一種燕尾榫式鑲嵌結構的複合磚及其製備方法與流程
2024-03-28 14:57:05
本發明為一種燕尾榫式鑲嵌結構的複合磚及其製備方法，是把耐侵蝕、耐磨和耐高溫材料和隔熱耐火保溫材料複合起來，起到即耐用又保溫的雙重作用，屬於熱工窯爐領域。
背景技術：
專利201520034200.9是涉及迴轉窯內襯結構，也是複合內襯。外層為保溫層，工作層為緻密層。兩者之間用金屬錨固件卯住，並金屬錨固件焊接在窯筒體上。因為用在迴轉窯上，工作層採用的含有碳化矽的鋁矽系耐火材料，隔熱層是沒有碳化矽的輕質鋁矽系耐火材料。該結構能保溫，但是在使用溫度高時，特別是迴轉窯的高溫帶，金屬錨固件就難以抵抗高溫而失效。這導致保溫層和工作層脫節，出現滑動，剝離，脫落等現象。另一方面，即使用少量的金屬錨固件，也會大大提高導熱性能，導致保溫效果顯著降低。
專利201010130626.6也是迴轉窯的複合結構。窯體內襯由內襯磚和澆注料構成，內襯磚為耐磨層和保溫層構成的複合磚。保溫層靠近窯體，內襯磚中埋伏的錨固件與窯體連接固定。內襯磚和澆注料間隔分布。澆注料中埋伏的錨固件與窯體連接固定。內襯磚的側面設有凹坑，內襯磚和澆注料與窯體間襯有輕質高鋁纖維氈。使用壽命達到了2年。這樣的結構仍然存在下列弊病：就是金屬錨固件的使用溫度受到限制。在迴轉窯的預熱帶和冷卻帶等低溫下可以使用，但是在高溫帶金屬件就會失效。導致使用壽命很短，甚至窯體滑動，脫落等事故的發生。也必須指出的是金屬的導熱係數高，導致窯襯的保溫性能並不是很好。如對於一種長200mm複合磚，其中保溫層（導熱係數為0.9w/mk）長70mm，工作層（導熱係數為3.2w/mk）長130mm，金屬錨固件佔整個磚部分的1%。這樣該複合結構的導熱係數為2.09w/mk。而如果不採用金屬錨固件，這樣複合結構的導熱係數為1.69w/mk。這樣會導致鋼殼溫度由3760C下降到3420C，熱量散失減少12%。因此金屬錨固件的複合襯或磚結構不是好的一種結構。這導致不適合於高溫環境和導致鋼殼溫度高出近340C，對於節能產生不利的影響。
專利200920270841.9介紹了一種節能磚及其構成的迴轉窯內襯結構。節能磚由耐火耐磨層和絕熱層兩部分複合燒結而成，上面層為絕熱層，下面層為耐磨層。絕熱層主體部分的上面有凸臺，形成「凸」字形結構。迴轉窯內襯結構由若干塊節能磚和保溫磚構成，每塊節能磚上部突臺部分的外邊與窯皮接觸，形成空腔。在該空腔內填充保溫材料，形成保溫層。該專利設計是新穎的有創意，也可以實施，但難以取得好的效果。主要因為有下列問題：1）保溫層和燒結層直接複合，在燒成過程中，就會因為兩種材料的不同而膨脹的差異而導致開裂分離開來，2）輕質保溫層必須有高強度支撐，一旦強度跟不上去，再加上與窯皮接觸面積小，將會導致在迴轉窯運轉過程中，被磨損，這不但導致保溫被破壞，同時窯襯也被破壞而停窯。
專利200920228196.4申請了「複合式保溫磚」這種磚型實質上就是一種槽型磚，槽內放置保溫材料保護起來。這已經是很平常現象了，不足以形成專利了。
專利201620043021.6是一種碳素煅燒迴轉窯內襯用預製磚。它的金屬錨固件不能滿足高溫下使用，同時也提高了導熱係數。再就是保溫層與高溫層之間的結合容易在使用過程中經過高溫而因膨脹係數不同導致很大熱應力而開裂。
專利201010192161.7介紹了「一種鎂鋁尖晶石結構隔熱一體化複合磚及製備方法」。該磚工作層為鎂鋁尖晶石磚，隔熱層為輕質氧化鋁或鋁鎂空心球磚。這種磚看上去可行，實際上難以產生好的效果。主要是因為這兩種材料是兩種不同性質的材料。一種是鎂鋁尖晶石材料的工作層，它的熱膨脹係數高大約11~14×10-6/0C，而保溫層是氧化鋁（鎂）空心球材料作為保溫層，它的熱膨脹係數為7~8.5×10-6/0C。這界面之間的膨脹差異是非常大的。如對於直徑為3500 mm的迴轉窯，這個界面處直逕取3300 mm，因高溫（取12000C）而產生的變形量為3.14×3300（12.5-7.75）×10-6×1200=59 mm。在升溫過程中，變形量只有59/(3.14×3300)=0.0057。這對於升溫是外漲擠壓，應該是沒有問題的。但是對於停窯冷卻時，工作層冷到常溫收縮量為3.14×3300×12.5×10-6×1200=156 mm。一般耐火材料是脆性材料，允許變形量是很小的。這麼大的尺寸變化，足以使界面裂開，導致運轉過程中滑動和窯襯破壞。
專利「一種低導熱多層複合莫來石磚及其製備方法」201310172268.9 把低導熱係數的莫來石磚和矽莫磚進行複合，並且在磚背面留有凹槽，鑲嵌絕熱層。這樣顯著降低了導熱係數，提高了保溫性能。因為採用的保溫層和矽莫磚的熱膨脹係數相當（4~5.5×10-6/0C），不會產生很大的應力，其二是保溫層也是比較高密度的，它具有較高的強度，因此具有承受較高應力的能力。因此這種複合是可行的。因為採用導熱係數較高的纖維氈作為絕熱層和保溫層，使得保溫效果不理想，有很大的降溫空間。
專利 201220185773.8介紹了爐窯內襯用複合預製磚。它的缺點其一是金屬錨固件嚴重影響了導熱係數，和限制了高溫使用條件。其二是輻射隔熱節能塗層。該塗層加快了傳熱，而不是節能。應該是反射隔熱節能塗層。這才是降低散熱，起到節能作用。
專利201220221049.6介紹了加強型複合耐火磚。也是工作層用耐磨緻密材料，而後端用隔熱保溫材料。它們之間用金屬加強筋。這可以實現，但達不到效果。在常溫下可以起到加強作用，但是在高溫下，金屬強度很低，甚至沒有強度，其二是它與本體熱膨脹係數差異很大，會產生很大熱應力而導致裂開，其三是金屬的導熱係數很高，對降低導熱係數是沒有好處的。
專利「遠紅外耐火材料磚」介紹了一種由重質材料層一側為T型部分與凹槽結構的輕質耐火材料層相結合，在重質層外表面貼層遠紅外層。這種結構能夠實施，也能產生好的效果。值得吸取。
專利201020260343.9介紹了一種活性石灰迴轉窯用複合磚結構。介紹是主要解決了有複合磚存在的隔熱層與工作層之間結合不好和磚體與磚體之間連接不牢固的缺點。在工作層和隔熱層之間的結合面為齒輪狀或小圓弧形狀咬合連接。這比直線複合是好了很多，但是當窯爐冷卻下來時，內工作層很大，導致掉磚而抽籤。特別是保溫層和工作層材質差別很大時，之間的界面應力很大，導致沿著界面裂開時，更容易抽籤。
技術實現要素：
現有專利中面臨的問題是：1）採用金屬錨固件。實際上金屬錨固件高溫不是增強而是弱化和提高導熱性；2）輕質保溫材料和重質耐磨耐高溫和耐蝕性材料之間的複合不牢固，特別是在熱工窯爐啟動和停爐造成溫度大的波動時，易出現裂縫、抽籤和塌窯現象的發生；3）採用保溫材料層，為了提高強度而採用的半輕質材料，保溫性能不好；4）採用的所謂的絕熱層多是採用的纖維氈或板，其隔熱性能遠比納米板差。
為了解決這些問題，本發明提供了一種燕尾榫式鑲嵌結構的複合磚及其製備方法，將重質材料和輕質保溫材料分別放置模具的兩端，中間用燕尾榫式擋板隔開，然後進行成型和固化而製得複合磚。
前述複合磚，所述重質材料和輕質保溫材料之間採用燕尾槽式咬合鑲嵌結構，其中重質耐火材料A的凸出部分是外大內小，輕質保溫材料B的凸出部分也是外大內小。
前述複合磚，所述的燕尾槽式鑲嵌結構中，在輕質保溫材料B背面留有凹槽，在凹槽內放置納米保溫板。
前述複合磚，所述的成型方式為整體機壓成型、整體澆注成型或先將保溫磚與重質磚製成再複合成型。
前述複合磚，所述的固化是指成型後要經過養護和加熱以提高強度的過程。
前述複合磚，所述固化的溫度為小於600℃，保溫時間應大於3h（優選的是：固化溫度為110~250℃，保溫時間為20h）。
前述複合磚，所述重質耐火材料指的是密度大於2.50 g/cm3的鎂鋁質耐火磚或澆注料、氧化鋁碳化矽質耐火磚或澆注料、高鋁質耐火磚或澆注料、鎂鋁鐵尖晶石質耐火磚或澆注料。
前述複合磚，所述輕質保溫材料指的是密度小於2.0 g/cm3的鋁矽質保溫磚、板或澆注料、鎂鋁質保溫磚、板或澆注料。
本發明用於生產一種燕尾榫式鑲嵌結構的複合磚，在兩種材料，一種是輕質保溫材料，另一種是重質耐火材料複合在一起。輕質保溫材料靠近外邊的鋼殼，起到隔熱保溫的作用，另一種重質材料作為工作層，具有耐侵蝕、耐磨損和耐高溫的作用。這兩種配料經過燕尾榫的形式牢固地複合在一起。即使經過停窯、烘窯等高溫波動也不會裂開分離，仍然能夠成為一個整體。複合方法是將混合好的兩種料放置模具的兩頭，中間採用燕尾榫式的擋板隔開。放好料抹平後，取出擋板。然後進行成型。成型方法有三種：一是壓力機成型，二是振動澆注成型，三是先各自製成磚（保溫磚和重質磚），然後再插入和粘合進行複合成型。澆注成型同樣是把輕質澆注料和重質澆注料兩種澆注料分別放置在模具的兩頭，中間採用燕尾榫形式的擋板隔開。振動澆注成型，並取出擋板，繼續振動成型並緻密化。這樣成型的複合磚呈現卯榫形式的牢固連接，不會因為溫度的波動而開裂和脫離。也不會因停窯而出現襯磚抽籤現象。
本發明與目前已有的產品相比，採用了下述結構和方法，並產生了顯著的優勢：
1）在輕質料和重質料之間採用燕尾榫式咬合鑲嵌結構，這樣即使兩種材料因性能差別很大導致結合不牢時，也不會出現工作層和保溫層脫離（抽籤）現象的發生，同時不用金屬錨固件，也顯著降低了導熱係數，提高了窯爐保溫性能；
2）輕質保溫層採用納微米高溫材料，它具有高強、耐高溫和具有非常低的導熱係數特點；
3）在輕質保溫材料背面，仍然留有一定的凹槽，在凹槽內放置納米絕熱板，而不是纖維氈或板，這樣更進一步提高了保溫性能。
附圖說明
圖1是燕尾榫式的鑲嵌結構；
圖2是實施例1中燕尾榫式的鑲嵌結構；
圖3是實施例2中燕尾榫式的鑲嵌結構；
圖中A為工作層，B為保溫層，C為納米保溫板隔熱層，a為燕尾榫小頭尺寸，b為燕尾榫大頭尺寸。
具體實施方式
下面結合實施例和實驗例詳細說明本發明的技術方案，但保護範圍不限於此。
本發明所用原料皆可從陽穀信民耐火材料有限公司和山東柯信新材料有限公司購買。
實施例1見附圖2.工作層A採用鎂鋁尖晶石澆注料，它的性能如表1。輕質保溫層B採用納微米鋁矽質澆注料，其性能見表1。它們之間的複合採用燕尾榫方式複合。燕尾槽大頭尺寸為b，小頭尺寸為a。要求兩者必須滿足下列條件：
a≤0.97b
這樣能保證停窯後，尺寸收縮後大頭仍然會大於小頭尺寸，因此不會產生抽籤和塌窯現象的發生。
表1
該複合磚應用於窯膛溫度為1500℃的生產石灰迴轉窯，當磚的保溫層長為80mm，工作層長為170mm時，凹槽尺寸為10mm，內放置10mm高溫納米板，如附圖2中標註C位置。這樣迴轉窯殼溫度為203℃，而沒有保溫的迴轉窯運轉時溫度達到了370℃，溫降達到了167℃之多，對於直徑為4200mm，長為60000mm的迴轉窯，可每年可以減少散熱達到5400噸標準煤。
實施例2
見附圖3.工作層採用高鋁不燒磚，它的性能如表2。輕質保溫層B採用納微米鋁矽質澆注料，其性能見表2。它們之間的複合採用燕尾槽方式複合。燕尾榫大頭尺寸為b，小頭尺寸為a。要求兩者必須滿足下列條件：
a≤0.97b
這樣能保證停窯後，尺寸收縮後大頭仍然會大於小頭尺寸，因此不會產生抽籤和塌窯現象的發生。
表2
該複合磚應用於窯膛溫度為1600℃的迴轉窯襯，當磚的保溫層長為80mm，工作層長為180mm時，凹槽尺寸為10mm，內放置10mm高溫納米板，如附圖3中標註C位置。這樣迴轉窯殼溫度為197℃，而沒有保溫的迴轉窯運轉時初期溫度達到了340℃，而迴轉窯後期窯殼溫度達到接近500℃，不得不向窯殼噴水才能使迴轉窯運轉。對於直徑為3500mm，長為60000mm的生產高鋁礬土熟料的迴轉窯，每年可以減少散熱達到5800噸標準煤。
應當指出的是，具體實施方式只是本發明比較有代表性的例子，顯然本發明的技術方案不限於上述實施例，還可以有很多變形。本領域的普通技術人員，以本發明所明確公開的或根據文件的書面描述毫無異議的得到的，均應認為是本專利所要保護的範圍。