技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料的制備方法，屬于耐火材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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mgo-c質(zhì)耐火材料具有抗侵蝕較好、抗熱震穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)低以及對(duì)金屬熔體和高溫熔渣的抗?jié)B透性等優(yōu)點(diǎn)，是含碳耐火材料的主要品種。它主要被使用在潔凈鋼冶煉鋼包、出鐵場(chǎng)和鐵水儲(chǔ)運(yùn)罐、連鑄、煉鐵高爐本體等部位，為鋼鐵冶金工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和安全生產(chǎn)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
結(jié)合劑是含碳氧化物-非氧化物耐火材料生產(chǎn)的核心問題，是提供mgo-c質(zhì)耐火材料常溫和中溫強(qiáng)度的重要保障。生產(chǎn)mgo-c質(zhì)耐火材料最常用的有機(jī)結(jié)合劑就是煤焦油瀝青和酚醛樹脂。但是，煤焦油瀝青的主要的致命缺點(diǎn)是含有致癌的芳香烴，尤其是苯并芘，而酚醛樹脂在作為含碳耐火材料結(jié)合劑使用的時(shí)候，在研發(fā)、生產(chǎn)和使用的過程中都會(huì)放出一定量的甲醛和酚類化合物等有害氣體，對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生不利影響。因此，急需尋找環(huán)保型結(jié)合劑來替代酚醛樹脂和煤焦油瀝青，制備高性能、低成本、低污染的含碳耐火材料。
鑒于酚醛樹脂和煤焦油瀝青對(duì)人體健康和環(huán)境帶來的嚴(yán)重危害，有人建議使用糖類作為結(jié)合劑，這種非芳香族有機(jī)高分子化合物，可以在一定程度上防止這些問題。因此，本發(fā)明采用蔗糖為結(jié)合劑，制備環(huán)保型高性能mgo-c質(zhì)耐火材料。并且蔗糖原料來源廣泛易得，而且環(huán)保幾乎無污染，價(jià)格也相對(duì)酚醛樹脂便宜，適合大規(guī)模推廣使用的可行性。本發(fā)明創(chuàng)新性地以蔗糖這種環(huán)保型有機(jī)糖類替代酚醛樹脂等傳統(tǒng)結(jié)合劑，通過糖類物質(zhì)的低溫固化獲得優(yōu)良的初始強(qiáng)度，在鋼包等實(shí)際領(lǐng)域應(yīng)用中通過糖類碳化形成碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來獲得中、高溫強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)mgo-c質(zhì)耐火材料制備與使用過程的低成本、高性能和環(huán)?；１景l(fā)明也為開發(fā)環(huán)保型高性能低成本含碳耐火材料提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是針對(duì)mgo-c質(zhì)耐火材料采用酚醛樹脂和煤焦油瀝青作為結(jié)合劑在使用過程中釋放出甲醛和酚類化合物等有害氣體對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生不利影響的問題，提出一種以環(huán)保型蔗糖替代酚醛樹脂作為結(jié)合劑制備的高性能環(huán)保mgo-c質(zhì)耐火材料。本發(fā)明以電熔鎂砂(也可以使用純度相當(dāng)?shù)臒Y(jié)鎂砂來取代)和鱗片石墨(也可以使用炭黑、膨脹石墨、電極屑等性能相當(dāng)?shù)奶妓卦蟻砣〈?為主要原料、添加其他添加劑(添加劑為金屬鋁粉、金屬si粉、金屬mg粉或b4c，其用法可以是分別單獨(dú)加入，也可以是它們的混合物加入)，通過蔗糖溶液的低溫固化獲得優(yōu)良的初始強(qiáng)度，在鋼包等實(shí)際領(lǐng)域應(yīng)用中通過糖類碳化形成碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來獲得中高溫強(qiáng)度，獲得一種新型環(huán)保免燒mgo-c質(zhì)耐火材料。這種耐火材料用于鋼鐵冶煉的鋼包渣線部位和轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯材料，實(shí)現(xiàn)mgo-c質(zhì)耐火材料制備與使用過程的低成本、高性能和環(huán)?；?/p>
本發(fā)明提出的一種蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料的制備方法，其特征在于：該耐火材料是采用電熔鎂砂顆粒和細(xì)粉(也可以使用純度相當(dāng)?shù)臒Y(jié)鎂砂來取代)、鱗片石墨細(xì)粉(也可以使用炭黑、膨脹石墨、電極屑等性能相當(dāng)?shù)奶妓卦蟻砣〈?為主要原料，以蔗糖為結(jié)合劑以及添加其他添加劑(添加劑為金屬鋁粉、金屬si粉、金屬mg粉或b4c，其用法可以是分別單獨(dú)加入，也可以是它們的混合物加入)，按一定比例混合，然后經(jīng)過混料、困料、成型、干燥等工藝過程制備出免燒mgo-c質(zhì)耐火材料。所述的電熔鎂砂顆粒和細(xì)粉(也可以使用純度相當(dāng)?shù)臒Y(jié)鎂砂來取代)為通常市售的工業(yè)原料，其加入量為總配料質(zhì)量的0.1％～99.0％(質(zhì)量百分比)；所述鱗片石墨細(xì)粉(也可以使用炭黑、膨脹石墨、電極屑等性能相當(dāng)?shù)奶妓卦蟻砣〈?為通常市售的工業(yè)原料，其加入量為總配料質(zhì)量的0.1％～99.0％(質(zhì)量百分比)；所述選用的添加劑為金屬鋁粉、金屬si粉、金屬mg粉或b4c，其用法可以是分別單獨(dú)加入，也可以是它們的混合物加入，均為通常市售的分析純工業(yè)原料，其加入量為總配料質(zhì)量的0.1％～30.0％(質(zhì)量百分比)；所述選用的結(jié)合劑為蔗糖溶液，是將蔗糖結(jié)晶粉末和水按照一定配比混合獲得，所用蔗糖結(jié)晶粉末為市售分析純工業(yè)原料，外加蔗糖結(jié)合劑加入量為總配料質(zhì)量的0.1％～15.0％。所述的配料、混料、困料、成型、干燥等工藝過程與通常免燒耐火材料的過程類似。所述這種耐火材料與煤焦油瀝青或酚醛樹脂結(jié)合的mgo-c質(zhì)耐火材料相比具有環(huán)保和成本低的優(yōu)勢(shì)，這種耐火材料可以有效的避免類似煤焦油瀝青或酚醛樹脂等高分子有機(jī)物作為mgo-c質(zhì)耐火材料結(jié)合劑，在研發(fā)、生產(chǎn)和使用過程中釋放出甲醛和酚類化合物等有害氣體，對(duì)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重危害的問題，且蔗糖來源廣泛，價(jià)格相對(duì)便宜，可以降低mgo-c質(zhì)耐火材料的生產(chǎn)成本。這種蔗糖結(jié)合劑還可以廣泛應(yīng)用于其它行業(yè)的耐高溫材料。
在上述蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料中，所述電熔鎂砂顆粒和細(xì)粉(也可以使用純度相當(dāng)?shù)臒Y(jié)鎂砂來取代)為通常市售的工業(yè)原料，其質(zhì)量要求為mgo含量大于97.0％，其他cao、sio2、fe2o3等雜質(zhì)總含量小于3.0％，粒度控制在小于5mm。
在上述蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料中，所述鱗片石墨細(xì)粉(也可以使用炭黑、膨脹石墨、電極屑等性能相當(dāng)?shù)奶妓卦蟻砣〈?為市售工業(yè)原料，其質(zhì)量要求為碳的含量大于99.0％，其他雜質(zhì)總含量小于1.0％，粒度控制在小于3.0mm；所述添加劑金屬鋁粉、金屬si粉、金屬mg粉或b4c，其用法可以是分別單獨(dú)加入，也可以是它們的混合物加入，三者之間的混合比例沒有特殊要求，粒度控制在小于3.0mm。
在上述蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料中，所述耐火材料采用的結(jié)合劑為蔗糖溶液，由蔗糖結(jié)晶粉末和水按照一定配比混合獲得，所用蔗糖結(jié)晶粉末為市售分析純工業(yè)原料，其干燥失重小于0.03％，灼燒殘?jiān)∮?.01％，所述外加蔗糖結(jié)合劑加入量為總配料質(zhì)量的0.1％～15.0％。為保持蔗糖具有較好的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，在混煉過程中需要混煉機(jī)有加熱裝置保持物料溫度為約40℃～200℃。
本發(fā)明提出的蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料的制備方法的特征制備工藝過程依次為：
(1)將電熔鎂砂細(xì)粉(也可以使用純度相當(dāng)?shù)臒Y(jié)鎂砂來取代)和添加劑細(xì)粉按一定配比混合后加入球磨機(jī)中球磨0.1～24h至電熔鎂砂細(xì)粉和添加劑細(xì)粉混合均勻，球磨的方式選用干法球磨，其中球磨介質(zhì)可以選用金屬球、陶瓷球或瑪瑙球等。將細(xì)粉混料取出待用。
(2)將粗、中顆粒的電熔鎂砂(也可以使用純度相當(dāng)?shù)臒Y(jié)鎂砂來取代)混合均勻后加入混煉機(jī)中，加入蔗糖結(jié)合劑，混煉時(shí)間為3分鐘～24小時(shí)；然后按鱗片石墨(也可以使用炭黑、膨脹石墨、電極屑等性能相當(dāng)?shù)奶妓卦蟻砣〈?、細(xì)粉混料的順序依次加入繼續(xù)混煉3分鐘～24小時(shí)；為保持蔗糖具有較好的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，需要混煉機(jī)有加熱裝置保持物料溫度為約40℃～200℃。
(3)將上述混練得到的原料經(jīng)過困料、成型等工藝過程制成坯體，其中成型工藝可以是干壓成型、半干壓成型或等靜壓成型，然后將成形好的坯體在40℃～300℃溫度下干燥1分鐘～48小時(shí)，使得干燥后坯體具有一定的強(qiáng)度，從而獲得免燒蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料。
本發(fā)明根據(jù)傳統(tǒng)mgo-c質(zhì)耐火材料的制備工藝，采用電熔鎂砂(也可以使用純度相當(dāng)?shù)臒Y(jié)鎂砂來取代)、鱗片石墨(也可以使用炭黑、膨脹石墨、電極屑等性能相當(dāng)?shù)奶妓卦蟻砣〈?為主要原料，以環(huán)保蔗糖溶液作為結(jié)合劑制備出mgo-c質(zhì)耐火材料，通過蔗糖溶液的低溫固化，使電熔鎂砂、鱗片石墨、金屬鋁粉等材料獲得優(yōu)良的初始強(qiáng)度。由此發(fā)明得到的mgo-c質(zhì)耐火材料一方面兼具電熔鎂砂的熔點(diǎn)高和化學(xué)穩(wěn)定性好以及鱗片石墨的高導(dǎo)熱、抗渣侵蝕性強(qiáng)、熱震穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，另一方面使用低成本無污染蔗糖作為結(jié)合劑，有效地避免了使用煤焦油瀝青或酚醛樹脂結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料的研發(fā)、制備、生產(chǎn)過程中的有害氣體的釋放，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，還為蔗糖應(yīng)用于含碳耐火材料提供了技術(shù)和理論基礎(chǔ)。
具體實(shí)施方式：
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，其具體實(shí)施方式為：
(1)選擇本發(fā)明所需要的各種原料，并使各原料達(dá)到本發(fā)明的具體要求，其中電熔鎂砂顆粒和細(xì)粉(也可以使用純度相當(dāng)?shù)臒Y(jié)鎂砂來取代)為通常市售的工業(yè)原料，其質(zhì)量要求為mgo含量大于97.0％，其他cao、sio2、fe2o3等雜質(zhì)總含量小于3.0％，最大顆粒小于5.0mm，顆粒大小一般選用3.0mm至0.1mm更好，碳化硅細(xì)粉小于0.100mm；鱗片石墨細(xì)粉(也可以使用炭黑、膨脹石墨、電極屑等性能相當(dāng)?shù)奶妓卦蟻砣〈?為通常市售的工業(yè)原料，其質(zhì)量要求為碳的含量大于99.0％，其他雜質(zhì)總含量小于1.0％，粒度控制在小于3.0mm，一般選用粒度在1.0mm至0.1mm更好；采用添加劑為金屬鋁粉、金屬si粉、金屬mg粉或b4c，其用法可以是分別單獨(dú)加入，也可以是它們的混合物加入，三者之間的混合比例沒有特殊要求，粒度控制在小于3.0mm，一般選用粒度在1.0mm至0.1mm更好；結(jié)合劑為蔗糖溶液，由蔗糖結(jié)晶粉末和水按照一定配比混合、攪拌均勻獲得，所用蔗糖結(jié)晶粉末為分析純工業(yè)原料，其干燥失重小于0.03％，灼燒殘?jiān)∮?.01％，其加入量為外加0.1％～15.0％，為保持蔗糖具有較好的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，需要混煉機(jī)有加熱裝置保持物料溫度為約40℃～200℃。
(2)將電熔鎂砂細(xì)粉(也可以使用純度相當(dāng)?shù)臒Y(jié)鎂砂來取代)和添加劑細(xì)粉按一定配比混合后加入球磨機(jī)中球磨0.1～24h至電熔鎂砂細(xì)粉和添加劑細(xì)粉混合均勻，球磨的方式選用干法球磨，其中球磨介質(zhì)可以選用金屬球、陶瓷球或瑪瑙球等。將細(xì)粉混料取出待用。
(3)將上述原料中的粗、中電熔鎂砂顆粒(也可以使用純度相當(dāng)?shù)臒Y(jié)鎂砂來取代)混合均勻后加入混煉機(jī)中，加入蔗糖結(jié)合劑，混煉時(shí)間為3分鐘～2小時(shí)；按鱗片石墨、200目電熔鎂砂細(xì)粉、金屬鋁粉的順序依次加入繼續(xù)混煉3分鐘～2小時(shí)；為保持蔗糖具有較好的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，需要混煉機(jī)有加熱裝置保持物料溫度為約40℃～80℃。
(4)將上述混練得到的原料經(jīng)過困料、成型等工藝過程制成坯體，其中成型工藝可以是干壓成型、半干壓成型或等靜壓成型，然后將成形好的坯體在不超過300℃溫度下干燥，干燥熱處理后的水分應(yīng)控制在小于0.1％的范圍內(nèi)，干燥熱處理后坯體具有一定的強(qiáng)度。這樣得到所述的mgo-c質(zhì)耐火材料，它可以直接應(yīng)用于鋼包渣線部位及轉(zhuǎn)爐、電爐的內(nèi)襯材料，這種免燒型的mgo-c質(zhì)耐火材料可以通過蔗糖結(jié)合劑的固化使得干燥后坯體具有一定的強(qiáng)度，通過蔗糖結(jié)合劑的碳化使得在使用過程獲取滿足使用性能的強(qiáng)度要求。
下面通過具體實(shí)例更詳細(xì)地介紹本發(fā)明，但以下實(shí)例僅用于幫助更容易地理解本發(fā)明，本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1
一種蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料的生產(chǎn)工藝過程：
原料：
電熔鎂砂質(zhì)量要求為mgo含量大于97.0％，其他cao、sio2、fe2o3等雜質(zhì)總含量小于3.0％，粒度分別為1mm～3mm、0mm～1mm、0.074mm。粒度為1mm～3mm電熔鎂砂顆粒加入量為30％，粒度為0mm～1mm電熔鎂砂顆粒加入量為35％，粒度為0.074mm電熔鎂砂細(xì)粉加入量為23％，電熔鎂砂的總加入量為88％(質(zhì)量百分比)。
鱗片石墨質(zhì)量要求為碳的含量大于99.0％，其他雜質(zhì)總含量小于1.0％，粒度為0.15mm，總加入量為9.0％；
添加劑采用金屬鋁粉，金屬鋁粉質(zhì)量要求為al2o3含量大于99.5％，雜質(zhì)fe最高含量為0.2％，其他雜質(zhì)總含量小于0.3％，粒度選用0.15mm，總加入量為3.0％。
蔗糖結(jié)晶粉末干燥失重小于0.03％，灼燒殘?jiān)∮?.01％，將蔗糖結(jié)晶粉末與去離子水按照質(zhì)量比1:1配制蔗糖溶液，獲得蔗糖結(jié)合劑，其加入量為外加4.0％。
配料：將電熔鎂砂(0.074mm)和金屬鋁粉這兩種細(xì)粉原料加入球磨機(jī)中混合2小時(shí)獲得細(xì)粉混料，取出待用；然后將電熔鎂砂(1mm～3mm、0mm～1mm)倒入混煉機(jī)中，先加入蔗糖結(jié)合劑混合30分鐘，然后依次添加鱗片石墨、細(xì)粉混料，繼續(xù)在混煉機(jī)中混合2小時(shí)。
成型、干燥：
把混合好的物料困料24小時(shí)后成型制成坯體，將成型好的坯體在180℃的溫度下干燥24小時(shí)，干燥后磚坯的水分應(yīng)控制在小于0.1％，獲得免燒mgo-c質(zhì)耐火材料。
獲得4％蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料的理化性能為：主要物相為方鎂石、石墨和單質(zhì)鋁；顯氣孔率，13.47％；體積密度，2.69g/cm3；耐壓強(qiáng)度，41.00mpa；常溫抗折強(qiáng)度，4.9mpa。蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料比酚醛樹脂結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料常溫抗折強(qiáng)度更大。
實(shí)施例2
一種蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料的生產(chǎn)工藝過程：
原料：
電熔鎂砂質(zhì)量要求為mgo含量大于97.0％，其他cao、sio2、fe2o3等雜質(zhì)總含量小于3.0％，粒度分別為1mm～3mm、0mm～1mm、0.074mm。粒度為1mm～3mm電熔鎂砂顆粒加入量為30％，粒度為0mm～1mm電熔鎂砂顆粒加入量為35％，粒度為0.074mm電熔鎂砂細(xì)粉加入量為23％，電熔鎂砂的總加入量為88％(質(zhì)量百分比)。
鱗片石墨質(zhì)量要求為碳的含量大于99.0％，其他雜質(zhì)總含量小于1.0％，粒度為0.15mm，總加入量為9.0％；
添加劑采用金屬鋁粉，金屬鋁粉質(zhì)量要求為al2o3含量大于99.5％，雜質(zhì)fe最高含量為0.2％，其他雜質(zhì)總含量小于0.3％，粒度選用0.15mm，總加入量為3.0％。
蔗糖結(jié)晶粉末干燥失重小于0.03％，灼燒殘?jiān)∮?.01％，將蔗糖結(jié)晶粉末與去離子水水按照質(zhì)量比1:1配制蔗糖溶液，獲得蔗糖結(jié)合劑，其加入量為外加6.0％。
配料：將電熔鎂砂(0.074mm)和金屬鋁粉這兩種細(xì)粉原料加入球磨機(jī)中混合2小時(shí)獲得細(xì)粉混料，取出待用；然后將電熔鎂砂(1mm～3mm、0mm～1mm)倒入混煉機(jī)中，先加入蔗糖結(jié)合劑混合30分鐘，然后依次添加鱗片石墨、細(xì)粉混料，繼續(xù)在混煉機(jī)中混合2小時(shí)。
成型、干燥：
把混合好的物料困料24小時(shí)后成型制成坯體，將成型好的坯體在180℃的溫度下干燥24小時(shí)，干燥后磚坯的水分應(yīng)控制在小于0.1％，獲得免燒mgo-c質(zhì)耐火材料。
獲得6％蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料的理化性能為：主要物相為方鎂石、石墨和單質(zhì)鋁；顯氣孔率，12.34％；體積密度，2.71g/cm3；耐壓強(qiáng)度，44.50mpa；常溫抗折強(qiáng)度，5.59mpa。蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料與酚醛樹脂結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料強(qiáng)度相差不大。
實(shí)施例3
原料：
電熔鎂砂質(zhì)量要求為mgo含量大于97.0％，其他cao、sio2、fe2o3等雜質(zhì)總含量小于3.0％，粒度分別為1mm～3mm、0mm～1mm、0.074mm。粒度為1mm～3mm電熔鎂砂顆粒加入量為30％，粒度為0mm～1mm電熔鎂砂顆粒加入量為35％，粒度為0.074mm電熔鎂砂細(xì)粉加入量為23％，電熔鎂砂的總加入量為88％(質(zhì)量百分比)。
鱗片石墨質(zhì)量要求為碳的含量大于99.0％，其他雜質(zhì)總含量小于1.0％，粒度為0.15mm，總加入量為9.0％；
添加劑采用金屬鋁粉，金屬鋁粉質(zhì)量要求為al2o3含量大于99.5％，雜質(zhì)fe最高含量為0.2％，其他雜質(zhì)總含量小于0.3％，粒度選用0.15mm，總加入量為3.0％。
蔗糖結(jié)晶粉末干燥失重小于0.03％，灼燒殘?jiān)∮?.01％，將蔗糖結(jié)晶粉末與去離子水水按照質(zhì)量比1:1配制蔗糖溶液，獲得蔗糖結(jié)合劑，其加入量為外加8.0％。
配料：將電熔鎂砂(0.074mm)和金屬鋁粉這兩種細(xì)粉原料加入球磨機(jī)中混合2小時(shí)獲得細(xì)粉混料，取出待用；然后將電熔鎂砂(1mm～3mm、0mm～1mm)倒入混煉機(jī)中，先加入蔗糖結(jié)合劑混合30分鐘，然后依次添加鱗片石墨、細(xì)粉混料，繼續(xù)在混煉機(jī)中混合2小時(shí)。
成型、干燥：
把混合好的物料困料24小時(shí)后成型制成坯體，將成型好的坯體在180℃的溫度下干燥24小時(shí)，干燥后磚坯的水分應(yīng)控制在小于0.1％，獲得免燒mgo-c質(zhì)耐火材料。
獲得8％蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料的理化性能為：主要物相為方鎂石、石墨和單質(zhì)鋁；顯氣孔率，12.32％；體積密度，2.72g/cm3；耐壓強(qiáng)度，35.33mpa；常溫抗折強(qiáng)度，7.26mpa。蔗糖結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料與酚醛樹脂結(jié)合mgo-c質(zhì)耐火材料強(qiáng)度相差不大。