一种轻质多孔骨料及其制备工艺
技术领域
本发明专利涉及一种轻质多孔骨料及其制备工艺，尤其是一种由铝矾土为主要原料制备的轻质耐火骨料，特别是一种具有导热系数低、骨料强度高的轻型耐火骨料。
背景技术
轻质保温材料广泛使用在热工窑炉设备工作层外部，用来减少热工窑炉对外界散发大量的热量，保持窑体内部温度，稳定工况。目前采用较为广泛的轻质保温材料主要为硅酸钙板，但使用温度超过1000℃以后，材料处出现结晶老化的现象，快速达到使用寿命，并且该材料由于容重＜1g/cm3，材料的机械强度也很低，不能承受较大的外力冲击。当窑炉向外部散发的热量较大时，就需要采用轻质隔热耐火材料替代硅酸钙板材料。目前轻质隔热耐火材料主要采用导热系数较低的耐火骨料用来提高力学性能，中国专利CN201611127147.2公开了一种高性能莫来石保温耐火浇注料中所使用的微孔莫来石颗粒比例达到60-70%，骨料的气孔率为16%-18%，骨料的体积密度依然＜1g/cm3，虽然加入骨料能提高轻质保温耐火材料的机械强度，但材料的导热系数受到导热能力较强的骨料的影响，材料的热导率依然较大（＞0.4W/m·k），无法与硅酸钙板相比（硅酸钙板热导率＜0.1W/m·k），保温材料对窑炉的保温效果受到限制。为了解决骨料导热系数较高的问题，中国专利CN102344290 B提出了制作轻型耐火骨料的方式，将氧化铝、二氧化锆原料通过电熔方式融化，将压缩空气与水一并自熔融物的下方朝向前方地喷射到出炉的熔融物上，使熔融物颗粒化后制作轻质骨料。该方法虽然制备了低容重的轻质耐火骨料，但依然存在一些缺陷，1.制备骨料的原材料材料成本较高，氧化铝、二氧化锆均是制作高档耐火材料制品的原材料，将这些原料制备轻质骨料是对不可再生原料的浪费；2.制备这种轻质骨料要使用电熔窑炉对原料进行融化，制备工艺耗能巨大且不利于节能环保；3.形成的空心颗粒虽然具备了孔洞结构，起到了一定的“热阻”的效果，但骨料所使用的原料中氧化锆的热导率较高(1000℃,2.09W/(mK) )，骨料要拥有较低的导热系数受到氧化锆材料自身性能的限制，故该轻质骨料在1000℃的导热系数仅能达到0.37W/(m·k)。
由此可见，轻质多孔骨料的制备的主要技术难题是在降低导热系数前提下如何降低原料成本和制造工艺成本，提高其应用的经济性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种采用铝土矿作为原料的轻质多孔骨料及其制备工艺。该骨料配方如下：
预处理铝土矿粉体（颗粒半径30-48μm）40~70%
α-Al2O3（颗粒半径40-160μm）5~35%
硅微粉（颗粒半径5-20μm） 5~30%
软质黏土（颗粒半径≤35μm） 5~45%
铝溶胶（溶质质量40%）0~20 %
硅溶胶（溶质质量30%）0~20%
总质量分数外加入：
发泡剂 10~20%
多聚磷酸钠 0.03-0.5%
羧基纤维素钠 0.01-0.06%
预处理铝土矿粉体是对一水铝石矿工艺处理后的预处理后原料。对一水铝石矿进行破碎、研磨处理至规定粒度范围，处理后的粉料经过除铁。本发明所使用一水铝石矿为水铝石~高岭石亚类型（D-K型）中的三等铝矾土矿石，属于低品位铝土矿Al2O3含量为52~63%，SiO2含量为25~35%、Fe2O3含量为5%~6.5%，CaO含量为1~2.2%，Na2O含量为0.1~1%，K2O含量为0.5~2.5%，烧失量在10~13%。将预处理铝土矿粉与其他原料按上述配方进行混合后，制备成流动料浆，加入铝溶胶与硅溶胶的混合溶液、促凝剂、稳泡剂，最后加入发泡剂，发泡剂其中包含椰油酰胺基丙基甜菜碱（CAB-35）、十八烷基二甲基羟乙基季氨硝酸盐（TD-40）、FP-180生物发泡剂中的多种或其中的一种任意比例混合，在发泡剂加入后对发泡料浆进行快速搅拌，搅拌速度为300~500rad/min，搅拌时间为5~10min。将搅拌好的发泡浆体倒入模具后放入干燥窑进行干燥，干燥温度为200~350℃，干燥时间10~24h后脱膜放入隧道窑进行烧成，最高烧成温度点为1200~1500℃，在最高温度点保温时间3~24h。烧后的轻质骨料再破碎后即可使用。
本发明专利的创新点如下：
一、目前市场上采用低档铝土矿主要制备低档保温制品，产品的孔隙率低，保温性能较差，产品无法长时间在高温环境中使用，采用这种原料制备的产品不受到市场重视，利润率低采用目前工艺技术，不能将该原料作为制备轻质骨料的主要原料，这造成铝土矿成为“下脚料”被大量废弃，造成铝土矿资源大量浪费并且废弃的原料会严重污染环境。本发明采用的是目前市场上同等品质的低档铝土矿原料，经过研发人员多次研究实验后，得到保温性能良好，空隙率较高，具有较高力学强度的的轻质骨料。该骨料之所以具有上述优良的性能主要是在使用上述配方后在材料内部形成了原位莫来石相，附图1,2所示，附图1为制备前预处理铝土矿粉体的X射线衍射图，在图中并未有明显的莫来石衍射峰，主要物相为氧化铝，通过本发明工艺配方后，其烧后骨料X射线衍射图如附图2所示，衍射图中出现莫来石相特征峰、氧化铝相特征峰、硅线石相，其中莫来石相同特征峰大量出现，且峰值强度均高于氧化铝相，证明其二次莫来石晶型发育良好，原有的氧化铝被原位形成的莫来石所需消耗，特征峰减少。附图3所示，为骨料的电子扫描显微照片，通过照片可以观察到有纵横交错的莫来石晶体出现。通过常识可知，莫来石是一种现有非金属材料中导热率较低，并具有较高强度的物相。是制备轻质隔热材料的首选原料。通常耐火生产商会直接使用莫来石作为隔热产品的原料，产品原料成本较高。而本发明并未加入莫来石原料，仅利用低档铝土矿原料通过物相反应直接合成莫来石相保温材料，即充分利用了低档铝土矿资源，节约不可再生原料，又大幅降低了产品的生产成本。
二、采用铝-硅复合溶胶作为临时结合剂，避免外来杂质较多，骨料出现大量液相从而降低材料的使用温度与高温强度的问题。本发明采用的铝溶胶与硅溶胶可以在干燥阶段时固化发泡坯体，使坯体具有一定机械强度，方便脱模及后续的烧成；同时，在高温烧成阶段，在材料中形成的组分可参与莫来石化反应，形成高温烧结产物。本发明通过对两种溶胶进行多次的配比，最终确定了两种溶胶的合理质量配比，铝溶胶：硅溶胶=（0~2）：（0~3） 。
三、采用发泡的方式对浆体进行发泡处理也是本发明的一大特点。在本发明前本发明人已在《中国陶瓷工业》期刊中刊登一篇为《发泡法制备莫来石隔热浇注料工艺的研究》，附图4为搅拌后的发泡料浆，通过采用直接加入发泡剂，使得发泡料浆内部存在着细小的微气泡，附图5为烧后轻质骨料气孔微观照片，附图6为采用烧失法制备的莫来石隔热材料产品表面气孔照片。对比附图5，附图6，可以发现采用发泡法制备的轻质骨料微气孔较多，而采用烧失法制备的莫来石保温材料内部结构均已大气孔为主。在同一单位体积的材料中具有越多的孔洞结构，材料的体积密度越小，材料的保温性能就越好。经测定，附图5中的莫来石保温材料体积密度为1.05g/cm3,400℃平均导热系数0.4W/(m·k），附图4中轻质骨料体积密度0.56g/cm3,400℃平均导热系数0.08W/(m·k）。
四、对骨料内部孔结构的设计。以数十次试验结果作为依据调配相应发泡剂加入比例，使发泡剂加入后发泡料浆内部形成直径≤50μm的微小气孔结构，并均匀分散在材料内部。由于骨料单位体积中存在众多细小孔洞结构，热量的传导路径变长，骨料的保温隔热能力提升。
制备轻质耐火骨料，通过物理发泡的方法对料浆进行造孔后烧制，经过烧制、破碎后轻质骨料具有较低的堆积密度0.50~0.89 g/cm3,骨料的导热系数0.06-0.10W/(m·k)，1200℃烧后强度1.9~3.2Mpa，骨料的高温使用温度可达到1400℃。综上所述，本发明可以利用低档原料制备具有一定机械强度、堆积密度较低、具有低导热性能的轻质多孔骨料，实现了低档原料高效利用的目的。
附图说明
图1为预处理铝土矿粉体XRD衍射图谱
图2为烧后试样样xrd衍射图谱；
其中1为氧化铝相，2为莫来石相，3为硅线石相；
图3轻质骨料SEM微观结构照片，其中可以发到纵横交错生长的莫来石相结构；
图4为搅拌后的发泡料浆，其中可以发现发泡料浆中并未出现肉眼可见的大气泡；
图5为烧后轻质骨料表面气孔情况；
图6为莫来石轻质保温砖表面气孔情况，其中图5材料表面肉眼可见的的孔为微孔，图6材料表面肉眼可见的的孔为大孔。
具体实施方式
实施例1：
预处理铝土矿粉体（颗粒半径30-48μm）40 %
α-Al2O3（颗粒半径40-160μm） 15 %
硅微粉（颗粒半径5-20μm） 10 %
软质黏土（颗粒半径≤35μm） 15 %
铝溶胶（溶质量40%）10 %
硅溶胶（溶质量30%）10%
总质量分数外加入：
发泡剂 15%
多聚磷酸钠 0.25%
预处理铝土矿粉体是对一水铝石矿工艺处理后的预处理后原料。对一水铝石矿进行破碎、研磨处理至规定粒度范围，处理后的粉料经过除铁。将处理后的高铝矾土原料与其他原料进行混合后，制备成流动料浆，加入铝溶胶与硅溶胶的混合溶液、促凝剂、稳泡剂，最后加入发泡剂，发泡剂其中为椰油酰胺基丙基甜菜碱（CAB-35）生物发泡剂，在发泡剂加入后对发泡料浆进行快速搅拌，搅拌速度为320rad/min，搅拌时间为8min。将搅拌好的发泡浆体倒入模具后放入干燥窑进行干燥，干燥温度为250℃，干燥时间14h后脱膜放入隧道窑进行烧成，最高烧成温度点为1380℃，在最高温度点保温时间6h。
实施例2：
预处理铝土矿粉体（颗粒半径30-48μm）43 %
α-Al2O3（颗粒半径40-160μm） 15 %
硅微粉（颗粒半径5-20μm） 10 %
软质黏土（颗粒半径≤35μm） 15 %
铝溶胶（溶质量40%）8%
硅溶胶（溶质量30%）9%
总质量分数外加入：
发泡剂 20%
多聚磷酸钠 0.25%
羧基纤维素钠 0.05%
预处理铝土矿粉体是对一水铝石矿工艺处理后的预处理后原料。对一水铝石矿进行破碎、研磨处理至规定粒度范围，处理后的粉料经过除铁。将处理后的高铝矾土原料与其他原料进行混合后，制备成流动料浆，加入铝溶胶与硅溶胶的混合溶液、促凝剂、稳泡剂，最后加入发泡剂，发泡剂其中为椰油酰胺基丙基甜菜碱（CAB-35）生物发泡剂，在发泡剂加入后对发泡料浆进行快速搅拌，搅拌速度为320rad/min，搅拌时间为8min。将搅拌好的发泡浆体倒入模具后放入干燥窑进行干燥，干燥温度为250℃，干燥时间14h后脱膜放入隧道窑进行烧成，最高烧成温度点为1380℃，在最高温度点保温时间6h。
实施例3：
预处理铝土矿粉体（颗粒半径30-48μm） 40 %
α-Al2O3（颗粒半径40-160μm）15 %
硅微粉（颗粒半径5-20μm）10 %
软质黏土（颗粒半径≤35μm）15 %
铝溶胶（溶质量40%） 10 %
硅溶胶（溶质量30%） 10%
总质量分数外加入：
发泡剂20%
多聚磷酸钠0.25%
羧基纤维素钠0.05%
预处理铝土矿粉体是对一水铝石矿工艺处理后的预处理后原料。对一水铝石矿进行破碎、研磨处理至规定粒度范围，处理后的粉料经过除铁。将处理后的高铝矾土原料与其他原料进行混合后，制备成流动料浆，加入铝溶胶与硅溶胶的混合溶液、促凝剂、稳泡剂，最后加入发泡剂，发泡剂其中为椰油酰胺基丙基甜菜碱（CAB-35）生物发泡剂，在发泡剂加入后对发泡料浆进行快速搅拌，搅拌速度为320rad/min，搅拌时间为8min。将搅拌好的发泡浆体倒入模具后放入干燥窑进行干燥，干燥温度为250℃，干燥时间14h后脱膜放入隧道窑进行烧成，最高烧成温度点为1380℃，在最高温度点保温时间6h。
实施例4：
预处理铝土矿粉体（颗粒半径30-48μm） 50 %
α-Al2O3（颗粒半径40-160μm）15 %
硅微粉（颗粒半径5-20μm）10 %
软质黏土（颗粒半径≤35μm）15 %
铝溶胶（溶质量40%） 0 %
硅溶胶（溶质量30%） 10%
总质量分数外加入：
发泡剂5%
多聚磷酸钠0.25%
羧基纤维素钠0.05%
预处理铝土矿粉体是对一水铝石矿工艺处理后的预处理后原料。对一水铝石矿进行破碎、研磨处理至规定粒度范围，处理后的粉料经过除铁。将处理后的高铝矾土原料与其他原料进行混合后，制备成流动料浆，加入铝溶胶与硅溶胶的混合溶液、促凝剂、稳泡剂，最后加入发泡剂，发泡剂其中为椰油酰胺基丙基甜菜碱（CAB-35）生物发泡剂，在发泡剂加入后对发泡料浆进行快速搅拌，搅拌速度为320rad/min，搅拌时间为8min。将搅拌好的发泡浆体倒入模具后放入干燥窑进行干燥，干燥温度为250℃，干燥时间14h后脱膜放入隧道窑进行烧成，最高烧成温度点为1380℃，在最高温度点保温时间6h。
实施例5：
预处理铝土矿粉体（颗粒半径30-48μm）50%
α-Al2O3（颗粒半径40-160μm） 25 %
硅微粉（颗粒半径5-20μm） 10 %
软质黏土（颗粒半径≤35μm） 5 %
铝溶胶（溶质量40%）10%
硅溶胶（溶质量30%）0%
总质量分数外加入：
发泡剂 15%
多聚磷酸钠 0.25%
羧基纤维素钠 0.05%
预处理铝土矿粉体是对一水铝石矿工艺处理后的预处理后原料。对一水铝石矿进行破碎、研磨处理至规定粒度范围，处理后的粉料经过除铁。将处理后的高铝矾土原料与其他原料进行混合后，制备成流动料浆，加入铝溶胶与硅溶胶的混合溶液、促凝剂、稳泡剂，最后加入发泡剂，发泡剂其中为椰油酰胺基丙基甜菜碱（CAB-35）生物发泡剂，在发泡剂加入后对发泡料浆进行快速搅拌，搅拌速度为320rad/min，搅拌时间为8min。将搅拌好的发泡浆体倒入模具后放入干燥窑进行干燥，干燥温度为250℃，干燥时间14h后脱膜放入隧道窑进行烧成，最高烧成温度点为1380℃，在最高温度点保温时间6h。
实施例6：
预处理铝土矿粉体（颗粒半径30-48μm）48 %
α-Al2O3（颗粒半径40-160μm） 25 %
硅微粉（颗粒半径5-20μm） 10 %
软质黏土（颗粒半径≤35μm） 5 %
铝溶胶（溶质量40%）7 %
硅溶胶（溶质量40%）5%
总质量分数外加入：
发泡剂 15%
多聚磷酸钠 0.25%
羧基纤维素钠 0.05%
预处理铝土矿粉体是对一水铝石矿工艺处理后的预处理后原料。对一水铝石矿进行破碎、研磨处理至规定粒度范围，处理后的粉料经过除铁。将处理后的高铝矾土原料与其他原料进行混合后，制备成流动料浆，加入铝溶胶与硅溶胶的混合溶液、促凝剂、稳泡剂，最后加入发泡剂，发泡剂其中为椰油酰胺基丙基甜菜碱（CAB-35）生物发泡剂，在发泡剂加入后对发泡料浆进行快速搅拌，搅拌速度为320rad/min，搅拌时间为8min。将搅拌好的发泡浆体倒入模具后放入干燥窑进行干燥，干燥温度为250℃，干燥时间14h后脱膜放入隧道窑进行烧成，最高烧成温度点为1380℃，在最高温度点保温时间6h。
按照上述实例配方制备三联模试样（170mm×25mm×25mm）及平板导热试样模具（φ160×10mm），放置在110℃干燥箱中烘干12h后取出，将试样在高温窑炉中进行中温烧成，烧成温度1100℃。保温3h。按照YB/T 4130-2005(2012) 耐火材料导热系数实验方法测定圆盘在400℃的导热系数，按照GB/T 5072-2008 耐火材料常温耐压强度实验方法，测定试条耐压强度。对骨料体积密度的测试结果如下：
对各个实例制作的试样条的耐压强度及导热圆盘试样的检测结果如下：
通过上述结果可以看到，上述实例中的轻质骨料的耐压强度远远大大于传统使用的硅酸钙板材料，并且具有硅酸钙板相同的隔热能力;对比莫来石保温砖，上述实例中的骨料不仅体积密度远低于莫来石保温砖，400℃平均导热系数远小于莫来石保温砖，而且具有与莫来石保温材料相似的耐压强度。
