專利名稱：一種鈦酸鋁－莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域?yàn)楣杷猁}材料、工業(yè)陶瓷領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)90年代初，日本鋼管株式會(huì)社(NKK)和日本工業(yè)爐株式會(huì)社(NFK)聯(lián)合開發(fā)了一種新型蓄熱器，稱為高效陶瓷蓄熱系統(tǒng)HRS(High-cycle Regenerative Combustion System)。NKK進(jìn)行了多次試驗(yàn)，對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)加熱后進(jìn)入燃燒器的空氣溫度已接近廢氣排放溫度。數(shù)據(jù)顯示，空氣預(yù)熱溫度達(dá)1300℃、爐內(nèi)O2含量為11％時(shí)NOx排放量是40kg/m3。HRS的開發(fā)，不僅實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱極限回收及NOx排放量的大幅度降低，而且這種新型燃燒器還引發(fā)產(chǎn)生了一種新的燃燒技術(shù)—高溫空氣燃燒技術(shù)HTAC(High Temperature AirCombustion)。
高溫空氣燃燒(HTAC)技術(shù)的理論意義在于拓寬了人們對溫度和氧氣濃度關(guān)系的認(rèn)識(shí)范圍，并從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了高溫條件下大幅度降低氧氣濃度的燃燒過程，解決了高溫燃燒與NOx生成的矛盾。該技術(shù)的主要特征是1.采用高效蓄熱式余熱回收裝置，通過切換使高溫?zé)煔夂屠淇諝饨惶媪鹘?jīng)蓄熱體并進(jìn)行換熱，從而把原來上千度的排煙溫度降低到200℃甚至更低的水平，最大限度地回收了高品質(zhì)余熱；2.冷空氣可以被預(yù)熱到1000℃以上，甚至十分接近燃燒區(qū)的溫度，造就了一種與傳統(tǒng)發(fā)光火焰迥然不同的新火焰類型，并獲得了優(yōu)良的均勻溫度場分布；3.通過組織低氧濃度條件下的燃燒，進(jìn)一步大大降低了NOx的生成與排放。
蓄熱燃燒系統(tǒng)溫度效益及熱效率的高低，直接取決于蓄熱體的性能。蓄熱體主要有蜂窩陶瓷、蓄熱球和蓄熱管三種。蜂窩陶瓷的比表面積是球的5倍以上，傳熱能力大4-5倍，氣流阻力只有球的1/3，透熱深度小。所以，蜂窩陶瓷比蓄熱球更有利于實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，使?fàn)t溫均勻、傳熱速度、快速出鋼，大大降低氧化損和NOx氣體的生成，顯著提高環(huán)保節(jié)能效果。采用蜂窩陶瓷的蓄熱室體積大大減少，可布置足夠量的燒嘴，滿足熱負(fù)荷需要。而蜂窩陶瓷的直氣流通道與小球的迷宮式通道相比更不易堵塞，自潔性好，適用于我國燃燒不潔凈的特點(diǎn)。
目前普遍采用的蓄熱體材料是堇青石蜂窩陶瓷，其典型物性如下孔壁密度1.6g/cm3；熱膨脹系數(shù)1.0×10-6/℃；室溫下的熱導(dǎo)率9.2×10-3J/(cm.s.℃)；耐壓強(qiáng)度12.4MPa(平行于孔道)，1.7MPa(垂直于孔道)。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于我國燃料的潔凈性較差，冶金窯爐廢氣中大都含有各種雜質(zhì)，導(dǎo)致在高溫使用時(shí)，堇青石蜂窩陶瓷會(huì)與廢氣中的部分物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而降低了其使用壽命。為了提高其高溫穩(wěn)定性，又相繼研制出了莫來石質(zhì)、Al2O3、Si3N4、ZrO2等蜂窩陶瓷，大大提高了載體材料的機(jī)械強(qiáng)度、使用溫度和高溫時(shí)的化學(xué)穩(wěn)定性，但由于這些材料的熱膨脹系數(shù)隨著強(qiáng)度的提高而增大，在蓄熱燃燒要求的溫度急劇變化(在空氣中急冷溫差在800℃以上)的惡劣環(huán)境條件下，它們的使用壽命還是受到較大的影響。
鈦酸鋁是目前所知唯一集低膨脹和耐高溫于一體的結(jié)構(gòu)材料。具有高溶點(diǎn)、低熱膨脹、耐化學(xué)腐蝕、高抗熱震性等優(yōu)良品質(zhì)。通過“復(fù)相改性”的工藝方法制得的鈦酸鋁-莫來石材料是一種新型的復(fù)合材料。它具有遠(yuǎn)優(yōu)于莫來石材料的高溫(1300～1350℃)抗折強(qiáng)度和熱震穩(wěn)定性，適宜于在凈化氣氛下工作，是一種性能優(yōu)異、工業(yè)用途廣泛的耐火材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷及其制備方法，該鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷具備高熔點(diǎn)、低熱膨脹、耐化學(xué)腐蝕、高抗熱震性、耐壓強(qiáng)度高、吸水率穩(wěn)定可控等優(yōu)良性能，具有較高使用壽命。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分比粘土，其中氧化鋁≥30％ 45～65％氧化鋁 25～39％
鈦白粉，其中氧化鈦≥98％ 8～18％鎂鋁尖晶石 1～5％方石英 1～3％所述的鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷，其特征是，所述的粘土的顆粒度＜5μm。
所述的鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷，其特征是，所述的氧化鋁、鈦白粉、方石英、鎂鋁尖晶石的顆粒度＜500目。
一種鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷的制備方法，其特征是包括如下步驟(1)、按如下質(zhì)量百分比備料粘土，其中氧化鋁≥30％ 45～65％氧化鋁 25～39％鈦白粉，其中氧化鈦≥98％ 8～18％鎂鋁尖晶石 1～5％方石英 1～3％(2)、將上述原料混合加水濕磨，再壓濾得到濾泥，練揉濾泥，干燥；(3)、加入亞油酸、油酸、甲基纖維素、聚乙烯醇組成的粘和劑混合；(4)、陳化處理；(5)、練揉濾泥，擠出成型，干燥，在溫度1450～1600℃下燒成，即可制得鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷。
所述的練揉濾泥采用真空練揉濾泥。
所述的粘和劑中，亞油酸、油酸、甲基纖維素、聚乙烯醇的重量配比為1∶0.5-1.5∶0.5-10∶0.5-10。
將粘土、氧化鋁、氧化鈦、方石英、鎂鋁尖晶石等原料在球磨中濕磨至小于500目的粉粒，球磨后的粉料經(jīng)壓濾及真空練揉濾泥后成為泥塊，加入以甲基纖維素或聚乙烯醇為主要成分的粘和劑，經(jīng)擠出成型的工藝流程，即可生產(chǎn)出鈦酸鋁-莫來石復(fù)相蜂窩陶瓷。
本發(fā)明利用粘土具有較好的可塑性并配合氧化鋁等脊性材料，使制得的蜂窩陶瓷具有強(qiáng)度高、吸水率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，利用具備高熔點(diǎn)、低熱膨脹、耐化學(xué)腐蝕、高抗熱震性等優(yōu)良性能的穩(wěn)定鈦酸鋁與莫來石按照性能要求進(jìn)行復(fù)合形成復(fù)相材料，實(shí)現(xiàn)多孔、薄壁、長孔蜂窩陶瓷制品的成型。
本發(fā)明的有益效果，本發(fā)明由于采用上述技術(shù)方案制成的鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷具備高熔點(diǎn)、低熱膨脹、耐化學(xué)腐蝕、高抗熱震性、耐壓強(qiáng)度高、吸水率穩(wěn)定可控等優(yōu)良性能，在燃料潔凈度較差的地區(qū)使用，具有較高使用壽命。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例見表1，本發(fā)明的制備方法是，配料將粘土、氧化鋁、氧化鈦、方石英、鎂鋁尖晶石等原料按如下質(zhì)量比例組成粘土(氧化鋁≥30％)45～65％氧化鋁25～39％鈦白粉(氧化鈦≥98％) 8～18％鎂鋁尖晶石1～5％方石英1～3％將上述原料按以下步驟進(jìn)行成型配料→球磨混合→濾泥→真空練揉濾泥→干燥→混練→陳化→擠出→干燥→燒成所述的陳化是放置24-48小時(shí)；(其中燒成溫度在1450～1600℃)通過以上步驟所得即為鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷。
表1


鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷質(zhì)蜂窩陶瓷的物理性能見表2，根據(jù)大量的數(shù)據(jù)分析，在本發(fā)明設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，產(chǎn)品的性能指標(biāo)在一定的可控范圍內(nèi)波動(dòng)，而且該指標(biāo)遠(yuǎn)高于由莫來石、莫來石-堇青石原料制得的產(chǎn)品，而產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)也較為理想。
表2

權(quán)利要求
1.一種鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷，其原料組分的質(zhì)量百分比粘土，其中氧化鋁≥30％45～65％氧化鋁25～39％鈦白粉，其中氧化鈦≥98％ 8～18％鎂鋁尖晶石1～5％方石英1～3％。
2.如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷，其特征是，所述的粘土的顆粒度＜5μm。
3.如權(quán)利要求1所述的鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷，其特征是，所述的氧化鋁、鈦白粉、方石英、鎂鋁尖晶石的顆粒度＜500目。
4.一種鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷的制備方法，其特征是包括如下步驟(1)、按如下質(zhì)量百分比備料粘土，其中氧化鋁≥30％45～65％氧化鋁25～39％鈦白粉，其中氧化鈦≥98％ 8～18％鎂鋁尖晶石1～5％方石英1～3％(2)、將上述原料混合加水濕磨，再壓濾得到濾泥，練揉濾泥，干燥；(3)、加入亞油酸、油酸、甲基纖維素、聚乙烯醇組成的粘和劑混合；(4)、陳化處理；(5)、練揉濾泥，擠出成型，干燥，在溫度1450～1600℃下燒成，即可制得鈦酸鋁-莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷。
5.如權(quán)利要求4所述的蜂窩陶瓷采用的制備方法，其特征是，所述的練揉濾泥采用真空練揉濾泥。
6.如權(quán)利要求4所述的蜂窩陶瓷的制備方法，其特征是，所述的粘和劑中，亞油酸、油酸、甲基纖維素、聚乙烯醇的重量配比為1∶0.5-1.5∶0.5-10∶0.5-10。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦酸鋁－莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷及其制備方法，它是以具備高熔點(diǎn)、低熱膨脹、耐化學(xué)腐蝕、高抗熱震性等優(yōu)良性能的穩(wěn)定鈦酸鋁與莫來石按照性能要求進(jìn)行復(fù)合形成復(fù)相材料，并添加自己配制的復(fù)合塑化改性劑和自行設(shè)計(jì)的模具，經(jīng)混合拌料、煉泥、擠出、干燥，在1450～1600℃燒制成蜂窩狀的結(jié)構(gòu)體。其制備方法包括如下步驟將粘土、氧化鋁、氧化鈦、方石英、鎂鋁尖晶石等原料在球磨中濕磨至小于500目的粉粒，球磨后的粉料經(jīng)壓濾及真空煉泥后成為泥塊，加入以甲基纖維素或聚乙烯醇為主要成分的塑性粘和劑，經(jīng)擠出成型的工藝流程，即可生產(chǎn)出鈦酸鋁－莫來石復(fù)相蜂窩陶瓷。主要應(yīng)用于工業(yè)爐高溫蓄熱燃燒系統(tǒng)、石油催化裂化、汽車尾氣催化凈化等行業(yè)。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101074161SQ200710021478
公開日2007年11月21日 申請日期2007年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月14日
發(fā)明者俞浩, 徐欣, 周志剛 申請人:安徽寧國市先浩高溫材料有限公司