CN100564315C - 一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法。其技术方案是：将20～96wt%的铝灰、0.5～55wt%的铝矾土熟料细粉、0.5～60wt%的SiO₂细粉、0～10wt%的金属铝细粉、0～43wt%的单质硅细粉混合，经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于反应炉中先加温到1000～1100℃、保温0.5～5h，再以2～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温1～6h，然后以2～5℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温2～10h，最后在氮气保护下自然冷却到室温，得到Sialon复合陶瓷材料。本发明采用废弃物铝灰为原材料，利用铝灰中的金属铝、氮化铝作为还原剂，可以变废为宝、减少环境污染、降低生产成本。具有广泛的社会和经济价值。

Description

一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合陶瓷及其制备方法。具体涉及一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

铝灰是电解铝工业和铝材、铝制品生产过程中产生的固体废物中数量不小的部分。铝灰的化学成分主要以Al₂O₃，SiO₂，MgO，Fe₂O₃，Na₂O，CaO和金属铝等为主，还有一些氮化物、氯化物和硫化物等。一般SiO₂在0.5～30％、Al₂O₃在10～75％，其化学成分的比例随着各生产厂家的原料及操作条件不同而略有变化。

通常铝灰被作为垃圾遗弃，既污染环境，又需要大量的处置场地，且处理费用高。随着工业进程的发展，铝灰的生成量也越来越多。如何综合利用铝灰是一个世界范围的重要课题。目前国内外铝灰的再生利用主要集中在如下几个方面：

1、铝酸钙产品：采用水洗、蒸发、结晶的方法分离出非金属产物，这种非金属产物主要包括大量铝的化合物和少量的含硅和镁的化合物，除去非金属产物中的金属铝和氮化铝，加入CaO源，混合，煅烧成铝酸钙产品(USP 6,238,633)；

2、铝盐的回收：主要是将铝灰和盐酸或硫酸反应生成铝盐，这种方法主要回收铝灰中的铝，未能回收铝灰中的其它成分，同时也产生大量的废液；

3、用于混凝土或建筑材料：由于铝灰中含有金属铝，金属铝的水化产生气泡，导致混凝土或建筑材料中内部产生气孔、膨胀使得内部结构疏松，强度降低，因而铝灰利用率不高；

4、冶金炉料：复合脱硫剂主要以萤石、石灰为主要原料，铝灰掺入量不超过40％，铁水经铝灰脱硫剂炉外脱硫，铁水中锰、硅、碳有烧伤；

5、耐火材料：采用铝灰生产耐火材料，目前报道主要生产电熔棕刚玉(铝灰生产棕刚玉的工艺，哈尔滨理工大学学报，1996，1(2)：48-50)、“棕刚玉的生产方法”(CN 90107092.0)、“一种电熔复合耐火材料及其生产方法”(CN 200610018950.2)等技术。但这些技术目前存在着局限性：一是需要铝灰中的Al₂O₃含量高；二是对铝灰成分的利用并不完全，浪费大。如生产棕刚玉和镁铝尖晶石只利用了铝灰中的金属铝、氧化铝或金属铝、氧化铝和氧化镁。但铝灰中含有一定量的有用的成分SiO₂和AlN会被浪费掉。

Sialon具有热震稳定性好、高温强度高以及难于被金属熔体润湿等优点，将Sialon引入刚玉砖制成的Sialon结合刚玉材料，有效提高了刚玉材料的高温强度及热震稳定性，同时由于和钢水、渣液的润湿角较大，对改进刚玉材料的抗钢水、渣侵蚀和渗透能力也有积极作用。但是传统方法制备Sialon复合陶瓷材料需要大量金属铝和单质硅，且所需的制备温度较高，所以制备的Sialon复合陶瓷材料成本高。本发明采用废弃铝灰作为原料合成Sialon复合陶瓷材料有效的解决制备成本高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可减少环境污染、生产成本低的以铝工业生产废弃铝灰为主要原料制备Sialon复合陶瓷及其方法。所制备的Sialon复合陶瓷具有良好的热震稳定性、抗金属熔体侵蚀性和抗碱侵蚀性等优点。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：将20～96wt％的铝灰、0.5～55wt％的铝矾土熟料细粉、0.5～60wt％的SiO₂细粉、0～10wt％的金属铝细粉、0～43wt％的单质硅细粉混合，经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于反应炉中先加温到1000～1100℃、保温0.5～5h，再以2～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温1～6h，然后以2～5℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温2～10h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。

其中：铝灰的主要化学组分是，Al₂O₃为10～70wt％、Al为5～40wt％、MgO为0.3～4.5wt％、SiO₂为0.5～30wt％，粒径小于100目；铝矾土熟料细粉、金属铝细粉、单质硅细粉的粒径均小于100目；SiO₂细粉为硅微粉、石英粉、石英玻璃粉中一种或一种以上，粒径小于100目；反应炉或为气氛炉、或为电弧炉、或为感应炉。

由于采用上述技术方案，本发明采用废弃物铝灰为原材料，并利用铝灰中的金属铝、氮化铝作为还原剂，通过添加适量的SiO₂细粉、单质硅细粉、金属铝细粉、铝矾土熟料细粉在氮气气氛下合成Sialon复合陶瓷，可以变废为宝、减少环境污染；同时可以降低制备Sialon复合陶瓷的成本。所制备的Sialon复合陶瓷材料具有优良的抗渣、铁、碱侵蚀能力及抗热震稳定性，是良好的高炉炉衬材料。具有广泛的社会和经济价值。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述：

实施例1

一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法：先将20～30wt％的铝灰、45～55wt％的铝矾土熟料细粉、20～35wt％的硅微粉混合，经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于气氛炉中先加温到1000～1100℃、保温2～3h，再以3～4℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～3.5h，然后以2～3℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温5～6h，最后在氮气保护下自然冷却到室温，得到Sialon复合陶瓷材料。

其中：铝灰的主要化学组分是，Al₂O₃为57.12％、Al为24.06％、MgO为0.48％、SiO₂为2.15％、Na₂O为1.1％、CaO为0.74％、TiO₂为0.63％、Fe₂O₃为1.23％、灼减为10.58％、其它为1.9％；铝矾土熟料的化学组分是：Al₂O₃为62.51wt％、SiO₂为20.96wt％、MgO为0.45wt％、CaO为0.22wt％、TiO₂为2.67wt％、Fe₂O₃为1.18wt％、灼减为11.98wt％；铝灰、硅微粉、铝矾土熟料细粉粒径小于100目。

经X-射线衍射分析，主要物相为刚玉和Sialon相。扫描电镜显示刚玉呈片装，Sialon呈柱状，两相分布均匀。

实施例2

一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法：先将35～45wt％的铝灰、0.5～15wt％的铝矾土熟料细粉、45～60wt％的石英粉、0.1～10wt％的单质硅细粉混合，经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于电弧炉中先加温到1000～1100℃、保温3～5h，再以3～4℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温5～6h，然后以2～4℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温5～7h，最后在氮气保护下自然冷却到室温，得到Sialon复合陶瓷材料。

其中：铝灰的化学组分是：Al₂O₃为64.17wt％、Al为8.69wt％、MgO为2.53wt％、SiO₂为4.63wt％、Na₂O为1.85wt％、CaO为1.91wt％、TiO₂为0.58wt％、Fe₂O₃为1.33wt％、灼减为10.75wt％、其它为3.56wt％。铝矾土熟料的化学组分是：Al₂O₃为62.2wt％、SiO₂为19.6wt％、MgO为0.15wt％、Na₂O为0.08wt％、CaO为0.07wt％、TiO₂为2.52wt％、Fe₂O₃为1.17wt％、灼减为14.25wt％。铝灰、铝矾土熟料细粉、石英粉、单质硅细粉的粒径均小于100目。

经X-射线衍射分析，主要物相为刚玉和Sialon相。扫描电镜显示两相分布均匀，晶体发育良好。

实施例3

一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法：先将50～60wt％的铝灰、20～30wt％的铝矾土熟料细粉、0.5～10wt％的石英玻璃粉、0.1～3.5wt％的金属铝细粉、15～25wt％的单质硅细粉混合，经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于感应炉中先加温到1000～1100℃、保温0.5～2h，再以2～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温1～2h，然后以2～3℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温2～4h，最后在氮气保护下自然冷却到室温，得到Sialon复合陶瓷材料。

其中铝灰的化学组分是：Al₂O₃为56.65wt％、Al为15.57wt％、MgO为1.28wt％、SiO₂为5.32wt％、Na₂O为0.87wt％、CaO为1.95wt％、TiO₂为0.76wt％、Fe₂O₃为1.86wt％、灼减为12.32wt％、其它为3.45wt％。铝矾土熟料的化学组分是：Al₂O₃为59.1wt％、SiO₂为23.6wt％、MgO为0.18wt％、Na₂O为0.03wt％、CaO为0.02wt％、TiO₂为2.62wt％、Fe₂O₃为1.03wt％、灼减为13.37wt％。各配料均为小于100目的细粉。

经X-射线衍射分析，主要物相为刚玉和Sialon相。扫描电镜显示刚玉和Sialon均为柱状，两相分布均匀，晶体发育良好。

实施例4

一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法：先将65～70wt％的铝灰、0.5～10wt％的铝矾土熟料细粉、0.5～15wt％的硅微粉、1～10wt％的石英粉、4～6wt％的金属铝细粉、5～15wt％的单质硅细粉混合，经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于气氛炉中先加温到1000～1100℃、保温2～3h，再以4～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温4～6h，然后以2～4℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温5～7h，最后在氮气保护下自然冷却到室温，得到Sialon复合陶瓷材料。

其中铝灰的化学组分是：Al₂O₃为57.12％、Al为24.06％、MgO为0.48％、SiO₂为2.15％、Na₂O为1.1％、CaO为0.74％、TiO₂为0.63％、Fe₂O₃为1.23％、灼减为10.58％、其它为1.9％。铝矾土熟料的化学组分是：Al₂O₃为78.19wt％、SiO₂为3.86wt％、MgO为0.11wt％、Na₂O为0.05wt％、CaO为0.10wt％、TiO₂为2.95wt％、Fe₂O₃为0.70wt％、灼减为14.06wt％。各配料均为小于100目的细粉。

经X-射线衍射分析，主要物相为刚玉和Sialon相。扫描电镜显示各相分布均匀，晶型良好。

实施例5

一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法：先将80～90wt％的铝灰、0.5～9wt％的铝矾土熟料细粉、0.5～6wt％的石英粉、2～8wt％的石英玻璃粉、7～10wt％的金属铝细粉混合，经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于电弧炉中先加温到1000～1100℃、保温1～2h，再以4～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～4h，然后以2～4℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温3～5h，最后在氮气保护下自然冷却到室温，得到Sialon复合陶瓷材料。

其中铝灰的化学组分是：Al₂O₃为56.53wt％、Al为14.39wt％、MgO为2.36wt％、SiO₂为7.72wt％、Na₂O为1.85wt％、CaO为1.69wt％、TiO₂为0.58wt％、Fe₂O₃为1.33wt％、灼减为10.61wt％、其它为2.94wt％。铝矾土熟料的化学组分是：Al₂O₃为62.8wt％、SiO₂为19.1wt％、MgO为0.09wt％、Na₂O为0.08wt％、CaO为0.06wt％、TiO₂为2.12wt％、Fe₂O₃为1.23wt％、灼减为14.51wt％。各配料均为小于100目的细粉。

经X-射线衍射分析，主要物相为刚玉和Sialon相。扫描电镜显示两相均为片状，分布均匀。

实施例6

一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法：先将91～96wt％的铝灰、0.5～5wt％的铝矾土熟料细粉、1～5wt％的硅微粉、0.5～5wt％的石英粉、1～6wt％的石英玻璃粉混合，经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于感应炉中先加温到1000～1100℃、保温3～4h，再以3～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～5h，然后以2～5℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温6～10h，最后在氮气保护下自然冷却到室温，得到Sialon复合陶瓷材料。

其中铝灰的化学组分是：Al₂O₃为52.60％、Al为9.90％、MgO为3.60％、SiO₂为10.36％、Na₂O为3.90％、CaO为3.20％、TiO₂为1.80％、Fe₂O₃为1.50％、灼减为11.87％、其它为1.30％。铝矾土熟料的化学组分是：Al₂O₃为73.76wt％、SiO₂为7.90wt％、MgO为0.10wt％、Na₂O为0.10wt％、CaO为0.11wt％、TiO₂为2.71wt％、Fe₂O₃为0.93wt％、灼减为14.40wt％。各配料均为小于100目的细粉。

经X-射线衍射分析，主要物相为刚玉和Sialon相。扫描电镜显示两相分布均匀。

实施例7

一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法：先将40～50wt％的铝灰、10～15wt％的铝矾土熟料细粉、5～10wt％的硅微粉、15～20wt％的石英玻璃粉、0.1～5wt％的金属铝细粉、15～20wt％的单质硅细粉混合经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于感应炉中先加温到1000～1100℃、保温2～4h，再以4～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～4h，然后以2～4℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温6～8h，最后在氮气保护下自然冷却到室温，得到Sialon复合陶瓷材料。

其中铝灰的化学组分是：Al₂O₃为37.97％、Al为22.6％、MgO为2.5％、SiO₂为9.8％、Na₂O为3.9％、CaO为3.1％、TiO₂为2.5％、Fe₂O₃为2.1％、灼减为13.61％、其它为1.9％。铝矾土熟料的化学组分是：Al₂O₃为68.48wt％、SiO₂为13.42wt％、MgO为0.46wt％、CaO为0.26wt％、TiO₂为3.34wt％、Fe₂O₃为1.36wt％、灼减为12.67wt％。各配料均为小于100目的细粉。

经X-射线衍射分析，主要物相为刚玉和Sialon相。扫描电镜显示两相分布均匀，晶体发育良好。

实施例8

一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法：先将70～80wt％的铝灰、3～8wt％的铝矾土熟料细粉、5～10wt％的硅微粉、10～15wt％的单质硅细粉混合经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于气氛炉中先加温到1000～1100℃、保温0.5～3h，再以4～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温1～4h，然后以2～4℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温2～6h，最后在氮气保护下自然冷却到室温，得到Sialon复合陶瓷材料。

其中铝灰的化学组分是：Al₂O₃为37.68％、Al为15.7％、MgO为11.7％、SiO₂为9.6％、Na₂O为3.2％、CaO为2.9％、TiO₂为2.1％、Fe₂O₃为1.7％、灼减为13.68％、其它为1.7％。铝矾土熟料的化学组分是：Al₂O₃为73.76wt％、SiO₂为7.90wt％、MgO为0.10wt％、Na₂O为0.10wt％、CaO为0.11wt％、TiO₂为2.71wt％、Fe₂O₃为0.93wt％、灼减为14.40wt％。各配料均为小于100目的细粉。

经X-射线衍射分析，主要物相为Sialon相。扫描电镜显示晶型发育良好。

实施例9

一种Sialon复合陶瓷材料及其制备方法：先将40～50wt％的铝灰、5～10wt％的铝矾土熟料细粉、2～5wt％的石英粉、5～7wt％的金属铝细粉、35～43wt％的单质硅细粉混合经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于电弧炉中先加温到1000～1100℃、保温2～4h，再以4～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～4h，然后以2～4℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温6～8h，最后在氮气保护下自然冷却到室温，得到Sialon复合陶瓷材料。

其中铝灰的化学组分是：Al₂O₃为38.57％、Al为19.2％、MgO为2.5％、SiO₂为12.6％、Na₂O为3.9％、CaO为3.1％、TiO₂为2.5％、Fe₂O₃为2.1％、灼减为13.61％、其它为1.9％。铝矾土熟料的化学组分是：Al₂O₃为61.3wt％、SiO₂为20.6wt％、MgO为0.09wt％、Na₂O为0.08wt％、CaO为0.06wt％、TiO₂为2.12wt％、Fe₂O₃为1.23wt％、灼减为14.51wt％。各配料均为小于100目的细粉。

经X-射线衍射分析，主要物相为Sialon相。扫描电镜显示晶体呈柱状发育良好。

Claims (6)

1、一种Sialon复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于将20～96wt％的铝灰、0.5～55wt％的铝矾土熟料细粉、0.5～60wt％的SiO₂细粉、0～10wt％的金属铝细粉、0～43wt％的单质硅细粉混合，经搅拌后成型；成型后的坯体在氮气气氛下于反应炉中先加温到1000～1100℃、保温0.5～5h，再以2～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温1～6h，然后以2～5℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温2～10h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。

2、根据权利要求1所述的Sialon复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于铝灰的主要化学组分是，Al₂O₃为10～70wt％、Al为5～40wt％、MgO为0.3～4.5wt％、SiO₂为0.5～30wt％，粒径小于100目。

3、根据权利要求1所述的Sialon复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于SiO₂细粉为硅微粉、石英粉、石英玻璃粉中一种或一种以上，粒径小于100目。

4、根据权利要求1所述的Sialon复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于反应炉或为气氛炉、或为电弧炉、或为感应炉。

5、根据权利要求1所述的Sialon复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于铝矾土熟料细粉、金属铝细粉、单质硅细粉的粒径均小于100目。

6、根据权利要求1所述的Sialon复合陶瓷材料的制备方法所制备的Sialon复合陶瓷。