本發(fā)明涉及耐火材料制造技術領域，尤其是涉及一種輕型耐火材料及其制備方法。
背景技術：
在傳統(tǒng)意義上，耐火材料是指耐火度不低于1580℃的無機非金屬材料，它是為高溫技術服務的基礎材料，是用作高溫窯爐等熱工設備的結構材料，以及工業(yè)高溫容器和部件的材料，并且能夠承受相應的物理化學變化及機械作用。
大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云石）為原料制造的，采用某些工業(yè)原料和人工合成原料（如工業(yè)氧化鋁、碳化硅、合成莫來石、合成尖晶石等）也日益增多，因此，耐火材料的種類很多。耐火材料按照礦物組成可以分為氧化硅質、硅酸鋁質、鎂質、白云石質、橄欖石質、尖晶石質、含碳質、含鋯質耐火材料及特殊耐火材料；按照制造方法可以分為天然礦石和人造制品；按其方式可分為塊狀制品和不定形耐火材料；按照熱處理方式可分為不燒制品、燒成制品和熔鑄制品；按照耐火度可分為普通、高級和特級耐火制品；按照化學性質可分為酸性、中性及堿性耐火材料；按照其密度可分為輕質及重質耐火材料；按照其制品的形狀和尺寸可分為標準磚、異形磚、特異形磚、管和耐火器皿；還可以按其應用分為高爐用、水泥窯用、玻璃窯用、陶瓷窯用耐火材料等。
輕質耐火材料在工業(yè)窯爐和其他熱工設備上用作隔熱材料，其具有氣孔率高、體積密度小、熱導率低的耐火材料；工業(yè)窯爐砌體蓄熱損失和爐體表面散熱損失約占燃料消耗的24～45%，能量損失巨大，使得能源利用率低，使用熱導率低、熱容量小的輕質耐火材料作爐體結構材料，可節(jié)省燃料消耗；同時，由于窯爐可以快速升溫和冷卻，能提高設備生產(chǎn)效率；還能減輕爐體重量，簡化窯爐構造，提高產(chǎn)品質量，降低環(huán)境溫度，改善勞動條件。但是輕質耐火材料也存在力學強度低，不能用于承重，而且其耐磨性能也較差。
技術實現(xiàn)要素：
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種氣孔率高、體積密度小、熱導率低，并且機械強度和耐磨性能較優(yōu)的輕質耐火材料；
本發(fā)明還提供了一種步驟簡潔且能夠制得高氣孔率、低體積密度、低熱導率、較高力學強度和較高耐磨性能輕質耐火材料的制備方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：
一種輕型耐火材料，由以下重量份的原料制得：赤泥680～720份，煤矸石180～200份，碳酸鈣70～90份，碳酸鎂54～74份，氧化鈦27～37份，碳酸鈉10～20份，造孔劑300～500份。
煤矸石是一種煤礦開采后的尾礦，其主要成分為氧化硅、氧化鋁和可燃物質，還含有少量的氧化鈣、氧化鎂、氧化鈦和氧化鐵等組分，其可燃物質中還有一些殘余的煤、黃鐵礦等，在經(jīng)高溫處理后會生成以莫來石相為主要成分的無機礦物，而其中的可燃物質可以起到促進高溫處理，降低熱處理能耗的作用；赤泥是一種鋁土礦提取氧化鋁后廢棄的尾礦，其主要成分為氧化鋁、氧化硅、氧化鈣、氧化鐵等組分，還含有少量的氧化鈦和氧化鈉等組分，其氧化鋁的含量往往比煤矸石高很多；煤矸石和赤泥按照一定比例混合可以生成以莫來石為主要成分的無機材料；氧化鋁與氧化硅體系的無機氧化物會形成莫來石相，莫來石是一種具有較高熔點的無機化合物，其熔點在1850℃以上，硅鋁氧化物體系是一個常見且優(yōu)良的耐火材料體系，同時碳酸鎂和碳酸鈣在高溫時會分解產(chǎn)生氧化鎂、氧化鈣和二氧化碳，生成的二氧化碳具有造孔的作用，氧化鎂、氧化鈣也是具有較高熔點的無機氧化物，與硅鋁系氧化物反應形成固溶體可以增進耐火材料的耐火度，但是由于硅鋁系氧化物和氧化鎂、氧化鈣等原料的反應溫度較高，使得耐火材料的合成溫度較高，能耗也很大，為了在不影響耐火度或較小影響耐火度的前提下適當降低合成溫度，因此在原料中再添加具有降低合成溫度的燒結助劑，氧化鈦是一些具有良好性能的燒結助劑，在少量添加的情況下即可以顯著的降低耐火材料的合成溫度，同時這幾種燒結助劑的加入也不會像鉀鈉系燒結助劑一樣對耐火度造成一個較大的影響。
作為優(yōu)選，赤泥為高鋁赤泥，其氧化鋁含量為26～28wt%，氧化硅含量為12～14wt%，氧化鈣含量為25～27wt%；煤矸石為高硅煤矸石，其氧化硅含量為48～50wt%，氧化鋁含量為13～15wt%。
作為優(yōu)選，造孔劑由以下重量份的原料組成：果糖20份，炭粉30～50份，聚乙烯微球40～60份，珍珠巖40～60份，七水硫酸鎂40～50份。
輕型耐火材料是由于其中具有較多的氣孔具有輕質隔熱的效果，現(xiàn)有技術中制備輕型耐火材料多使用單一的造孔劑，一般為木屑等較原始的造孔劑；單一的造孔劑，孔道形成的溫度單一，而且由于幾乎是在同一溫度區(qū)間形成孔道，也即為了在耐火材料中間形成氣孔，在同一溫度區(qū)間會排放大量的氣體，短時間內(nèi)大量氣體的沖擊會造成耐火材料結構變得特別松散，制得的耐火材料的機械強度很差；同時，現(xiàn)有技術中，有些造孔劑是在較低溫時就使耐火材料內(nèi)部形成孔道，但是溫度升高后，在高溫反應下這些孔道又會被封閉或者被填補，造成氣孔率下降，甚至耐火材料發(fā)生坍縮。因此本發(fā)明中采用復合的造孔劑，使得從100～800℃區(qū)間范圍內(nèi)不同階段都會有造孔劑產(chǎn)生氣體在耐火材料中形成氣孔，造孔劑分解氣體釋放更加的緩和，持續(xù)時間也更長，這樣就不會造成氣體在短時間內(nèi)釋放，避免了氣體沖擊導致的耐火材料結構特別松散的不利情形，也可以避免繼續(xù)高溫反應后氣孔被重新填補的情況。
這些造孔劑在整個高溫反應的不同時期發(fā)生分解放出不同種類的氣體，在100～150℃溫度時七水硫酸鎂失去結晶水，在300～450℃溫度時果糖炭化釋放水汽，在600～800℃溫度時聚乙烯微球發(fā)生熱分解放出氣體，果糖炭化后形成的炭和炭粉也在這個溫度區(qū)間發(fā)生反應放出氣體，失結晶水后的七水硫酸鎂也在這個溫度區(qū)間分解生成含硫氣體和氧化鎂，珍珠巖也在這個溫度區(qū)間開始分解，最后在1300～1400℃溫度區(qū)間內(nèi)，造孔劑中所有的高溫可分解物質完全分解產(chǎn)生氣體并完成燒結，所有物質變得穩(wěn)定。造孔劑中的多種物質在不同溫度發(fā)生程度不同的分解產(chǎn)生不同種類的氣體，使得制得的耐火材料中的氣孔更加豐富，孔徑的分布也更加多樣和均勻，而且在整個過程中產(chǎn)生氣體，發(fā)生造孔反應使得不會因反應溫度升高部分先生成的氣孔被重新填補的情況。
一種輕型耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除造孔劑外的原料中加入除造孔劑外原料重量3～4倍的無水乙醇，在轉速為2000～2500rpm下球磨2～4小時，然后再向其中加入造孔劑，在轉速為500～1000rpm下球磨2～4小時，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料模壓成型；
c）將模壓成型后的原料進行燒結，由室溫開始升溫，在100～150℃保溫20～40分鐘，在300～450℃保溫20～40分鐘，在600～800℃保溫60～80分鐘，在1300～1400℃燒結7～11小時，然后自然冷卻至室溫，制得輕型耐火材料初品；
d）將制得的輕型耐火材料初品，在鹽酸溶液中浸泡40～80分鐘，接著清洗烘干后制得輕型耐火材料。
兩步球磨法使除造孔劑外的原料更加的均勻細膩，改善燒結性能，也可以使得燒結而成的耐火材料在非孔區(qū)域更加的致密，增強強度；多溫度區(qū)間的燒結方法是配合造孔劑的種類，讓不同的造孔劑在各自的溫度范圍內(nèi)起到造孔的作用；最后的鹽酸溶液浸泡時為了除去顯氣孔內(nèi)殘存的、未燒結的氧化鈣等一些粉塵。
作為優(yōu)選，步驟b中模壓成型的壓力為8～10MPa。
作為優(yōu)選，步驟b中，原料經(jīng)10～12MPa模壓成型后再在14～16MPa下進行冷等靜壓成型，保壓時間為30～60秒。
作為優(yōu)選，步驟c中，各階段升溫速率都為8～10℃/min。
作為優(yōu)選，步驟d中鹽酸溶液的PH值為6.0～6.2。
因此，本發(fā)明具有以下有益效果：
（1）本發(fā)明中的耐火材料具有較低的體積密度，較大的氣孔率；
（2）本發(fā)明中的耐火材料還具有較高的可使用溫度和較高的耐壓強度；
（3）本發(fā)明中的耐火材料還具有較低的熱導率，具有良好的隔熱作用。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明。
實施例1
一種輕型耐火材料，由以下重量份的原料制得：赤泥680份，煤矸石180份，碳酸鈣70份，碳酸鎂54份，氧化鈦27份，碳酸鈉10份，造孔劑300份；
其中，造孔劑由以下重量份的原料組成：果糖20份，炭粉30份，聚乙烯微球40份，珍珠巖40份，七水硫酸鎂40份。
一種輕型耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除造孔劑外的原料中加入除造孔劑外原料重量3倍的無水乙醇，在轉速為2000rpm下球磨2小時，然后再向其中加入造孔劑，在轉速為500rpm下球磨2小時，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料模壓成型；
c）將模壓成型后的原料進行燒結，由室溫開始升溫，在100℃保溫20分鐘，在300℃保溫20分鐘，在600℃保溫60分鐘，在1300℃燒結7小時，然后自然冷卻至室溫，制得輕型耐火材料初品；
d）將制得的輕型耐火材料初品，在鹽酸溶液中浸泡40分鐘，接著清洗烘干后制得輕型耐火材料。
實施例2
一種輕型耐火材料，由以下重量份的原料制得：赤泥700份，煤矸石190份，碳酸鈣80份，碳酸鎂64份，氧化鈦32份，碳酸鈉15份，造孔劑400份；
其中，造孔劑由以下重量份的原料組成：果糖20份，炭粉40份，聚乙烯微球50份，珍珠巖50份，七水硫酸鎂45份。
一種輕型耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除造孔劑外的原料中加入除造孔劑外原料重量3.5倍的無水乙醇，在轉速為2200rpm下球磨3小時，然后再向其中加入造孔劑，在轉速為750rpm下球磨3小時，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料模壓成型；
c）將模壓成型后的原料進行燒結，由室溫開始升溫，在120℃保溫30分鐘，在380℃保溫30分鐘，在700℃保溫70分鐘，在1350℃燒結9小時，然后自然冷卻至室溫，制得輕型耐火材料初品；
d）將制得的輕型耐火材料初品，在鹽酸溶液中浸泡60分鐘，接著清洗烘干后制得輕型耐火材料。
實施例3
一種輕型耐火材料，由以下重量份的原料制得：赤泥720份，煤矸石200份，碳酸鈣90份，碳酸鎂74份，氧化鈦37份，碳酸鈉20份，造孔劑500份；
其中，造孔劑由以下重量份的原料組成：果糖20份，炭粉50份，聚乙烯微球60份，珍珠巖60份，七水硫酸鎂50份。
一種輕型耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除造孔劑外的原料中加入除造孔劑外原料重量4倍的無水乙醇，在轉速為2500rpm下球磨4小時，然后再向其中加入造孔劑，在轉速為1000rpm下球磨4小時，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料模壓成型；
c）將模壓成型后的原料進行燒結，由室溫開始升溫，在150℃保溫40分鐘，在450℃保溫40分鐘，在800℃保溫80分鐘，在1400℃燒結11小時，然后自然冷卻至室溫，制得輕型耐火材料初品；
d）將制得的輕型耐火材料初品，在鹽酸溶液中浸泡80分鐘，接著清洗烘干后制得輕型耐火材料。
實施例4
一種輕型耐火材料，由以下重量份的原料制得：赤泥680份，煤矸石200份，碳酸鈣70份，碳酸鎂54份，氧化鈦27份，碳酸鈉10份，造孔劑300份；赤泥為高鋁赤泥，其氧化鋁含量為26wt%，氧化硅含量為12wt%，氧化鈣含量為25wt%；煤矸石為高硅煤矸石，其氧化硅含量為48wt%，氧化鋁含量為13wt%；
其中，造孔劑由以下重量份的原料組成：果糖20份，炭粉30份，聚乙烯微球40份，珍珠巖40份，七水硫酸鎂40份。
一種輕型耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除造孔劑外的原料中加入除造孔劑外原料重量3倍的無水乙醇，在轉速為2000rpm下球磨2小時，然后再向其中加入造孔劑，在轉速為500rpm下球磨2小時，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料經(jīng)10MPa模壓成型后再在14MPa下進行冷等靜壓成型，保壓時間為30秒；
c）將模壓成型后的原料進行燒結，由室溫開始升溫，在100℃保溫20分鐘，在300℃保溫20分鐘，在600℃保溫60分鐘，在1300℃燒結7小時，然后自然冷卻至室溫，制得輕型耐火材料初品；各階段升溫速率都為8℃/min；
d）將制得的輕型耐火材料初品，在PH值為6.0的鹽酸溶液中浸泡40分鐘，接著清洗烘干后制得輕型耐火材料。
實施例5
一種輕型耐火材料，由以下重量份的原料制得：赤泥700份，煤矸石190份，碳酸鈣80份，碳酸鎂64份，氧化鈦32份，碳酸鈉15份，造孔劑400份；赤泥為高鋁赤泥，其氧化鋁含量為27wt%，氧化硅含量為13wt%，氧化鈣含量為26wt%；煤矸石為高硅煤矸石，其氧化硅含量為49wt%，氧化鋁含量為14wt%；
其中，造孔劑由以下重量份的原料組成：果糖20份，炭粉40份，聚乙烯微球50份，珍珠巖50份，七水硫酸鎂45份。
一種輕型耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除造孔劑外的原料中加入除造孔劑外原料重量3.5倍的無水乙醇，在轉速為2300rpm下球磨3小時，然后再向其中加入造孔劑，在轉速為800rpm下球磨3小時，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料經(jīng)11MPa模壓成型后再在15MPa下進行冷等靜壓成型，保壓時間為45秒；
c）將模壓成型后的原料進行燒結，由室溫開始升溫，在130℃保溫30分鐘，在380℃保溫30分鐘，在700℃保溫70分鐘，在1350℃燒結9小時，然后自然冷卻至室溫，制得輕型耐火材料初品；各階段升溫速率都為9℃/min；
d）將制得的輕型耐火材料初品，在PH值為6.1的鹽酸溶液中浸泡60分鐘，接著清洗烘干后制得輕型耐火材料。
實施例6
一種輕型耐火材料，由以下重量份的原料制得：赤泥720份，煤矸石200份，碳酸鈣90份，碳酸鎂74份，氧化鈦37份，碳酸鈉20份，造孔劑500份；赤泥為高鋁赤泥，其氧化鋁含量為28wt%，氧化硅含量為14wt%，氧化鈣含量為27wt%；煤矸石為高硅煤矸石，其氧化硅含量為50wt%，氧化鋁含量為15wt%；
其中，造孔劑由以下重量份的原料組成：果糖20份，炭粉50份，聚乙烯微球60份，珍珠巖60份，七水硫酸鎂50份。
一種輕型耐火材料的制備方法，包括以下步驟：
a）向除造孔劑外的原料中加入除造孔劑外原料重量4倍的無水乙醇，在轉速為2500rpm下球磨4小時，然后再向其中加入造孔劑，在轉速為1000rpm下球磨4小時，最后烘干；
b）將經(jīng)步驟a處理后的原料經(jīng)12MPa模壓成型后再在16MPa下進行冷等靜壓成型，保壓時間為60秒；
c）將模壓成型后的原料進行燒結，由室溫開始升溫，在150℃保溫40分鐘，在450℃保溫40分鐘，在800℃保溫80分鐘，在1400℃燒結11小時，然后自然冷卻至室溫，制得輕型耐火材料初品；各階段升溫速率都為10℃/min；
d）將制得的輕型耐火材料初品，在PH值為6.2的鹽酸溶液中浸泡80分鐘，接著清洗烘干后制得輕型耐火材料。
技術指標：
1.氣孔率45～50%；
2.體積密度1.2g/cm3及以下；
3.最高可使用溫度1300℃；
4.熱導率（1000℃環(huán)境下）：0.60W/（m·℃）
5.常溫耐壓強度：≥180MPa。