CN104261810B - 一种含锆莫来石复相材料及其制备方法 - Google Patents

一种含锆莫来石复相材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。其技术方案是：先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1；外加所述原料40~50wt%的水和2~4wt%的聚乙烯醇，球磨5~10h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1600~1700℃条件下保温3~5小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。所述废弃型砂的Al2O3含量30~55wt%，SiO2含量35~60wt%，ZrO2含量≥4.5wt%；废弃型砂的粒径≤0.089mm。本发明具有生产成本低、环境污染小和易于工业化生产的特点。所制备的含锆莫来石复相材料具有较低的热膨胀系数和良好的热震稳定性，使用范围广。

Description

一种含锆莫来石复相材料及其制备方法
技术领域
本发明属于莫来石材料技术领域。具体涉及一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。
背景技术
我国是仅次于日本的亚洲第二大精密铸造基地，年生产能力50多万吨，平均每生产1吨合格铸件就会产生1.2吨废弃型砂，整个精密铸造行业每年将产生约65~75万吨废砂。目前我国对精密铸造废砂的综合利用研究及产业化工作相对较少，废砂的处理方式主要以堆积填埋为主，堆积填埋不仅会占用场地还会对环境造成污染。
莫来石是Al2O3--SiO2铝硅系统中唯一稳定的二元化合物，具有耐火度高，热膨胀系数小，电绝缘性强等诸多优点，广泛应用于耐火材料、化学和电力等行业。ZrO2作为一种酸性耐火材料，在氧化气氛下使用十分稳定，在不同的加热条件下，单斜晶相稳定在1170℃以下，四方晶相稳定在1170~2570℃之间，立方晶相稳定在2570~2680℃（熔点）之间，利用ZrO2的相变增韧可以在较大幅度地提高材料的高温力学性能。
“一种基于废弃型砂的莫来石轻质隔热砖及其制备方法”（ZL201210105340.1）专利技术，该技术以精密铸造废弃型砂为主要原料制备莫来石轻质隔热砖，因其应用范围有限，从而影响了废弃型砂的回收利用率。“一种以粉煤灰为原料制备莫来石粉的方法”（ZL201210255167.3）专利技术和“改性高岭土低温制备莫来石的方法”（ZL201210104659.2）专利技术，上述两个专利技术的主要缺陷在于：1、生产成本高、生产工艺复杂和不利于实现工业化生产，2、制备过程中使用含氟物质，会对环境造成严重污染。“一种利用粉煤灰生产莫来石的方法”（ZL201210005536.3）专利技术，该技术公开了一种以粉煤灰为原料，经预处理、脱硅、酸洗、二次脱硅、焙烧得到莫来石的方法，该专利技术的主要缺陷在于：1、生产过程中会产生一定量的废水，2、生产条件要求苛刻，成本过高，难以实现工业化生产。
发明内容
本发明旨在克服已有技术的缺陷，目的是提供一种生产成本低、环境污染小和易于工业化生产的含锆莫来石复相材料的制备方法，用该方法所制备的含锆莫来石复相材料具有较低的热膨胀系数和良好的热震稳定性，使用范围广。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1；外加所述原料40~50wt%的水和2~4wt%的聚乙烯醇，球磨5~10h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1600~1700℃条件下保温3~5小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
所述废弃型砂的Al2O3含量30~55wt%，SiO2含量35~60wt%，ZrO2含量≥4.5wt%；废弃型砂的粒径≤0.089mm。
所述矾土的Al2O3含量70~85wt%，SiO2含量10~25wt%；矾土的粒径≤0.089mm。
所述机压成型的成型压强为60~100MPa。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明以废弃型砂作为主要原料，在降低生产成本的同时减少了固体废弃物的污染，生产工艺简单，便于工业化生产，生产过程中无有害气体产生。废弃型砂中的锆英石（ZrSiO4）在高温下原位分解生成ZrO2，利用ZrO2的相变增韧可以较大幅度地提高莫来石的韧性，提高材料的使用效果。所制得的含锆莫来石复相材料应用于耐火材料和陶瓷等相关领域。
锆英石是一种高附加值矿物，主要用于耐火材料、陶瓷和铸造行业，锆英石在高温下会生成ZrO2和SiO2。而ZrO2作为一种酸性耐火材料，在氧化气氛下使用十分稳定，在不同的加热条件下，单斜晶相稳定在1170℃以下，四方晶相稳定在1170~2570℃之间，立方晶相稳定在2570~2680℃（熔点）之间，利用ZrO2在不同温度的相变，从而达到增韧的效果，能较大幅度地改善材料的力学性能。
本发明所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石；次晶相为单斜氧化锆。所制备的含锆莫来石复相材料经检测：体积密度为2.5~2.8g/cm3；显气孔率为9~12%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.01×10-6~5.0×10-6/℃。
因此，本发明具有生产成本低、环境污染小和易于工业化生产的特点。所制备的含锆莫来石复相材料具有较低的热膨胀系数和良好的热震稳定性，使用范围广。
附图说明
图1为本发明所制备的一种含锆莫来石复相材料的X射线衍射图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对本发明保护范围的限制。
本具体实施方式中：废弃型砂的粒径≤0.089mm；矾土的粒径≤0.089mm。实施例中不再赘述。
实施例1
一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1；外加所述原料40~45wt%的水和2~3wt%的聚乙烯醇，球磨8~10h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1600~1650℃条件下保温3~4小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
本实施例中：所述废弃型砂的Al2O3含量30~32wt%，SiO2含量58~60wt%，ZrO2含量5.8~6.1wt%；所述矾土的Al2O3含量80~83wt%，SiO2含量11~13wt%；机压成型的压强为70~80MPa。
本实施例所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石；次晶相为单斜氧化锆。经检测：体积密度为2.5~2.6g/cm3；显气孔率为11~12%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.21×10-6~4.89×10-6/℃。
实施例2
一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1；外加所述原料45~50wt%的水和2~3wt%的聚乙烯醇，球磨8~10h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1600~1650℃条件下保温4~5小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
本实施例中：所述废弃型砂的Al2O3含量32~35wt%，SiO2含量55~58wt%，ZrO2含量5.8~6wt%；所述矾土的Al2O3含量80~82wt%，SiO2含量10~13wt%；机压成型的压强为60~70MPa。
本实施例所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石；次晶相为单斜氧化锆。经检测：体积密度为2.5~2.6g/cm3；显气孔率为11~12%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.30×10-6~4.92×10-6/℃。
实施例3
一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1；外加所述原料45~50wt%的水和3~4wt%的聚乙烯醇，球磨7~9h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1650~1700℃条件下保温3~4小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
本实施例中：所述废弃型砂的Al2O3含量35~38wt%，SiO2含量52~55wt%，ZrO2含量6~6.3wt%；所述矾土的Al2O3含量78~80wt%，SiO2含量13~15wt%；机压成型的压强为80~90MPa。
本实施例所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石：次晶相为单斜氧化锆。经检测：体积密度为2.7~2.8g/cm3；显气孔率为9~10%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.19×10-6~4.71×10-6/℃。
实施例4
一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1；外加所述原料45~50wt%的水和3~4wt%的聚乙烯醇，球磨5~7h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1600~1650℃条件下保温4~5小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
本实施例中：所述废弃型砂的Al2O3含量38~43wt%，SiO2含量49~52wt%，ZrO2含量5.6~5.8wt%；所述矾土的Al2O3含量76~78wt%，SiO2含量15~19wt%；机压成型的压强为70~80MPa。
本实施例所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石；次晶相为单斜氧化锆。经检测：体积密度为2.6~2.7g/cm3；显气孔率为10~11%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.23×10-6~4.97×10-6/℃。
实施例5
一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1；外加所述原料45~50wt%的水和3~4wt%的聚乙烯醇；再球磨5~7h，将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1600~1650℃条件下保温4~5小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
本实施例中：所述废弃型砂的Al2O3含量43~45wt%，SiO2含量46~49wt%，ZrO2含量4.5~4.7wt%；所述矾土的Al2O3含量70~72wt%，SiO2含量22~23wt%；机压成型的压强为60~70MPa。
本实施例所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石；次晶相为单斜氧化锆。经检测：体积密度为2.6~2.7g/cm3；显气孔率为10~11%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.30×10-6~4.96×10-6/℃。
实施例6
一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1，外加所述原料45~50wt%的水和3~4wt%的聚乙烯醇，球磨7~9h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1600~1650℃条件下保温4~5小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
本实施例中：所述废弃型砂的Al2O3含量45~48wt%，SiO2含量43~46wt%，ZrO2含量5.6~5.8wt%；所述矾土的Al2O3含量72~74wt%，SiO2含量20~22wt%；机压成型的压强为70~80MPa。
本实施例所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石；次晶相为单斜氧化锆。经检测：体积密度为2.5~2.6g/cm3；显气孔率为11~12%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.30×10-6~5.01×10-6/℃。
实施例7
一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1，外加所述原料45~50wt%的水和3~4wt%的聚乙烯醇，球磨8~10h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1650~1700℃条件下保温4~5小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
本实施例中：所述废弃型砂的Al2O3含量48~50wt%，SiO2含量42~44wt%，ZrO2含量4.8~5.1wt%；所述矾土的Al2O3含量74~76wt%，SiO2含量18~20wt%；机压成型的压强为80~90MPa。
本实施例所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石；次晶相为单斜氧化锆。经检测：体积密度为2.5~2.6g/cm3；显气孔率为11~12%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.10×10-6~4.81×10-6/℃。
实施例8
一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1；外加所述原料45~50wt%的水和3~4wt%的聚乙烯醇，球磨8~10h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1650~1700℃条件下保温4~5小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
本实施例中：所述废弃型砂的Al2O3含量50~52wt%，SiO2含量39~42wt%，ZrO2含量5.5~5.7wt%；所述矾土的Al2O3含量83~85wt%，SiO2含量10~12wt；机压成型的压强为90~100MPa。
本实施例所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石；次晶相为单斜氧化锆。经检测：体积密度为2.7~2.8g/cm3；显气孔率为9~10%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.01×10-6~4.71×10-6/℃。
实施例9
一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1，外加所述原料45~50wt%的水和3~4wt%的聚乙烯醇，球磨6~8h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1650~1700℃条件下保温3~4小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
本实施例中：所述废弃型砂的Al2O3含量52~55wt%，SiO2含量36~39wt%，ZrO2含量5~5.3wt%；所述矾土的Al2O3含量70~72wt%，SiO2含量23~25wt%；机压成型的压强为90~100MPa。
本实施例所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石；次晶相为单斜氧化锆。经检测：体积密度为2.7~2.8g/cm3；显气孔率为9~10%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.30×10-6~4.81×10-6/℃。
实施例10
一种含锆莫来石复相材料及其制备方法。先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1，外加所述原料45~50wt%的水和3~4wt%的聚乙烯醇，球磨8~10h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1650~1700℃条件下保温4~5小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料。
本实施例中：所述废弃型砂的Al2O3含量52~55wt%，SiO2含量35~39wt%，ZrO2含量5.8~6.1wt%；所述矾土的Al2O3含量70~72wt%，SiO2含量23~25wt%；机压成型的压强为90~100MPa。
本实施例所制备的含锆莫来石复相材料经X射线衍射分析：主晶相为莫来石；次晶相为单斜氧化锆。经检测：体积密度为2.7~2.8g/cm3；显气孔率为9~10%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.26×10-6~4.94×10-6/℃。
本具体实施方式以废弃型砂作为主要原料，在降低生产成本的同时减少了固体废弃物的污染，生产工艺简单，便于工业化生产，生产过程中无有害气体产生。废弃型砂中的锆英石（ZrSiO4）在高温下原位分解生成ZrO2，利用ZrO2的相变增韧可以较大幅度地提高莫来石的韧性，提高材料的使用效果。所制得的含锆莫来石复相材料应用于耐火材料和陶瓷等相关领域。
锆英石是一种高附加值矿物，主要用于耐火材料、陶瓷和铸造行业，锆英石在高温下会生成ZrO2和SiO2。而ZrO2作为一种酸性耐火材料，在氧化气氛下使用十分稳定，在不同的加热条件下，单斜晶相稳定在1170℃以下，四方晶相稳定在1170~2570℃之间，立方晶相稳定在2570~2680℃（熔点）之间，利用ZrO2在不同温度的相变，从而达到增韧的效果，能较大幅度地改善材料的力学性能。
本具体实施方式所制备的含锆莫来石复相材料如图1所示，图1为实施例1所制备的一种含锆堇青石复相材料的X射线衍射图，从图1可以看出，所制备的含锆莫来石复相材料的主晶相为莫来石，次晶相为单斜氧化锆。本具体实施方式所制备的含锆莫来石复相材料经检测：体积密度为2.5~2.8g/cm3；显气孔率为9~12%；热膨胀系数（RT~1000℃）为4.01×10-6~5.0×10-6/℃。
因此，本发明具有生产成本低、环境污染小和易于工业化生产优点。所制备的含锆莫来石复相材料具有较低的热膨胀系数和良好的热震稳定性，使用范围广。

Claims (4)

1.一种含锆莫来石复相材料的制备方法，其特征在于先以废弃型砂和矾土为原料混合，所述原料中的Al2O3︰SiO2的质量比为(2.6~2.8)︰1；外加所述原料40~50wt%的水和2~4wt%的聚乙烯醇，球磨5~10h；再将球磨后的料浆喷雾造粒，机压成型，成型后的坯体在1600~1700℃条件下保温3~5小时，自然冷却，即得含锆莫来石复相材料；
所述废弃型砂的Al2O3含量30~55wt%，SiO2含量35~60wt%，ZrO2含量≥4.5wt%；废弃型砂的粒径≤0.089mm。
2.根据权利要求1所述的含锆莫来石复相材料的制备方法，其特征在于所述矾土的Al2O3含量70~85wt%，SiO2含量10~25wt%；矾土的粒径≤0.089mm。
3.根据权利要求1所述的含锆莫来石复相材料的制备方法，其特征在于所述机压成型的成型压强为60~100MPa。
4.一种含锆莫来石复相材料，其特征在于所述含锆莫来石复相材料是根据权利要求1~3项中任一项所述的含锆莫来石复相材料的制备方法所制备的含锆莫来石复相材料。
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