專利名稱：一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合耐火材料生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋁灰是電解鋁工業(yè)和鋁材、鋁制品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢物中數(shù)量不小的部分。鋁灰的化學(xué)成分主要以Al2O3，SiO2，MgO，F(xiàn)e2O3，Na2O，CaO和金屬鋁等為主，還有一些氮化物、氯化物和硫化物等，在一般情況下，SiO2含量為0.5～30％、Al2O3含量為10～75％，其化學(xué)成分的比例隨著各生產(chǎn)廠家的原料及操作條件不同而略有變化。
鋁灰通常被作為垃圾遺棄，既污染環(huán)境、又需要大量的處置場地、且處理費用高。隨著工業(yè)進程的發(fā)展，鋁灰的生成量也越來越多。如何綜合利用鋁灰是一個世界范圍的重要課題。目前國內(nèi)外鋁灰的再生利用主要集中在如下幾個方面(1)冶金爐料復(fù)合脫硫劑主要以螢石、石灰為主要原料，鋁灰摻入量不超過40％，鐵水經(jīng)鋁灰脫硫劑爐外脫硫，鐵水中錳、硅、碳有燒傷；(2)用于混凝土或建筑材料由于鋁灰中含有金屬鋁，金屬鋁的水化產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致混凝土或建筑材料中內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、膨脹使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，強度降低，因而鋁灰利用率不高；(3)鋁鹽的回收主要是將鋁灰和鹽酸或硫酸反應(yīng)生成鋁鹽，這種方法主要回收鋁灰中的鋁，未能回收鋁灰中的其它成分，同時也產(chǎn)生大量的廢液；(4)鋁酸鈣產(chǎn)品采用水洗、蒸發(fā)、結(jié)晶的方法分離出非金屬產(chǎn)物，這種非金屬產(chǎn)物主要包括大量鋁的化合物和少量的含硅和鎂的化合物，除去非金屬產(chǎn)物中的金屬鋁和氮化鋁，加入CaO源，混合，煅燒成鋁酸鈣產(chǎn)品(USP 6,238,633)；(5)耐火材料采用鋁灰生產(chǎn)耐火材料，目前報道主要生產(chǎn)電熔棕剛玉(鋁灰生產(chǎn)棕剛玉的工藝，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，1996，1(2)48-50)、“棕剛玉的生產(chǎn)方法”(CN 90107092.0)、“一種電熔復(fù)合耐火材料及其生產(chǎn)方法”(CN 200610018950.2)等技術(shù)。但這些技術(shù)目前存在著局限性一是需要鋁灰中的Al2O3含量高；二是對鋁灰成分的利用并不完全，浪費大。如生產(chǎn)棕剛玉和鎂鋁尖晶石只利用了鋁灰中的金屬鋁、氧化鋁或金屬鋁、氧化鋁和氧化鎂。鋁灰中含有一定量的有用的成分SiO2和AlN會被浪費掉。
Sialon具有熱震穩(wěn)定性好、高溫強度高以及難于被金屬潤濕等優(yōu)點，是一種性能優(yōu)良的非氧化物耐火材料。Sialon引入剛玉內(nèi)制成的Sialon結(jié)合剛玉材料，有效提高了剛玉材料的高溫強度及熱震穩(wěn)定性，同時由于和鋼水、渣液的潤濕角較大，對改進剛玉材料的抗鋼水、渣侵蝕和滲透能力也有積極作用。而鎂鋁尖晶石與剛玉相比熔點更高，化學(xué)穩(wěn)定性及抗熱震穩(wěn)定性更好，抵抗堿性熔渣侵蝕的能力更強，是一種良好的氧化物耐火材料。鎂鋁尖晶石和Sialon相復(fù)合，能夠結(jié)合兩者的優(yōu)點，制備出性能優(yōu)良的新型復(fù)合材料——鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以變廢為寶、減少環(huán)境污染、降低生產(chǎn)成本的利用廢棄鋁灰制備鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料的方法。所制備的鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料與普通的鎂鋁尖晶石材料相比，抗鐵水、熔渣侵蝕的能力、耐壓強度及抗熱震穩(wěn)定性顯著提高。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是將25～95wt％的鋁灰、0.1～20wt％的MgO細粉、0.5～55wt％的鋁礬土熟料細粉、0～30wt％的單質(zhì)硅細粉、0～10wt％的金屬鋁細粉、0～50wt％的SiO2細粉混和，經(jīng)攪拌后成型，成型后的坯體在氮氣氣氛下于反應(yīng)爐中先加溫到1000～1100℃、保溫0.5～5h，再以2～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫1～6h，然后以2～5℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫2～10h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫。
其中鋁灰的主要化學(xué)組分是，Al2O3為10～70wt％、Al為5～40wt％、MgO為0.3～12wt％、SiO2為0.5～30wt％，粒徑小于100目；SiO2細粉為硅微粉、石英粉和石英玻璃粉中的一種或一種以上，粒徑小于100目；MgO細粉為輕燒氧化鎂、電熔鎂砂、燒結(jié)鎂砂中的一種或一種以上，粒徑小于100目；鋁礬土熟料細粉、單質(zhì)硅細粉、金屬鋁細粉的粒徑均小于100目；反應(yīng)爐或為氣氛爐、或為電弧爐、或為感應(yīng)爐。
由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明所用原料的為鋁灰，利用其中的金屬鋁、氮化鋁為還原劑。鋁灰為鋁工業(yè)生產(chǎn)廢棄物，可以變廢為寶、減少環(huán)境污染；使用該方法用廢棄的鋁灰為原料合成鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合耐火材料，可以降低生產(chǎn)鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷的成本。所制備的鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料與普通的鎂鋁尖晶石材料相比，其抗鐵水、熔渣侵蝕的能力、耐壓強度及抗熱震穩(wěn)定性能顯著提高。具有廣泛的社會和經(jīng)濟價值。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步的描述實施例1一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，將25～30wt％的鋁灰、0.1～5wt％的輕燒氧化鎂、1～6wt％的電熔鎂砂、0.1～9wt％的燒結(jié)鎂砂、30～40wt％的鋁礬土熟料細粉、20～30wt％的單質(zhì)硅細粉、0.1～5wt％的金屬鋁細粉、0.1～10wt％的硅微粉、5～15wt％的石英粉和5～15wt％的石英玻璃粉混和，經(jīng)攪拌后成型，成型后的坯體在氮氣氣氛下于氣氛爐中先加溫到1000～1100℃、保溫2～2.5h，再以2～3℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～4h，然后以2～3℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫5～6h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫。
其中鋁灰的化學(xué)組分是Al2O3為24.62％、Al為29.6％、MgO為10.7％、SiO2為10.5％、Na2O為3.7％、CaO為2.4％、TiO2為2.0％、Fe2O3為2.2％、灼減為12.84％、其它為1.5％。鋁礬土熟料的化學(xué)組分是Al2O3為61.3wt％、SiO2為20.6wt％、MgO為0.09wt％、Na2O為0.08wt％、CaO為0.06wt％、TiO2為2.12wt％、Fe2O3為1.23wt％、灼減為14.51wt％。各配料均為小于100目的細粉。
經(jīng)X-射線衍射分析，主要物相為鎂鋁尖晶石和Sialon相。掃描電鏡顯示Sialon呈片狀，且兩相分布均勻。
實施例2一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，將35～40wt％的鋁灰、1～10wt％的輕燒氧化鎂、0.1～5wt％的電熔鎂砂、40～55wt％的鋁礬土熟料細粉、0.1～10wt％的單質(zhì)硅細粉、2～15wt％的硅微粉、5～30wt％的石英粉混和，經(jīng)攪拌后成型，成型后的坯體在氮氣氣氛下于電弧爐中先加溫到1000～1100℃、保溫2～5h，再以2～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～6h，然后以2～5℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫5～10h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫。
其中鋁灰的化學(xué)組分是Al2O3為56.21％、Al為23.56％、MgO為0.48％、SiO2為2.25％、Na2O為1.1％、CaO為0.74％、TiO2為0.63％、Fe2O3為1.23％、灼減為11.68％、其它為2.1％。鋁礬土熟料的化學(xué)組分是Al2O3為59.1wt％、SiO2為23.6wt％、MgO為0.18wt％、Na2O為0.03wt％、CaO為0.02wt％、TiO2為2.62wt％、Fe2O3為1.03wt％、灼減為13.37wt％。各配料均為小于100目的細粉。
經(jīng)X-射線衍射分析，主要物相為鎂鋁尖晶石和Sialon相。掃描電鏡顯示，兩相分布均勻，晶型發(fā)育良好。
實施例3一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，將45～50wt％的鋁灰、0.1～3wt％的電熔鎂砂、1～5wt％的燒結(jié)鎂砂、20～30wt％的鋁礬土熟料細粉、5～10wt％的金屬鋁細粉、0.1～10wt％的石英粉和1～5wt％的石英玻璃粉混和，經(jīng)攪拌后成型，成型后的坯體在氮氣氣氛下于感應(yīng)爐中先加溫到1000～1100℃、保溫3～3.5h，再以3～4℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～3.5h，然后以2～4℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫6～6.5h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫。
其中鋁灰的化學(xué)組分是Al2O3為63.57％、Al為3.69％、MgO為6.57％、SiO2為6.63％、Na2O為1.85％、CaO為1.91％、TiO2為0.58％、Fe2O3為1.33％、灼減為10.28wt％、其它為3.56％。鋁礬土熟料的化學(xué)組分是Al2O3為78.19wt％、SiO2為3.86wt％、MgO為0.11wt％、Na2O為0.05wt％、CaO為0.10wt％、TiO2為2.95wt％、Fe2O3為0.70wt％、灼減為14.06wt％。各配料均為小于100目的細粉。
經(jīng)X-射線衍射分析，主要物相為鎂鋁尖晶石和Sialon相。掃描電鏡顯示Sialon呈柱狀，發(fā)育良好，且兩相分布均勻。
實施例4一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，將55～60wt％的鋁灰、5～8wt％的輕燒氧化鎂、0.1～3wt％的燒結(jié)鎂砂、10～15wt％的鋁礬土熟料細粉、10～15wt％的單質(zhì)硅細粉、5～10wt％的硅微粉和1～5wt％的石英玻璃粉混和，經(jīng)攪拌后成型，成型后的坯體在氮氣氣氛下于氣氛爐中先加溫到1000～1100℃、保溫3～4h，再以2～4℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～4h，然后以2～5℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫5～7h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫。
其中鋁灰的化學(xué)組分是Al2O3為56.65％、Al為16.57％、MgO為1.28％、SiO2為6.49％、Na2O為0.87％、CaO為1.95％、TiO2為0.76％、Fe2O3為1.82％、灼減為10.15wt％、其它為3.45％。鋁礬土熟料的化學(xué)組分是Al2O3為61.3wt％、SiO2為20.6wt％、MgO為0.09wt％、Na2O為0.08wt％、CaO為0.06wt％、TiO2為2.12wt％、Fe2O3為1.23wt％、灼減為14.51wt％。各配料均為小于100目的細粉。
經(jīng)X-射線衍射分析，主要物相為鎂鋁尖晶石和Sialon相。掃描電鏡顯示晶型發(fā)育良好，分布均勻。
實施例5一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，將65～70wt％的鋁灰、15～20wt％的輕燒氧化鎂、5～10wt％的鋁礬土熟料細粉、0.5～2.5wt％的金屬鋁細粉和5～10wt％的石英玻璃粉混和，經(jīng)攪拌后成型，成型后的坯體在氮氣氣氛下于電弧爐中先加溫到1000～1100℃、保溫2～4h，再以3～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～5h，然后以2～4℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫6～8h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫。
其中鋁灰的化學(xué)組分是Al2O3為56.53wt％、Al為14.39wt％、MgO為2.36wt％、SiO2為7.72wt％、Na2O為1.85wt％、CaO為1.69wt％、TiO2為0.58wt％、Fe2O3為1.33wt％、灼減為10.61wt％、其它為2.94wt％。鋁礬土熟料的化學(xué)組分是Al2O3為62.8wt％、SiO2為19.1wt％、MgO為0.09wt％、Na2O為0.08wt％、CaO為0.06wt％、TiO2為2.12wt％、Fe2O3為1.23wt％、灼減為14.51wt％。各配料均為小于100目的細粉。
經(jīng)X-射線衍射分析，主要物相為鎂鋁尖晶石和Sialon相。掃描電鏡顯示晶體形貌良好，各相分布均勻。
實施例6一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，將75～80wt％的鋁灰、1～10wt％的燒結(jié)鎂砂、1～8wt％的鋁礬土熟料細粉、10～20wt％的單質(zhì)硅細粉0.1～5wt％的硅微粉混和，經(jīng)攪拌后成型，成型后的坯體在氮氣氣氛下于氣氛爐中先加溫到1000～1100℃、保溫3～5h，再以4～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫5～6h，然后以2～3℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫9～10h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫。
其中鋁灰的化學(xué)組分是Al2O3為44.66％、Al為9.6％、MgO為11.6％、SiO2為9.36％、Na2O為3.9％、CaO為3.1％、TiO2為1.8％、Fe2O3為1.5％、灼減為11.87％、其它為2.6％。鋁礬土熟料的化學(xué)組分是Al2O3為78.19wt％、SiO2為3.86wt％、MgO為0.11wt％、Na2O為0.05wt％、CaO為0.10wt％、TiO2為2.95wt％、Fe2O3為0.70wt％、灼減為14.06wt％。各配料均為小于100目的細粉。
經(jīng)X-射線衍射分析，主要物相為鎂鋁尖晶石和Sialon相。掃描電鏡顯示兩種晶體均呈粒狀，分布均勻。
實施例7一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，將85～90wt％的鋁灰、0.5～5wt％的電熔鎂砂、1～5wt％的鋁礬土熟料細粉、2.5～5wt％的金屬鋁細粉、5～8wt％的石英粉混和，經(jīng)攪拌后成型，成型后的坯體在氮氣氣氛下于感應(yīng)爐中先加溫到1000～1100℃、保溫3～5h，再以2～3℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～4h，然后以2～5℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫5～7h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫。
其中鋁灰的化學(xué)組分是Al2O3為38.57％、Al為19.2％、MgO為5.4％、SiO2為9.7％、Na2O為3.9％、CaO為3.1％、TiO2為2.5％、Fe2O3為2.1％、灼減為13.61％、其它為1.9％。鋁礬土熟料的化學(xué)組分是Al2O3為62.2wt％、SiO2為19.6wt％、MgO為0.15wt％、Na2O為0.08wt％、CaO為0.07wt％、TiO2為2.52wt％、Fe2O3為1.17wt％、灼減為14.25wt％。鋁灰、鋁礬土熟料細粉、石英粉、單質(zhì)硅細粉的粒徑均小于100目。
經(jīng)X-射線衍射分析，主要物相為鎂鋁尖晶石和Sialon相。掃描電鏡顯示兩相分布均勻。
實施例8一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，將91～95wt％的鋁灰、0.5～3wt％的輕燒氧化鎂、0.5～5wt％的鋁礬土熟料細粉、0.1～5wt％的單質(zhì)硅細粉混和，經(jīng)攪拌后成型，成型后的坯體在氮氣氣氛下于氣氛爐中先加溫到1000～1100℃、保溫4～5h，再以4～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫5～6h，然后以3～5℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫8～10h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫。
其中鋁灰的化學(xué)組分是Al2O3為38.68％、Al為15.7％、MgO為11.7％、SiO2為8.6％、Na2O為3.2％、CaO為2.9％、TiO2為2.1％、Fe2O3為1.7％、灼減為13.65％、其它為1.7％。鋁礬土熟料的化學(xué)組分是Al2O3為73.76wt％、SiO2為7.90wt％、MgO為0.10wt％、Na2O為0.10wt％、CaO為0.11wt％、TiO2為2.71wt％、Fe2O3為0.93wt％、灼減為14.40wt％。各配料均為小于100目的細粉。
經(jīng)X-射線衍射分析，主要物相為鎂鋁尖晶石和Sialon相。掃描電鏡顯示兩相分布均勻，晶體形貌較好。
權(quán)利要求
1.一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征在于將25～95wt％的鋁灰、0.1～20wt％的MgO細粉、0.5～55wt％的鋁礬土熟料細粉、0～30wt％的單質(zhì)硅細粉、0～10wt％的金屬鋁細粉、0～50wt％的SiO2細粉混和，經(jīng)攪拌后成型，成型后的坯體在氮氣氣氛下于反應(yīng)爐中先加溫到1000～1100℃、保溫0.5～5h，再以2～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫1～6h，然后以2～5℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫2～10h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征在于鋁灰的主要化學(xué)組分是，Al2O3為10～70wt％、Al為5～40wt％、MgO為0.3～12wt％、SiO2為0.5～30wt％，粒徑小于100目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征在于SiO2細粉為硅微粉、石英粉和石英玻璃粉中的一種或一種以上，粒徑小于100目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征在于MgO細粉為輕燒氧化鎂、電熔鎂砂、燒結(jié)鎂砂中的一種或一種以上，粒徑小于100目。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征在于鋁礬土熟料細粉、單質(zhì)硅細粉、金屬鋁細粉的粒徑均小于100目。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征在于反應(yīng)爐或為氣氛爐、或為電弧爐、或為感應(yīng)爐。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6項中任一項所述的鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料的制備方法所制備的鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎂鋁尖晶石/Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法。其技術(shù)方案是將25～95wt％的鋁灰、0.1～20wt％的MgO細粉、0.5～55wt％的鋁礬土熟料細粉、0～30wt％的單質(zhì)硅細粉、0～10wt％的金屬鋁細粉、0～50wt％的SiO
文檔編號C04B35/64GK101066865SQ20071005246
公開日2007年11月7日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者李遠兵, 孫莉, 金勝利, 李亞偉, 趙雷, 李淑靜, 常娜, 雷中興 申請人:武漢科技大學(xué)