一种轻质隔热砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及轻质绝热材料技术领域，具体涉及一种轻质隔热砖及其制备方法。
背景技术
莫来石轻质隔热材料具有减少热量损失、降低热耗等优点，现已广泛应用于石油、化工、钢铁以及建筑等行业的热工设备的内衬中。国际上按其使用的温度从1260℃到1760℃划分了6个等级，每个等级对应的体积密度从0.6g/cm3到1.2g/cm3变化。在同一等级内，如果维持使用温度不变，减轻体积密度就可以降低内衬的重量，进而可减轻设备的载荷强度，节约材料消耗。同时体积密度降低，也能够降低材料的导热系数，进而减少热量损失，节约能耗。
传统的轻质隔热砖多使用可燃物如锯末、聚乙烯球等作为填充剂，在烧制过程中，这些可燃物燃烧后变成气体从坯子中溢出使轻质隔热砖形成气孔，从而使轻质隔热砖具有较低的体积密度。但缺点是可燃物加入量过大时，干燥过程易产生裂纹，烧制过程也会造成过大的收缩使产品尺寸不易控制。采用泡沫法制备时可避免上述问题的产生，但在制备过程中，受料浆粒度形状各异及与泡沫接触时间过长的影响，泡沫的稳定性易被破坏，难以制备出体积密度小、导热系数低的轻质隔热砖。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于本发明提供一种有效保证泡沫稳定性的轻质隔热砖制备方法。本发明的第二个目的在于提供一种用上述轻质隔热砖制备方法所制备的体积密度小、导热系数低的轻质隔热砖。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：以85～95wt％的瘠性料、5～15wt％的粘性料为原料进行混料，加所述原料37～41wt％的水磨制成颗粒呈球状的料浆；将所述原料0.5～1wt％的发泡剂发泡后制成粒径均匀的泡沫；将所述泡沫加入所述料浆搅拌均匀后，再加所述原料3～5wt％的结合剂，再次搅拌得到均质料浆；将所述均质料浆浇注到模具中形成生坯；将所述生坯进行养护，养护结束后脱模干燥，干燥后烧制成轻质隔热砖。
瘠性料为经过预烧处理后没有烧失量的原料，由于瘠性料预先经过了高温处理，可减少坯体干燥时的收缩变形，降低烧制过程中因收缩过大产生应力而造成的开裂。瘠性料可由以下组分组成：煤矸石、蓝晶石、碳酸钙。粘性料为未经预烧处理具有可塑性的原料，加水后可与瘠性料混合形成可塑料浆，在外力作用下不会产生开裂。粘性料可选用苏州土、高岭土等粘土。
轻质隔热砖制备过程中料浆会对泡沫的稳定性产生影响，若料浆颗粒形状各异，棱角分明，则与泡沫接触时为点面接触，易产生应力集中，这必然会刺伤泡沫，从而导致泡沫破裂，影响轻质隔热砖的质量。本发明按照配比将原料与水磨制成颗粒呈球状的料浆，由于料浆颗粒呈球状，表面光滑，在后续步骤中与泡沫接触时可以看作是两个圆球的面面接触，不会刺破泡沫，保证了泡沫的稳定性。可选地，原料加水后磨制时采用球磨机制备颗粒呈球状的料浆。
在泡沫制备时，温度对泡沫的稳定性会产生影响。低温时泡沫呈现亚稳态，发泡倍数也变小；高温时，泡沫的液膜逐渐变薄至破裂，稳定性变差。泡沫的制备温度可控制在30℃以保证制成粒径均匀的泡沫。
此外，按照配比将发泡剂制成泡沫后再加入料浆，减少了泡沫与料浆的接触时间，有利于保护泡沫的稳定性。结合剂的加入可促进料浆的硬化以保证轻质隔热砖的强度，结合剂可选用铝酸钙水泥。再次搅拌时间可控制在50～120s，浇注时间可控制在50～60s，通过控制再次搅拌时间和浇注时间，保证料浆流动性的同时，减少了料浆与泡沫的接触时间，料浆中泡沫的破裂率降低，进一步保证了泡沫的稳定性。
通过采用上述技术方案，制备过程中保证了泡沫的稳定性，制备的轻质隔热砖的体积密度小、导热系数低，可显著减少应用设备内衬的重量、提高高温隔热效果。
进一步地，混料前所述瘠性料预烧后经过研磨处理，粒度为200目。
通过采用上述技术方案，混料前所述瘠性料先进行预烧，预烧温度可选用1200℃，预烧后再进行研磨处理，磨至粒度200目，可减少颗粒呈球状的料浆制备时间，仅需4～5h，进而提高了工作效率。
进一步地，所述颗粒呈球状的料浆的粒度为500目。
通过采用上述技术方案，限定颗粒呈球状的料浆的粒度，料浆粒度大小均匀，可进一步保证轻质隔热砖的体积密度和导热系数，提高产品质量。
进一步地，所述发泡剂制成的所述泡沫的中位直径小于100μm。
通过采用上述技术方案，限定泡沫自身的直径大小及分布，可进一步保证泡沫的稳定性，提高产品质量。
进一步地，所述发泡剂包含以下组分的一种或多种组合：十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺、三乙醇胺、纤维素醚和淀粉醚。
泡沫的稳定性也容易收到自身因素的影响，包括表面张力、溶液的粘度等。本发明选用的发泡剂包含以下组分的一种或多种组合：十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺、三乙醇胺、纤维素、淀粉醚。其中，十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺及三乙醇胺为离子型表面活性剂，可降低泡沫的表面张力，纤维素醚和淀粉醚共同作用可增加溶液的粘度。
通过采用上述技术方案，优选发泡剂的组分，可进一步保证泡沫的稳定性，提高产品质量。
进一步地，所述将所述泡沫加入所述料浆搅拌时，采用双轴卧式结构的搅拌机。
通过采用上述技术方案，经发泡剂产生的泡沫直接加在料浆液面后，可通过双轴卧式结构搅拌机叶片将泡沫带进浆体。双轴卧式结构的搅拌机性能稳定、搅拌量大且搅拌效果好，可在满足低转速需求避免转速过高打碎泡沫的条件下，在短时间内取得均匀、较佳的搅拌效果，进而提高了工作效率。
进一步地，所述搅拌机的叶片为弧形浆叶结构。
通过采用上述技术方案，将搅拌机叶片设计成弧形浆叶结构可更好地翻动料浆，使泡沫在料浆中分布均匀，可进一步保障轻质隔热砖的质量。
进一步地，所述将所述均质料浆浇注到模具中形成生坯时，采用定量计量装置精确控制所述均质料浆的浇注量。
通过采用上述技术方案，均质料浆在浇注时，设置定量计量装置，避免了均质料浆量不足造成生坯尺寸不够或均质料浆太多延长浇注时间导致流动性下降以及降低泡沫的稳定性变差。优选地，定量计量装置选用安装有料位计的计量桶，可避免外部环境的干扰以保证均质料浆量的精确控制。
进一步地，所述生坯养护时温度为30～40℃、相对湿度大于90％，养护时间为4h；所述生坯干燥时温度为100～110℃，干燥时间为24h；所述生坯烧制时温度为1300℃，保温时间为3h。
通过采用上述技术方案，在养护过程中，将养护室的温度设定在30～40℃、相对湿度设定为大于90％，养护时间设定为4h，可满足结合剂的硬化条件，保证养护后的生坯强度。在干燥过程中，将生坯干燥温度设定为100～110℃，干燥时间设定为24h，可充分去除生坯中的水分，保证干燥后生坯的水分残留小于1％。在烧制过程中，将烧制温度设定在1300℃，保温时间设定为3h，可进一步保证烧制后轻质隔热砖的低导热系数。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的轻质隔热砖的制备方法，根据泡沫的特性优选工艺参数和条件，分步控制，泡沫的稳定性得到了有效保证，所制备的轻质隔热砖具有体积密度小、导热系数低、隔热效果好等优点。
2、本发明提供的轻质隔热砖的体积密度为0.45～0.55g/cm3，导热系数为0.12～0.19W/m·K，耐压强度为1.5～2.2MPa。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种轻质隔热砖，由包含以下百分比的组分制备而成：以85wt％的瘠性料、15wt％的粘性料为原料；外加以上原料37wt％的水、以上原料3wt％的结合剂以及以上原料0.5wt％的发泡剂制成的泡沫；
其制备方法包括以下步骤:
a)根据配比，将上述瘠性料和粘性料进行混料，加水在球磨机中湿磨4h制成颗粒呈球状的料浆；
b)根据配比，将发泡剂和水按发泡剂:水＝1:50的比例在30℃条件下发泡后制成粒径均匀的泡沫；
c)将制备的泡沫加入料浆，在双轴卧式结构、叶片为弧形浆叶结构的搅拌机中搅拌均匀后，根据配比，再加入结合剂，再次搅拌50s得到均质料浆；
d)将均质料浆浇注到模具中形成生坯，采用安装有料位计的计量桶精确控制均质料浆的浇注量，浇注时间控制在50s；
e)将生坯进行养护，养护温度为30℃、相对湿度大于90％，养护4h结束后脱模干燥，干燥温度为100℃、干燥24h，干燥结束后在1300℃保温3h烧制成轻质隔热砖。
本实施例中，瘠性料选用煤矸石、蓝晶石和碳酸钙，各组分占比为煤矸石:蓝晶石:碳酸钙＝65:7:13；粘性料选用高岭土；结合剂选用硅酸盐水泥；泡沫剂包含以下组分：十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺，其中，各组分的占比为十二烷基硫酸钠:十二烷基苯磺酸钠:烷基醇酰胺＝7:5:1。
实施例2
一种轻质隔热砖，由包含以下百分比的组分制备而成：以95wt％的瘠性料、5wt％的粘性料为原料；外加以上原料41wt％的水、以上原料5wt％的结合剂以及以上原料1wt％的发泡剂制成的泡沫；
其制备方法包括以下步骤:
a)根据配比，将上述瘠性料和粘性料进行混料，加水在球磨机中湿磨5h制成颗粒呈球状的料浆；
b)根据配比，将发泡剂和水按发泡剂:水＝1:50的比例在30℃条件下发泡后制成粒径均匀的泡沫；
c)将制备的泡沫加入料浆，在双轴卧式结构、叶片为弧形浆叶结构的搅拌机中搅拌均匀后，根据配比，再加入结合剂，再次搅拌120s得到均质料浆；
d)将均质料浆浇注到模具中形成生坯，采用安装有料位计的计量桶精确控制均质料浆的浇注量，浇注时间控制在60s；
e)将生坯进行养护，养护温度为40℃、相对湿度大于90％，养护4h结束后脱模干燥，干燥温度为110℃、干燥24h，干燥结束后在1300℃保温3h烧制成轻质隔热砖。
本实施例中，瘠性料选用煤矸石、蓝晶石和碳酸钙，各组分占比为煤矸石:蓝晶石:碳酸钙＝72:8:15；粘性料选用高岭土；结合剂选用硅酸盐水泥；泡沫剂包含以下组分：十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺，其中，各组分的占比为十二烷基硫酸钠:十二烷基苯磺酸钠:烷基醇酰胺＝7:5:1。
实施例3
一种轻质隔热砖，由包含以下百分比的组分制备而成：以90wt％的瘠性料、10wt％的粘性料为原料；外加以上原料39wt％的水、以上原料4wt％的结合剂以及以上原料0.75wt％的发泡剂制成的泡沫；
其制备方法包括以下步骤:
a)根据配比，将上述瘠性料和粘性料进行混料，加水在球磨机中湿磨5h制成颗粒呈球状的料浆；
b)根据配比，将发泡剂和水按发泡剂:水＝1:50的比例在30℃条件下发泡后制成粒径均匀的泡沫；
c)将制备的泡沫加入料浆，在双轴卧式结构、叶片为弧形浆叶结构的搅拌机中搅拌均匀后，根据配比，再加入结合剂，再次搅拌90s得到均质料浆；
d)将均质料浆浇注到模具中形成生坯，采用安装有料位计的计量桶精确控制均质料浆的浇注量，浇注时间控制在50s；
e)将生坯进行养护，养护温度为35℃、相对湿度大于90％，养护4h结束后脱模干燥，干燥温度为100℃、干燥24h，干燥结束后在1300℃保温3h烧制成轻质隔热砖。
本实施例中，瘠性料选用煤矸石、蓝晶石和碳酸钙，各组分占比为煤矸石:蓝晶石:碳酸钙＝67:9:14；粘性料选用高岭土；结合剂选用硅酸盐水泥；泡沫剂包含以下组分：十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺，其中，各组分的占比为十二烷基硫酸钠:十二烷基苯磺酸钠:烷基醇酰胺＝7:5:1。
实施例4
一种轻质隔热砖，与实施例3的区别在于粘性料选用苏州土；其制备方法与实施例3相同。
实施例5
一种轻质隔热砖，与实施例3的区别在于选用包含以下组分的发泡剂：十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺、三乙醇胺，其中，各组分的占比为十二烷基硫酸钠:十二烷基苯磺酸钠:烷基醇酰胺:三乙醇胺＝9:7:3:1；其制备方法与实施例3相同。
实施例6
一种轻质隔热砖，与实施例3的区别在于选用包含以下组分的发泡剂：十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺、三乙醇胺、纤维素醚、淀粉醚；其中，各组分的占比为十二烷基硫酸钠:十二烷基苯磺酸钠:烷基醇酰胺:三乙醇胺:纤维素醚:淀粉醚＝11:8:3:1:2:1；其制备方法与实施例3相同。
对比例1
一种轻质隔热砖及其制备方法。与实施例3的区别在于制备料浆时，将瘠性料和粘性料加水后进行机械混合。
对比例2
一种轻质隔热砖及其制备方法。与实施例3的区别在于制备料浆时，直接加入发泡剂，在料浆制备过程中进行发泡。
对比例3
一种轻质隔热砖及其制备方法。与实施例3的区别在于结合剂的加入量为原料的0.5wt％，再次搅拌时间为8min，均质料浆浇注时间为2min。
对比例4
一种轻质隔热砖，与实施例3的区别在于，以98wt％的瘠性料、2wt％的粘性料为原料；其制备方法与实施例3相同。
实验例
参照《定形隔热耐火制品体积密度和真气孔率试验方法GB/T2998-2015》、《耐火材料导热系数试验方法YB/T4130-2005》和《定形隔热耐火制品常温耐压强度试验方法GB/T3997.2-1998》对实施例1-6和对比例1-4提供的轻质隔热砖的体积密度、导热系数、耐压强度分别按照以上标准进行检测，检测结果见表1。
表1-轻质隔热砖性能测试结果
由表1的结果可以看出，实施例1-2与实施例3相比，主要区别在于原料的组分含量不同，实施例3测试的体积密度、导热系数及耐压强度等性能要好于实施例1-2。实施例4与实施例3相比，粘性料的组分不同，对轻质隔热砖的体积密度、导热系数及耐压性能有一定影响，但不大。实施例5-6与实施例3相比，发泡剂的组分不同，加入三乙醇胺、纤维素醚和淀粉醚后，增加了泡沫自身的稳定性，制备的轻质隔热砖的体积密度、导热系数及耐压性能也有进一步改善。以上表明轻质隔热砖中各种组分的含量配比，以及发泡剂的选择均会影响轻质隔热砖的性能。
对比例1与实施例3相比，由于制备料浆时，将瘠性料和粘性料加水后只是进行机械混合，得到的料浆颗粒形状各异，破坏了泡沫的稳定性，测试的体积密度及导热性能明显不如实施例3好。对比例2与实施例3相比，由于制备料浆时，直接将发泡剂加入到料浆中，在料浆制备过程中进行发泡，泡沫与料浆的接触时间较长，也破坏了泡沫的稳定性，测试的体积密度、导热性能也明显不如实施例3好。对比例3与实施例3相比，由于结合剂的加入量仅为原料的0.5wt％，延长了再次搅拌时间及均质料浆浇注时间，进而增加了泡沫与料浆的接触时间，破坏了泡沫的稳定性，测试的体积密度、导热性能和耐压性能也明显不如实施例3好。对比例4与实施例3相比，各原料组分的含量配比不在本发明的保护范围之内，对比例4测试的体积密度、导热性能和耐压性能也明显不如实施例3好。
本发明实施例制备的轻质隔热砖的体积密度为0.45～0.55g/cm3，导热系数为0.12～0.19W/m·K，耐压强度为1.5～2.2MPa。相对于同级别使用温度在1260～1350℃、体积密度为0.65g/cm3的轻质隔热砖，体积密度和导热系数均显著下降。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
