專(zhuān)利名稱(chēng)：碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蓄熱式燃燒器部件，特別是涉及一種碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合 材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
蓄熱式高溫空氣燃燒(簡(jiǎn)稱(chēng)HTAC)是一項(xiàng)具有節(jié)能和環(huán)保雙重功效的新型燃燒 技術(shù)，蓄熱體是蓄熱式燃燒器的關(guān)鍵部件，廣泛用于鋼鐵、機(jī)械、建材、石化和有色金屬冶煉 等行業(yè)的各種加熱爐、熱風(fēng)爐、熱處理爐、裂解爐、烘烤器、融化爐、均化爐和油氣鍋爐等窯 爐中，該技術(shù)通過(guò)換向裝置，使兩個(gè)蓄熱室交替吸熱放熱，最大限度地回收煙氣中的熱量， 再將助燃空氣和煤氣加熱到1000°c以上，即使低熱值的劣質(zhì)燃料(如高爐煤氣)也能實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)定著火和高效燃燒，可節(jié)省燃料40-70%，產(chǎn)量提高15%以上，鋼坯氧化燒損下降40%以 上，氮氧化物(NOx)排放量小于lOOppm，煙氣排放溫度低于160°C，大大有利于降低地球的 溫室效應(yīng)。如果全國(guó)大多數(shù)工業(yè)窯爐都采用HTAC技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益不可估量， 將極大緩解能源緊缺狀況，有效改善人類(lèi)的生存環(huán)境。HTAC技術(shù)需主要考慮以下幾個(gè)方面蓄熱體的蓄熱能力、換熱速度、熱震穩(wěn)定性、 抗氧化性、腐蝕性、壓力損失和經(jīng)濟(jì)性等。目前國(guó)內(nèi)蜂窩體的使用壽命較低，加熱爐的蜂窩 體使用壽命一般為3 6個(gè)月，甚至出現(xiàn)使用一周就大量碎裂的情況，用于鋼包烘烤器上的 蓄熱體因煙氣溫度低使用壽命而有所增加。蓄熱體在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題主要有 熔化、軟化、破裂、堵塞和腐蝕等，其中蓄熱體材料的抗熱震穩(wěn)定性差是最常出現(xiàn)的問(wèn)題。造 成以上問(wèn)題的原因主要有以下三點(diǎn)(1)材料問(wèn)題蜂窩體長(zhǎng)期工作在急冷急熱、還可能帶有腐蝕性氣體的惡劣環(huán)境 中，經(jīng)常承受高溫和內(nèi)、外溫差變化而引起的應(yīng)力作用。這種工作環(huán)境對(duì)蓄熱體材料提出了 苛刻要求。為了增加蓄熱量，減小蓄熱室的體積，需要增加蓄熱體的密度。但抗熱震穩(wěn)定性 與密度在一定程度上互相排斥，即密度越高，抗熱震穩(wěn)定性越差。在使用過(guò)程中，蓄熱體與 氣流進(jìn)行熱交換，一些帶有腐蝕性的氣體和顆粒對(duì)蜂窩體產(chǎn)生不利影響。比如，氧化鐵顆粒 會(huì)降低鋁硅材質(zhì)的軟熔溫度，使蜂窩體熔化而堵死氣孔；酸性氣體會(huì)對(duì)蜂窩體產(chǎn)生腐蝕作 用；微小顆粒會(huì)附著在蜂窩體表面而堵塞氣體通道等。(2)偏流問(wèn)題蓄熱室內(nèi)熱交換過(guò)程大致如下在排煙階段，煙氣流經(jīng)蜂窩體時(shí)將 顯熱儲(chǔ)存在蜂窩體中，加熱蜂窩體；在燃燒階段，空氣(或煤氣)流經(jīng)蜂窩體時(shí)被加熱，余熱 被重新帶回爐內(nèi)。在以上任一階段，如果氣體在蓄熱室內(nèi)出現(xiàn)偏流，經(jīng)若干次換向后容易導(dǎo) 致蜂窩體局部高溫而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超出其承受極限時(shí)，蜂窩體就會(huì)破裂。(3) “二次燃燒”問(wèn)題蓄熱式燃燒系統(tǒng)的空氣噴口和煤氣噴口一般都是相互獨(dú)立 的，這樣有利于形成爐內(nèi)低氧氣氛，拓展火焰邊界，形成均勻的溫度場(chǎng)，提高加熱質(zhì)量和減 少氮氧化物的排放。但是空氣和煤氣兩股射流的速度、交角和距離的最佳值很難把握，處理 不當(dāng)則容易造成爐內(nèi)局部煤氣燃燒不充分，而其它地方氧氣還有剩余。這些煙氣在被吸入 蓄熱室時(shí)，空氣和煤氣會(huì)重新接觸產(chǎn)生“二次燃燒”，放出的熱量可以完全被蜂窩體吸收，盡管沒(méi)有造成能量損失，但局部高溫很容易使蜂窩體熔化而失效。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題提供一種蓄熱量高、強(qiáng)度高、熱震穩(wěn)定性高、抗化學(xué)腐 蝕性好的碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料；還提供了該碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案一種碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料，由下述重量百分比的原料組成黑碳化硅 粉75-85%，莫來(lái)石粉14-20%，金屬硅粉1_3%，紅柱石粉1_4%，高嶺土 1_4%，上述原料 總量為100% ；外加占上述原料3-5%的羥丙基纖維素、4-6%的桐油、1-3%的甘油和 15-18% 的水。所述黑碳化硅粉包括150目的黑碳化硅粉22-27%、250目的黑碳化硅粉37-42%、 325目的黑碳化硅粉12-17% ；所述莫來(lái)石粉為14-18%，粒度180-240目；所述金屬硅粉 為1-1.5%，粒度250目；所述紅柱石粉為1_2%，粒度180目；所述高嶺土為1_2%，粒度 200-220 目。所述羥丙基纖維素為3-4%、桐油4-5%、甘油1-1. 5%、水15-16%。所述金屬硅粉要求硅含量> 97%、鈣含量< 0. 30%、鐵含量< 0. 70%。所述黑碳化硅為石油焦碳化硅，其中含SiC 95-97%，密度為3. 2-3. 25g/cm3。所述的碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟，按配方稱(chēng)取原料，將主料黑碳化硅粉球磨2_3h，加入輔料莫來(lái)石粉、金屬硅粉、紅 柱石粉和高嶺土，干混30-60min，加入羥丙基纖維素、桐油、甘油和水，濕混1-1. 5h，陳腐 8-10h，在真空練泥機(jī)進(jìn)行粗煉泥；將粗煉泥后的泥條切割成片狀，陳腐4-5h，進(jìn)行精煉泥， 擠出成型，將毛坯烘干至含水量< 2%，裝爐，在1350°C燒成。所述成型時(shí)壓力為14_16MPa。所述將毛坯烘干分兩次進(jìn)行，先將毛坯用微波烘干至含水量< 10%，再用烘箱在 300-350°C下烘干至含水量彡2%。所述燒成溫度設(shè)計(jì)為由室溫經(jīng)Ih升溫至400°C，經(jīng)1. 5h升溫至600°C，經(jīng)3h升 溫至950°C，經(jīng)5h升溫至1200°C，再經(jīng)3h升溫至1350°C，在1350°C保溫2h ；然后自然冷卻 至 200"C。本發(fā)明的積極有益效果(1)本發(fā)明產(chǎn)品原料配伍合理，用量考究，產(chǎn)品性能優(yōu)良。產(chǎn)品材質(zhì)密度大、容重 小，能增加蓄熱量，減少蓄熱室體積；產(chǎn)品強(qiáng)度高，能適應(yīng)高溫下較大蓄熱室的裝載要求； 產(chǎn)品受熱時(shí)膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性好，荷重軟化點(diǎn)高；產(chǎn)品高溫蠕變值小，在1450°C、荷重 0. 2MPa、48h后的蠕變率< 0. 5%；產(chǎn)品硬度大，抗化學(xué)腐蝕性好，熱導(dǎo)率高，同時(shí)具有很好的 抗氧化作用，特別適用于環(huán)境惡劣、蓄熱室氧化腐蝕較為嚴(yán)重的場(chǎng)合，其使用壽命長(zhǎng)比普通 莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體長(zhǎng)2 4倍。本發(fā)明產(chǎn)品的性能檢測(cè)指標(biāo)，如下表1。
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(2)本發(fā)明方法采用二次烘干工藝，第一次烘干采用微波，第二次烘干采用烘箱， 既能防止產(chǎn)品變形，又有利于降低成本；采用特別的燒成溫度曲線燒成產(chǎn)品，可有效保證產(chǎn) 品的質(zhì)量和性能穩(wěn)定。(3)本發(fā)明產(chǎn)品可有效解決現(xiàn)有蜂窩蓄熱體在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的熔化、軟化、 破裂和腐蝕等問(wèn)題，產(chǎn)品抗熱震穩(wěn)定性大大提高，有利于HTAC技術(shù)在工業(yè)窯爐中的應(yīng)用， 將大大緩解能源緊缺的狀況，有利于改善人類(lèi)生存環(huán)境，將產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料，由下述重量百分比的原料組成 150目黑碳化硅粉22%、250目黑碳化硅粉42%、325目黑碳化硅粉12%，180-240目莫來(lái)石 粉15%，250目金屬硅粉1%，180目紅柱石粉4%，200-220目高嶺土 4%，上述原料總重為 100% ；外加占上述原料3%的羥丙基纖維素、4%的桐油、3%的甘油、15%的水。其中金屬硅粉要求硅含量> 97%、鈣含量< 0. 30%、鐵含量< 0. 70%;黑碳化硅 為石油焦碳化硅，其中含SiC 95-97%、Fe2O3I-L 2%，密度為3. 2-3. 25g/cm3。所述的碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟按配方和粒度要求稱(chēng)取原料，將主料黑碳化硅粉球磨2_3h，加入輔料莫來(lái)石粉、 金屬硅粉、紅柱石粉和高嶺土，干混30-60min，加入羥丙基纖維素、桐油、甘油和水，濕混 1-1. 5h，陳腐8-10h，在真空練泥機(jī)進(jìn)行粗煉泥；然后將泥條切割成片狀再陳腐4-5h，進(jìn)行 精煉泥，擠出成型，成型壓力14-16MPa，用直徑為0. 2-0. 3mm的鋼絲切割成毛坯，將毛坯用 微波烘干至水分質(zhì)量含量7%以下，再用烘箱在300-350°C烘干至水分質(zhì)量含量2%以下， 用金剛石鋸片切割，清理浮粉，裝爐，在1350°C燒成。燒成時(shí)溫度設(shè)計(jì)為由室溫經(jīng)Ih升溫至400°C，再經(jīng)1. 5h升溫至600°C，再經(jīng)3h 升溫至950°C ；經(jīng)5h升溫至1200°C，經(jīng)3h升溫至1350°C，在1350°C保溫2h，然后自然冷卻至200°C，出窯得到產(chǎn)品。實(shí)施例2 碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料原料組成150目的黑碳化硅粉27%、 250目的黑碳化硅粉37%、325目的黑碳化硅粉17%，180-240目的莫來(lái)石粉14%，250目的 金屬硅粉3%，180目的紅柱石粉1%，200-220目的高嶺土 1%，上述原料總重為100% ；外 加占上述原料5%的羥丙基纖維素、4%的桐油、2%的甘油、16%的水。所述金屬硅粉和石油 焦碳化硅的性能要求同實(shí)施例1。制備方法按配方和粒度要求稱(chēng)取原料，將黑碳化硅粉球磨2h，加入莫來(lái)石粉、金 屬硅粉、紅柱石粉和高嶺土，干混40min，加入羥丙基纖維素、桐油、甘油和水，濕混lh，陳腐 10h，在真空練泥機(jī)進(jìn)行粗煉泥；粗練結(jié)束后將泥條切割成片狀再陳腐4-5h，然后進(jìn)行精煉 泥，擠出成型，成型壓力13-16MPa，用直徑為0. 2-0. 3mm的鋼絲切割成毛坯，將毛坯微波烘 干至含水量9%以下，再用烘箱在300°C下烘干至含水量2%以下，用金剛石鋸片切割，清理 浮粉，裝爐，在1350°C燒成。燒成時(shí)溫度設(shè)計(jì)同實(shí)施例1。實(shí)施例3 碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料原料組成150目的黑碳化硅粉25%、 250目的黑碳化硅粉37%、325目的黑碳化硅粉13%，180-240目的莫來(lái)石粉18%，250目的 金屬硅粉2%，180目的紅柱石粉3%，200-220目的高嶺土 2%，上述原料總重為100% ；外 加占上述原料4%的羥丙基纖維素、5%的桐油、2%的甘油、16%的水。所述金屬硅粉和石油 焦碳化硅的性能要求同實(shí)施例1。制備方法按配方和粒度要求稱(chēng)取原料，將黑碳化硅粉球磨2. 5h，加入莫來(lái)石粉、 金屬硅粉、紅柱石粉和高嶺土，干混30min，加入羥丙基纖維素、桐油、甘油和水，濕混1. 5h， 陳腐8h，在真空練泥機(jī)進(jìn)行粗煉泥；粗練結(jié)束后將泥條切割成片狀再陳腐4-5h，然后進(jìn)行 精煉泥，擠出成型，成型壓力12-15MPa，用直徑為0. 2-0. 3mm的鋼絲切割成毛坯，將毛坯微 波烘干至含水量8%以下，再用烘箱在320°C下烘干至含水量2%以下，用金剛石鋸片切割， 清理浮粉，裝爐，在1350°C燒成。燒成時(shí)溫度設(shè)計(jì)同實(shí)施例1。實(shí)施例4 碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料原料組成150目的黑碳化硅粉23%、 250目的黑碳化硅粉39%、325目的黑碳化硅粉13%，180-240目的莫來(lái)石粉20%，250目的 金屬硅粉1%，180目的紅柱石粉2%，200-220目的高嶺土 2%，上述原料總重為100% ；外 加占上述原料4%的羥丙基纖維素、4%的桐油、的甘油、18%的水。所述金屬硅粉和石油 焦碳化硅的性能要求同實(shí)施例1。制備方法按配方和粒度要求稱(chēng)取原料，將黑碳化硅粉球磨3h，加入莫來(lái)石粉、金 屬硅粉、紅柱石粉和高嶺土，干混40min，加入羥丙基纖維素、桐油、甘油和水，濕混1. 2h，陳 腐9h，在真空練泥機(jī)進(jìn)行粗煉泥；粗練結(jié)束后將泥條切割成片狀再陳腐4-5h，然后進(jìn)行精 煉泥，擠出成型，成型壓力15-17MPa，用直徑為0. 2-0. 3mm的鋼絲切割成毛坯，將毛坯微波 烘干至含水量8%以下，再用烘箱在350°C下烘干至含水量2%以下，用金剛石鋸片切割，清 理浮粉，裝爐，在1350°C燒成。燒成時(shí)溫度設(shè)計(jì)同實(shí)施例1。實(shí)施例5 碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料原料組成150目的黑碳化硅粉26%、 250目的黑碳化硅粉40%、325目的黑碳化硅粉15%，180-240目的莫來(lái)石粉16%，250目的 金屬硅粉1%，180目的紅柱石粉1%，200-220目的高嶺土 1%，上述原料總重為100% ；外 加占上述原料3%的羥丙基纖維素、4%的桐油、3%的甘油、17%的水。所述金屬硅粉和石油 焦碳化硅的性能要求同實(shí)施例1。
制備方法按配方和粒度要求稱(chēng)取原料，將主料黑碳化硅粉球磨2h，加入輔料莫 來(lái)石粉、金屬硅粉、紅柱石粉和高嶺土，干混50min，加入羥丙基纖維素、桐油、甘油和水，濕 混lh，陳腐9h，在真空練泥機(jī)進(jìn)行粗煉泥；粗練結(jié)束后將泥條切割成片狀再陳腐4-5h，然后 進(jìn)行精煉泥，擠出成型，成型壓力15-16MPa，用直徑為0. 2-0. 3mm的鋼絲切割成毛坯，將毛 坯微波烘干至含水量10%以下，再用烘箱在340°C下烘干至含水量2%以下，用金剛石鋸片 切割，清理浮粉，裝爐，在1350°C燒成。燒成時(shí)溫度設(shè)計(jì)同實(shí)施例1。實(shí)施例6 碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料的原料組成150目的黑碳化硅粉 24%,250目的黑碳化硅粉38%、325目的黑碳化硅粉14%，180-240目的莫來(lái)石粉19%， 250目的金屬硅粉2%，180目的紅柱石粉1%，200-220目的高嶺土 2%，上述原料總重為 100% ；外加占上述原料4%的羥丙基纖維素、4%的桐油、3%的甘油、15%的水。所述金屬 硅粉和石油焦碳化硅的性能要求同實(shí)施例1。制備方法按配方和粒度要求稱(chēng)取原料，將主料黑碳化硅粉球磨3h，加入輔料莫 來(lái)石粉、金屬硅粉、紅柱石粉和高嶺土，干混60min，加入羥丙基纖維素、桐油、甘油和水，濕 混lh，陳腐8. 5h，在真空練泥機(jī)進(jìn)行粗煉泥；粗練結(jié)束后將泥條切割成片狀再陳腐4-5h，然 后進(jìn)行精煉泥，擠出成型，成型壓力14-16MPa，用直徑為0. 2-0. 3mm的鋼絲切割成毛坯，將 毛坯微波烘干至含水量7%以下，再用烘箱在300-350°C下烘干至含水量2%以下，用金剛 石鋸片切割，清理浮粉，裝爐，在1350°C燒成。燒成時(shí)溫度設(shè)計(jì)同實(shí)施例1。上述實(shí)施例中的產(chǎn)品經(jīng)檢測(cè)，性能指標(biāo)均符合表1中的參數(shù)。
權(quán)利要求
一種碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料，其特征在于由下述重量百分比的原料組成黑碳化硅粉75 85％，莫來(lái)石粉14 20％，金屬硅粉1 3％，紅柱石粉1 4％，高嶺土1 4％，上述原料總量為100％；外加占上述原料3 5％的羥丙基纖維素、4 6％的桐油、1 3％的甘油1 3％和15 18％的水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料，其特征在于所述黑碳化 硅粉包括150目的黑碳化硅粉22-27%、250目的黑碳化硅粉37-42%、325目的黑碳化硅粉 12-17% ；所述莫來(lái)石粉為14-18%，粒度180-240目；所述金屬硅粉為1-1. 5%，粒度250 目；所述紅柱石粉為1_2%，粒度180目；所述高嶺土為1_2%，粒度200-220目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料，其特征在于所述羥丙基 纖維素為3-4%、桐油4-5%、甘油1-1. 5%、水15-16%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料，其特征在于所述金屬硅 粉要求硅含量彡97%、鈣含量< 0. 30%、鐵含量< 0. 70%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料，其特征在于所述黑碳化 硅為石油焦碳化硅，其中含SiC 95-97%，密度為3. 2-3. 25g/cm3。
6.一種權(quán)利要求1所述的碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于 該方法包括以下步驟，按配方稱(chēng)取原料，將主料黑碳化硅粉球磨2-3h，加入輔料莫來(lái)石粉、金屬硅粉、紅柱石 粉和高嶺土，干混30-60min，加入羥丙基纖維素、桐油、甘油和水，濕混1-1. 5h，陳腐8_10h， 在真空練泥機(jī)進(jìn)行粗煉泥；將粗煉泥后的泥條切割成片狀，陳腐4-5h，進(jìn)行精煉泥，擠出成 型，將毛坯烘干至含水量< 2%，裝爐，在1350°C燒成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述成型時(shí)壓力為14-16MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述將毛坯烘干分兩次進(jìn)行，先將毛 坯用微波烘干至含水量< 10%，再用烘箱在300-350°C下烘干至含水量< 2%。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于所述燒成溫度設(shè)計(jì)為由室 溫經(jīng)Ih升溫至400°C，經(jīng)1. 5h升溫至600°C，經(jīng)3h升溫至950°C，經(jīng)5h升溫至1200°C，再 經(jīng)3h升溫至1350°C，在1350°C保溫2h ；然后自然冷卻至200°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳化硅莫來(lái)石質(zhì)蓄熱體復(fù)合材料及其制備方法，原料組成黑碳化硅粉75-85％，莫來(lái)石粉14-20％，金屬硅粉1-3％，紅柱石粉1-4％，高嶺土1-4％，上述原料總量為100％；外加羥丙基纖維素、桐油、甘油和水。制備時(shí)先將黑碳化硅粉球磨，加入輔料，干混，再加入羥丙基纖維素、桐油、甘油和水，濕混，陳腐、煉泥；擠出成型，將毛坯烘干至含水量≤2％，裝爐，在1350℃燒成。本產(chǎn)品材質(zhì)密度大、容重小，能增加蓄熱量，減少蓄熱室體積；產(chǎn)品強(qiáng)度高，能適應(yīng)高溫下較大蓄熱室的裝載要求；受熱時(shí)膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性好，荷重軟化點(diǎn)高；高溫蠕變值小，硬度大，抗化學(xué)腐蝕性好，熱導(dǎo)率高，同時(shí)具有很好的抗氧化作用，特別適用于環(huán)境惡劣、蓄熱室氧化腐蝕較為嚴(yán)重的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101921113SQ201010255379
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者全建軍, 宋建生, 白周喜, 趙天亮, 高如琴, 黃懷岐 申請(qǐng)人:河南省耕生高溫材料有限公司