CN119285338B - 一种炭素焙烧炉用耐火砖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种炭素焙烧炉用耐火砖及其制备方法。本发明提供的炭素焙烧炉用耐火砖包括铝矾土熟料大颗粒、莫来石大颗粒、铝矾土熟料中颗粒、添加剂粉料、氧化铝粉料、结合剂；所述添加剂粉料由红柱石粉、硅石粉和刚玉粉按照质量比为4‑8:13‑17:11‑15组成。本发明中采用红柱石、硅石和刚玉共同组成添加剂，有效提高了炭素焙烧炉用耐火砖的高温性能；配方中加入了镁橄榄石、三氧化二铁和氧化镁，有效提高炭素焙烧炉用耐火砖的致密度和结合强度。本发明提供的炭素焙烧炉用耐火砖的显气孔率低、高温蠕变率低，荷重软化温度高，高温体积稳定，热稳定性能好，使用寿命长。

Description

一种炭素焙烧炉用耐火砖及其制备方法

技术领域

本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种炭素焙烧炉用耐火砖及其制备方法。

背景技术

炭素焙烧炉的作用是将经高压成型后的各种炭块在隔绝空气的情况下，按规定的焙烧温度进行间接加热，以提高炭素制品的机械强度、导电性和耐温性能。炭素焙烧炉的窑体结构底部与坑面、火道墙在高温下长期承受上部砖体和焙烧制品的重量、上部的电极箱加热墙等部位高温作用和焙烧周期内温度变化的影响，因此，焙烧炉火道墙用的耐火砖必须采用机械强度高、高温蠕变率低、荷重软化温度高、热稳定性好的耐火材料来砌筑。

目前国内的炭素焙烧炉采用的耐火砖主要以Al₂O₃-SiO₂系耐火制品为主，在焙烧过程中，大量来自阳极炭块的碱金属K和Na被Al₂O₃-SiO₂耐火材料吸收，并与耐火材料的组分发生反应，形成新的膨胀相钾霞石（含钾）和霞石（含钠），而这两种新的膨胀相均会造成耐火材料结构的损害，从而加速焙烧炉耐火砖的失效。此外，Al₂O₃-SiO₂系耐火砖的导热率较大，在1000℃前呈膨胀状态，1000℃以后就开始出现热收缩，1200℃左右砖体就会产生蠕变，导致火道墙变形，从而降低炭素焙烧炉的使用寿命。

公开号为CN117865657A的中国专利申请文件公开了一种炭素焙烧炉火道墙耐火砖，其配方包括由叶腊石颗粒与低铝矾土熟料颗粒、焦宝石熟料颗粒或炭素炉用后废砖颗粒中的一种或两种组合而成的颗粒料和由高铝生料细粉、叶腊石细粉、刚玉收尘粉、塑性陶土细粉或/和硅微粉组合而成的粉料，此种耐火砖解决了炭素焙烧炉用耐火砖制造成本高的技术问题，且具有良好的高温性能，但是其显气孔率、高温荷重软化温度相较于现有焙烧炉耐火砖的改进较小。

公开号为CN106187239A的中国专利申请文件公开了一种低蠕变焦宝石复合耐火砖，其配方包括焦宝石超大颗粒、焦宝石大颗粒、焦宝石小颗粒、硅线石小颗粒、焦宝石微粉、结合粘土细粉和添加剂，此种耐火砖具有良好的热震性和较高的荷重软化温度，但是其热稳定性较差。

发明内容

为了解决相关技术中存在的耐火砖高温性能差的技术问题，本发明的目的在于提供一种炭素焙烧炉用耐火砖及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种炭素焙烧炉用耐火砖，包括以下组分及其重量份数：

铝矾土熟料大颗粒10-15份、莫来石大颗粒10-20份、铝矾土熟料中颗粒30-40份、添加剂粉料20-25份、氧化铝粉料10-15份、结合剂15-20份；

所述添加剂粉料由红柱石粉、硅石粉和刚玉粉按照质量比为4-8:13-17:11-15组成。

本发明中采用红柱石、硅石和刚玉共同组成添加剂，有效提高了炭素焙烧炉用耐火砖的高温性能。其中红柱石在高温下可以转化成具有毛细孔的网络莫来石和富硅玻璃相，富硅玻璃相一部分填充于网络莫来石的毛细孔中，另一部分被挤到晶体表面，能够有效填充耐火砖中的气孔，降低显气孔率，同时在莫来石化的过程中，富硅玻璃相不仅可以愈合耐火砖的裂纹，而且可以使微裂纹在液相区停止，从而提升耐火砖的高温耐压性能；但是富硅玻璃相的含量越高，耐火砖的高温蠕变率会增大，因此需要控制红柱石的用量。刚玉具有较好的高温耐压强度和体积稳定性，荷重软化温度高，抗化学腐蚀性能好，在高温下会与硅石发生莫来石化反应，形成相互交错的莫来石网络结构，交叉于基质中，有效提高了耐火砖的高温荷重软化温度和耐压强度。

发明人在研究过程中发现，当硅石的加入量较少时，基质中的Al₂O₃富余，颗粒边界的莫来石化反应较强烈，基质中的莫来石化反应相对较弱，制得的耐火砖烧结不好，高温性能较差，当硅石的加入量较多时，基质中的SiO₂过剩，而过剩的SiO₂会转化为方石英，制得的耐火砖的体积膨胀加大，气孔率升高，高温性能变差。当红柱石、硅石和刚玉的加入量在本发明的范围内时，基质中的Al₂O₃减少，颗粒边界的莫来石化反应减弱，基质中的莫来石化反应相对增强，制得的耐火砖烧结性能得到提升。

进一步的，所述炭素焙烧炉用耐火砖，包括以下组分及其重量份数：铝矾土熟料大颗粒12份、莫来石大颗粒16份、铝矾土熟料中颗粒35份、添加剂粉料24份、氧化铝粉料13份、结合剂18份；所述添加剂粉料由红柱石粉、硅石粉和刚玉粉按照质量比为7:14:13组成。

进一步的，所述铝矾土熟料大颗粒和莫来石大颗粒的粒径为3-5mm；所述铝矾土熟料中颗粒的粒径为1-3mm；所述添加剂粉料和氧化铝粉料的粒径为0.01-0.10mm。

进一步的，所述结合剂为磷酸二氢铝、磷酸铵、六偏磷酸钠和三聚磷酸钠中的一种或几种。

进一步的，所述炭素焙烧炉用耐火砖还包括以下组分及其重量份数：镁橄榄石10-15份、三氧化二铁5-10份、氧化镁5-10份。

本发明中在炭素焙烧炉用耐火砖中加入了镁橄榄石、三氧化二铁和氧化镁，镁橄榄石能够以前驱体的形式均匀分散于耐火砖中，提高耐火砖的致密度；基质中的Al₂O₃和三氧化二铁能够与氧化镁形成镁铁尖晶石和镁铝尖晶石，均匀分散在耐火砖的边界处，提高耐火砖的结合强度。

更进一步的，所述镁橄榄石的粒径为200-300nm，三氧化二铁的粒径为400-500nm，氧化镁的粒径为300-400nm。

本发明还提供了所述炭素焙烧炉用耐火砖的制备方法，包括以下步骤：

S1：将铝矾土熟料大颗粒、莫来石大颗粒、铝矾土熟料中颗粒、添加剂粉料和氧化铝粉料充分混合均匀，得到初粉；

S2：将结合剂与水混合均匀，得到结合剂水溶液；加入步骤S1制得的初粉、镁橄榄石、三氧化二铁和氧化镁，充分搅拌，得到泥坯料；

S3：将步骤S2制得的胚泥料压制成型，得到砖粗胚，干燥，升温，烧结，冷却，得到耐火砖。

进一步的，炭素焙烧炉用耐火砖的制备方法步骤S2中所述结合剂水溶液的质量百分数为17%-20%。

进一步的，炭素焙烧炉用耐火砖的制备方法步骤S3中所述干燥温度为65-70℃，升温速率为10-15℃/h，烧结温度为1450-1650℃，烧结时间为24-28h，冷却速率为30-50℃/h。

与现有技术相比，本发明提供的炭素焙烧炉用耐火砖及其制备方法具有如下技术优势：

（1）本发明中采用红柱石、硅石和刚玉共同组成添加剂，有效提高了炭素焙烧炉用耐火砖的高温性能；

（2）本发明中在炭素焙烧炉用耐火砖中加入了镁橄榄石、三氧化二铁和氧化镁，有效提高炭素焙烧炉用耐火砖的致密度和结合强度；

（3）本发明提供的炭素焙烧炉用耐火砖的显气孔率低、高温蠕变率低，荷重软化温度高，高温体积稳定，热稳定性能好，使用寿命长。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明作进一步说明，但本发明不仅仅限制于以下实施例。本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。

实施例1

一种炭素焙烧炉用耐火砖，包括以下组分及其重量份数：

粒径为3mm的铝矾土熟料大颗粒10份、粒径为3mm的莫来石大颗粒20份、粒径为1mm的铝矾土熟料中颗粒30份、粒径为0.01mm的添加剂粉料20份、粒径为0.01mm的氧化铝粉料10份、磷酸二氢铝15份、粒径为200nm的镁橄榄石10份、粒径为400nm的三氧化二铁5份、粒径为300nm的氧化镁5份；所述添加剂粉料由红柱石粉、硅石粉和刚玉粉按照质量比为4:13:11组成。

所述炭素焙烧炉用耐火砖的制备方法，包括以下步骤：

S1：将铝矾土熟料大颗粒、莫来石大颗粒、铝矾土熟料中颗粒、添加剂粉料和氧化铝粉料充分混合均匀，得到初粉；

S2：将磷酸二氢铝与水混合均匀，得到质量百分数为17%的结合剂水溶液；加入步骤S1制得的初粉、镁橄榄石、三氧化二铁和氧化镁，充分搅拌，得到泥坯料；

S3：将步骤S2制得的胚泥料压制成型，得到砖粗胚，65℃下干燥，以10℃/h的速率升温至1450℃，烧结28h，冷却，冷却速率为30℃/h，得到耐火砖。

实施例2

一种炭素焙烧炉用耐火砖，包括以下组分及其重量份数：

粒径为5mm的铝矾土熟料大颗粒15份、粒径为5mm的莫来石大颗粒10份、粒径为3mm的铝矾土熟料中颗粒40份、粒径为0.10mm的添加剂粉料25份、粒径为0.10mm的氧化铝粉料15份、六偏磷酸钠20份、粒径为300nm的镁橄榄石15份、粒径为500nm的三氧化二铁10份、粒径为400nm的氧化镁10份；所述添加剂粉料由红柱石粉、硅石粉和刚玉粉按照质量比为8:17:15组成。

所述炭素焙烧炉用耐火砖的制备方法，包括以下步骤：

S1：将铝矾土熟料大颗粒、莫来石大颗粒、铝矾土熟料中颗粒、添加剂粉料和氧化铝粉料充分混合均匀，得到初粉；

S2：将六偏磷酸钠与水混合均匀，得到质量百分数为20%的结合剂水溶液；加入步骤S1制得的初粉、镁橄榄石、三氧化二铁和氧化镁，充分搅拌，得到泥坯料；

S3：将步骤S2制得的胚泥料压制成型，得到砖粗胚，70℃下干燥，以15℃/h的速率升温至1650℃，烧结24h，冷却，冷却速率为50℃/h，得到耐火砖。

实施例3

一种炭素焙烧炉用耐火砖，包括以下组分及其重量份数：

粒径为4mm的铝矾土熟料大颗粒12份、粒径为4mm的莫来石大颗粒16份、粒径为2mm的铝矾土熟料中颗粒35份、粒径为0.08mm的添加剂粉料24份、粒径为0.06mm的氧化铝粉料13份、三聚磷酸钠18份、粒径为275nm的镁橄榄石13份、粒径为445nm的三氧化二铁8份、粒径为350nm的氧化镁8份；所述添加剂粉料由红柱石粉、硅石粉和刚玉粉按照质量比为7:14:13组成。

所述炭素焙烧炉用耐火砖的制备方法，包括以下步骤：

S1：将铝矾土熟料大颗粒、莫来石大颗粒、铝矾土熟料中颗粒、添加剂粉料和氧化铝粉料充分混合均匀，得到初粉；

S2：将三聚磷酸钠与水混合均匀，得到质量百分数为18%的结合剂水溶液；加入步骤S1制得的初粉、镁橄榄石、三氧化二铁和氧化镁，充分搅拌，得到泥坯料；

S3：将步骤S2制得的胚泥料压制成型，得到砖粗胚，68℃下干燥，以13℃/h的速率升温至1520℃，烧结26h，冷却，冷却速率为42℃/h，得到耐火砖。

对比例1

本对比例中所述炭素焙烧炉用耐火砖的配方及制备方法与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中所述添加剂粉料由红柱石粉、硅石粉和刚玉粉按照质量比为17:2:5组成。

对比例2

本对比例中所述炭素焙烧炉用耐火砖的配方及制备方法与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中所述添加剂粉料由红柱石粉、硅石粉和刚玉粉按照质量比为3:18:13组成。

对比例3

本对比例中所述炭素焙烧炉用耐火砖及制备方法与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中采用等量的硅石粉代替红柱石粉。

对比例4

本对比例中所述炭素焙烧炉用耐火砖及制备方法与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中采用等量的红柱石粉代替刚玉粉。

对比例5

本对比例中所述炭素焙烧炉用耐火砖及制备方法与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中采用等量刚玉粉代替镁橄榄石粉。

对比例6

本对比例中所述炭素焙烧炉用耐火砖及制备方法与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例中采用等量的镁橄榄石粉代替三氧化二铁。

对比例7

本对比例中所述炭素焙烧炉用耐火砖及制备方法与实施例3类似，本对比例与实施例3的区别为：本对比例采用等量的镁橄榄石粉代替氧化镁。

试验例

试验样品：实施例1-实施例3、对比例1-对比例7制得的耐火砖；

试验方法：根据GB/T 2997-2015检测试验样品的体积密度和显气孔率；根据YB/T370-2016检测试验样品的荷重软化温度；根据GB/T 5073-2022检测试验样品的高温蠕变率（1280℃、25h）；根据GB/T 5072-2008检测试验样品的常温耐压强度；根据GB/T 7320-2018检测试验样品的热膨胀率；（耐火砖制品的合格指标为：高温蠕变率1280°C×25h≤0.45％，高温荷重软化温度≥1450°C，显气孔率≤19MPa，常温耐压强度≥50MPa）。

试验结果：试验结果见表1。

表1 性能测试结果

由表1可知，本发明提供的炭素焙烧炉用耐火砖的体积密度为2.55-2.83g/cm³，显气孔率为11%-14%，热膨胀率为0.52%-0.70%，荷重软化温度为1680-1735℃，高温蠕变率为0.01%-0.04%，常温耐压强度＞62MPa，这充分说明本发明提供的炭素焙烧炉用耐火砖具有良好的高温性能。其中实施例3制得的耐火砖的各方面性能最优，为本发明最佳实施例。

与实施例3相比，对比例1和对比例2改变了添加剂各组分的用量比，对比例1中硅石的用量减少，但是制得的耐火砖的热膨胀率和高温蠕变率增加，荷重软化温度降低，对比例2中硅石的用量增加，但是制得的耐火砖的体积密度、荷重软化温度、常温耐压强度降低，显气孔率、热膨胀率和高温蠕变率增加，这说明硅石的添加量会影响耐火砖的高温性能，红柱石用量增加会导致高温耐火砖中的富硅玻璃相含量增加，导致高温蠕变率增加；对比例3采用等量的硅石粉代替红柱石粉，但是制得的耐火砖的体积密度和常温耐压强度降低，显气孔率和高温蠕变率增加，这说明红柱石可以降低耐火砖的显气孔率，提高体积密度和耐压强度；对比例4采用等量的红柱石粉代替刚玉粉，但是制得的耐火砖的荷重软化温度降低，高温蠕变率增加，常压耐压强度降低，这说明刚玉粉能够提高耐火砖的常压耐压强度和体积稳定性，而红柱石粉用量的增加会导致耐火砖的荷重软化温度降低，高温蠕变率增加；对比例5采用等量刚玉粉代替镁橄榄石粉，但是制得的耐火砖的体积密度降低，这说明镁橄榄石能够提高耐火砖的致密度；对比例6采用等量的镁橄榄石粉代替三氧化二铁，对比例7采用等量的镁橄榄石粉代替氧化镁，但是制得的耐火砖的常压耐压强度降低，这说明三氧化二铁和氧化镁的加入能够提高耐火砖的耐压强度。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，而并非是对本发明的限制。本领域任何熟悉此技术的人士皆不可在违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此，本领域技术人员在本发明的技术思想下所作出的任何修改、等同替换和改进，仍由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种炭素焙烧炉用耐火砖，其特征在于，包括以下组分及其重量份数：

铝矾土熟料大颗粒10-15份、莫来石大颗粒10-20份、铝矾土熟料中颗粒30-40份、添加剂粉料20-25份、氧化铝粉料10-15份、结合剂15-20份、镁橄榄石10-15份、三氧化二铁5-10份、氧化镁5-10份；所述添加剂粉料由红柱石粉、硅石粉和刚玉粉按照质量比为4-8:13-17:11-15组成。

2.根据权利要求1所述的炭素焙烧炉用耐火砖，其特征在于，包括以下组分及其重量份数：铝矾土熟料大颗粒12份、莫来石大颗粒16份、铝矾土熟料中颗粒35份、添加剂粉料24份、氧化铝粉料13份、结合剂18份、镁橄榄石13份、三氧化二铁8份、氧化镁8份；所述添加剂粉料由红柱石粉、硅石粉和刚玉粉按照质量比为7:14:13组成。

3.根据权利要求1或2所述的炭素焙烧炉用耐火砖，其特征在于，所述铝矾土熟料大颗粒和莫来石大颗粒的粒径为3-5mm；所述铝矾土熟料中颗粒的粒径为1-3mm；所述添加剂粉料和氧化铝粉料的粒径为0.01-0.10mm。

4.根据权利要求1或2所述的炭素焙烧炉用耐火砖，其特征在于，所述结合剂为磷酸二氢铝、磷酸铵、六偏磷酸钠和三聚磷酸钠中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的炭素焙烧炉用耐火砖，其特征在于，所述镁橄榄石的粒径为200-300nm，三氧化二铁的粒径为400-500nm，氧化镁的粒径为300-400nm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的炭素焙烧炉用耐火砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将铝矾土熟料大颗粒、莫来石大颗粒、铝矾土熟料中颗粒、添加剂粉料和氧化铝粉料充分混合均匀，得到初粉；

S2：将结合剂与水混合均匀，得到结合剂水溶液；加入步骤S1制得的初粉、镁橄榄石、三氧化二铁和氧化镁，充分搅拌，得到泥坯料；

S3：将步骤S2制得的胚泥料压制成型，得到砖粗胚，干燥，升温，烧结，冷却，得到耐火砖。

7.根据权利要求6所述的炭素焙烧炉用耐火砖的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述结合剂水溶液的质量百分数为17%-20%。

8.根据权利要求6所述的炭素焙烧炉用耐火砖的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述干燥的温度为65-70℃，升温的速率为10-15℃/h，烧结的温度为1450-1650℃，烧结的时间为24-28h，冷却的速率为30-50℃/h。