CN103553101B

CN103553101B - 一种低温制备轻质六铝酸钙的方法

Info

Publication number: CN103553101B
Application number: CN201310375117.3A
Authority: CN
Inventors: 严云; 唐梅; 杨林; 胡志华; 石健
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: CN103553101A

Abstract

本发明公开了一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，其特征是：以钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱为原料，将原料混合均匀，置于高压釜内在120～200℃的温度下经水热反应5～15小时，制得前驱体；将前驱体降至室温，经固液分离后，固体物于80～120℃的温度下干燥2～8小时，制得干燥后的物料；将干燥后的物料置于高温炉内在1300～1400℃的温度下煅烧1～5小时后、随炉冷却至室温，即制得轻质六铝酸钙产品。本发明与现有工艺相比，烧结温度降低了150℃以上，制得轻质六铝酸钙产品的物相以六铝酸钙为主、兼有刚玉相，能满足高性能工业窑炉对六铝酸钙高耐火度、高体积稳定性、抗熔渣侵蚀、保温隔热等性能的要求。

Description

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法

技术领域

本发明属于含铝和钙的耐火材料的制备，涉及一种低温制备轻质六铝酸钙的方法。本发明制得的六铝酸钙特别适用作耐火材料，具有良好的保温隔热的作用。

背景技术

随着能源的紧缺，工业窑炉的保温隔热显得尤为重要。近几年，具有轻质、隔热特点的耐火材料的使用量在迅速增加。传统工业窑炉使用的隔热内衬通常是纤维内衬或轻质浇注料（轻质砖），它们均存在一些不足，如纤维的粉化、浇注料的残余线收缩、高温隔热效果不佳等。

六铝酸钙（CaAl₁₂O₁₉或者CaO·6Al₂O₃），通常表示成CA₆，也叫黑铝钙石矿物，是CaO–Al₂O₃系统中最富铝的中间化合物之一，其理论密度为3.79g/cm³，熔点高达 1875℃，膨胀系数接近Al₂O₃。六铝酸钙具有特殊的片状结晶和微孔结构，自身导热系数低（尤其是高温导热系数随温度升高变化较小），化学性质稳定，耐火度高，不易被熔渣侵蚀，长期的体积稳定性好，高温微膨胀等优良性能，是有望取代纤维内衬或轻质浇注料内衬的理想材料。

现有技术中，有关六铝酸钙的制备方法一般有三种：（1）烧结法，即以石灰质、铝质原料按一定的配比混合后直接通过高温（1550～1700℃）烧结而成。存在的缺点是煅烧温度较高，能耗大，对窑炉设备要求较高。（2）电熔法，即将原料完全熔融，然后在一定的条件下进行冷却，从而制得产品。电熔法的特点是工艺简单，并且得到的材料密度大，力学性能好，但不足之处是其对冷却条件要求很高，很难实现工业化。（3）熔盐法，即将产物的原成分在高温下溶解于熔盐熔体中，然后通过缓慢降温或蒸发熔剂等方法，形成过饱和溶液而析出。熔盐法的特点是可以明显地降低合成温度和缩短反应时间，提高合成效率，但合成的材料均匀性很难控制，并且许多熔盐都具有不同程度的毒性，危害工作人员的身体及环境，其挥发物还常常腐蚀或污染炉体。上述六铝酸钙的制备方法，各自存在自身的缺点和不足，阻碍了六铝酸钙的推广使用，基于工业窑炉对六铝酸钙的需求，研究一种低温制备轻质六铝酸钙的方法具有重大的现实意义。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，提供一种低温制备轻质六铝酸钙的方法。本发明与现有技术相比其烧结温度降低了150℃以上，弥补了现有工艺中必须超高温度（≥1550℃）煅烧的不足。特别适用于工业窑炉中，能满足高性能工业窑炉对六铝酸钙高耐火度、高体积稳定性、抗熔渣侵蚀、保温隔热等性能的要求。

本发明的内容是：一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，其特征是包括下列步骤：

a、配料：以钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱为原料，并按：以CaO计的钙质原料与以Al₂O₃计的铝质原料的摩尔比为1：6～10，水的质量用量为钙质原料质量的30～55倍（即质量倍数），醇的质量用量为用水质量的5%～25%（即质量百分比，后同），胺的质量用量为用水质量的1%～10%，以及碱的质量用量为铝质原料质量的0%～5%取各原料，备用；

所述钙质原料是氢氧化钙、氧化钙或富含氢氧化钙或/和氧化钙（即单独或同时）的工业副产物，所述铝质原料是氢氧化铝、氧化铝或富含氢氧化铝或/和氧化铝（即单独或同时）的工业副产物，所述醇是丙三醇或乙二醇或其它多元醇，所述胺是三乙醇胺或其它多元胺；所述碱是氢氧化钠或氢氧化钾或其他碱金属氢氧化物；

b、反应：将备用的原料钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱混合均匀，置于高压釜内在120～200℃的温度下经水热反应5～15小时，即制得前驱体；

c、后处理：将前驱体降至室温，经固液分离后，液体弃去，固体物于80～120℃的温度下干燥2～8小时，制得干燥后的物料；

d、煅烧：将干燥后的物料置于高温炉内在1300～1400℃的温度下煅烧1～5小时后、随炉冷却至室温，即制得轻质六铝酸钙产品。

本发明的内容中：所述步骤c后处理可以替换为：将前驱体降至室温，经固液分离后，液体弃去，固体物经成球(粒径大小可根据需要予以控制) （或成块）后、再将料球于80～120℃的温度下干燥2～8小时，制得干燥后的物料。

本发明的内容中：步骤c中所述固液分离可以是抽滤、离心分离或其他现有技术方式。

本发明的内容中：步骤b 中所述高压釜内的压力可以为0.2～1.6MPa。

本发明的内容中：步骤a中所述水可以是蒸馏水或去离子水。

本发明的内容中：步骤a中所述碱的质量用量可以为铝质原料质量的1%～5%。

与现有技术相比，本发明具有下列特点和有益效果：

（1）采用本发明，低温制备轻质六铝酸钙的方法，其机理如下：钙质原料、铝质原料及辅料（醇、胺、碱等）按一定比例混合，在高温高压下水热合成得到水合铝酸钙前驱体；高温煅烧时，前驱体失去结构水，钙铝原位反应形成CA₆，过剩的铝质高温煅烧后为刚玉相；本发明采用水热合成和低温烧结两步法工艺制备轻质六铝酸钙，与现有传统工艺技术相比，其烧结温度（煅烧温度）降低150℃以上，得到的产品以六铝酸钙为主，兼有刚玉相（膨胀系数接近CA₆，耐火度高），二者以任何比例配合都不会产生热膨胀失配问题，产品（即轻质六铝酸钙产品）的表观密度不大于1300 kg/m³、堆积密度不大于750kg/m³，用于工业窑炉中，能满足高性能工业窑炉对六铝酸钙高耐火度、高体积稳定性、抗熔渣侵蚀、保温隔热等性能的要求；

（2）采用本发明，不仅能降低轻质六铝酸钙产品的烧结温度，降低对煅烧窑炉的要求，而且轻质六铝酸钙产品具有轻质（含有大量微孔）的特点，用作耐火材料能起到良好的保温隔热的作用；

（3）本发明产品制备工艺简单，工序简便，容易操作，实用性强。

附图说明

图1是轻质六铝酸钙产品的X射线衍射图谱；该图说明了轻质六铝酸钙产品的主要物相是六铝酸钙和刚玉；

图2是轻质六铝酸钙产品的扫描电镜图，用于表述产品的微观形貌；

图3是轻质六铝酸钙产品的扫描电镜图，用于表述产品的微观形貌；

图4是轻质六铝酸钙产品的孔径分布图；该图表明了轻质六铝酸钙产品的孔径分布为0.5～3μm。

具体实施方式

下面给出的实施例拟以对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，按CaO、Al₂O₃摩尔比为1:6称取氢氧化钙、氢氧化铝，用水量为氢氧化钙的55倍，丙三醇、三乙醇胺用量分别为用水量的25%、10%，氢氧化钠用量为氢氧化铝用量的2.6%。将原料混合均匀后置于高压釜内于150℃反应12小时，冷却后固液分离，成球，经干燥后在高温炉内于1400℃煅烧3小时，随炉冷至室温得到产品。产品的表观密度为1290 kg/m³，堆积密度为640 kg/m³。

实施例2：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，按CaO、Al₂O₃摩尔比为1:8称取氢氧化钙、氢氧化铝，用水量为氢氧化钙的55倍，丙三醇、三乙醇胺用量分别为用水量的25%、10%，氢氧化钠用量为氢氧化铝用量的0%。将原料混合均匀后置于高压釜内于150℃反应12小时，冷却后固液分离，成球，经干燥后在高温炉内于1400℃煅烧3小时，随炉冷至室温得到产品。产品的表观密度为1260 kg/m³，堆积密度为680 kg/m³。

实施例3：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，按CaO、Al₂O₃摩尔比为1:8称取氢氧化钙、氢氧化铝，用水量为氢氧化钙的55倍，丙三醇、三乙醇胺用量分别为用水量的10%、10%，氢氧化钠用量为氢氧化铝用量的0%。将原料混合均匀后置于高压釜内于150℃反应12小时，冷却后固液分离，成球，经干燥后在高温炉内于1400℃煅烧3小时，随炉冷至室温得到产品。产品的表观密度为1250 kg/m³，堆积密度为670 kg/m³。

实施例4：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，按CaO、Al₂O₃摩尔比为1:6称取氢氧化钙、氧化铝，用水量为氢氧化钙的40倍，丙三醇、三乙醇胺用量分别为用水量的25%、10%，氢氧化钠用量为氢氧化铝用量的2%。将原料混合均匀后置于高压釜内于150℃反应10小时，冷却后固液分离，成球，经干燥后在高温炉内于1400℃煅烧3小时，随炉冷至室温得到产品。产品的表观密度为1240 kg/m³，堆积密度为650 kg/m³。

实施例5：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，按CaO、Al₂O₃摩尔比为1:6称取氧化钙、氢氧化铝，用水量为氢氧化钙的50倍，丙三醇、三乙醇胺用量分别为用水量的15%、10%，氢氧化钠用量为氢氧化铝用量的1%。将原料混合均匀后置于高压釜内于150℃反应12小时，冷却后固液分离，成球，经干燥后在高温炉内于1380℃煅烧3小时，随炉冷至室温得到产品。产品的表观密度为1270 kg/m³，堆积密度为660 kg/m³。

实施例6：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，包括下列步骤：

实施例7：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，包括下列步骤：

a、配料：以钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱为原料，并按：以CaO计的钙质原料与以Al₂O₃计的铝质原料的摩尔比为1：8，水的质量用量为钙质原料质量的43倍（即质量倍数），醇的质量用量为用水质量的15%，胺的质量用量为用水质量的5%，以及碱的质量用量为铝质原料质量的2.5%取各原料，备用；

所述钙质原料是氢氧化钙或氧化钙，所述铝质原料是氢氧化铝或氧化铝，所述醇是丙三醇或乙二醇，所述胺是三乙醇胺；所述碱是氢氧化钠或氢氧化钾；

b、反应：将备用的原料钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱混合均匀，置于高压釜内在160℃的温度下经水热反应10小时，即制得前驱体；

c、后处理：将前驱体降至室温，经固液分离后，液体弃去，固体物于100℃的温度下干燥5小时，制得干燥后的物料；

d、煅烧：将干燥后的物料置于高温炉内在1350℃的温度下煅烧2.5小时后、随炉冷却至室温，即制得轻质六铝酸钙产品。

实施例8：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，包括下列步骤：

a、配料：以钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱为原料，并按：以CaO计的钙质原料与以Al₂O₃计的铝质原料的摩尔比为1：6，水的质量用量为钙质原料质量的30倍，醇的质量用量为用水质量的5%，胺的质量用量为用水质量的1%；

所述钙质原料是氢氧化钙、氧化钙或富含氢氧化钙或/和氧化钙的工业副产物，所述铝质原料是氢氧化铝、氧化铝或富含氢氧化铝或/和氧化铝的工业副产物，所述醇是丙三醇或乙二醇或其它多元醇，所述胺是三乙醇胺或其它多元胺；

b、反应：将备用的原料钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱混合均匀，置于高压釜内在120℃的温度下经水热反应15小时，即制得前驱体；

c、后处理：将前驱体降至室温，经固液分离后，液体弃去，固体物于80℃的温度下干燥8小时，制得干燥后的物料；

d、煅烧：将干燥后的物料置于高温炉内在1300℃的温度下煅烧5小时后、随炉冷却至室温，即制得轻质六铝酸钙产品。

实施例9：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，包括下列步骤：

a、配料：以钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱为原料，并按：以CaO计的钙质原料与以Al₂O₃计的铝质原料的摩尔比为1： 10，水的质量用量为钙质原料质量的55倍，醇的质量用量为用水质量的25%，胺的质量用量为用水质量的10%，以及碱的质量用量为铝质原料质量的5%取各原料，备用；

所述钙质原料是氢氧化钙、氧化钙或富含氢氧化钙或/和氧化钙的工业副产物，所述铝质原料是氢氧化铝、氧化铝或富含氢氧化铝或/和氧化铝的工业副产物，所述醇是丙三醇或乙二醇或其它多元醇，所述胺是三乙醇胺或其它多元胺；所述碱是氢氧化钠或氢氧化钾或其他碱金属氢氧化物；

b、反应：将备用的原料钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱混合均匀，置于高压釜内在200℃的温度下经水热反应5小时，即制得前驱体；

c、后处理：将前驱体降至室温，经固液分离后，液体弃去，固体物于120℃的温度下干燥2小时，制得干燥后的物料；

d、煅烧：将干燥后的物料置于高温炉内在1400℃的温度下煅烧1小时后、随炉冷却至室温，即制得轻质六铝酸钙产品。

实施例10：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，包括下列步骤：

a、配料：以钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱为原料，并按：以CaO计的钙质原料与以Al₂O₃计的铝质原料的摩尔比为1：7，水的质量用量为钙质原料质量的35倍，醇的质量用量为用水质量的6%，胺的质量用量为用水质量的2%，以及碱的质量用量为铝质原料质量的1%取各原料，备用；

b、反应：将备用的原料钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱混合均匀，置于高压釜内在150℃的温度下经水热反应6小时，即制得前驱体；

d、煅烧：将干燥后的物料置于高温炉内在1320℃的温度下煅烧4小时后、随炉冷却至室温，即制得轻质六铝酸钙产品。

实施例11：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，包括下列步骤：

a、配料：以钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱为原料，并按：以CaO计的钙质原料与以Al₂O₃计的铝质原料的摩尔比为1：7，水的质量用量为钙质原料质量的38倍，醇的质量用量为用水质量的10%，胺的质量用量为用水质量的4%，以及碱的质量用量为铝质原料质量的2%取各原料，备用；

b、反应：将备用的原料钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱混合均匀，置于高压釜内在150℃的温度下经水热反应8小时，即制得前驱体；

d、煅烧：将干燥后的物料置于高温炉内在1340℃的温度下煅烧3小时后、随炉冷却至室温，即制得轻质六铝酸钙产品。

实施例12：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，包括下列步骤：

a、配料：以钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱为原料，并按：以CaO计的钙质原料与以Al₂O₃计的铝质原料的摩尔比为1：9，水的质量用量为钙质原料质量的50倍，醇的质量用量为用水质量的20%，胺的质量用量为用水质量的7%，以及碱的质量用量为铝质原料质量的3%取各原料，备用；

b、反应：将备用的原料钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱混合均匀，置于高压釜内在180℃的温度下经水热反应10小时，即制得前驱体；

d、煅烧：将干燥后的物料置于高温炉内在1380℃的温度下煅烧4小时后、随炉冷却至室温，即制得轻质六铝酸钙产品。

实施例13：

一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，包括下列步骤：

a、配料：以钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱为原料，并按：以CaO计的钙质原料与以Al₂O₃计的铝质原料的摩尔比为1：9，水的质量用量为钙质原料质量的52倍，醇的质量用量为用水质量的22%，胺的质量用量为用水质量的9%，以及碱的质量用量为铝质原料质量的4%取各原料，备用；

b、反应：将备用的原料钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱混合均匀，置于高压釜内在190℃的温度下经水热反应7小时，即制得前驱体；

d、煅烧：将干燥后的物料置于高温炉内在1390℃的温度下煅烧1.5小时后、随炉冷却至室温，即制得轻质六铝酸钙产品。

上述实施例6～13中：所述步骤c后处理替换为：将前驱体降至室温，经固液分离后，液体弃去，固体物经成球(粒径大小可根据需要予以控制) （或成块）后、再将料球于80～120℃的温度下干燥2～8小时，制得干燥后的物料。

上述实施例6～13中：步骤c中所述固液分离可以是抽滤、离心分离或其他现有技术方式。

上述实施例6～13中：步骤b 中所述高压釜内的压力为0.2～1.6MPa。

上述实施例6～13中：步骤a中所述水是蒸馏水或去离子水。

上述实施例中：所采用的各原料均为市售产品。

上述实施例中：所采用的百分比例中，未特别注明的，均为质量（重量）百分比例；所述质量（重量）份可以均是克或千克。

本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术。

上述实施例中：各步骤中的工艺参数(温度、时间、浓度等)和各组分用量数值等为范围的，任一点均可适用。

本发明不限于上述实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims

1.一种低温制备轻质六铝酸钙的方法，其特征是包括下列步骤：

a、配料：以钙质原料、铝质原料、水、醇、胺和碱为原料，并按：以CaO计的钙质原料与以Al₂O₃计的铝质原料的摩尔比为1：6～10，水的质量用量为钙质原料质量的30～55倍，醇的质量用量为用水质量的5%～25%，胺的质量用量为用水质量的1%～10%，以及碱的质量用量为铝质原料质量的0%～5%取各原料，备用；

所述钙质原料是氢氧化钙、氧化钙或富含氢氧化钙或/和氧化钙的工业副产物，所述铝质原料是氢氧化铝、氧化铝或富含氢氧化铝或/和氧化铝的工业副产物，所述醇是丙三醇或乙二醇，所述胺是三乙醇胺；所述碱是氢氧化钠或氢氧化钾；

c、后处理：将前驱体降至室温，经固液分离后，固体物于80～120℃的温度下干燥2～8小时，制得干燥后的物料；

2.按权利要求1所述低温制备轻质六铝酸钙的方法，其特征是：所述步骤c后处理替换为：将前驱体降至室温，经固液分离、固体物经成球后，再将料球于80～120℃的温度下干燥2～8小时，制得干燥后的物料。

3.按权利要求1或2所述低温制备轻质六铝酸钙的方法，其特征是：步骤c中所述固液分离是抽滤或离心分离。

4.按权利要求1或2所述低温制备轻质六铝酸钙的方法，其特征是：步骤b 中所述高压釜内的压力为0.2～1.6MPa。

5.按权利要求3所述低温制备轻质六铝酸钙的方法，其特征是：步骤b 中所述高压釜内的压力为0.2～1.6MPa。

6.按权利要求1或2所述低温制备轻质六铝酸钙的方法，其特征是：步骤a中所述水是蒸馏水或去离子水。

7.按权利要求1、2或5所述低温制备轻质六铝酸钙的方法，其特征是：步骤a中所述碱的质量用量为铝质原料质量的1%～5%。

8.按权利要求3所述低温制备轻质六铝酸钙的方法，其特征是：步骤a中所述碱的质量用量为铝质原料质量的1%～5%。