本发明涉及蓄热材料技术领域，具体涉及一种致密化蓄热铁砖及其制备方法。
背景技术：
近年来，能源以及与之相关的环境成为了世界各国最为关注的热点。对我国而言，工业部门能源消耗量占全国能源总量的70％左右，其中工业窑炉是我国耗能大户，而能源利用率低是造成工业炉耗大的主要原因。蓄热式换热技术是21世界节能和环保最具有发展潜力的技术之一，通过蓄热技术可以在用电谷底时用蓄热材料进行蓄能，在用电高峰时放热供暖，减轻电网的运行压力。
特别是国家发改委发布了《关于做好2016年度煤炭消费减量替代有关工作的通知》，明确提出要促进煤炭高效清洁利用，强化燃煤锅炉整治、农村散煤治理；推进“煤改电”，大力发展可再生能源，大幅削减散煤使用的要求等。而现有能够用于电蓄热行业的砖，并没有专用的产品，只能借用玻璃窑炉使用的镁砖、镁碳砖、镁铬砖，其成本高，体积大，密度小，蓄热量小，使电蓄热窑炉的热利用率低下，因此，影响此产业快速推进。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种致密化蓄热铁砖及其制备方法，蓄热量高，能够提高电蓄热窑炉的热利用率。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种致密化蓄热铁砖，蓄热铁砖由原料为贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠、二氧化硅微粉和水压制后烧结而成，各原料的重量百分比是：贫铁矿粉40～70％、二氧化三铁2～5％、高岭土10～30％、氧化镁7～20％、碳化硼2～5％、氮化硼3～5％、硅酸钠5％和二氧化硅微粉3～5％，水的加入量为贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠和二氧化硅微粉的总重的2.5～4％，制备的蓄热铁砖中的三氧化二铁和四氧化三铁的总量不小于40％。
其中，高岭土由200目的细粉和2～0.074mm粒度等级的颗粒组成，其中，2～0.074mm粒度等级的颗粒又分为2～1mm和1～0.074mm两种粒度等级，200目、2～1mm和1～0.074mm三种等级的重量比为2～5：4～10：2～15。
一种致密化蓄热铁砖的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按照如上所述的重量百分比称取各原料，将称取的贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠和二氧化硅微粉混合均匀后，加入水再次混均，制得混合料，备用；
步骤二、将步骤一制得的混合料置于压力机下压制成型后，制得砖坯，备用；
步骤三、将砖坯晾干至其含水率低于6％，然后将砖坯置于隧道窑中烧制后，在8h内自然冷却，制得蓄热铁砖。
其中，步骤二中压制成型方法为：在800吨压力机下压制2～8min。
其中，步骤三中在隧道窑中烧制工艺为：以10～15℃的升温速度升温至350℃，并在该温度下保温24h，然后以10～15℃的升温速度升温至850～900℃，并在此升温温度下保持24h，然后以10～15℃的升温速度升温至1250℃，并在此升温温度下保持6～8h。
本发明通过调整蓄热砖的原料配方，并对其各组成成分的粒度及配比进行优化，能够使蓄热砖组分中的颗粒料和细粉料之间结合形成致密均匀的组织结构，增强蓄热砖的常温和高温强度。
有益效果：(1)、本发明中，原料中的高岭土能够在烧结过程中生成莫来石和游离的氧化硅，而游离的氧化硅能与部分的二氧化硅微粉发生反应，再次生成莫来石，均布于砖体中，起到增韧作用，提高砖体的密度。同时，反应生成莫来石，伴随着体积膨胀，可抵消压蠕变时的压缩，砖体中生成的莫来石交错网络结构，也有利于提高高温抗蠕变性。
(2)、高岭土由细粉和颗粒组成，细粉较易反应，而颗粒转化速度慢，二者的颗粒级配能够保持未完全莫来石化，形成莫来石潜能，即莫来石化是一个持续的过程，该持续的莫来石化过程能够补偿砖体因受应力作用产生的体积收缩，提高其高温性能。转化成莫来石能够与其它原料形成交织结构，结合牢固，当原料制品由于热应力和其它机械应力而发生断裂时，能够起到桥接增韧的作用，提高原料制品的抗热震性。本发明的原料中添加碳化硼、氮化硼，与砖体中生成的莫来石质协同，砖体低导热，在加大喷煤量的同时，能够最大限度的使用高风温，避免热能流失，该砖体能够提高热风装置的蓄热能力，延长其使用寿命。
(3)、由于贫铁矿粉密度在5～6g/cm3之间，随着添加的其它成份密度可以在3.5～6g/cm3之间，其中，蓄热用砖含三氧化二铁、四氧化三铁的量不小于40％，本发明制得的蓄热砖的密度高达5.5g/cm3，而现有技术应用的其它蓄热砖密度在2.0～2.9g/cm3之间。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征以及达成的目的便于理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。
一种致密化蓄热铁砖，蓄热铁砖由原料为贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠、二氧化硅微粉和水压制后烧结而成，各原料的重量百分比是：贫铁矿粉40～70％、二氧化三铁2～5％、高岭土10～30％、氧化镁10～20％、碳化硼2～5％、氮化硼3～5％、硅酸钠5％和二氧化硅微粉3～5％，水的加入量为贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠和二氧化硅微粉的总重的2.5～4％，制备的蓄热铁砖中的三氧化二铁和四氧化三铁的总量不小于40％。
优选的，高岭土由200目的细粉和2～0.074mm粒度等级的颗粒组成，其中，2～0.074mm粒度等级的颗粒又分为2～1mm和1～0.074mm两种粒度等级，200目、2～1mm和1～0.074mm三种等级的重量比为2～5：4～10：2～15。优选的，碳化硼和氮化硼的其粒度≤20nm；al2o3微粉的粒度为1～10微米。
实施例1
一种致密化蓄热铁砖的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照重量百分比称取各原料，其中：贫铁矿粉70％、二氧化三铁2％、200目高岭土细粉2％、2～1mm高岭土颗粒4％、1～0.074mm高岭土颗粒2％、氧化镁7％、碳化硼2％、氮化硼3％、硅酸钠5％和二氧化硅微粉3％，水的加入量为贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠和二氧化硅微粉的总重的4％，然后将称取的贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠和二氧化硅微粉混合均匀后，加入水再次混均，制得混合料，备用；
步骤二、将步骤一制得的混合料置于800吨压力机下压制2～8min成型后，制得砖坯，备用；
步骤三、将砖坯晾干至其含水率低于6％，然后将砖坯置于隧道窑中烧制后，在8h内自然冷却，制得蓄热铁砖；在隧道窑中烧制工艺为：以15℃的升温速度升温至350℃，并在该温度下保温24h，然后以15℃的升温速度升温至900℃，并在此升温温度下保持24h，然后以15℃的升温速度升温至1250℃，并在此升温温度下保持8h。制备的蓄热铁砖中的三氧化二铁和四氧化三铁的总量不小于40％。
实施例2
一种致密化蓄热铁砖的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照重量百分比称取各原料，其中：贫铁矿粉40％、二氧化三铁3％、200目高岭土细粉2％、2～1mm高岭土颗粒10％、1～0.074mm高岭土颗粒5％、氧化镁20％、碳化硼5％、氮化硼5％、硅酸钠5％和二氧化硅微粉5％，水的加入量为贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠和二氧化硅微粉的总重的4％，然后将称取的贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠和二氧化硅微粉混合均匀后，加入水再次混均，制得混合料，备用；
步骤二、将步骤一制得的混合料置于800吨压力机下压制2～8min成型后，制得砖坯，备用；
步骤三、将砖坯晾干至其含水率低于6％，然后将砖坯置于隧道窑中烧制后，在8h内自然冷却，制得蓄热铁砖；在隧道窑中烧制工艺为：以10℃的升温速度升温至350℃，并在该温度下保温24h，然后以10℃的升温速度升温至850℃，并在此升温温度下保持24h，然后以10℃的升温速度升温至1250℃，并在此升温温度下保持6h。制备的蓄热铁砖中的三氧化二铁和四氧化三铁的总量不小于40％。
实施例3
一种致密化蓄热铁砖的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按照重量百分比称取各原料，其中：贫铁矿粉50％、二氧化三铁5％、200目高岭土细粉5％、2～1mm高岭土颗粒7％、1～0.074mm高岭土颗粒2％、氧化镁15％、碳化硼3％、氮化硼4％、硅酸钠5％和二氧化硅微粉4％，水的加入量为贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠和二氧化硅微粉的总重的3.5％，然后将称取的贫铁矿粉、三氧化二铁、高岭土、氧化镁、碳化硼、氮化硼、硅酸钠和二氧化硅微粉混合均匀后，加入水再次混均，制得混合料，备用；
步骤二、将步骤一制得的混合料置于800吨压力机下压制2～8min成型后，制得砖坯，备用；
步骤三、将砖坯晾干至其含水率低于6％，然后将砖坯置于隧道窑中烧制后，在8h内自然冷却，制得蓄热铁砖；在隧道窑中烧制工艺为：以13℃的升温速度升温至350℃，并在该温度下保温24h，然后以13℃的升温速度升温至890℃，并在此升温温度下保持24h，然后以13℃的升温速度升温至1250℃，并在此升温温度下保持7.5h。制备的蓄热铁砖中的三氧化二铁和四氧化三铁的总量不小于40％。
按照国家致密耐火材料制品标准进行显气孔率、体积密度、常温耐压强度、高温抗折强度(1400℃×0.5h)、烧后线变化率(1550℃×3h)等项目检测。抗热震性是以160×40×40mm的样条放入1100℃的热震炉内，保温20min，取出后风冷15min，反复重复这一过程3次，测试热震后的残余强度，以残余强度保持率作为抗热震性好坏的量度。抗氧化性的测试是将制品置于电炉内，在空气气氛中加热至1550℃，保温3h，冷却至室温后沿纵向切成两半，测量其脱碳层厚度。其测试结果见表1所示：
表1实施例1～3制品性能测试结果
由表1可知，实施例1～3制得的蓄热砖的热震残余强度保持率、抗氧化性、常温耐压强度和高温抗折强度都较高，这是由于碳化硼具有熔点高、热稳定性好的特点，在砖体中起到定型作用，使砖体具有较好的耐压强度。同时，砖体中的组分在高温下可发生原位反应生成si3n4、si2n2o、sialon等非氧化物增强相，能够提高蓄热砖的热态强度、热震稳定性和蓄热性。非氧化物增强相的协同效果，使砖体内部形成均匀分布的连通气孔，保证空气在其中顺畅流通，提高砖体的换热效率。