明与现有技术相比，主要有以下显著的效果-
在常见的轻质耐火砖基础上进行改性处理，可以提高轻质耐火砖力学性能。改性工艺是 使用少量磷酸与耐火砖在一定温度下发生化学反应起到微裂纹修复的效果，改善耐火砖的力 学强度。在改性过程中，对轻质耐火砖的气孔率和耐火度影响不大，但其抗压强度可以提高 50 300%。并且工艺简单，易于调节和控制，适用面广，可重复性好和成本低等优点。
图1是轻质莫来石砖改性前SEM图。
图2是轻质莫来石砖用25%磷酸改性后(500'C处理)的SEM图。 图3是轻质莫来石砖用45%磷酸改性后(50(TC处理)的SEM图。 图4是轻质莫来石砖用65%磷酸改性后(500'C处理)的SEM图。 图5是轻质莫来石砖用85%磷酸改性后(50(TC处理)的SEM图。 图6是具体实例1 4改性前后的物相变化。 图7是轻质高铝砖用65%磷酸改性后(50(TC处理)的SEM图。 图8是轻质粘土砖用65%磷酸改性前(50(TC处理)的SEM图。 图9是轻质粘土砖用65%磷酸改性后(50(TC处理)的SEM图。
具体实施例方式
本发明提供的磷酸改性耐火砖力学性能的方法，具体是将轻质耐火砖浸渍在质量浓度 为25 85%的磷酸溶液中，浸渍时间为2 5小时；取出耐火砖放入高温炉中进行热处理，热 处理温度为450 600°C，保温1 3小时，然后随炉冷却至室温得到改性的轻质耐火砖。
所述热处理温度是从室温起以10 2(TC/小时的升温速率升温至450 60(TC。
所述的轻质耐火砖为轻质高铝砖、轻质刚玉砖、轻质堇青石砖、轻质莫来石砖或轻质粘 土砖，它可以是任何形状和尺寸，具有连通气孔，气孔率为40 90%，孔径为10 2000ym， 抗压强度为1 5MPa。
所述磷酸溶液，是通过浓磷酸稀释得到质量浓度为25 85%的均匀液体。
下面结合实例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。 具体实例1
1. 将轻质莫来石耐火砖(密度0.52g/cm3，气孔率70.5%，孔径约0.3mm)浸渍到质量浓 度为25%的磷酸溶液中，浸渍时间为3小时。
2. 取出耐火砖，放在室温下干燥半小时，待流尽表面多余的磷酸后，放入马弗炉中。
3. 以15"C/分钟的升温速率升至50(TC，并保温2小时，冷却到室温得到磷酸改性的耐火 砖复合砖体。
改性后，轻质莫来石砖的气孔率变化并不明显，其力学性能得到显著提高，抗压强度从 起初的1.93MPa，增加到2.84MPa，强度增幅达47.2%。气孔率从改性前70.5%变为改性后 68.8%，体积密度从改性前0.50g/cn^变为0.61g/cm3。此外，将该改性后的轻质耐火砖与改性前的耐火砖一起放在145(TC空气环境中，均未出现坍塌，表明该改性过程并没有影响耐火 砖的耐火度。微观SEM图片见图2所示，可以看出，磷酸附着在耐火砖的微裂纹中和孔壁上， 热处理后，磷酸与耐火砖发生化学反应，生成磷酸盐，XRD分析如图6 (B-25)所示，表明 莫来石与磷酸反应生成了磷酸铝(A1P04)和磷酸硅(SiP207)物相，修复了轻质莫来石砖的 微裂纹，增强了孔结构，从而使耐火砖的力学强度增大。同时，由于引入磷酸量很少，对其 体积密度和气孔率影响不大。
具体实例2
1. 将轻质莫来石耐火砖(密度0.52g/cm3，气孔率70.5%，孔径约0.3mm)浸渍到质量浓 度为45%的磷酸溶液中，浸渍时间为3小时。
2. 取出耐火砖，放在室温下干燥半小时，待流尽表面多余的磷酸后，放入马弗炉中。
3. 以15'C/分钟的升温速率升至50(TC，并保温2小时，冷却到室温得到磷酸改性的耐火 砖复合砖体。
改性后，轻质莫来石砖的气孔率变化并不明显，其力学性能得到显著提高，抗压强度从 起初的1.93MPa，增加到4.20MPa，强度增幅达117.6%。气孔率从改性前70.5%变为改性后 67.8%，体积密度从改性前0.50 g/cn^变为0.66g/cm3。此外，将该改性后的轻质耐火砖与改 性前的耐火砖一起放在145(TC空气环境中，均未出现坍塌，表明该改性过程并没有影响耐火 砖的耐火度。微观SEM图片见图3所示，可以看出，磷酸附着在耐火砖的微裂纹中和孔壁上， 热处理后，磷酸与耐火砖发生化学反应，生成磷酸盐，XRD分析如图6 (B-45)所示，与B-25 相同，也是因为莫来石与磷酸反应生成了磷酸铝(A1P04)和磷酸硅(SiP207)物相，修复了 轻质莫来石砖的微裂纹，增强了孔结构。由于引入的磷酸量多些，对裂纹修复得更完全，显 微图片表明多孔骨架的修复效果很好。
具体实例3
1. 将轻质莫来石耐火砖(密度0.52g/cm3，气孔率70.5%，孔径约0.3mm)浸渍到质量浓 度为65%的磷酸溶液中，浸溃时间为3小时。
2. 取出耐火砖，放在室温下干燥半小时，待流尽表面多余的磷酸后，放入马弗炉中。
3. 以15'C/分钟的升温速率升至50(TC，并保温2小时，冷却到室温得到磷酸改性的耐火 砖复合砖体。
改性后，轻质莫来石砖的气孔率变化并不明显，其力学性能得到显著提高，抗压强度从 起初的1.93MPa，增加到5.66MPa，强度增幅达193.3%。气孔率从改性前70.5%变为改性后 65.2%，体积密度从改性前0.50 g/cn^变为0.72 g/cm3。此外，将该改性后的轻质耐火砖与改 性前的耐火砖一起放在1450'C空气环境中，均未出现坍塌，表明该改性过程并没有影响耐火 砖的耐火度。微观SEM图片见图4所示，XRD分析如图6 (B-65)所示，由于磷酸浓度较 大，附着在耐火砖孔结构和微裂纹中的磷酸量较多，此时莫来石的孔壁与磷酸反应生成物不 再是磷酸铝(A1P04),取而代之的是偏磷酸铝(A1(P03)3)和AlSi2P30u物象。这些新物相呈 现出针状，对耐火砖的力学性能增强效果更好，因此抗压强度增幅也更高。
5具体实例4
1. 将轻质莫来石耐火砖(密度0.52g/cm3，气孔率70.5%，孔径约0.3mm)浸渍到质量浓 度为85%的磷酸溶液中，浸渍时间为3小时。
2. 取出耐火砖，放在室温下干燥半小时，待流尽表面多余的磷酸后，放入马弗炉中。
3. 以15'C/分钟的升温速率升至50(TC，并保温2小时，冷却到室温得到磷酸改性的耐火
砖复合砖体。
改性后，轻质莫来石砖的气孔率变化并不明显，其力学性能得到显著提高，抗压强度从 起初的1.93MPa，增加到6.96MPa，强度增幅达到260.6%。气孔率从改性前70.5%变为改性 后55.9%,体积密度从改性前0.50 g/cm3变为0.86 g/cm3。此外，将该改性后的轻质耐火砖与 改性前的耐火砖一起放在145(TC空气环境中，均未出现坍塌，表明该改性过程并没有影响耐 火砖的耐火度。微观SEM图片见图5所示，XRD分析如图6 (B-85)所示，由于磷酸浓度 较大，附着在耐火砖孔结构和微裂纹中的磷酸量更多，此时莫来石的孔壁与磷酸反应生成物 也是偏磷酸铝(A1(P03)3)和AlSi2P30u物象。这些新物相呈现出针状，对耐火砖的力学性能 增强效果更好，因此抗压强度增幅也更高。
具体实例5
1. 将轻质高铝耐火砖(密度1.04g/cm3，气孔率58.2%，孔径约0.2mm)浸渍到质量浓度 为65%的磷酸溶液中，浸渍时间为3小时。
2. 取出耐火砖，放在室温下干燥半小时，待流尽表面多余的磷酸后，放入马弗炉中。
3. 以15'C/分钟的升温速率升至450'C，并保温3小时，冷却到室温得到磷酸改性的耐火 砖复合砖体。
改性后，轻质高铝耐火砖的气孔率变化并不明显，其力学性能得到显著提高，抗压强度 从起初的3.10MPa，增加到9.34MPa，强度增幅达201.3%。气孔率从改性前58.2%变为改性 后48.8%，体积密度从改性前1.04 g/cm"变为1.28g/cm3。此外，将该改性后的轻质耐火砖与 改性前的耐火砖一起放在160(TC空气环境中，均未出现坍塌，表明该改性过程并没有影响耐 火砖的耐火度。微观SEM图片见图7所示，可以看见大量针状磷酸盐在微裂纹和孔壁处生成， XRD表明有A1(P03)3、 AlSi2P3012、 SiP207物相的存在，这些磷酸盐的生成修复了微裂纹，改 善了耐火砖力学强度。
具体实例6
1. 将轻质粘土砖(密度0.92g/cm3，气孔率62.5%，孔径约0.05mm)浸渍到质量浓度为 65%的磷酸溶液中，浸渍时间为3小时。
2. 取出耐火砖，放在室温下干燥半小时，待流尽表面多余的磷酸后，放入马弗炉中。
3. 以15tV分钟的升温速率升至50(TC，并保温2小时，冷却到室温得到磷酸改性的耐火
砖复合砖体。
改性后，轻质堇青石耐火砖的气孔率变化并不明显，其力学性能得到显著提高，抗压强 度从起初的3.9MPa，增加到7.59MPa，强度增幅达94.6%。气孔率从改性前62.5%变为改性后52.7%，体积密度从改性前0.92g/cn^变为l.llg/cm3。此外，将该改性后的轻质耐火砖与改 性前的耐火砖一起放在115(TC空气环境中，均未出现坍塌，表明该改性过程并没有影响耐火 砖的耐火度。改性前后的微观SEM图片见图8所示，XRD表明有少量A1(P03)3、 SiP207物 相生成，这些磷酸盐的生成修复了微裂纹，改善了耐火砖力学强度。 具体实例7
1. 将轻质堇青石耐火砖(密度0.62g/cm3，气孔率63.5%，孔径0.2~0.5mm)浸渍到质量 浓度为65%的磷酸溶液中，浸渍时间为3小时。
2. 取出耐火砖，放在室温下干燥半小时，待流尽表面多余的磷酸后，放入马弗炉中。
3. 以15"C/分钟的升温速率升至60(TC，并保温1小时，冷却到室温得到磷酸改性的耐火
砖复合砖体。
改性后，轻质堇青石耐火砖的气孔率变化并不明显，其力学性能得到显著提高，抗压强 度从起初的2.88MPa，增加到7.69MPa,强度增幅达167.0%。气孔率从改性前63.5%变为改 性后52.7%，体积密度从改性前0.62g/cm3变为0.74g/cm3。此外，将该改性后的轻质耐火砖 与改性前的耐火砖一起放在1450'C空气环境中，均未出现坍塌，表明该改性过程并没有影响 耐火砖的耐火度。XRD表明有A1(P03)3、 Mg2P207、 SiP207物相生成，这些磷酸盐的生成修 复了微裂纹，改善了耐火砖力学强度。
权利要求
1. 一种改善轻质耐火砖力学性能的方法，其特征是一种使用磷酸改善轻质耐火砖力学性能的方法，具体是将轻质耐火砖浸渍在质量浓度为25～85％的磷酸溶液中，浸渍时间为2～5小时；取出耐火砖放入高温炉中进行热处理，热处理温度为450～600℃，保温1～3小时，然后随炉冷却至室温得到改性的轻质耐火砖。
2. 根据权利要求1所述的改善轻质耐火砖力学性能的方法，其特征在于热处理温 度是从室温起以10 20'C/小时的升温速率升温至450 600°C。
3. 根据权利要求1所述的改善轻质耐火砖力学性能的方法，其特征在于所述的轻 质耐火砖为轻质高铝砖、轻质刚玉砖、轻质堇青石砖、轻质莫来石砖或轻质粘土砖。
4. 根据权利要求1或3所述的改善轻质耐火砖力学性能的方法，其特征在于所述 的轻质耐火砖具有连通气孔，气孔率为40 90%,孔径为10 2000um;抗压强度为l 5MPa。
全文摘要
本发明涉及使用磷酸改善轻质耐火砖力学性能的方法，具体是将轻质耐火砖浸渍在质量浓度为25～85％的磷酸溶液中，浸渍时间为2～5小时；取出耐火砖放入高温炉中进行热处理，热处理温度为450～600℃，保温1～3小时，然后随炉冷却至室温得到改性的轻质耐火砖。本发明与现有技术相比，主要有以下显著效果在改性过程中，对轻质耐火砖的气孔率和耐火度影响不大，但其抗压强度可以提高50～300％；并且工艺简单，易于调节和控制，适用面广，可重复性好和成本低等优点。
文档编号C04B41/67GK101475402SQ20091006056
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月19日 优先权日2009年1月19日
发明者张联盟, 强 沈, 熊远禄, 王传彬, 斐 陈 申请人:武汉理工大学