本發明涉及蓄熱材料技術領域，具體涉及一種致密化蓄熱鐵磚及其制備方法。
背景技術：
近年來，能源以及與之相關的環境成為了世界各國最為關注的熱點。對我國而言，工業部門能源消耗量占全國能源總量的70％左右，其中工業窯爐是我國耗能大戶，而能源利用率低是造成工業爐耗大的主要原因。蓄熱式換熱技術是21世界節能和環保最具有發展潛力的技術之一，通過蓄熱技術可以在用電谷底時用蓄熱材料進行蓄能，在用電高峰時放熱供暖，減輕電網的運行壓力。
特別是國家發改委發布了《關于做好2016年度煤炭消費減量替代有關工作的通知》，明確提出要促進煤炭高效清潔利用，強化燃煤鍋爐整治、農村散煤治理；推進“煤改電”，大力發展可再生能源，大幅削減散煤使用的要求等。而現有能夠用于電蓄熱行業的磚，并沒有專用的產品，只能借用玻璃窯爐使用的鎂磚、鎂碳磚、鎂鉻磚，其成本高，體積大，密度小，蓄熱量小，使電蓄熱窯爐的熱利用率低下，因此，影響此產業快速推進。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種致密化蓄熱鐵磚及其制備方法，蓄熱量高，能夠提高電蓄熱窯爐的熱利用率。
本發明為實現上述目的所采用的技術方案為：一種致密化蓄熱鐵磚，蓄熱鐵磚由原料為貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉、二氧化硅微粉和水壓制后燒結而成，各原料的重量百分比是：貧鐵礦粉40～70％、二氧化三鐵2～5％、高嶺土10～30％、氧化鎂7～20％、碳化硼2～5％、氮化硼3～5％、硅酸鈉5％和二氧化硅微粉3～5％，水的加入量為貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉和二氧化硅微粉的總重的2.5～4％，制備的蓄熱鐵磚中的三氧化二鐵和四氧化三鐵的總量不小于40％。
其中，高嶺土由200目的細粉和2～0.074mm粒度等級的顆粒組成，其中，2～0.074mm粒度等級的顆粒又分為2～1mm和1～0.074mm兩種粒度等級，200目、2～1mm和1～0.074mm三種等級的重量比為2～5：4～10：2～15。
一種致密化蓄熱鐵磚的制備方法，包括以下步驟：
步驟一、按照如上所述的重量百分比稱取各原料，將稱取的貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉和二氧化硅微粉混合均勻后，加入水再次混均，制得混合料，備用；
步驟二、將步驟一制得的混合料置于壓力機下壓制成型后，制得磚坯，備用；
步驟三、將磚坯晾干至其含水率低于6％，然后將磚坯置于隧道窯中燒制后，在8h內自然冷卻，制得蓄熱鐵磚。
其中，步驟二中壓制成型方法為：在800噸壓力機下壓制2～8min。
其中，步驟三中在隧道窯中燒制工藝為：以10～15℃的升溫速度升溫至350℃，并在該溫度下保溫24h，然后以10～15℃的升溫速度升溫至850～900℃，并在此升溫溫度下保持24h，然后以10～15℃的升溫速度升溫至1250℃，并在此升溫溫度下保持6～8h。
本發明通過調整蓄熱磚的原料配方，并對其各組成成分的粒度及配比進行優化，能夠使蓄熱磚組分中的顆粒料和細粉料之間結合形成致密均勻的組織結構，增強蓄熱磚的常溫和高溫強度。
有益效果：(1)、本發明中，原料中的高嶺土能夠在燒結過程中生成莫來石和游離的氧化硅，而游離的氧化硅能與部分的二氧化硅微粉發生反應，再次生成莫來石，均布于磚體中，起到增韌作用，提高磚體的密度。同時，反應生成莫來石，伴隨著體積膨脹，可抵消壓蠕變時的壓縮，磚體中生成的莫來石交錯網絡結構，也有利于提高高溫抗蠕變性。
(2)、高嶺土由細粉和顆粒組成，細粉較易反應，而顆粒轉化速度慢，二者的顆粒級配能夠保持未完全莫來石化，形成莫來石潛能，即莫來石化是一個持續的過程，該持續的莫來石化過程能夠補償磚體因受應力作用產生的體積收縮，提高其高溫性能。轉化成莫來石能夠與其它原料形成交織結構，結合牢固，當原料制品由于熱應力和其它機械應力而發生斷裂時，能夠起到橋接增韌的作用，提高原料制品的抗熱震性。本發明的原料中添加碳化硼、氮化硼，與磚體中生成的莫來石質協同，磚體低導熱，在加大噴煤量的同時，能夠最大限度的使用高風溫，避免熱能流失，該磚體能夠提高熱風裝置的蓄熱能力，延長其使用壽命。
(3)、由于貧鐵礦粉密度在5～6g/cm3之間，隨著添加的其它成份密度可以在3.5～6g/cm3之間，其中，蓄熱用磚含三氧化二鐵、四氧化三鐵的量不小于40％，本發明制得的蓄熱磚的密度高達5.5g/cm3，而現有技術應用的其它蓄熱磚密度在2.0～2.9g/cm3之間。
具體實施方式
為使本發明實現的技術手段、創作特征以及達成的目的便于理解，下面結合具體實施例，進一步闡述本發明，但本發明所要求保護的范圍并不局限于具體實施方式中所描述的范圍。
一種致密化蓄熱鐵磚，蓄熱鐵磚由原料為貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉、二氧化硅微粉和水壓制后燒結而成，各原料的重量百分比是：貧鐵礦粉40～70％、二氧化三鐵2～5％、高嶺土10～30％、氧化鎂10～20％、碳化硼2～5％、氮化硼3～5％、硅酸鈉5％和二氧化硅微粉3～5％，水的加入量為貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉和二氧化硅微粉的總重的2.5～4％，制備的蓄熱鐵磚中的三氧化二鐵和四氧化三鐵的總量不小于40％。
優選的，高嶺土由200目的細粉和2～0.074mm粒度等級的顆粒組成，其中，2～0.074mm粒度等級的顆粒又分為2～1mm和1～0.074mm兩種粒度等級，200目、2～1mm和1～0.074mm三種等級的重量比為2～5：4～10：2～15。優選的，碳化硼和氮化硼的其粒度≤20nm；al2o3微粉的粒度為1～10微米。
實施例1
一種致密化蓄熱鐵磚的制備方法，包括以下步驟：步驟一、按照重量百分比稱取各原料，其中：貧鐵礦粉70％、二氧化三鐵2％、200目高嶺土細粉2％、2～1mm高嶺土顆粒4％、1～0.074mm高嶺土顆粒2％、氧化鎂7％、碳化硼2％、氮化硼3％、硅酸鈉5％和二氧化硅微粉3％，水的加入量為貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉和二氧化硅微粉的總重的4％，然后將稱取的貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉和二氧化硅微粉混合均勻后，加入水再次混均，制得混合料，備用；
步驟二、將步驟一制得的混合料置于800噸壓力機下壓制2～8min成型后，制得磚坯，備用；
步驟三、將磚坯晾干至其含水率低于6％，然后將磚坯置于隧道窯中燒制后，在8h內自然冷卻，制得蓄熱鐵磚；在隧道窯中燒制工藝為：以15℃的升溫速度升溫至350℃，并在該溫度下保溫24h，然后以15℃的升溫速度升溫至900℃，并在此升溫溫度下保持24h，然后以15℃的升溫速度升溫至1250℃，并在此升溫溫度下保持8h。制備的蓄熱鐵磚中的三氧化二鐵和四氧化三鐵的總量不小于40％。
實施例2
一種致密化蓄熱鐵磚的制備方法，包括以下步驟：步驟一、按照重量百分比稱取各原料，其中：貧鐵礦粉40％、二氧化三鐵3％、200目高嶺土細粉2％、2～1mm高嶺土顆粒10％、1～0.074mm高嶺土顆粒5％、氧化鎂20％、碳化硼5％、氮化硼5％、硅酸鈉5％和二氧化硅微粉5％，水的加入量為貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉和二氧化硅微粉的總重的4％，然后將稱取的貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉和二氧化硅微粉混合均勻后，加入水再次混均，制得混合料，備用；
步驟二、將步驟一制得的混合料置于800噸壓力機下壓制2～8min成型后，制得磚坯，備用；
步驟三、將磚坯晾干至其含水率低于6％，然后將磚坯置于隧道窯中燒制后，在8h內自然冷卻，制得蓄熱鐵磚；在隧道窯中燒制工藝為：以10℃的升溫速度升溫至350℃，并在該溫度下保溫24h，然后以10℃的升溫速度升溫至850℃，并在此升溫溫度下保持24h，然后以10℃的升溫速度升溫至1250℃，并在此升溫溫度下保持6h。制備的蓄熱鐵磚中的三氧化二鐵和四氧化三鐵的總量不小于40％。
實施例3
一種致密化蓄熱鐵磚的制備方法，包括以下步驟：步驟一、按照重量百分比稱取各原料，其中：貧鐵礦粉50％、二氧化三鐵5％、200目高嶺土細粉5％、2～1mm高嶺土顆粒7％、1～0.074mm高嶺土顆粒2％、氧化鎂15％、碳化硼3％、氮化硼4％、硅酸鈉5％和二氧化硅微粉4％，水的加入量為貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉和二氧化硅微粉的總重的3.5％，然后將稱取的貧鐵礦粉、三氧化二鐵、高嶺土、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硅酸鈉和二氧化硅微粉混合均勻后，加入水再次混均，制得混合料，備用；
步驟二、將步驟一制得的混合料置于800噸壓力機下壓制2～8min成型后，制得磚坯，備用；
步驟三、將磚坯晾干至其含水率低于6％，然后將磚坯置于隧道窯中燒制后，在8h內自然冷卻，制得蓄熱鐵磚；在隧道窯中燒制工藝為：以13℃的升溫速度升溫至350℃，并在該溫度下保溫24h，然后以13℃的升溫速度升溫至890℃，并在此升溫溫度下保持24h，然后以13℃的升溫速度升溫至1250℃，并在此升溫溫度下保持7.5h。制備的蓄熱鐵磚中的三氧化二鐵和四氧化三鐵的總量不小于40％。
按照國家致密耐火材料制品標準進行顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強度、高溫抗折強度(1400℃×0.5h)、燒后線變化率(1550℃×3h)等項目檢測。抗熱震性是以160×40×40mm的樣條放入1100℃的熱震爐內，保溫20min，取出后風冷15min，反復重復這一過程3次，測試熱震后的殘余強度，以殘余強度保持率作為抗熱震性好壞的量度。抗氧化性的測試是將制品置于電爐內，在空氣氣氛中加熱至1550℃，保溫3h，冷卻至室溫后沿縱向切成兩半，測量其脫碳層厚度。其測試結果見表1所示：
表1實施例1～3制品性能測試結果
由表1可知，實施例1～3制得的蓄熱磚的熱震殘余強度保持率、抗氧化性、常溫耐壓強度和高溫抗折強度都較高，這是由于碳化硼具有熔點高、熱穩定性好的特點，在磚體中起到定型作用，使磚體具有較好的耐壓強度。同時，磚體中的組分在高溫下可發生原位反應生成si3n4、si2n2o、sialon等非氧化物增強相，能夠提高蓄熱磚的熱態強度、熱震穩定性和蓄熱性。非氧化物增強相的協同效果，使磚體內部形成均勻分布的連通氣孔，保證空氣在其中順暢流通，提高磚體的換熱效率。