一种含石墨烯的高性能无水炮泥及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种含石墨烯的高性能无水炮泥及其制备方法，包括以下步骤：步骤一：预备料，称量所需原料和外加料，原料包含特级矾土、焦炭、碳化硅、沥青、结合粘土、绢云母、石墨烯，外加料包括金属硅和石墨烯用抗氧化剂；步骤二：将称量好的料与结合剂充分混合；步骤三：将混合均匀的料用挤泥机制成成品装袋保存。应用本发明专利技术的技术方案，具有以下效果：(1)制备步骤精简，适合工业化生产；(2)加入石墨烯能降低焦炭、沥青等常规碳质材料用量，在高温环境中使用时能减少有毒致癌烟气的产生；(3)石墨烯具有非常高的结构强度，其加入能有效提高无水炮泥的结构强度、耐冲刷性、抗热震性能以及抗侵蚀性能。

A high performance anhydrous clay containing graphene and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种含石墨烯的高性能无水炮泥及其制备方法
本专利技术涉及高炉出铁口炮泥
，具体涉及一种含石墨烯的高性能无水炮泥及其制备方法。
技术介绍
高炉炮泥是出铁间歇期用来封堵高炉出铁口，防止铁水和熔渣流出的一种耐火材料，同时还有保护铁口区炉墙和炉底的作用，其主要由耐火骨料和结合剂制备而成。高炉炮泥分为有水泡泥和无水炮泥两类。有水泡泥主要由矾土熟料、焦粉、粘土及焦油沥青为主要原料，采用水作为结合剂搅拌而成，但其强度较小、高温热导率偏低、抗化学侵蚀能力不够、易出现潮铁口现象，常用于中小型单铁口高炉。无水炮泥一般由刚玉、碳质材料、粘土、碳化硅为主要原料，以焦油树脂作为结合剂，其高温强度和理化性能均大大优于有水炮泥。随着高炉冶炼技术向大型化发展，铁水温度更高，通铁量增加，通铁时间延长，出铁间隔时间短，渣铁氧化性增强，使得高温铁水和熔渣对出铁口的冲刷和磨损增加，这对出铁口炮泥中高温强度、出铁口深度、抗侵蚀性、打泥操作性以及开口性都提出了更加苛刻的要求。目前大型高炉炮泥多趋向于往无水炮泥的方向发展，无水炮泥具有良好的高温强度、抗冲刷性及抗渣铁侵蚀性等。其中刚玉骨料作为主要原料，维持了无水炮泥的基本结构强度；碳化硅具有热导率高、耐磨的特点，加入到无水炮泥中，可提高炮泥的耐火度、热震稳定性及抗渣铁侵蚀性；碳质材料由于其高的导热性和不被渣铁水润湿的性质，加入无水炮泥中可提高其高温强度和耐冲刷性，并且其还原性可保护炮泥中其他材料不被氧化，提高使用寿命；结合剂则主要起到粘结无水炮泥各配料的作用，使其具有较好的塑性和常温强度，易于打泥操作。现用无水炮泥中使用的碳质材料多为焦炭和沥青。焦粉的特点是气孔率高、体积稳定性好，能够提高炮泥的透气性，利于炮泥挥发分的排除，防止使用时发生爆裂；其部分成分加热软化后渗入无水炮泥孔隙，阻止熔渣向内部渗透，可提高炮泥的抗侵蚀性能，且其导热性能好、荷重变形温度高。但焦粉加入量少时，炮泥透气性差，容易引起潮铁口，而加入量多时，会造成炮泥性能变差，强度下降。沥青加入到炮泥中其中部分物质能溶于焦油类结合剂中，增加了无水炮泥的塑形，有利于无水炮泥的生产和打泥作业，且沥青在高温下可以结焦形成网络状残炭结构，可提升材料的高温强度和抗侵蚀性。但沥青加入量过多则会因挥发而降低材料的高温性能；且沥青含有苯并芘，在高温使用过程中苯并芘会产生易致癌的黄色浓烟，对操作人员的健康产生威胁，不符合减小环境污染的要求。由于焦粉和沥青作为碳质材料加入无水炮泥中存在一些不足，研究人员一直在探索以其它形式将碳质引入到无水炮泥中。如“高炉出铁口无水炮泥”(CN1840507)专利技术，公开了用炭黑作为碳质材料引入炮泥中，炮泥的塑形得到一定的改善，易于从泥炮中挤入铁口，且其抗冲刷性和抗渣铁侵蚀性大大加强，但是其中高温强度提升不明显；“一种高炉无水炮泥及其生产设备”(CN105237000A)专利技术，公开了将石墨加入炮泥中，提高无水炮泥的开口性和抗侵蚀性，但其中高温强度同样提升不明显。因此行业内急需寻找一种中高温强度高、抗冲刷性好、易于打泥作业、适用于大通铁量高炉的无水炮泥。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种含石墨烯的高性能无水炮泥及其制备方法，包括以下步骤：步骤一：预备料，具体是：将原料和外加料按质量称量好，分别放置，以备使用，其中，以质量百分数计原料包含以下组分：特级矾土15-50％焦炭10-19％碳化硅10-25％沥青5-15％结合粘土10-20％绢云母1-5％石墨烯0.01-1％；所述外加料包括所述原料总重量0.1-2％的金属硅以及所述原料中石墨烯总重量10-20％的石墨烯用抗氧化剂；步骤二：混料，具体是：将特级矾土、焦炭、碳化硅、沥青、先加入具有加热功能的混碾机中加热至50℃，干混5min得A料；取所述原料总重量13-20％的结合剂预热至50℃，先加入60-80％所取结合剂至A料中，湿碾5min得B料；再加入结合粘土、绢云母、石墨烯、金属硅、石墨烯用抗氧化剂和剩余结合剂至B料中，湿碾10min，得到C料。步骤三：制品成型，将上述所得C料在混碾机中继续湿碾10min中后出料，置入挤泥机中，按生产需求从挤泥机中挤出，制成不同形状的炮泥后装入防水塑料袋静置24h即为所得含石墨烯的高性能无水炮泥。以上技术方案中优选的，所述石墨烯用抗氧化剂为，二硼化镁、二硼化锆以及碳化硼中的至少一种；所述结合剂为焦油和蒽油中的至少一种。以上技术方案中优选的，所述特级矾土中三氧化二铝的质量含量大于等于85％，其粒度为小于等于3mm；所述焦炭中碳的质量含量大于等于80％，其粒度为小于等于3mm；所述碳化硅中碳化硅的质量含量大于等于97％，其粒度小于等于1mm；所述沥青中碳的质量含量大于等于50％，其粒度为小于等于1mm；所述结合粘土其粒度小于等于0.074mm；所述绢云母其粒度小于等于0.074mm；所述石墨烯中碳的质量含量大于等于95％，其粒度小于等于5μm；所述金属硅中硅的质量含量大于等于97％，其粒度为小于等于0.074mm。以上技术方案中优选的，所述步骤二以及步骤三中的干混和湿碾的搅拌速率均为25-30r/Min。石墨烯是指紧密堆积成二维蜂窝状结构的单层碳原子，厚度为0.34nm，自从2004年Geim等人发现稳定存在的单层石墨烯结构以来，因其具有良好的导电性、较高的热导率、优异的透光性以及力学性能，在微电子、量子物理、材料、化学等领域都表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景。石墨烯的蜂窝状晶格是由两个等价的亚晶格组成，其中的碳原子之间通过sp2杂化轨道形成σ键结合。晶格中的每个碳原子还有一个π轨道，在整个石墨烯的表面形成了离域的π电子网络。因为这种结构，石墨炼具有优异的力学性能。它是世界上己知的材料中最薄，但是最坚韧的材料，它的杨氏模量可达约1100GPa，断裂强度约125GPa，是相同厚度的钢铁的强度的100倍，比金刚石还要坚硬。同时，石墨烯还具有很好的弹性，拉伸强度可达自身尺寸的20％，拉伸强度超过1TPa，弹性系数为105N/m。本专利技术技术方案具有以下优点：(1)制备工艺步骤精简，且工艺参数容易控制，适合工业化生产。(2)石墨烯的加入，可相应降低焦炭和沥青等常规碳质材料的用量，在高温环境中使用时减少了有毒致癌烟气的产生，清洁环保，保证了炉前工人的工作环境；且加入石墨烯可避免上述焦炭和沥青加入过多所造成的无水炮泥高温强度降低的问题。(3)石墨烯加入到无水炮泥中，能有效的增加炮泥中碳质材料的含量，石墨烯可填充在材料微细空隙中，其本身强度非常高，可大大提高无水炮泥的结构强度、耐冲刷性和抗侵蚀性能。(4)石墨烯和石墨烯用抗氧化剂(二硼化镁、二硼化锆、碳化硼等石墨烯用抗氧化剂)采用合理的配比使用，使得石墨烯能充分发挥其优异的性能，具体是：将石墨烯用抗氧化剂加入无水炮泥中，石墨烯用抗氧化剂比石墨烯优先氧化，形成稳定的金属碳化物，避免石墨烯被氧化；且石墨烯用抗氧化剂与氧反应生成的固熔体，能有效阻塞气孔，抑制气体的扩散，从而起到防氧化的作用。(5)金属硅和焦炭与沥青的组合及其配比选择合理，金属硅粉能很好地防止这些碳质材料氧化，从而更能发挥焦炭与沥青的功效，进一步提高无水炮泥的性能。因此，采用本专利技术方法所获得的无水炮泥具有塑性好、中高温强度大、抗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含石墨烯的高性能无水炮泥及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：预备料，具体是：将原料和外加料按质量称量好，各组分分别放置，以备使用，其中，以质量百分数计原料包含以下组分：特级矾土15‑50％      焦炭10‑19％         碳化硅10‑25％沥青5‑15％           结合粘土10‑20％     绢云母1‑5％石墨烯0.01‑1％；所述外加料包括所述原料总重量0.1‑2％的金属硅以及所述原料中石墨烯总重量10‑20％的石墨烯用抗氧化剂；步骤二：混料，具体是：将特级矾土、焦炭、碳化硅、沥青加入具有加热功能的混碾机中加热至50℃，干混5min得A料；取步骤一所述原料总重量13‑20％的结合剂预热至50℃，先加入60‑80％所取结合剂至A料中，湿碾5min得B料；再加入结合粘土、绢云母、石墨烯、金属硅、石墨烯用抗氧化剂和剩余结合剂至B料中，湿碾10min，得到C料；步骤三：制品成型，将上述所得C料在混碾机中继续湿碾10min中后出料，置入挤泥机中，按生产需求从挤泥机中挤出，制成不同形状的炮泥后装入防水塑料袋静置24h即为所得含石墨烯的高性能无水炮泥。

【技术特征摘要】
1.一种含石墨烯的高性能无水炮泥及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：预备料，具体是：将原料和外加料按质量称量好，各组分分别放置，以备使用，其中，以质量百分数计原料包含以下组分：特级矾土15-50％焦炭10-19％碳化硅10-25％沥青5-15％结合粘土10-20％绢云母1-5％石墨烯0.01-1％；所述外加料包括所述原料总重量0.1-2％的金属硅以及所述原料中石墨烯总重量10-20％的石墨烯用抗氧化剂；步骤二：混料，具体是：将特级矾土、焦炭、碳化硅、沥青加入具有加热功能的混碾机中加热至50℃，干混5min得A料；取步骤一所述原料总重量13-20％的结合剂预热至50℃，先加入60-80％所取结合剂至A料中，湿碾5min得B料；再加入结合粘土、绢云母、石墨烯、金属硅、石墨烯用抗氧化剂和剩余结合剂至B料中，湿碾10min，得到C料；步骤三：制品成型，将上述所得C料在混碾机中继续湿碾10min中后出料，置入挤泥机中，按生产需求从挤泥机中挤出，制成不同形状的炮泥后装入防水塑料袋静置24h即为所得...

【专利技术属性】
技术研发人员：程本军，曾友迪，何可，曾赟，曾艳，
申请(专利权)人：湖南永盛高新耐火材料有限公司，中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43