本發(fā)明涉及一種炭素焙燒爐用高性能堿性耐火材料，具體涉及一種火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚及其制備方法。

背景技術(shù)：

鋁工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，電解鋁工業(yè)的發(fā)展離不開炭陽(yáng)極技術(shù)發(fā)展。近年來(lái)，焙燒陽(yáng)極炭塊的能耗不斷加大，給鋁電解行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了很大的制約，炭素工業(yè)窯爐的能耗水平和節(jié)能技術(shù)則是降低電解鋁工業(yè)的能耗水平的重要組成部分。炭素工業(yè)爐的最高溫度一般都在1200～1400℃，并且它們所處理的物料和產(chǎn)品具有易氧化、高揮發(fā)分、產(chǎn)品指標(biāo)和工藝曲線要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。

目前，我國(guó)鋁用炭素陽(yáng)極焙燒爐，均采用敞開式環(huán)形焙燒，生產(chǎn)實(shí)踐表明，焙燒爐的熱利用率和熱損失各占一半。每噸炭素陽(yáng)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(fā)達(dá)國(guó)家的焙燒爐在陽(yáng)極原料要求十分苛刻和瀝青被完全燃燒（新技術(shù)）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(yáng)極焙燒爐的燃料消耗和選擇相適應(yīng)的耐火材料是一項(xiàng)重要研究課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種炭素焙燒爐用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，用于炭素焙燒爐的爐墻砌筑；即本發(fā)明提供一種火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚及其制備方法。本發(fā)明制備的產(chǎn)品高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚能夠有效降低爐墻的能源損耗，延長(zhǎng)使用壽命，節(jié)約能耗，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

為了解決上述問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，以重量百分含量表示，所述高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚主要由原料粒度≤4mm的燒結(jié)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；另外加入占上述所有原料總重量2～5%的結(jié)合劑。

根據(jù)上述的火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，所述燒結(jié)鎂砂中MgO的質(zhì)量百分含量為80～95%，F(xiàn)e₂O₃的質(zhì)量百分含量為0.5～3%，其余為雜質(zhì)含量。

根據(jù)上述的火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，所述高鐵鎂砂中MgO的質(zhì)量百分含量為75～90%，F(xiàn)e₂O₃的質(zhì)量百分含量為4～6%，其余為雜質(zhì)含量。

根據(jù)上述的火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，所述鐵鋁尖晶石中Fe₂O₃的質(zhì)量百分含量為25～40%，Al₂O₃的質(zhì)量百分含量為45～65%，其余為雜質(zhì)含量。

根據(jù)上述的火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，所述鎂鋁尖晶石中MgO的質(zhì)量百分含量為25～40%，Al₂O₃的質(zhì)量百分含量為40～65%，其余為雜質(zhì)含量。

根據(jù)上述的火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，所述添加劑為α-Al₂O₃微粉、鋯英砂、TiO₂細(xì)粉和鐵鱗中的至少一種。

根據(jù)上述的火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，所述α-Al₂O₃微粉的粒度為＜10μm，α-Al₂O₃微粉中Al₂O₃的質(zhì)量百分含量＞99%；

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

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

根據(jù)上述的火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，所述結(jié)合劑為復(fù)合結(jié)合劑，復(fù)合結(jié)合劑是由紙漿廢液和鹽鹵復(fù)合而成，其比重為1.0～1.6g/cm³。

另外，提供一種上述火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

a、首先按照上述高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的配料比例稱取各種原料，先將稱取的燒結(jié)鎂砂、高鐵鎂砂和鎂鋁尖晶石先加入濕碾機(jī)進(jìn)行混料，然后加入結(jié)合劑混碾5～10min，最后加入鐵鋁尖晶石和添加劑，混勻后得到混合物料；

b、將步驟a得到的混合物料采用液壓壓磚機(jī)或摩擦壓磚機(jī)進(jìn)行壓制成型，壓磚機(jī)的壓力控制為630～2000t，壓制后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℃下干燥8～24h；然后采用高溫隧道窯進(jìn)行燒成，燒成溫度為1550～1650℃，在此燒成溫度下保溫3～12h，保溫后冷卻出窯，得到產(chǎn)品高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚。

根據(jù)上述火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的制備方法，所得產(chǎn)品高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚中的主要化學(xué)成分為MgO 80～90%，Al₂O₃ 1～10%和Fe₂O₃ 3～15%。

本發(fā)明的積極有益效果：

1、本發(fā)明技術(shù)方案中引入α-Al₂O₃微粉，燒結(jié)過程中能與方鎂石生成部分的鎂鋁尖晶石，填充孔隙；同時(shí)α-Al₂O₃微粉具有較高的表面活性，促進(jìn)燒結(jié)；從而提高磚的致密度和強(qiáng)度。

2、本發(fā)明技術(shù)方案中引入鋯英砂，由于硅酸鹽相潤(rùn)濕了方鎂石，氣孔易于沿晶界排除，使得磚的顯氣孔率降低；同時(shí)MgO和ZrO₂之間的有限固溶，促進(jìn)致密化的作用，提高磚的強(qiáng)度；而MgO和ZrO₂在物理性能上的差異，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，熱震時(shí)它能吸收主裂紋擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)變能，抑制和減緩裂紋擴(kuò)展，增加了材料的韌性，從而提高了磚的熱震穩(wěn)定性。

3、本發(fā)明技術(shù)方案采用的TiO₂細(xì)粉為銳鈦礦型，添加TiO₂細(xì)粉，TiO₂與方鎂石反應(yīng)生成Mg₂TiO₄尖晶石，而后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-氧化鈦硅酸鹽系統(tǒng)的復(fù)相結(jié)構(gòu)，從而改善了材料的結(jié)構(gòu)性能、力學(xué)、熱學(xué)和使用性能，使其產(chǎn)品具有良好的燒結(jié)性能和熱震穩(wěn)定性。

4、本發(fā)明技術(shù)方案中引入鐵鱗，高溫過程中，F(xiàn)eO溶解在方鎂石中，以（Mg·Fe）O形式存在，F(xiàn)e₂O₃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(jìn)基體與基質(zhì)之間的結(jié)合，使制品達(dá)到良好的燒結(jié)，提高強(qiáng)度。

5、本發(fā)明采用的結(jié)合劑為復(fù)合結(jié)合劑，其比重為1.0～1.6g/cm³。具有的優(yōu)點(diǎn)為：①磚坯泥料潤(rùn)滑易于成型，坯體棱角好，外觀完整，生坯就具有較好的強(qiáng)度，易于搬運(yùn)，半成品率高。②鹵族元素Cl^-蒸汽對(duì)MA的晶體發(fā)育成長(zhǎng)有促進(jìn)作用，也有助燒效果，使制品在中高溫下，始終保持較高的強(qiáng)度。

6、本發(fā)明制備的產(chǎn)品高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚能夠有效降低爐墻的能源損耗，延長(zhǎng)使用壽命，節(jié)約能耗，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

7、本發(fā)明產(chǎn)品高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)、良好的熱震穩(wěn)定性、耐壓強(qiáng)度高、抗蠕變性好等優(yōu)良性能，可以取代傳統(tǒng)的黏土磚、高鋁磚和硅磚，在節(jié)約能源、延長(zhǎng)爐襯使用壽命有顯著的效果。因此，本發(fā)明具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

8、本發(fā)明通過引入α-Al₂O₃微粉和鐵鱗，高溫過程中，促進(jìn)基體與基質(zhì)之間的結(jié)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(jìn)燒結(jié)，從而提高磚體的致密度和強(qiáng)度。

9、本發(fā)明通過添加TiO₂細(xì)粉，使材料的燒結(jié)溫度降低，在較低溫度下達(dá)到良好燒結(jié)，在燒結(jié)過程中形成的許多封閉的微孔結(jié)構(gòu)，則提高了材料的熱震穩(wěn)定性。通過引入鋯英砂使磚體內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，熱震時(shí)它能吸收主裂紋擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)變能，抑制和減緩裂紋擴(kuò)展，增加了材料的韌性，也提高了磚的熱震穩(wěn)定性。本發(fā)明產(chǎn)品高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的綜合性能指標(biāo)如表1所示。

10、本發(fā)明產(chǎn)品適用于炭素焙燒爐，具有高的導(dǎo)熱系數(shù)、良好的熱震穩(wěn)定性、耐壓強(qiáng)度高和抗蠕變性好，可以取代傳統(tǒng)的黏土磚、高鋁磚和硅磚，在節(jié)約能源、延長(zhǎng)爐襯使用壽命有很好的效果，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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具體實(shí)施方式：

以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。

以下實(shí)施例中：采用的燒結(jié)鎂砂中MgO的質(zhì)量百分含量為80～95%，F(xiàn)e₂O₃的質(zhì)量百分含量為0.5～3%，其余為雜質(zhì)含量；高鐵鎂砂中MgO的質(zhì)量百分含量為75～90%，F(xiàn)e₂O₃的質(zhì)量百分含量為4～6%，其余為雜質(zhì)含量；鐵鋁尖晶石中Fe₂O₃的質(zhì)量百分含量為25～40%，Al₂O₃的質(zhì)量百分含量為45～65%，其余為雜質(zhì)含量；所述鎂鋁尖晶石中MgO的質(zhì)量百分含量為25～40%，Al₂O₃的質(zhì)量百分含量為40～65%，其余為雜質(zhì)含量。

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

實(shí)施例1：

本發(fā)明火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的燒結(jié)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；另外加入占上述所有原料總重量3%的結(jié)合劑（結(jié)合劑是由紙漿廢液和鹽鹵復(fù)合而成，其比重為1.3g/cm³）。

實(shí)施例2：

本發(fā)明實(shí)施例1火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的制備方法，該制備方法的詳細(xì)步驟如下：

首先按照實(shí)施例1所述高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的配料比例稱取各種原料，先將稱取的燒結(jié)鎂砂、高鐵鎂砂和鎂鋁尖晶石先加入濕碾機(jī)進(jìn)行混料，然后加入結(jié)合劑混碾10min，最后加入鐵鋁尖晶石和添加劑，混勻后得到混合物料；

b、將步驟a得到的混合物料采用液壓壓磚機(jī)進(jìn)行壓制成型，壓磚機(jī)的壓力控制為1000t，壓制后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℃下干燥10h；然后采用高溫隧道窯進(jìn)行燒成，燒成溫度為1580℃，在此燒成溫度下保溫6h，保溫后冷卻出窯，得到產(chǎn)品高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚（所得產(chǎn)品的相關(guān)性能檢測(cè)指標(biāo)詳見表2）。

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實(shí)施例3：

本發(fā)明火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的燒結(jié)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；另外加入占上述所有原料總重量2.8%的結(jié)合劑（結(jié)合劑是由紙漿廢液和鹽鹵復(fù)合而成，其比重為1.22g/cm³）。

實(shí)施例4：

本發(fā)明實(shí)施例3火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的制備方法，該制備方法的詳細(xì)步驟如下：

首先按照實(shí)施例3所述高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的配料比例稱取各種原料，先將稱取的燒結(jié)鎂砂、高鐵鎂砂和鎂鋁尖晶石先加入濕碾機(jī)進(jìn)行混料，然后加入結(jié)合劑混碾8min，最后加入鐵鋁尖晶石和添加劑，混勻后得到混合物料；

b、將步驟a得到的混合物料采用液壓壓磚機(jī)進(jìn)行壓制成型，壓磚機(jī)的壓力控制為1200t，壓制后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℃下干燥8h；然后采用高溫隧道窯進(jìn)行燒成，燒成溫度為1630℃，在此燒成溫度下保溫3h，保溫后冷卻出窯，得到產(chǎn)品高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚（所得產(chǎn)品的相關(guān)性能檢測(cè)指標(biāo)詳見表3）。

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實(shí)施例5：

本發(fā)明火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的燒結(jié)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；另外加入占上述所有原料總重量2.5%的結(jié)合劑（結(jié)合劑是由紙漿廢液和鹽鹵復(fù)合而成，其比重為1.4g/cm³）。

實(shí)施例6：

本發(fā)明實(shí)施例5火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的制備方法，該制備方法的詳細(xì)步驟如下：

首先按照實(shí)施例5所述高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的配料比例稱取各種原料，先將稱取的燒結(jié)鎂砂、高鐵鎂砂和鎂鋁尖晶石先加入濕碾機(jī)進(jìn)行混料，然后加入結(jié)合劑混碾10min，最后加入鐵鋁尖晶石和添加劑，混勻后得到混合物料；

b、將步驟a得到的混合物料采用液壓壓磚機(jī)進(jìn)行壓制成型，壓磚機(jī)的壓力控制為1200t，壓制后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℃下干燥18h；然后采用高溫隧道窯進(jìn)行燒成，燒成溫度為1550℃，在此燒成溫度下保溫6h，保溫后冷卻出窯，得到產(chǎn)品高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚（所得產(chǎn)品的相關(guān)性能檢測(cè)指標(biāo)詳見表4）。

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實(shí)施例7：

本發(fā)明火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚，以重量百分含量表示，由原料粒度≤4mm的燒結(jié)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(xì)粉組成）組成；另外加入占上述所有原料總重量2.0%的結(jié)合劑（結(jié)合劑是由紙漿廢液和鹽鹵復(fù)合而成，其比重為1.12g/cm³）。

實(shí)施例8：

本發(fā)明實(shí)施例7火道墻用高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的制備方法，該制備方法的詳細(xì)步驟如下：

首先按照實(shí)施例7所述高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚的配料比例稱取各種原料，先將稱取的燒結(jié)鎂砂、高鐵鎂砂和鎂鋁尖晶石先加入濕碾機(jī)進(jìn)行混料，然后加入結(jié)合劑混碾7min，最后加入鐵鋁尖晶石和添加劑，混勻后得到混合物料；

b、將步驟a得到的混合物料采用液壓壓磚機(jī)進(jìn)行壓制成型，壓磚機(jī)的壓力控制為800t，壓制后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℃下干燥12h；然后采用高溫隧道窯進(jìn)行燒成，燒成溫度為1650℃，在此燒成溫度下保溫4h，保溫后冷卻出窯，得到產(chǎn)品高導(dǎo)熱富鎂尖晶石復(fù)合磚（所得產(chǎn)品的相關(guān)性能檢測(cè)指標(biāo)詳見表5）。

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