一种硫酸钠耐火材料

1.本发明涉及耐火材料技术领域，具体为一种硫酸钠耐火材料。


背景技术：

2.蓄热材料是一种能够储存热能的新型化学材料，能在较高温度下，将热能进行储存，在需要的时候再释放出来，从而可以提高能源的利用率。耐火材料是一种适用于高温环境下使用的材料，广泛应用于冶金、化工、石油、机械制造等产业。目前，工业窑炉在冶金、化工等行业应用较为广泛，其耗能巨大，若将高温热处理之后的工业窑炉中热能进行蓄热回收，将较大限度的节约能源。目前，工业窑炉多采用黏土、刚玉、莫来石、碳化硅等材质进行建造，这些材质的蓄热性能都不是很好。当前，已经开发的蓄热物质有熔盐类物质，但与熔盐类物质相比，硫酸钠的蓄热能力更强，是一种理想的蓄热材料，且其成本较低、潜热密度大、性能稳定。基于硫酸钠的上述优点，本发明提供一种可用于工业窑炉蓄热的硫酸钠耐火材料。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种硫酸钠耐火材料，通过加入硫酸钠相变材料，有效提高耐火材料在使用过程中的耐火度和蓄热能力。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种硫酸钠耐火材料，包括外部的防裂层，以及设置于所述防裂层内部的耐火层；所述防裂层包括如下重量组分：碳化硅10-13份、纳米活性炭2-2.5份、硝酸3-3.5份、硝酸铜6-7份、去离子水6-12份、活性炭3-5份、水泥10-20份、细砂料8-11份、防爆纤维2-8份、膨胀剂2-3份；所述耐火层包括如下重量组分：硫酸钠16-21份、碳化硅20-32份、氧化铝 18-28份，液体结合剂8-12份、玻璃纤维3-7份、防爆纤维3-5份、耐火填料10-13份。
5.进一步地，所述耐火材料中设置多个用于连接所述耐火层和防裂层的加强筋。
6.进一步地，所述液体结合剂为硅溶胶溶液和磷酸铝。
7.进一步地，所述耐火填料为氧化锌、氧化镁、氧化钙、二氧化钛、硅酸铝、硅灰石、高岭土、硅藻土中的一种或多种。
8.进一步地，所述耐火材料的制备方法包括如下步骤：s1：制备防裂层混合料：s11：将纳米活性炭和硝酸溶液置于反应釜中加热至90-100℃，在该温度下保温15-20min，待冷却到室温，进行过滤并烘干，得改性后纳米活性炭；s12：将改性后纳米活性炭和硝酸铜溶液加入反应釜中，用超声波超声25-30h，超声过程中以150-200r/min的转速进行搅拌；超声波超声后静置3-5小时，静置后进行过滤，将滤渣置于100-110℃烘箱干燥15-18h，得到铜离子-纳米活性炭；s13：将包含有铜离子的纳米活性炭与活性炭纤维进行混合，并置于200-250℃温
度下焙烧4-5h，得到氧化铜-纳米活性炭；s14：将氧化铜-纳米活性炭、碳化硅、去离子水、水泥、细砂料、防爆纤维、膨胀剂混匀即可得到防裂层混合料；s2：制备耐火层混合料：s21：将碳化硅、氧化铝、玻璃纤维、耐火填料、防爆纤维按照配比搅拌混合均匀，得混合物；s22：向步骤s1中得到的混合物中分批次加入硫酸钠，一边加入一边搅拌；加入完成后再分批次加入液体结合剂，混合均匀后得到耐火层混合料；s3：将步骤s2中耐火层混合料用模具压制成型，干燥后在其外面裹一层防裂层混合料，待防裂层干燥后将其放入炉内进行升温烧结，当温度达到1460℃时，停止加热，使炉内自然降温至100℃，即得耐火材料成品；炉内温度升温过程中，在100℃、300℃、500℃、700℃、900℃的温度节点均保温3-4h后再继续进行升温。
9.进一步地，所述步骤s11中的过滤采用抽滤，并用去离子水进行清洗抽滤3-4次，过滤后放入90-100℃烘箱中烘干18-20h。
10.进一步地，所述步骤s3中防裂层的厚度为2-3.5cm，炉内升温速率为10℃/min。
11.进一步地，加强筋在步骤s3中加入，当耐火层混合料用模具压制成型后，插入加强筋，干燥成型，再裹一层防裂层混合料，并将加强筋完全覆盖。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）本发明提供的耐火材料包括外部的防裂层以及内部的耐火层，防裂层对内部耐火层有保护的作用，耐火层包括硫酸钠和碳化硅，硫酸钠和碳化硅在高温下具有很好的相容性，且硫酸钠可以聚集在碳化硅上形成稳定的结构，使得耐火层的性能稳定，从而提高耐火度；另外硫酸钠是一种储热性能优异的材料，将其加入到耐火层，可有效提高耐火材料的蓄热能力，使其运用于工业窑炉时，可以最大程度的做到热能回收。
13.（2）本发明在耐火材料的表面设置防裂层，该防裂层中含有纳米活性炭，并将该纳米活性炭用硝酸铜进行处理，使得铜离子存在于纳米活性炭的微孔中，微孔中的铜离子与空气中的氧气一接触即可氧化为氧化铜，纳米活性炭具有较好的耐磨性，而氧化铜则具有较好的耐腐蚀性，氧化铜与纳米活性炭的结合可延长防裂层的使用寿命，更好的保护其内部的耐火层。
14.（3）本发明提供的耐火材料在制备过程中，先制备内部的耐火层，然后在耐火层的外面包裹防裂层，可通过防裂层自身的粘性将其粘接在耐火层表面，也可借助加强筋进行固定；本发明在防裂层中加入碳化硅，碳化硅在高温环境下，耐火层表面的硫酸钠可以聚集在该碳化硅上，进一步加强耐火层和防裂层的粘结强度。
具体实施方式
15.下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
16.实施例1本实施例提供一种硫酸钠耐火材料，包括外部的防裂层，以及设置于所述防裂层内部的耐火层；防裂层对耐火层有保护的作用，具有耐磨性以及腐蚀性。
17.所述防裂层包括如下重量组分：碳化硅10份、纳米活性炭2份、硝酸3份、硝酸铜6份、去离子水6份、活性炭3份、水泥10份、细砂料8份、防爆纤维2份、膨胀剂2份；所述耐火层包括如下重量组分：硫酸钠16份、碳化硅20份、氧化铝 18份，液体结合剂8份、玻璃纤维3份、防爆纤维3份、耐火填料10份。其中液体结合剂为硅溶胶溶液和磷酸铝；耐火填料为氧化锌、氧化镁、氧化钙、二氧化钛、硅酸铝、硅灰石、高岭土、硅藻土中的一种或多种。
18.为了让防裂层和耐火层更加牢固的粘结在一起，在防裂层和耐火层之间设置多个加强筋。
19.本实施例中耐火层包括硫酸钠和碳化硅，硫酸钠和碳化硅在高温下具有很好的相容性，且硫酸钠可以聚集在碳化硅上形成稳定的结构，使得耐火层的性能稳定；另外硫酸钠是一种储热性能优异的材料，将其加入到耐火层，可有效提高耐火材料的蓄热能力。防裂层包含有纳米活性炭和铜离子，纳米活性炭经过硝酸改性，使得其微孔变大，再加入硝酸铜，使铜离子存在于纳米活性炭的微孔中，铜离子又可与氧气反应生成氧化铜，最终获得含有氧化铜的纳米活性炭，使得防裂层具有耐磨性以及抗腐蚀性。另外防裂层还含有碳化硅，耐火层的硫酸钠可沉积在该碳化硅上，进一步加强防裂层与耐火层之间的粘结。
20.用上述组分制备耐火材料，包括如下步骤：s1：制备防裂层混合料：s11：将纳米活性炭和硝酸溶液置于反应釜中加热至90℃，在该温度下保温15min，待冷却到室温，进行过滤，此处采用抽滤，并用去离子水进行清洗抽滤3次，抽滤后放入烘箱烤干，烘箱温度设置为90℃，烘干时间为18h，烘干后得改性后纳米活性炭；s12：将改性后纳米活性炭和硝酸铜溶液加入反应釜中，用超声波超声25-30h，超声过程中以150-200r/min的转速进行搅拌；超声波超声后静置3-5小时，静置后进行过滤，将滤渣置于100-110℃烘箱干燥15-18h，得到铜离子-纳米活性炭；s13：将包含有铜离子的纳米活性炭与活性炭纤维进行混合，并置于200℃温度下焙烧4h，得到氧化铜-纳米活性炭；s14：将氧化铜-纳米活性炭、碳化硅、去离子水、水泥、细砂料、防爆纤维、膨胀剂混匀即可得到防裂层混合料；s2：制备耐火层混合料：s21：将碳化硅、氧化铝、玻璃纤维、耐火填料、防爆纤维按照配比搅拌混合均匀，得混合物；s22：向将步骤s1中得到的混合物中分批次加入硫酸钠，一边加入一边搅拌；加入完成后再分批次加入液体结合剂，混合均匀后得到耐火层混合料；s3：将步骤s2中耐火层混合料用模具压制成型，干燥后在其外面裹一层防裂层混合料，防裂层的厚度为2cm，待防裂层干燥后将其放入炉内进行烧结，炉内升温速率为10℃/min，直至升温至1460℃，当温度分别达到100℃、300℃、500℃、700℃、900℃的温度节点时，进行保温3h，再继续升温，当温度达到1460℃时，停止加热，使炉内自然降温至100℃，即得耐火材料成品。
21.如果要在上述耐火材料中加入加强筋，则在步骤s3中加入，当耐火层混合料用模具压制成型后，插入加强筋，干燥成型，再裹一层防裂层混合料，并将加强筋完全覆盖。
22.实施例2本实施例提供一种硫酸钠耐火材料，包括外部的防裂层, 以及设置于所述防裂层内部的耐火层。
23.所述防裂层包括如下重量组分：碳化13份、纳米活性炭2.5份、硝酸3.5份、硝酸铜7份、去离子水12份、活性炭5份、水泥20份、细砂料11份、防爆纤维8份、膨胀剂3份；所述耐火层包括如下重量组分：硫酸钠21份、碳化硅32份、氧化铝 28份，液体结合剂12份、玻璃纤维7份、防爆纤维5份、耐火填料13份。其中液体结合剂为硅溶胶溶液和磷酸铝；耐火填料为氧化锌、氧化镁、氧化钙、二氧化钛、硅酸铝、硅灰石、高岭土、硅藻土中的一种或多种。
24.为了让防裂层和耐火层更加牢固的粘结在一起，在防裂层和耐火层之间设置多个加强筋。
25.用上述组分制备耐火材料，包括如下步骤：s1：制备防裂层混合料：s11：将纳米活性炭和硝酸溶液置于反应釜中加热至100℃，在该温度下保温20min，待冷却到室温，进行过滤，此处采用抽滤，并用去离子水进行清洗抽滤4次，抽滤后放入烘箱烤干，烘箱温度设置为100℃，烘干时间为20h，烘干后得改性后纳米活性炭；s12：将改性后纳米活性炭和硝酸铜溶液加入反应釜中，超声30h，超声过程中以200r/min的转速进行搅拌；超声后静置5小时进行过滤后，置于110℃烘箱干燥18h，得到铜离子-纳米活性炭；s13：将包含有铜离子的纳米活性炭与活性炭纤维进行混合，并置于250℃温度下焙烧5h，得到氧化铜-纳米活性炭；s14：将氧化铜-纳米活性炭、碳化硅、去离子水、水泥、细砂料、防爆纤维、膨胀剂混匀即可得到防裂层混合料；s2：制备耐火层混合料：s21：将碳化硅、氧化铝、玻璃纤维、耐火填料、防爆纤维按照配比搅拌混合均匀，得混合物；s22：向将步骤s1中得到的混合物中分批次加入硫酸钠，一边加入一边搅拌；加入完成后再分批次加入液体结合剂，混合均匀后得到耐火层混合料；s3：将步骤s2中耐火层混合料用模具压制成型，干燥后在其外面裹一层防裂层混合料，防裂层的厚度为3.5cm，待防裂层干燥后将其放入炉内进行烧结，炉内升温速率为10℃/min，直至升温至1460℃，当温度分别达到100℃、300℃、500℃、700℃、900℃的温度节点时，进行保温4h，再继续升温，当温度达到1460℃时，停止加热，使炉内自然降温至100℃，即得耐火材料成品。
26.如果要在上述耐火材料中加入加强筋，则在步骤s3中加入，当耐火层混合料用模具压制成型后，插入加强筋，干燥成型，再裹一层防裂层混合料，并将加强筋完全覆盖。
27.实施例3本实施例提供一种硫酸钠耐火材料，包括外部的防裂层, 以及设置于所述防裂层内部的耐火层。
28.所述防裂层包括如下重量组分：碳化硅12份、纳米活性炭2.2份、硝酸3.3份、硝酸铜6.5份、去离子水8份、活性炭4、水泥15份、细砂料10份、防爆纤维5份、膨胀剂2.5份；
所述耐火层包括如下重量组分：硫酸钠18份、碳化硅27份、氧化铝 24份，液体结合剂10份、玻璃纤维5份、防爆纤维4份、耐火填料11份。其中液体结合剂为硅溶胶溶液和磷酸铝；耐火填料为氧化锌、氧化镁、氧化钙、二氧化钛、硅酸铝、硅灰石、高岭土、硅藻土中的一种或多种。
29.为了让防裂层和耐火层更加牢固的粘结在一起，在防裂层和耐火层之间设置多个加强筋。
30.用上述组分制备耐火材料，包括如下步骤：s1：制备防裂层混合料：s11：将纳米活性炭和硝酸溶液置于反应釜中加热至95℃，在该温度下保温18min，待冷却到室温，进行过滤，此处采用抽滤，并用去离子水进行清洗抽滤4次，抽滤后放入烘箱烤干，烘箱温度设置为95℃，烘干时间为19h，烘干后得改性后纳米活性炭；s12：将改性后纳米活性炭和硝酸铜溶液加入反应釜中，超声28h，超声过程中以180r/min的转速进行搅拌；超声后静置4小时进行过滤后，置于105℃烘箱干燥17h，得到铜离子-纳米活性炭；s13：将包含有铜离子的纳米活性炭与活性炭纤维进行混合，并置于240℃温度下焙烧4h，得到氧化铜-纳米活性炭；s14：将氧化铜-纳米活性炭、碳化硅、去离子水、水泥、细砂料、防爆纤维、膨胀剂混匀即可得到防裂层混合料；s2：制备耐火层混合料：s21：将碳化硅、氧化铝、玻璃纤维、耐火填料、防爆纤维按照配比搅拌混合均匀，得混合物；s22：向将步骤s1中得到的混合物中分批次加入硫酸钠，一边加入一边搅拌；加入完成后再分批次加入液体结合剂，混合均匀后得到耐火层混合料；s3：将步骤s2中耐火层混合料用模具压制成型，干燥后在其外面裹一层防裂层混合料，防裂层的厚度为3cm，待防裂层干燥后将其放入炉内进行烧结，炉内升温速率为10℃/min，直至升温至1460℃，当温度分别达到100℃、300℃、500℃、700℃、900℃的温度节点时，进行保温3h，再继续升温，当温度达到1460℃时，停止加热，使炉内自然降温至100℃，即得耐火材料成品。
31.如果要在上述耐火材料中加入加强筋，则在步骤s3中加入，当耐火层混合料用模具压制成型后，插入加强筋，干燥成型，再裹一层防裂层混合料，并将加强筋完全覆盖。
32.对上述三个实施例进行性能测试，结果如下表：对上述三个实施例进行性能测试，通过本发明制备出的耐火材料，具有较好的耐火度，最高可达1585℃，完全满足工业窑炉的使用需求，另外该耐火材料还具有优异的蓄热
能力和抗压能力。
33.上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种硫酸钠耐火材料，其特征在于，包括外部的防裂层，以及设置于所述防裂层内部的耐火层；所述防裂层包括如下重量组分：碳化硅10-13份、纳米活性炭2-2.5份、硝酸3-3.5份、硝酸铜6-7份、去离子水6-12份、活性炭3-5份、水泥10-20份、细砂料8-11份、防爆纤维2-8份、膨胀剂2-3份；所述耐火层包括如下重量组分：硫酸钠16-21份、碳化硅20-32份、氧化铝 18-28份，液体结合剂8-12份、玻璃纤维3-7份、防爆纤维3-5份、耐火填料10-13份。2.根据权利要求1所述的一种硫酸钠耐火材料，其特征在于，所述耐火材料中设置多个用于连接所述耐火层和防裂层的加强筋。3.根据权利要求2所述的一种硫酸钠耐火材料，其特征在于，所述液体结合剂为硅溶胶溶液和磷酸铝。4.根据权利要求1或2或3所述的一种硫酸钠耐火材料，其特征在于，所述耐火填料为氧化锌、氧化镁、氧化钙、二氧化钛、硅酸铝、硅灰石、高岭土、硅藻土中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的一种硫酸钠耐火材料，其特征在于，所述耐火材料的制备方法包括如下步骤：s1：制备防裂层混合料：s11：将纳米活性炭和硝酸溶液置于反应釜中加热至90-100℃，在该温度下保温15-20min，待冷却到室温，进行过滤并烘干，得改性后纳米活性炭；s12：将改性后纳米活性炭和硝酸铜溶液加入反应釜中，用超声波超声25-30h，超声过程中以150-200r/min的转速进行搅拌；超声波超声后静置3-5小时，静置后进行过滤，将滤渣置于100-110℃烘箱干燥15-18h，得到铜离子-纳米活性炭；s13：将包含有铜离子的纳米活性炭与活性炭纤维进行混合，并置于200-250℃温度下焙烧4-5h，得到氧化铜-纳米活性炭；s14：将氧化铜-纳米活性炭、碳化硅、去离子水、水泥、细砂料、防爆纤维、膨胀剂混匀即可得到防裂层混合料；s2：制备耐火层混合料：s21：将碳化硅、氧化铝、玻璃纤维、耐火填料、防爆纤维按照配比搅拌混合均匀，得混合物；s22：向步骤s1中得到的混合物中分批次加入硫酸钠，一边加入一边搅拌；加入完成后再分批次加入液体结合剂，混合均匀后得到耐火层混合料；s3：将步骤s2中耐火层混合料用模具压制成型，干燥后在其外面裹一层防裂层混合料，待防裂层干燥后将其放入炉内进行升温烧结，当温度达到1460℃时，停止加热，使炉内自然降温至100℃，即得耐火材料成品；炉内温度升温过程中，在100℃、300℃、500℃、700℃、900℃的温度节点均保温3-4h后再继续进行升温。6.根据权利要求5所述的一种硫酸钠耐火材料，其特征在于，所述步骤s11中的过滤采用抽滤，并用去离子水进行清洗抽滤3-4次，过滤后放入90-100℃烘箱中烘干18-20h。7.根据权利要求5所述的一种硫酸钠耐火材料，其特征在于，所述步骤s3中防裂层的厚度为2-3.5cm，炉内升温速率为10℃/min。8.根据权利要求5所述的一种硫酸钠耐火材料，其特征在于，加强筋在步骤s3中加入，
当耐火层混合料用模具压制成型后，插入加强筋，干燥成型，再裹一层防裂层混合料，并将加强筋完全覆盖。

技术总结
本发明公开了一种硫酸钠耐火材料，涉及耐火材料技术领域，包括外部的防裂层，以及设置于所述防裂层内部的耐火层；所述防裂层包括如下重量组分：碳化硅10-13份、纳米活性炭2-2.5份、硝酸3-3.5份、硝酸铜6-7份、去离子水6-12份、活性炭3-5份、水泥10-20份、细砂料8-11份、防爆纤维2-8份、膨胀剂2-3份；所述耐火层包括如下重量组分：硫酸钠16-21份、碳化硅20-32份、氧化铝18-28份，液体结合剂8-12份、玻璃纤维3-7份、防爆纤维3-5份、耐火填料10-13份。本发明通过加入硫酸钠相变材料，有效提高耐火材料在使用过程中的耐火度和蓄热能力。使用过程中的耐火度和蓄热能力。


技术研发人员：方嘉淇 银花 孙武斌 王睿怀 李秀成 刘斌 张玉洁
受保护的技术使用者：内蒙古建筑职业技术学院(内蒙古自治区建筑职工培训中心)
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/7/22