專利名稱：一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于復合陶瓷及其制備方法。具體涉及一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法。
背景技術：
鋁灰是電解鋁工業(yè)和鋁材、鋁制品生產過程中產生的固體廢物中數量不小的部分。鋁灰的化學成分主要以Al2O3，SiO2，MgO，Fe2O3，Na2O，CaO和金屬鋁等為主，還有一些氮化物、氯化物和硫化物等。一般SiO2在0.5～30％、Al2O3在10～75％，其化學成分的比例隨著各生產廠家的原料及操作條件不同而略有變化。
通常鋁灰被作為垃圾遺棄，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。目前國內外鋁灰的再生利用主要集中在如下幾個方面1、鋁酸鈣產品采用水洗、蒸發(fā)、結晶的方法分離出非金屬產物，這種非金屬產物主要包括大量鋁的化合物和少量的含硅和鎂的化合物，除去非金屬產物中的金屬鋁和氮化鋁，加入CaO源，混合，煅燒成鋁酸鈣產品(USP 6,238,633)；2、鋁鹽的回收主要是將鋁灰和鹽酸或硫酸反應生成鋁鹽，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，同時也產生大量的廢液；3、用于混凝土或建筑材料由于鋁灰中含有金屬鋁，金屬鋁的水化產生氣泡，導致混凝土或建筑材料中內部產生氣孔、膨脹使得內部結構疏松，強度降低，因而鋁灰利用率不高；4、冶金爐料復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％，鐵水經鋁灰脫硫劑爐外脫硫，鐵水中錳、硅、碳有燒傷；5、耐火材料采用鋁灰生產耐火材料，目前報道主要生產電熔棕剛玉(鋁灰生產棕剛玉的工藝，哈爾濱理工大學學報，1996，1(2)48-50)、“棕剛玉的生產方法”(CN 90107092.0)、“一種電熔復合耐火材料及其生產方法”(CN 200610018950.2)等技術。但這些技術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。但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熔體潤濕等優(yōu)點，將Sialon引入剛玉磚制成的Sialon結合剛玉材料，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。但是傳統方法制備Sialon復合陶瓷材料需要大量金屬鋁和單質硅，且所需的制備溫度較高，所以制備的Sialon復合陶瓷材料成本高。本發(fā)明采用廢棄鋁灰作為原料合成Sialon復合陶瓷材料有效的解決制備成本高的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種可減少環(huán)境污染、生產成本低的以鋁工業(yè)生產廢棄鋁灰為主要原料制備Sialon復合陶瓷及其方法。所制備的Sialon復合陶瓷具有良好的熱震穩(wěn)定性、抗金屬熔體侵蝕性和抗堿侵蝕性等優(yōu)點。
為實現上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是將20～96wt％的鋁灰、0.5～55wt％的鋁礬土熟料細粉、0.5～60wt％的SiO2細粉、0～10wt％的金屬鋁細粉、0～43wt％的單質硅細粉混合，經攪拌后成型；成型后的坯體在氮氣氣氛下于反應爐中先加溫到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組分是，Al2O3為10～70wt％、Al為5～40wt％、MgO為0.3～4.5wt％、SiO2為0.5～30wt％，粒徑小于100目；鋁礬土熟料細粉、金屬鋁細粉、單質硅細粉的粒徑均小于100目；SiO2細粉為硅微粉、石英粉、石英玻璃粉中一種或一種以上，粒徑小于100目；反應爐或為氣氛爐、或為電弧爐、或為感應爐。
由于采用上述技術方案，本發(fā)明采用廢棄物鋁灰為原材料，并利用鋁灰中的金屬鋁、氮化鋁作為還原劑，通過添加適量的SiO2細粉、單質硅細粉、金屬鋁細粉、鋁礬土熟料細粉在氮氣氣氛下合成Sialon復合陶瓷，可以變廢為寶、減少環(huán)境污染；同時可以降低制備Sialon復合陶瓷的成本。所制備的Sialon復合陶瓷材料具有優(yōu)良的抗渣、鐵、堿侵蝕能力及抗熱震穩(wěn)定性，是良好的高爐爐襯材料。具有廣泛的社會和經濟價值。
具體實施例方式
下面結合實施例，對本發(fā)明作進一步的描述實施例1一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法先將20～30wt％的鋁灰、45～55wt％的鋁礬土熟料細粉、20～35wt％的硅微粉混合，經攪拌后成型；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2～3h，再以3～4℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～3.5h，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，得到Sialon復合陶瓷材料。
其中鋁灰的主要化學組分是，Al2O3為57.12％、Al為24.06％、MgO為0.48％、SiO2為2.15％、Na2O為1.1％、CaO為0.74％、TiO2為0.63％、Fe2O3為1.23％、灼減為10.58％、其它為1.9％；鋁礬土熟料的化學組分是Al2O3為62.51wt％、SiO2為20.96wt％、MgO為0.45wt％、CaO為0.22wt％、TiO2為2.67wt％、Fe2O3為1.18wt％、灼減為11.98wt％；鋁灰、硅微粉、鋁礬土熟料細粉粒徑小于100目。
經X-射線衍射分析，主要物相為剛玉和Sialon相。掃描電鏡顯示剛玉呈片裝，Sialon呈柱狀，兩相分布均勻。
實施例2一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法先將35～45wt％的鋁灰、0.5～15wt％的鋁礬土熟料細粉、45～60wt％的石英粉、0.1～10wt％的單質硅細粉混合，經攪拌后成型；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3～5h，再以3～4℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫5～6h，然后以2～4℃/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，得到Sialon復合陶瓷材料。
其中鋁灰的化學組分是Al2O3為64.17wt％、Al為8.69wt％、MgO為2.53wt％、SiO2為4.63wt％、Na2O為1.85wt％、CaO為1.91wt％、TiO2為0.58wt％、Fe2O3為1.33wt％、灼減為10.75wt％、其它為3.56wt％。鋁礬土熟料的化學組分是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、單質硅細粉的粒徑均小于100目。
經X-射線衍射分析，主要物相為剛玉和Sialon相。掃描電鏡顯示兩相分布均勻，晶體發(fā)育良好。
實施例3一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法先將50～60wt％的鋁灰、20～30wt％的鋁礬土熟料細粉、0.5～10wt％的石英玻璃粉、0.1～3.5wt％的金屬鋁細粉、15～25wt％的單質硅細粉混合，經攪拌后成型；成型后的坯體在氮氣氣氛下于感應爐中先加溫到1000～1100℃、保溫0.5～2h，再以2～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫1～2h，然后以2～3℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫2～4h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫，得到Sialon復合陶瓷材料。
其中鋁灰的化學組分是Al2O3為56.65wt％、Al為15.57wt％、MgO為1.28wt％、SiO2為5.32wt％、Na2O為0.87wt％、CaO為1.95wt％、TiO2為0.76wt％、Fe2O3為1.86wt％、灼減為12.32wt％、其它為3.45wt％。鋁礬土熟料的化學組分是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X-射線衍射分析，主要物相為剛玉和Sialon相。掃描電鏡顯示剛玉和Sialon均為柱狀，兩相分布均勻，晶體發(fā)育良好。
實施例4一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法先將65～70wt％的鋁灰、0.5～10wt％的鋁礬土熟料細粉、0.5～15wt％的硅微粉、1～10wt％的石英粉、4～6wt％的金屬鋁細粉、5～15wt％的單質硅細粉混合，經攪拌后成型；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2～3h，再以4～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫4～6h，然后以2～4℃/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，得到Sialon復合陶瓷材料。
其中鋁灰的化學組分是Al2O3為57.12％、Al為24.06％、MgO為0.48％、SiO2為2.15％、Na2O為1.1％、CaO為0.74％、TiO2為0.63％、Fe2O3為1.23％、灼減為10.58％、其它為1.9％。鋁礬土熟料的化學組分是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X-射線衍射分析，主要物相為剛玉和Sialon相。掃描電鏡顯示各相分布均勻，晶型良好。
實施例5一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法先將80～90wt％的鋁灰、0.5～9wt％的鋁礬土熟料細粉、0.5～6wt％的石英粉、2～8wt％的石英玻璃粉、7～10wt％的金屬鋁細粉混合，經攪拌后成型；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1～2h，再以4～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～4h，然后以2～4℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫3～5h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫，得到Sialon復合陶瓷材料。
其中鋁灰的化學組分是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X-射線衍射分析，主要物相為剛玉和Sialon相。掃描電鏡顯示兩相均為片狀，分布均勻。
實施例6一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法先將91～96wt％的鋁灰、0.5～5wt％的鋁礬土熟料細粉、1～5wt％的硅微粉、0.5～5wt％的石英粉、1～6wt％的石英玻璃粉混合，經攪拌后成型；成型后的坯體在氮氣氣氛下于感應爐中先加溫到1000～1100℃、保溫3～4h，再以3～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～5h，然后以2～5℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫6～10h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫，得到Sialon復合陶瓷材料。
其中鋁灰的化學組分是Al2O3為52.60％、Al為9.90％、MgO為3.60％、SiO2為10.36％、Na2O為3.90％、CaO為3.20％、TiO2為1.80％、Fe2O3為1.50％、灼減為11.87％、其它為1.30％。鋁礬土熟料的化學組分是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X-射線衍射分析，主要物相為剛玉和Sialon相。掃描電鏡顯示兩相分布均勻。
實施例7一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法先將40～50wt％的鋁灰、10～15wt％的鋁礬土熟料細粉、5～10wt％的硅微粉、15～20wt％的石英玻璃粉、0.1～5wt％的金屬鋁細粉、15～20wt％的單質硅細粉混合經攪拌后成型；成型后的坯體在氮氣氣氛下于感應爐中先加溫到1000～1100℃、保溫2～4h，再以4～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～4h，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，得到Sialon復合陶瓷材料。
其中鋁灰的化學組分是Al2O3為37.97％、Al為22.6％、MgO為2.5％、SiO2為9.8％、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％。鋁礬土熟料的化學組分是Al2O3為68.48wt％、SiO2為13.42wt％、MgO為0.46wt％、CaO為0.26wt％、TiO2為3.34wt％、Fe2O3為1.36wt％、灼減為12.67wt％。各配料均為小于100目的細粉。
經X-射線衍射分析，主要物相為剛玉和Sialon相。掃描電鏡顯示兩相分布均勻，晶體發(fā)育良好。
實施例8一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法先將70～80wt％的鋁灰、3～8wt％的鋁礬土熟料細粉、5～10wt％的硅微粉、10～15wt％的單質硅細粉混合經攪拌后成型；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0.5～3h，再以4～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫1～4h，然后以2～4℃/min的升溫速度加溫到1360～1500℃、保溫2～6h，最后在氮氣保護下自然冷卻到室溫，得到Sialon復合陶瓷材料。
其中鋁灰的化學組分是Al2O3為37.68％、Al為15.7％、MgO為11.7％、SiO2為9.6％、Na2O為3.2％、CaO為2.9％、TiO2為2.1％、Fe2O3為1.7％、灼減為13.68％、其它為1.7％。鋁礬土熟料的化學組分是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X-射線衍射分析，主要物相為Sialon相。掃描電鏡顯示晶型發(fā)育良好。
實施例9一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法先將40～50wt％的鋁灰、5～10wt％的鋁礬土熟料細粉、2～5wt％的石英粉、5～7wt％的金屬鋁細粉、35～43wt％的單質硅細粉混合經攪拌后成型；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4～5℃/min的升溫速度加溫到1300～1350℃、保溫3～4h，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，得到Sialon復合陶瓷材料。
其中鋁灰的化學組分是Al2O3為38.57％、Al為19.2％、MgO為2.5％、SiO2為12.6％、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X-射線衍射分析，主要物相為Sialon相。掃描電鏡顯示晶體呈柱狀發(fā)育良好。
權利要求
1.一種Sialon復合陶瓷材料的制備方法，其特征在于將20～96wt％的鋁灰、0.5～55wt％的鋁礬土熟料細粉、0.5～60wt％的SiO2細粉、0～10wt％的金屬鋁細粉、0～43wt％的單質硅細粉混合，經攪拌后成型；成型后的坯體在氮氣氣氛下于反應爐中先加溫到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.根據權利要求1所述的Sialon復合陶瓷材料的制備方法，其特征在于鋁灰的主要化學組分是，Al2O3為10～70wt％、Al為5～40wt％、MgO為0.3～4.5wt％、SiO2為0.5～30wt％，粒徑小于100目。
3.根據權利要求1所述的Sialon復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、石英玻璃粉中一種或一種以上，粒徑小于100目。
4.根據權利要求1所述的Sialon復合陶瓷材料的制備方法，其特征在于反應爐或為氣氛爐、或為電弧爐、或為感應爐。
5.根據權利要求1所述的Sialon復合陶瓷材料的制備方法，其特征在于鋁礬土熟料細粉、金屬鋁細粉、單質硅細粉的粒徑均小于100目。
6.根據權利要求1所述的Sialon復合陶瓷材料的制備方法所制備的Sialon復合陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明具體涉及一種Sialon復合陶瓷材料及其制備方法。其技術方案是將20～96wt％的鋁灰、0.5～55wt％的鋁礬土熟料細粉、0.5～60wt％的SiO
文檔編號C04B35/64GK101066872SQ200710052469
公開日2007年11月7日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權日2007年6月14日
發(fā)明者李遠兵, 孫莉, 常娜, 李亞偉, 金勝利, 趙雷, 李淑靜, 易碧輝 申請人:武漢科技大學