剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟：1）按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將1～25%的粉煤灰、0～5%的氧化鈣、0～10%的鈉長石和60～99%的鋁礬土混合均勻，得到原料，其中，所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為50～68%鋁礬土；2）將所述原料置于球磨機(jī)中混合均勻并球磨致其粒徑小于74μm，得到混合粉料；3）向所述混合粉料中加入占其質(zhì)量1～3%的水玻璃攪拌均勻，陳腐1～2h，在壓力機(jī)或造粒機(jī)上進(jìn)行成型制坯，得到坯料；4）將所述坯料以5～15℃/min的速率升溫到1350～1420℃，保溫40～120min后隨爐冷卻，即得所述剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。該制備方法選用的鋁礬土為較低品味原料，在滿足材料使用性能要求的同時(shí)降低生產(chǎn)能耗和成本、提高資源利用率。
【專利說明】剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種陶瓷材料，特別涉及一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]剛玉即a -Al2O3是Al2O3的高溫結(jié)構(gòu)相，密度3.98g/cm3，屬斜方晶型，具有高硬度、高熔點(diǎn)，高強(qiáng)度，耐酸堿腐蝕等優(yōu)異的物理化學(xué)特性，是一種重要的工程陶瓷材料，其應(yīng)用范圍非常廣泛。莫來石是Al2O3-SiO2 二元系中常壓下唯一穩(wěn)定存在的二元化合物，屬斜方晶體，其化學(xué)式為3Al203-2Si02，密度3.16，性能與剛玉陶瓷相當(dāng)，高溫力學(xué)和熱學(xué)尤為突出，是一種優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)材料。
[0003]由于莫來石晶體一般為柱狀或者棱柱狀，而剛玉體一般為粒狀，將剛玉和莫來石兩種不同的陶瓷物相復(fù)合后形成的剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料可綜合剛玉晶體和莫來石晶體的雙重優(yōu)點(diǎn)，使得這種材料在各方面都優(yōu)于單相莫來石材料或剛玉材料。具有這類優(yōu)異性能的材料比較適合應(yīng)用于耐火材料和油氣井壓裂支撐劑，但考慮到這類材料消耗巨大，若用純原料來合成則嚴(yán)重提高了材料的生產(chǎn)成本，因此需要開發(fā)一種采用天然礦物原料和工業(yè)廢渣合成此類復(fù)相陶瓷材料的新技術(shù)。
[0004]粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，是我國當(dāng)前排放量最大的工業(yè)廢渣之一，現(xiàn)階段我國年排渣量已達(dá)3000萬噸。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加處理，就會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣；若排入水系會(huì)造成河流淤塞，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會(huì)對人體和生物造成危害。而粉煤灰的主要成分Si02、Al203可作為合成剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷的原料，其他成分如FeO、Fe203> CaO, TiO2以及一些潛活性組分有助于高溫下陶瓷新相`的形成并能促進(jìn)復(fù)相陶瓷材料燒結(jié)。因而可利用粉煤灰配合鋁礬土礦料進(jìn)行剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的生產(chǎn)。
[0005]目前，生產(chǎn)剛玉或莫來石均質(zhì)材料的方法較成熟，而將二者復(fù)合的技術(shù)較少。部分方法需要采用化學(xué)合成原料，或者需要鋁礬土、粉煤灰中氧化鋁的含量較高，此類原材料來源較少、成本較高，限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，同時(shí)也降低了資源的綜合利用率。另外，現(xiàn)有制備此類復(fù)相材料的方法通常需要先合成陶瓷材料再通過高溫?zé)Y(jié)制成一定形狀和尺寸的制件產(chǎn)品，其工藝流程復(fù)雜、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定且能耗較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，該方法選用的鋁礬土為較低品味原料，在滿足材料使用性能要求的同時(shí)降低生產(chǎn)成本、提高資源利用率。
[0007]為此本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟:
[0009]I)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將I~25%的粉煤灰、O~5%的氧化鈣、O~10%的鈉長石和60~99%的鋁礬土混合均勻，得到原料，其中，所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為50~68%的鋁礬土 ；
[0010]2)將所述原料置于球磨機(jī)中混合均勻并使其粒徑小于74 μ m,得到混合粉料；
[0011]3)向所述混合粉料中加入占其質(zhì)量I~3%的水玻璃攪拌均勻，陳腐I~2h，在壓力機(jī)或造粒機(jī)上進(jìn)行成型制坯，得到坯料；
[0012]4)將所述坯料以5~15°C /min的速率升溫到1350~1420°C，保溫40~120min后隨爐冷卻，即得所述剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。
[0013]所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F類II級混凝土粉煤灰。
[0014]步驟4)的升溫過程分為兩步，第一步以5~10°C/min的速率由室溫升溫到600~800°C，第二步以10~15°C /min的速率升溫到1350~1420°C。
[0015]所述鈉長石為粉末狀。
[0016]所述氧化鈣由碳酸鈣、方解石粉、石膏粉受熱分解得到。
[0017]該制備方法選用的鋁礬土為較低品味原料，在滿足材料使用性能要求的同時(shí)降低生產(chǎn)能耗和成本、提高資源利用率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為實(shí)施例1~5制得產(chǎn)品的X射線衍射曲線；
[0019]圖2為實(shí)施例幾2制`得產(chǎn)品的斷面形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明高摻量粉煤灰陶粒支撐劑的制備方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0021]實(shí)施例1
[0022]一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟:
[0023]I)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將15.3%的粉煤灰、2.9%的氧化鈣和81.8%的鋁礬土混合均勻，得到原料，其中，所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為65%鋁礬土，所述氧化鈣由碳酸鈣在800~1000°C下熱分解得到；
[0024]2)將所述原料置于球磨機(jī)中，按照原料與剛玉球質(zhì)量比為1:1加入剛玉球,球磨2h后，出料過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑小于74 μ m的混合粉料；
[0025]3)向所述混合粉料中加入占其質(zhì)量2%的水玻璃攪拌30min，陳腐lh，再將其置入壓力機(jī)的模具中，在IOMPa壓力下成型，脫模后得到坯料；
[0026]4)將所述坯料在馬弗爐中以5°C /min的速率升溫到600°C，再以10°C /min的速率升溫到1360°C，保溫40min后隨爐冷卻，即得所述剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。
[0027]所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F類II級混凝土粉煤灰。
[0028]本實(shí)施例制得剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的密度為2.59g/cm3,抗彎強(qiáng)度為125.6± lOMPa。現(xiàn)有技術(shù)獲得此類材料的性能為:密度2.50g/cm3~2.90g/cm3,抗彎強(qiáng)度120~200MPa，對比數(shù)據(jù)，表明利用本實(shí)施例方法制得產(chǎn)品并不影響其使用性能。
[0029]實(shí)施例2
[0030]一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟:
[0031]I)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將5%的粉煤灰、7%的鈉長石和88%的鋁礬土混合均勻，得到原料，其中，所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為68%鋁礬土 ；
[0032]2)將所述原料置于球磨機(jī)中，按照原料與剛玉球質(zhì)量比為1:1加入剛玉球,球磨3h后，出料過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑小于74 μ m的混合粉料；
[0033]3)向所述混合粉料中加入占其質(zhì)量1.5%的水玻璃攪拌30min，陳腐lh，再將其置入壓力機(jī)的模具中，在IOMPa壓力下成型，脫模后得到坯料；
[0034]4)將所述坯料在馬弗爐中以5°C /min的速率升溫到600°C，再以15°C /min的速率升溫到1400°C，保溫Ih后隨爐冷卻，即得所述剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。
[0035]所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F類II級混凝土粉煤灰。
[0036]本實(shí)施例制得剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的密度為2.82g/cm3,抗彎強(qiáng)度為190.6± 12MPa?，F(xiàn)有技術(shù)獲得此類材料的性能為:密度2.50g/cm3~2.90g/cm3,抗彎強(qiáng)度120~200MPa，對比數(shù)據(jù)，表明利用本實(shí)施例方法制得產(chǎn)品并不影響其使用性能。
[0037]實(shí)施例3
[0038]一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟:
[0039]I)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將8.2%的粉煤灰、2.9%的氧化鈣粉末和88.9%的鋁礬土混合均勻，得到原料，其中，所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為55%鋁礬土，所述氧化鈣由方解石在900~1200°C下熱分解得到；
[0040]2)將所述原料置于球磨機(jī)中，按照原料與剛玉球質(zhì)量比為1:1加入剛玉球,球磨
2.5h后，出料過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑小于74 μ m的混合粉料；
`[0041]3)向所述混合粉料中加入占其質(zhì)量3%的水玻璃攪拌30min，陳腐lh，再將其置入壓力機(jī)的模具中，在IOMPa壓力下成型，脫模后得到坯料；
[0042]4)將所述坯料在馬弗爐中以5°C /min的速率升溫到600°C，再以15°C /min的速率升溫到1380°C，保溫1.5h后隨爐冷卻，即得所述剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。
[0043]所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F類II級混凝土粉煤灰。
[0044]本實(shí)施例制得剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的密度為2.57g/cm3,抗彎強(qiáng)度為
118.l±5MPa?，F(xiàn)有技術(shù)獲得此類材料的性能為:密度2.50g/cm3~2.90g/cm3，抗彎強(qiáng)度120~200MPa，對比數(shù)據(jù)，表明利用本實(shí)施例方法制得產(chǎn)品并不影響其使用性能。
[0045]實(shí)施例4
[0046]一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟:
[0047]I)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將5.1%的粉煤灰、2.9%的氧化鈣粉末和92%的鋁礬土混合均勻，得到原料，其中，所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為60%鋁礬土，所述氧化鈣由石膏粉在800~1200°C下熱分解得到；
[0048]2)將所述原料置于球磨機(jī)中，按照原料與剛玉球質(zhì)量比為1:1加入剛玉球,球磨4h后，出料過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑小于74 μ m的混合粉料；
[0049]3)向所述混合粉料中加入占其質(zhì)量2%的水玻璃攪拌30min，陳腐lh，再將其置入壓力機(jī)的模具中，在IOMPa壓力下成型，脫模后得到坯料；
[0050]4)將所述坯料在窯爐中以5°C /min的速率升溫到600°C，再以10°C /min的速率升溫到1420°C，保溫Ih后隨爐冷卻，即得所述剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。
[0051]所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F類II級混凝土粉煤灰。
[0052]本實(shí)施例制得剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的密度為2.62g/cm3,抗彎強(qiáng)度為119.3±8MPa?，F(xiàn)有技術(shù)獲得此類材料的性能為:密度2.50g/cm3~2.90g/cm3，抗彎強(qiáng)度120~200MPa，對比數(shù)據(jù)，表明利用本實(shí)施例方法制得產(chǎn)品并不影響其使用性能。
[0053]實(shí)施例5
[0054]一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟:
[0055]I)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將1.5%的粉煤灰、6.5%的氧化鈣粉末和92%的鋁礬土混合均勻，得到原料，其中，所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為65%鋁礬土，所述氧化鈣由方解石在900~1200°C下熱分解得到；
[0056]2)將所述原料置于球磨機(jī)中，按照原料與剛玉球質(zhì)量比為1:1加入剛玉球，球磨3h后，出料過200目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑小于74 μ m的混合粉料；
[0057]3)向所述混合粉料中加入占其質(zhì)量2%的水玻璃攪拌30min，陳腐lh，再將其置入壓力機(jī)的模具中，在IOMPa壓力下成型，脫模后得到坯料；
[0058]4)將所述坯料在窯爐中以5°C /min的速率升溫到600°C，再以10°C /min的速率升溫到1400°C，保溫Ih后隨爐冷卻，即得所述剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。
[0059]所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F類II級混凝土粉煤灰。
[0060]本實(shí)施例制得剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的密度為2.83g/cm3,抗彎強(qiáng)度為124.5±10MPa?，F(xiàn)有技術(shù)獲得此類材料的性能為:密度2.50g/cm3~2.90g/cm3，抗彎強(qiáng)度120~200MPa，對比數(shù)據(jù)，表明利用本實(shí)施例方法制得產(chǎn)品并不影響其使用性能。
[0061]實(shí)施例6
[0062]一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟:
[0063]I)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將24.6%的粉煤灰和75.4%的鋁礬土混合均勻，得到原料，其中，所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為50%鋁礬土 ；
[0064]2)將所述原料置于球磨機(jī)中，按照原料與剛玉球質(zhì)量比為1:1加入剛玉球，球磨2h后，出料過400目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑小于48 μ m的混合粉料；
[0065]3)向所述混合粉料中加入占其質(zhì)量3%的水玻璃攪拌30min，陳腐lh，再將其置入壓力機(jī)的模具中，在20MPa壓力下成型，脫模后得到坯料；
[0066]4)將所述坯料在馬弗爐中以5°C /min的速率升溫到800°C，再以10°C /min的速率升溫到1350°C，保溫Ih后隨爐冷卻，即得所述剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。
[0067]所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F類II級混凝土粉煤灰。
[0068]本實(shí)施例制得剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的密度為2.61g/cm3，抗彎強(qiáng)度為161.5±15MPa?，F(xiàn)有技術(shù)獲得此類材料的性能為:密度2.50g/cm3~2.90g/cm3，抗彎強(qiáng)度120~200MPa，對比數(shù)據(jù)，表明利用本實(shí)施例方法制得產(chǎn)品并不影響其使用性能。
[0069]實(shí)施例7
[0070]一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟:
[0071]I)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將5%的粉煤灰、7%的鈉長石和88%的鋁礬土混合均勻，得到原料，其中，所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為68%鋁礬土 ；
[0072]2)將所述原料置于球磨機(jī)中，按照原料與剛玉球質(zhì)量比為1:1加入剛玉球,球磨3h后，出料過400目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到粒徑小于38 μ m的混合粉料；
[0073]3)將所述混合粉料置于造粒機(jī)中，逐次噴入占粉料質(zhì)量15~18%的水玻璃，使所述混合粉料在造粒機(jī)作用下團(tuán)聚成球坯料；[0074]4)將所述坯料在回轉(zhuǎn)窯中以5°C /min的速率升溫到600°C，再以15°C /min的速率升溫到1400°C，保溫Ih后隨爐冷卻，即得所述剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。
[0075]所述粉煤灰是GB/T1596-2005里所述的F類II級混凝土粉煤灰。
[0076]本實(shí)施例中獲得的陶粒支撐劑體積密度為1.55g/cm3,視密度為2.76g/cm3, 52MPa下破碎率為5.36%，圓球度> 8，酸溶解度4.89%，其性能指標(biāo)達(dá)到中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5108-2006對支撐劑性能指標(biāo)要求。
[0077]性能測試:
[0078]通過X射線衍射分析實(shí)施例1~5制得陶瓷材料的物相組成，測試結(jié)果如圖1所示。由圖可知:材料中含剛玉和莫來石主晶相，形成了剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。
[0079]圖2是實(shí)施例2獲得的試樣的斷口掃描電子顯微照片，由圖可見不同形態(tài)的晶粒，其中多面體狀為剛玉晶體，長棒狀為莫來`石晶體。
【權(quán)利要求】
1.一種剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟: 1)按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將I~25%的粉煤灰、O~5%的氧化鈣、O~10%的鈉長石和60~99%的鋁礬土混合均勻，得到原料，其中，所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為50~68%的鋁礬土 ; 2)將所述原料置于球磨機(jī)中混合均勻，球磨至粒徑小于74μ m，得到混合粉料； 3)向所述混合粉料中加入占其質(zhì)量I~3%的水玻璃，攪拌均勻，陳腐I~2h，在壓力機(jī)或造粒機(jī)上進(jìn)行成型制坯，得到坯料； 4)將所述坯料置于加熱爐內(nèi)，以5~15°C/min的速率升溫到1350~1420°C，保溫40~120min后隨爐冷卻，即得所述剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述粉煤灰為F類II級混凝土粉煤灰。
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟4)的升溫過程分為兩步，第一步以5~10°C /min的速率由室溫升溫到600~800°C，第二步以10~15°C /min的速率升溫到 1350 ~1420 0C ο
4.如權(quán)利要求1 所述的制備方法，其特征在于:所述鈉長石為粉末狀。
【文檔編號】C04B35/10GK103771841SQ201410038608
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】吳赟, 何志勇, 石飛飛, 李洪俊, 劉河, 牛增前, 黨偉, 徐瑞國, 李偉, 蒙傳幼 申請人:中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司