一種火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚及其製備方法與流程

2024-02-12 04:23:15

本發明涉及一種炭素焙燒爐用高性能鹼性耐火材料，具體涉及一種火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚及其製備方法。

背景技術：

鋁工業是國民經濟的重要支柱產業，電解鋁工業的發展離不開炭陽極技術發展。近年來，焙燒陽極炭塊的能耗不斷加大，給鋁電解行業的發展帶來了很大的制約，炭素工業窯爐的能耗水平和節能技術則是降低電解鋁工業的能耗水平的重要組成部分。炭素工業爐的最高溫度一般都在1200～1400℃，並且它們所處理的物料和產品具有易氧化、高揮發分、產品指標和工藝曲線要求嚴格等特點。

目前，我國鋁用炭素陽極焙燒爐，均採用敞開式環形焙燒，生產實踐表明，焙燒爐的熱利用率和熱損失各佔一半。每噸炭素陽極爐成品的燃料消耗一般在2.4GJ/t（約折合一般重油60kg/t～80kg/t）。目前發達國家的焙燒爐在陽極原料要求十分苛刻和瀝青被完全燃燒（新技術）的條件下，燃料消耗可以降到1.8GJ/t～1.9GJ/t的重油。因此，降低鋁用炭素陽極焙燒爐的燃料消耗和選擇相適應的耐火材料是一項重要研究課題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：提供一種炭素焙燒爐用高導熱富鎂尖晶石複合磚，用於炭素焙燒爐的爐牆砌築；即本發明提供一種火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚及其製備方法。本發明製備的產品高導熱富鎂尖晶石複合磚能夠有效降低爐牆的能源損耗，延長使用壽命，節約能耗，從而提高經濟效益。

為了解決上述問題，本發明採取的技術方案是：

本發明提供一種火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，以重量百分含量表示，所述高導熱富鎂尖晶石複合磚主要由原料粒度≤4mm的燒結鎂砂20～50%，粒度≤4mm的高鐵鎂砂25～60%，粒度≤0.088mm的鐵鋁尖晶石1～10%，粒度4～1mm的鎂鋁尖晶石4～20%和添加劑1～10%組成；另外加入佔上述所有原料總重量2～5%的結合劑。

根據上述的火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，所述燒結鎂砂中MgO的質量百分含量為80～95%，Fe2O3的質量百分含量為0.5～3%，其餘為雜質含量。

根據上述的火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，所述高鐵鎂砂中MgO的質量百分含量為75～90%，Fe2O3的質量百分含量為4～6%，其餘為雜質含量。

根據上述的火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，所述鐵鋁尖晶石中Fe2O3的質量百分含量為25～40%，Al2O3的質量百分含量為45～65%，其餘為雜質含量。

根據上述的火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，所述鎂鋁尖晶石中MgO的質量百分含量為25～40%，Al2O3的質量百分含量為40～65%，其餘為雜質含量。

根據上述的火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，所述添加劑為α-Al2O3微粉、鋯英砂、TiO2細粉和鐵鱗中的至少一種。

根據上述的火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，所述α-Al2O3微粉的粒度為＜10μm，α-Al2O3微粉中Al2O3的質量百分含量＞99%；

所述鋯英砂的粒度＜0.088mm，鋯英砂中ZrO2 的質量百分含量為50～69%、SiO2 的質量百分含量為25～38%；

所述TiO2細粉的粒度＜0.045mm，TiO2細粉中TiO2的質量百分含量≥99.1%；所述鐵鱗的粒度＜0.088mm，鐵鱗中Fe2O3的質量百分含量65～80%。

根據上述的火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，所述結合劑為複合結合劑，複合結合劑是由紙漿廢液和鹽滷複合而成，其比重為1.0～1.6g/cm3。

另外，提供一種上述火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚的製備方法，所述製備方法包括以下步驟：

a、首先按照上述高導熱富鎂尖晶石複合磚的配料比例稱取各種原料，先將稱取的燒結鎂砂、高鐵鎂砂和鎂鋁尖晶石先加入溼碾機進行混料，然後加入結合劑混碾5～10min，最後加入鐵鋁尖晶石和添加劑，混勻後得到混合物料；

b、將步驟a得到的混合物料採用液壓壓磚機或摩擦壓磚機進行壓製成型，壓磚機的壓力控制為630～2000t，壓制後所得磚坯的體積密度為3.0g/cm3；

c、將步驟b得到的磚坯在80～160℃下乾燥8～24h；然後採用高溫隧道窯進行燒成，燒成溫度為1550～1650℃，在此燒成溫度下保溫3～12h，保溫後冷卻出窯，得到產品高導熱富鎂尖晶石複合磚。

根據上述火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚的製備方法，所得產品高導熱富鎂尖晶石複合磚中的主要化學成分為MgO 80～90%，Al2O3 1～10%和Fe2O3 3～15%。

本發明的積極有益效果：

1、本發明技術方案中引入α-Al2O3微粉，燒結過程中能與方鎂石生成部分的鎂鋁尖晶石，填充孔隙；同時α-Al2O3微粉具有較高的表面活性，促進燒結；從而提高磚的緻密度和強度。

2、本發明技術方案中引入鋯英砂，由於矽酸鹽相潤溼了方鎂石，氣孔易於沿晶界排除，使得磚的顯氣孔率降低；同時MgO和ZrO2之間的有限固溶，促進緻密化的作用，提高磚的強度；而MgO和ZrO2在物理性能上的差異，導致內部產生微裂紋，熱震時它能吸收主裂紋擴展時的應變能，抑制和減緩裂紋擴展，增加了材料的韌性，從而提高了磚的熱震穩定性。

3、本發明技術方案採用的TiO2細粉為銳鈦礦型，添加TiO2細粉，TiO2與方鎂石反應生成Mg2TiO4尖晶石，而後Mg2TiO4尖晶石與Mg2AlO4形成Mg4Al2Ti9O25固溶體；隨著Mg2TiO4被Mg2AlO4吸收、固溶，形成新型的方鎂石-尖晶石-氧化鈦矽酸鹽系統的復相結構，從而改善了材料的結構性能、力學、熱學和使用性能，使其產品具有良好的燒結性能和熱震穩定性。

4、本發明技術方案中引入鐵鱗，高溫過程中，FeO溶解在方鎂石中，以（Mg·Fe）O形式存在，Fe2O3則與方鎂石形成鎂鐵尖晶石，鎂鐵尖晶石也能部分溶解在方鎂石中形成有限固溶體，從而促進基體與基質之間的結合，使製品達到良好的燒結，提高強度。

5、本發明採用的結合劑為複合結合劑，其比重為1.0～1.6g/cm3。具有的優點為：①磚坯泥料潤滑易於成型，坯體稜角好，外觀完整，生坯就具有較好的強度，易於搬運，半成品率高。②滷族元素Cl-蒸汽對MA的晶體發育成長有促進作用，也有助燒效果，使製品在中高溫下，始終保持較高的強度。

6、本發明製備的產品高導熱富鎂尖晶石複合磚能夠有效降低爐牆的能源損耗，延長使用壽命，節約能耗，從而提高經濟效益。

7、本發明產品高導熱富鎂尖晶石複合磚具有較高的導熱係數、良好的熱震穩定性、耐壓強度高、抗蠕變性好等優良性能，可以取代傳統的黏土磚、高鋁磚和矽磚，在節約能源、延長爐襯使用壽命有顯著的效果。因此，本發明具有良好的經濟效益和社會效益。

8、本發明通過引入α-Al2O3微粉和鐵鱗，高溫過程中，促進基體與基質之間的結合，與方鎂石生成部分的鎂鋁尖晶石和鎂鐵尖晶石，提高表面活性、促進燒結，從而提高磚體的緻密度和強度。

9、本發明通過添加TiO2細粉，使材料的燒結溫度降低，在較低溫度下達到良好燒結，在燒結過程中形成的許多封閉的微孔結構，則提高了材料的熱震穩定性。通過引入鋯英砂使磚體內部產生微裂紋，熱震時它能吸收主裂紋擴展時的應變能，抑制和減緩裂紋擴展，增加了材料的韌性，也提高了磚的熱震穩定性。本發明產品高導熱富鎂尖晶石複合磚的綜合性能指標如表1所示。

10、本發明產品適用於炭素焙燒爐，具有高的導熱係數、良好的熱震穩定性、耐壓強度高和抗蠕變性好，可以取代傳統的黏土磚、高鋁磚和矽磚，在節約能源、延長爐襯使用壽命有很好的效果，具有良好的經濟效益和社會效益。

。

具體實施方式：

以下結合實施例進一步闡述本發明，但並不限制本發明的內容。

以下實施例中：採用的燒結鎂砂中MgO的質量百分含量為80～95%，Fe2O3的質量百分含量為0.5～3%，其餘為雜質含量；高鐵鎂砂中MgO的質量百分含量為75～90%，Fe2O3的質量百分含量為4～6%，其餘為雜質含量；鐵鋁尖晶石中Fe2O3的質量百分含量為25～40%，Al2O3的質量百分含量為45～65%，其餘為雜質含量；所述鎂鋁尖晶石中MgO的質量百分含量為25～40%，Al2O3的質量百分含量為40～65%，其餘為雜質含量。

採用的α-Al2O3微粉的粒度為＜10μm，α-Al2O3微粉中Al2O3的質量百分含量＞99%；鋯英砂的粒度＜0.088mm，鋯英砂中ZrO2 的質量百分含量為50～69%、SiO2 的質量百分含量為25～38%；TiO2細粉的粒度＜0.045mm，TiO2細粉中TiO2的質量百分含量≥99.1%；鐵鱗的粒度＜0.088mm，鐵鱗中Fe2O3的質量百分含量65～80%。

實施例1：

本發明火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的燒結鎂砂40%，粒度≤4mm的高鐵鎂砂37%，粒度≤0.088mm的鐵鋁尖晶石8%，粒度4～1mm的鎂鋁尖晶石12%和添加劑α-Al2O3微粉3%組成；另外加入佔上述所有原料總重量3%的結合劑（結合劑是由紙漿廢液和鹽滷複合而成，其比重為1.3g/cm3）。

實施例2：

本發明實施例1火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚的製備方法，該製備方法的詳細步驟如下：

首先按照實施例1所述高導熱富鎂尖晶石複合磚的配料比例稱取各種原料，先將稱取的燒結鎂砂、高鐵鎂砂和鎂鋁尖晶石先加入溼碾機進行混料，然後加入結合劑混碾10min，最後加入鐵鋁尖晶石和添加劑，混勻後得到混合物料；

b、將步驟a得到的混合物料採用液壓壓磚機進行壓製成型，壓磚機的壓力控制為1000t，壓制後所得磚坯的體積密度為3.0g/cm3；

c、將步驟b得到的磚坯在120℃下乾燥10h；然後採用高溫隧道窯進行燒成，燒成溫度為1580℃，在此燒成溫度下保溫6h，保溫後冷卻出窯，得到產品高導熱富鎂尖晶石複合磚（所得產品的相關性能檢測指標詳見表2）。

。

實施例3：

本發明火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的燒結鎂砂35%，粒度≤4mm的高鐵鎂砂40%，粒度≤0.088mm的鐵鋁尖晶石10%，粒度4～1mm的鎂鋁尖晶石10%和添加劑鋯英砂5%組成；另外加入佔上述所有原料總重量2.8%的結合劑（結合劑是由紙漿廢液和鹽滷複合而成，其比重為1.22g/cm3）。

實施例4：

本發明實施例3火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚的製備方法，該製備方法的詳細步驟如下：

首先按照實施例3所述高導熱富鎂尖晶石複合磚的配料比例稱取各種原料，先將稱取的燒結鎂砂、高鐵鎂砂和鎂鋁尖晶石先加入溼碾機進行混料，然後加入結合劑混碾8min，最後加入鐵鋁尖晶石和添加劑，混勻後得到混合物料；

b、將步驟a得到的混合物料採用液壓壓磚機進行壓製成型，壓磚機的壓力控制為1200t，壓制後所得磚坯的體積密度為3.0g/cm3；

c、將步驟b得到的磚坯在160℃下乾燥8h；然後採用高溫隧道窯進行燒成，燒成溫度為1630℃，在此燒成溫度下保溫3h，保溫後冷卻出窯，得到產品高導熱富鎂尖晶石複合磚（所得產品的相關性能檢測指標詳見表3）。

。

實施例5：

本發明火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的燒結鎂砂42%，粒度≤4mm的高鐵鎂砂30%，粒度≤0.088mm的鐵鋁尖晶石6%，粒度4～1mm的鎂鋁尖晶石15%和添加劑7%（添加劑7%是由4%的鐵鱗和3%的α-Al2O3微粉組成）組成；另外加入佔上述所有原料總重量2.5%的結合劑（結合劑是由紙漿廢液和鹽滷複合而成，其比重為1.4g/cm3）。

實施例6：

本發明實施例5火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚的製備方法，該製備方法的詳細步驟如下：

首先按照實施例5所述高導熱富鎂尖晶石複合磚的配料比例稱取各種原料，先將稱取的燒結鎂砂、高鐵鎂砂和鎂鋁尖晶石先加入溼碾機進行混料，然後加入結合劑混碾10min，最後加入鐵鋁尖晶石和添加劑，混勻後得到混合物料；

b、將步驟a得到的混合物料採用液壓壓磚機進行壓製成型，壓磚機的壓力控制為1200t，壓制後所得磚坯的體積密度為3.0g/cm3；

c、將步驟b得到的磚坯在110℃下乾燥18h；然後採用高溫隧道窯進行燒成，燒成溫度為1550℃，在此燒成溫度下保溫6h，保溫後冷卻出窯，得到產品高導熱富鎂尖晶石複合磚（所得產品的相關性能檢測指標詳見表4）。

。

實施例7：

本發明火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的燒結鎂砂28%，粒度≤4mm的高鐵鎂砂46%，粒度≤0.088mm的鐵鋁尖晶石4%，粒度4～1mm的鎂鋁尖晶石16%和添加劑6%（添加劑6%是由4%的鐵鱗和2%的TiO2細粉組成）組成；另外加入佔上述所有原料總重量2.0%的結合劑（結合劑是由紙漿廢液和鹽滷複合而成，其比重為1.12g/cm3）。

實施例8：

本發明實施例7火道牆用高導熱富鎂尖晶石複合磚的製備方法，該製備方法的詳細步驟如下：

首先按照實施例7所述高導熱富鎂尖晶石複合磚的配料比例稱取各種原料，先將稱取的燒結鎂砂、高鐵鎂砂和鎂鋁尖晶石先加入溼碾機進行混料，然後加入結合劑混碾7min，最後加入鐵鋁尖晶石和添加劑，混勻後得到混合物料；

b、將步驟a得到的混合物料採用液壓壓磚機進行壓製成型，壓磚機的壓力控制為800t，壓制後所得磚坯的體積密度為3.0g/cm3；

c、將步驟b得到的磚坯在140℃下乾燥12h；然後採用高溫隧道窯進行燒成，燒成溫度為1650℃，在此燒成溫度下保溫4h，保溫後冷卻出窯，得到產品高導熱富鎂尖晶石複合磚（所得產品的相關性能檢測指標詳見表5）。

。