专利名称：一种刚玉质微孔隔热耐火材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于隔热耐火材料技术领域。尤其涉及一种刚玉质微孔隔热耐火材料及其制备方法。
背景技术：
随着国家对节能降耗的要求日益提高，保温隔热耐火材料的研制得到了迅速的发展。传统的隔热耐火材料如轻质刚玉砖、硅藻土砖和钙长石轻质砖等通常是通过提高气孔率来降低材料的热导率，材料的气孔率越高，其机械强度下降。此外，传统的隔热耐火材料通常是定形制品，需要机压成型，能耗较高，在使用时需人工砌筑，劳动强度大，其只能用于使用温度不太高且不与高温液体或其它介质直接接触的部位，因为其容易受到工作介质的侵蚀和渗透(徐平坤，董应榜.刚玉耐火材料.北京冶金工业出版社，1999)，影响其使用寿命，甚至影响到高温窑炉或容器的生产安全，因而限制了其使用。因此，钢铁冶金等高温工业的窑炉或容器的工作衬材料目前仍以致密浇注料为主，其使用时施工方便、劳动强度低，材料的高温强度高，抗渣侵蚀和渗透能力强，但致密浇注料热震稳定性较差、热导率较高，在使用过程中热损失量较大。研究人员在致密型浇注料的基础上进行了改进，发明了如“一种铝-镁系轻质无水泥浇注料及其制备方法”(CN200710052468. 5)的专利技术，其采用了多孔陶瓷颗粒，通过添加硅微粉保证施工性能和低温强度，避免了因以铝酸钙水泥为结合剂导致使用温度不能太高、易产生结构剥落和抗渣性能差的不利因素，能运用于与钢渣等介质直接接触的部位。然而，其采用的多孔陶瓷颗粒的气孔率高，平均孔径仍然较大(〈30 ym)，节能需以削弱材料的抗渣侵蚀和渗透性能为代价。同时，铝镁体系中过多的硅微粉能使材料在高温下产生过多的液相，严重影响其高温下的使用性能，限制了铝镁系材料的使用温度。目前，我国高温工业用窑炉或容器的内衬材料通常是采用在工作层外围加隔热层的结构设计，工作层通常选用致密浇注料，隔热层则选用隔热耐火材料。这种结构设计不仅使窑炉或容器的内衬加厚，从而缩小了窑炉或容器的容积，而且对内衬材料进行砌筑或施工时，劳动强度较大。因此，制备结构隔热一体化的炉衬材料可以有效解决以上问题，如“一种刚玉质结构隔热一体化复合砖及制备方法”(CN101857450A)专利技术，介绍了一种包括致密刚玉的重质支撑层，以及以氧化铝空心球为轻质骨料的轻质隔热层，由两层采用振动加压或机压成型复合而成的复合砖，其中，重质支撑层和轻质隔热层的长度尺寸比例为r5 :2 1。虽然制得的复合砖具有较高的耐火度、较高的强度和较好的保温隔热性能，但该复合砖需要机压成型，能耗较高，且该复合砖在砌筑时，人工劳动强度大，各砖块之间存在砖缝，炉衬的体积稳定性较差。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，任务是提供一种制作工艺简单、能耗较低的刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法。用该方法制备的隔热耐火材料平均孔径小、耐火度高、高温强度大、热导率低、体积稳定性好以及抗侵蚀能力强，能直接用于热工设备的工作层，且在使用时施工方便和劳动强度低。为完成上述任务，本发明所采用的技术方案是所述刚玉质微孔隔热耐火材料的原料及其含量是4(T50wt%的刚玉颗粒，40 45wt%的刚玉细粉，5 10wt%的活性a -氧化铝微粉，5 10被％的P -氧化铝微粉；外加剂及其含量是上述原料0. ro. 5wt%的分散剂，上述原料0. 1^1. 5wt%的纳米氧化招粉体,上述原料5 10wt%的水。所述刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法是先按原料和外加剂的含量进行配料，再将原料和分散剂混合，制成混合料，另将纳米氧化铝粉体分散在水中，在超声波振荡条件下分散I飞分钟，配制成均匀的悬浮液；然后将悬浮液逐滴加入到所述混合料中，搅拌均匀，振动成型，在室温下养护24 48小时，脱模，将脱模后的胚体经11(T20(TC干燥1(T24 小时，最后在140(Tl60(rC条件下进行热处理，保温f 5小时，即得刚玉质微孔隔热耐火材料。在上述技术方案中刚玉颗粒为板状刚玉颗粒、白刚玉颗粒、棕刚玉颗粒中的一种；刚玉颗粒的Al2O3含量为95 99wt%，粒度<3mm ;刚玉细粉为板状刚玉细粉、白刚玉细粉、棕刚玉细粉中的一种或两种；刚玉细粉的Al2O3含量为95 99wt%，刚玉细粉的颗粒级配比是粒度小于0. 045mm的刚玉细粉占4(T50wt%，粒度为0. 045mnT0. 088mm的刚玉细粉占5(T60wt%;活性a -氧化铝微粉的Al2O3含量>99wt%，粒度小于0.009mm;活性P -氧化铝微粉的Al2O3含量>99wt%，粒度小于0. 003mm;分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和聚乙二醇中的一种或两种；纳米氧化铝的Al2O3含量为>99wt%，粒度小于lOOnm。由于采用上述技术方案，本发明将纳米氧化铝粉体引入到刚玉质浇注料中，制备工艺简单、能耗较低。该浇注料体系选用刚玉为主要原料，在使用过程中无低熔相产生，耐火度高。利用活性P-氧化铝微粉与水在常温下发生水化反应，生成三羟铝石和勃母石溶胶，产生早期强度，其水化产物在高温下发生脱水反应生成活性氧化铝，同时产生大量的微孔；另一方面，引入的纳米氧化铝粉体能起到细化气孔的作用，而形成大量亚微米级和纳米级的气孔，该范围尺寸的气孔能够降低材料的热导率，使得高温窑炉或容器中的热损失大大降低，同时提高了材料对高温液态或其它介质的抗侵蚀和渗透能力，微孔的产生还能在一定程度上减小材料在高温下的热应力，提高其热震稳定性。此外，利用引入的纳米氧化铝与反应生成的活性氧化铝以及加入的活性氧化铝微粉反应产生陶瓷结合，强化浇注料的基质强度，从而保证了材料在高温下的使用性能。因此，本发明制备工艺简单、能耗较低，所制备的刚玉质微孔隔热耐火材料具有平均孔径小、耐火度高、高温强度大、热导率低、体积稳定性好以及抗侵蚀能力强等优点，能直接用于热工设备的工作层，在使用时施工方便、劳动强度低，具有保温隔热和耐火的作用，保温效果较好，有利于节能降耗。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明做进一步的描述，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
所涉及的原料和外加剂同意描述如下，实施例中不再赘述板状刚玉颗粒、白刚玉颗粒和棕刚玉颗粒的Al2O3含量为95、9wt%，粒度<3mm ;板状刚玉细粉、白刚玉细粉和棕刚玉细粉的Al2O3含量为95 99wt%，活性a -氧化铝微粉的Al2O3含量>99wt%，粒度小于0.009mm;活性P -氧化铝微粉的Al2O3含量>99wt%，粒度小于0. 003mm ;纳米氧化招的Al2O3含量为>99wt%,粒度小于lOOnm。实施例I一种刚玉质微孔隔热耐火材料及其制备方法。所述刚玉质微孔隔热耐火材料的原料及其含量是4(T45wt%的刚玉颗粒，4(T45wt%的刚玉细粉，8 10wt%的活性a -氧化铝微粉，7 10wt%的P -氧化铝微粉；外加剂及其含量是上述原料0. ro. 5wt%的三聚磷酸钠，上述原料0. 1^0. 5wt%的纳米氧化招粉体,上述原料5 10wt%的水。本实施例的制备方法是先按原料和外加剂的含量进行配料，再将原料和分散剂混合，制成混合料，另将纳米氧化铝粉体分散在水中，在超声波振荡条件下分散1飞分钟，配制成均匀的悬浮液；然后将悬浮液逐滴加入到所述混合料中，搅拌均匀，振动成型， 在室温下养护24 48小时，脱模，将脱模后的胚体经11(T20(TC干燥1(T24小时，最后在140(Tl50(rC条件下进行热处理，保温f 3小时，即得刚玉质微孔隔热耐火材料。本实施例中刚玉颗粒为板状刚玉颗粒；刚玉细粉的颗粒级配比是粒度小于0. 045mm的板状刚玉细粉占45 50wt%，粒度为0. 045mnT0. 088mm的板状刚玉细粉占50 55wt%。本实施例所制备的刚玉质微孔隔热耐火材料，其性能检测结果显示气孔率为25 30% ;体积密度为2. 85 2. 90g/cm3 ;常温耐压强度为8(T90MPa ;常温抗折强度为15 20MPa ;平均孔径为 50(T900nm ；300°C 的热导率为 0. 380 0. 385 (ff/ (m *k))，600°C 的热导率为 0. 575 0. 580 (ff/ (m k))，1000°C 的热导率为 0. 725 0. 730 (ff/ (m k))。实施例2一种刚玉质微孔隔热耐火材料及其制备方法。所述刚玉质微孔隔热耐火材料的原料及其含量是45 50wt%的刚玉颗粒，4(T45wt%的刚玉细粉，5 8wt%的活性a -氧化铝微粉，5^7wt%的P -氧化铝微粉；外加剂及其含量是上述原料0. ro. 5wt%的六偏磷酸钠，上述原料0. 5 I. Owt%的纳米氧化招粉体,上述原料5 10wt%的水。本实施例的制备方法是先按原料和外加剂的含量进行配料，再将原料和分散剂混合，制成混合料，另将纳米氧化铝粉体分散在水中，在超声波振荡条件下分散1飞分钟，配制成均匀的悬浮液；然后将悬浮液逐滴加入到所述混合料中，搅拌均匀，振动成型，在室温下养护24 48小时，脱模，将脱模后的胚体经11(T20(TC干燥10 24小时，最后在150(Tl60(rC条件下进行热处理，保温3飞小时，即得刚玉质微孔隔热耐火材料。本实施例中刚玉颗粒为板状刚玉颗粒；刚玉细粉的颗粒级配比是粒度小于0. 045mm的棕刚玉细粉占40 45wt%，粒度为0. 045mnT0. 088mm的棕刚玉细粉占55 60wt%。本实施例所制备的刚玉质微孔隔热耐火材料，其性能检测结果显示气孔率为25 28% ;体积密度为2. 87 2. 90g/cm3 ;常温耐压强度为60 75MPa ;常温抗折强度为20 25MPa ;平均孔径为 40(T700nm ；300°C 的热导率为 0. 285 0. 290 (ff/ (m *k))，600°C 的热导率为 0. 440 0. 445 (ff/ (m k))，1000°C 的热导率为 0. 800 0. 805 (ff/ (m k))。实施例3一种刚玉质微孔隔热耐火材料及其制备方法。所述刚玉质微孔隔热耐火材料的原料及其含量是4(T45wt%的刚玉颗粒，4(T45wt%的刚玉细粉，8 10wt%的活性a -氧化铝微粉，5^7wt%的P -氧化铝微粉；外加剂及其含量是上述原料0. ro. 5wt%的聚乙二醇，上述原料I. (Tl. 5wt%的纳米氧化招粉体,上述原料5 10wt%的水。本实施例的制备方法是先按原料和外加剂的含量进行配料，再将原料和分散剂混合，制成混合料，另将纳米氧化铝粉体分散在水中，在超声波振荡条件下分散1飞分钟，配制成均匀的悬浮液；然后将悬浮液逐滴加入到所述混合料中，搅拌均匀，振动成型，在室温下养护24 48小时，脱模，将脱模后的胚体经11(T20(TC干燥10 24小时，最后在140(Tl50(rC条件下进行热处理，保温3飞小时，即得刚玉质微孔隔热耐火材料。本实施例中刚玉颗粒为棕刚玉颗粒；刚玉细粉的颗粒级配比是粒度小于
0.045mm的白刚玉细粉占45 50wt%，粒度为0. 045mnT0. 088mm的白刚玉细粉占50 55wt%。 本实施例所制备的刚玉质微孔隔热耐火材料，其性能检测结果显示气孔率为20 28% ;体积密度为2. 85 2. 90g/cm3 ;常温耐压强度为85 90MPa ;常温抗折强度为20 25MPa ;平均孔径为 30(T600nm ；300°C 的热导率为 0. 200^0. 205 (ff/ (m *k))，600°C 的热导率为 0. 600 0. 605 (ff/ (m k))，1000°C 的热导率为 0. 775 0. 780 (ff/ (m k))。实施例4一种刚玉质微孔隔热耐火材料及其制备方法。所述刚玉质微孔隔热耐火材料的原料及其含量是4(T45wt%的刚玉颗粒，40 45wt%的刚玉细粉，5 8wt%的活性a -氧化铝微粉，7^10wt%的P -氧化铝微粉；外加剂及其含量是上述原料0. 05、. 3wt%的三聚磷酸钠和0. 05^0. 2wt%的六偏磷酸钠，上述原料0. 5 I. Owt%的纳米氧化铝粉体，上述原料5 10wt%的水。本实施例的制备方法同实施例I。本实施例中刚玉颗粒为棕刚玉颗粒；刚玉细粉的颗粒级配比是粒度小于
0.045mm的板状刚玉细粉占40 45wt%，粒度为0. 045mnT0. 088mm的白刚玉细粉占55 60wt%。本实施例所制备的刚玉质微孔隔热耐火材料，其性能检测结果显示气孔率为20 25% ;体积密度为2. 90 2. 95g/cm3 ;常温耐压强度为9(Tl00MPa ;常温抗折强度为25 30MPa ;平均孔径为400 600_ ；300°C的热导率为0. 230 0. 235 (ff/ (m*k)), 600°C的热导率为 0. 635 0. 640 (ff/ (m k))，1000°C 的热导率为 0. 835 0. 840 (ff/ (m k))。实施例5一种刚玉质微孔隔热耐火材料及其制备方法。所述刚玉质微孔隔热耐火材料的原料及其含量是45 50wt%的刚玉颗粒，4(T45wt%的刚玉细粉，5 8wt%的活性a -氧化铝微粉，5^7wt%的P -氧化铝微粉；外加剂及其含量是上述原料0. 05、. 3wt%的三聚磷酸钠和
0.05 0. 2wt%的聚乙二醇，上述原料0. ro. 5wt%的纳米氧化铝粉体，上述原料5 10wt%的水。本实施例的制备方法是先按原料和外加剂的含量进行配料，再将原料和分散剂混合，制成混合料，另将纳米氧化铝粉体分散在水中，在超声波振荡条件下分散1飞分钟，配制成均匀的悬浮液；然后将悬浮液逐滴加入到所述混合料中，搅拌均匀，振动成型，在室温下养护24 48小时，脱模，将脱模后的胚体经11(T20(TC干燥10 24小时，最后在150(Tl60(rC条件下进行热处理，保温f 3小时，即得刚玉质微孔隔热耐火材料。本实施例中刚玉颗粒为白刚玉颗粒；刚玉细粉的颗粒级配比是粒度小于
0.045mm的板状刚玉细粉占45 50wt%，粒度为0. 045mnT0. 088mm的棕刚玉细粉占50 55wt%。
本实施例所制备的刚玉质微孔隔热耐火材料，其性能检测结果显示气孔率为25 30% ;体积密度为2. 75 2. 80g/cm3 ;常温耐压强度为5(T80MPa ;常温抗折强度为12 20MPa ;平均孔径为 600 1000nm ;300°C 的热导率为 0. 625 0. 630 (ff/ (m k))，600°C 的热导率为 0. 735 0. 740 (ff/ (m k))，1000°C 的热导率为 I. 000 1. 050 (ff/ (m k))。实施例6一种刚玉质微孔隔热耐火材料及其制备方法。所述刚玉质微孔隔热耐火材料的原料及其含量是4(T45wt%的刚玉颗粒，4(T45wt%的刚玉细粉，8 10wt%的活性a -氧化铝微粉，7^10wt%的P -氧化铝微粉；外加剂及其含量是上述原料0. 05、. 3wt%的六偏磷酸钠和0. 05 0. 2wt%的聚乙二醇，上述原料I. (Tl. 5wt%的纳米氧化铝粉体，上述原料5 10wt%的水。本实施例的制备方法同实施例2。·本实施例中刚玉颗粒为白刚玉颗粒；刚玉细粉的颗粒级配比是粒度小于
0.045mm的白刚玉细粉占40 45wt%，粒度为0. 045mnT0. 088mm的棕刚玉细粉占55 60wt%。本实施例所制备的刚玉质微孔隔热耐火材料，其性能检测结果显示气孔率为28 30% ;体积密度为2. 73 2. 82g/cm3 ;常温耐压强度为65 90MPa ;常温抗折强度为15 25MPa ;平均孔径为 50(T800nm ；300°C 的热导率为 0. 362 0. 368 (ff/ (m *k))，600°C 的热导率为 0. 523 0. 545 (ff/ (m k))，1000°C 的热导率为 0. 675 0. 690 (ff/ (m k))。本具体实施方式
将纳米氧化铝粉体引入到刚玉质浇注料中，制备工艺简单、能耗较低。该浇注料体系选用刚玉为主要原料，在使用过程中无低熔相产生，耐火度高。利用活性P -氧化铝微粉与水在常温下发生水化反应，生成三羟铝石和勃母石溶胶，产生早期强度，其水化产物在高温下发生脱水反应生成活性氧化铝，同时产生大量的微孔；另一方面，引入的纳米氧化铝粉体能起到细化气孔的作用，而形成大量亚微米级和纳米级的气孔，该范围尺寸的气孔能够降低材料的热导率，使得高温窑炉或容器中的热损失大大降低，同时提高了材料对高温液态或其它介质的抗侵蚀和渗透能力，微孔的产生还能在一定程度上减小材料在高温下的热应力，提高其热震稳定性。此外，利用引入的纳米氧化铝与反应生成的活性氧化铝以及加入的活性氧化铝微粉反应产生陶瓷结合，强化浇注料的基质强度，从而保证了材料在高温下的使用性能。本具体实施方式
所制备的刚玉质微孔隔热耐火材料，其性能检测结果显示气孔率为20 30% ;体积密度为2. 73 2. 95g/cm3 ;常温耐压强度为5(Tl00MPa ;常温抗折强度为12 30MPa ;平均孔径为 300 1000nm ;300°C 的热导率为 0. 200 0. 630 (ff/ (m k))，600°C 的热导率为 0. 440 0. 740 (ff/ (m k))，1000°C 的热导率为 0. 675 I. 050 (ff/ (m k))。因此，本具体实施方式
制备工艺简单、能耗较低，所制备的刚玉质微孔隔热耐火材料具有平均孔径小、耐火度高、高温强度大、热导率低、体积稳定性好以及抗侵蚀能力强等优点，能直接用于热工设备的工作层，在使用时施工方便、劳动强度低，具有保温隔热和耐火的作用，保温效果较好，有利于节能降耗。
权利要求
1.一种刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述刚玉质微孔隔热耐火材料的原料及其含量是4(T50wt%的刚玉颗粒，40 45wt%的刚玉细粉，5 10wt%的活性a -氧化铝微粉，5^10wt%的P -氧化铝微粉；外加剂及其含量是上述原料0. ro. 5wt%的分散齐U，上述原料0. 1^1. 5wt%的纳米氧化招粉体,上述原料5 10wt%的水； 所述刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法是先按原料和外加剂的含量进行配料，再将原料和分散剂混合，制成混合料，另将纳米氧化铝粉体分散在水中，在超声波振荡条件下分散I飞分钟，配制成均匀的悬浮液；然后将悬浮液逐滴加入到所述混合料中，搅拌均匀，振动成型，在室温下养护24 48小时，脱模，将脱模后的胚体经11(T20(TC干燥10 24小时，最后在140(Tl60(rC条件下进行热处理，保温I飞小时，即得刚玉质微孔隔热耐火材料。
2.根据权利要求I所述的刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述刚玉颗粒为板状刚玉颗粒、白刚玉颗粒、棕刚玉颗粒中的一种；刚玉颗粒的Al2O3含量为 95 99wt%,粒度 <3mm。
3.根据权利要求I所述的刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述刚玉细粉为板状刚玉细粉、白刚玉细粉、棕刚玉细粉中的一种或两种；刚玉细粉的Al2O3含量为95 99wt%，刚玉细粉的颗粒级配比是粒度小于0. 045mm的刚玉细粉占40 50被％，粒度为0. 045mm 0. 088mm的刚玉细粉占50 60wt%。
4.根据权利要求I所述的刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述活性a -氧化铝微粉的Al2O3含量>99wt%，粒度小于0. 009mm。
5.根据权利要求I所述的刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述活性P -氧化铝微粉的Al2O3含量>99wt%，粒度小于0. 003mm。
6.根据权利要求I所述的刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和聚乙二醇中的一种或两种。
7.根据权利要求I所述的刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法，其特征在于所述纳米氧化铝的Al2O3含量为>99wt%，粒度小于lOOnm。
8.根据权利要求广7项中任一项所述的刚玉质微孔隔热耐火材料的制备方法所制备的刚玉质微孔隔热耐火材料。
全文摘要
本发明涉及一种刚玉质微孔隔热耐火材料及其制备方法。其原料及含量是40~50wt%的刚玉颗粒，40~45wt%的刚玉细粉，5~10wt%的活性a–氧化铝微粉，5~10wt%的r–氧化铝微粉；外加剂及占上述原料含量为0.1~0.5wt%的分散剂，0.1~1.5wt%的纳米氧化铝粉体，5~10wt%的水。制备方法是将纳米氧化铝粉体分散在水中，在超声波振荡条件下分散1~5分钟，配成均匀的悬浮液，然后将悬浮液逐滴加入到混合料中，振动成型，在室温下养护24~48小时，脱模，最后在1400~1600℃条件下进行热处理，保温1~5小时。本发明制备工艺简单、能耗较低，其制品具有平均孔径小、耐火度高、高温强度大、热导率低以及抗侵蚀能力强的优点，能直接用于热工设备的工作层。
文档编号C04B35/101GK102731118SQ201210229618
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者朱伯铨, 李享成, 魏国平 申请人:武汉科技大学