CN107540391B - 一种高强致密氧化锆-镁橄榄石复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对镁橄榄石现存的问题，提供了一种高强致密氧化锆‑镁橄榄石复合材料的制备方法。以菱镁矿和氧化锆源为原料，采用固相反应烧结法一步制得高强致密的氧化锆‑镁橄榄石复合材料，技术方案主要包括：菱镁矿预处理、混料、成型、烧结四部分。原料MgO起到稳定氧化锆的作用，使氧化锆材料展现出最佳性能；引入的氧化锆改善了镁橄榄石的强度和致密度，且工艺设计合理，流程便捷，利于工业化和拓展应用到其他领域。

Description

一种高强致密氧化锆-镁橄榄石复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，特别涉及一种高强致密氧化锆-镁橄榄石复合材料的制备方法。
背景技术
镁橄榄石是一种优质的耐火材料，具有熔点高、导热系数低、耐火度高、化学稳定性好等特点，可用于冶金辅料、高锰钢铸造用型砂和高温炉衬材料，还可作为冶金熔剂、炉渣调节剂、炼铁烧结矿添加剂，有利于提高产品质量。我国镁橄榄石资源丰富，且矿石品位高，极具开发价值。但天然的镁橄榄石中常含有部分有害杂质，如铁橄榄石，因为其熔点较低(1205℃)，会影响镁橄榄石的高温性能。
氧化锆具有高熔点、高强度、耐腐蚀和良好的导热性，可作为优秀的高温材料、航天器材、人体植入材料、催化载体和过滤材料，在化工、航天航海、生物医药等领域被广泛应用。氧化锆在进行晶型转变时会伴随发生体积膨胀，容易导致材料开裂。当掺杂一些稳定剂，如MgO、CaO、Y2O3或CeO2时，可有效解决体积膨胀引发的开裂问题，同时表现出更好的机械性能。
近年来，随着人们研究的不断深入，开发了一系列性能更好，应用范围更广的镁橄榄石复合材料，如莫来石-镁橄榄石、尖晶石-镁橄榄石、堇青石-镁橄榄石、氧化铝-镁橄榄石。但相关的研究成果和专利技术主要由欧洲和美国等发达国家所把握，国内生产和研发镁橄榄石制品的机构还很少，且有关这方面的理论研究也不多，系统还不够完善。因此，需要更加广泛地开展对镁橄榄石材料的自主研究和开发。
现有的镁橄榄石制备方法，都存在一定的缺陷。如制备方法复杂、低效、成品高温性能差，严重影响了镁橄榄石的应用。所以，开发出便捷高效的制备方法，提高成品率和产品的最终性能对镁橄榄石的应用推广具有一定实际意义，而开发出耐用易用的镁橄榄石也是耐火材料领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对镁橄榄石现存的问题，提供了一种高强致密氧化锆-镁橄榄石复合材料的制备方法。一方面通过引入氧化锆来改善镁橄榄石的高温性能；另一方面利用原料MgO作氧化锆的稳定剂，完美解决了氧化锆的膨胀开裂缺陷。采用固相反应烧结法制得性能极佳的氧化锆-镁橄榄石复合材料，改善了镁橄榄石的机械性能和显微结构，且工艺设计合理，流程便捷，利于工业化和拓展应用到其他领域。
本发明的技术方案为：菱镁矿预处理、混料、成型、烧结四部分。具体流程如下：
(1)菱镁矿预处理。将菱镁矿破碎处理后，经700～900℃煅烧，保温时间为2～10h，获得轻烧氧化镁粉；
(2)混料。将轻烧氧化镁粉和氧化锆源分别按质量分数40％～70％和30％～60％混匀，并在球磨机中干磨5～20h；
(3)成型。将球磨好的原料压制成坯；
(4)烧结。将压好的生坯放入高温烧结炉，升温速率控制在5～15℃·min-1，在1200～1600℃时保温2～10h，随炉冷却后得到氧化锆-镁橄榄石复合材料。
所述的菱镁矿破碎要求为平均粒径≤1mm；
所述的煅烧炉为箱式电阻丝炉、硅碳棒炉、硅钼棒炉、隧道窑中的一种；
所述的氧化锆源为锆英石、镁锆砖中的一种；
所述的氧化锆源选用镁锆砖时，还应加入硅石、硅微粉、硅灰中的一种作为硅源；
所述球磨设备为行星式球磨机，转速设定为500～1000r·min-1，单向运行，每运行5h停歇1h；
所述压制方式为模压成型、等静压成型中的一种，成型压力为100～300MPa；
所述高温烧结炉为箱式电阻炉、管式电阻炉、隧道窑中的一种。
与现有技术相比，本发明的积极效果如下：
(1)原料来源广泛，菱镁矿价格低廉，氧化锆源可选用回收的含锆废渣，有效降低了生产成本，促进了资源回收利用；
(2)采用固相反应烧结技术，工艺流程便捷，设备要求低，生产过程无有害气体产生，有利于工业推广；
(3)通过引入氧化锆相，可大大提高镁橄榄石的高温性能，提升强度和致密度；
(4)原料MgO可作为氧化锆的稳定剂，使氧化锆材料展现出最佳性能；
(5)所得氧化锆-镁橄榄石复合材料的耐火度高、体积稳定、致密度高、强度和抗热震性好，是出色的耐火材料制品，能长期在高温环境下使用。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案做详细阐述，但本发明并不局限于以下实施例，所述只是本发明所包括的部分实例。
为免赘述，先将实施方案所涉及的部分物料参数做统一描述，具体实施例中将不再重复：
所述的菱镁矿粉(平均粒径≤80μm)，锆英石粉(平均粒径≤75μm)，其中锆英石原料成分中ZrO2质量分数约占67％，SiO2为33％；
所述的煅烧炉为箱式电阻丝炉；
所述的球磨设备为行星式球磨机，转速设定为800r·min-1，单向运行，每运行5h停歇1h；
所述压样方式为模压成型；
所述的高温烧结炉为箱式电阻炉；
所述的高温烧结炉升温速率设定为：以8℃·min-1的速率从室温升温至1000℃，以5℃·min-1的速率从1000℃升温至目标温度。
实施例1
(1)将菱镁矿充分破碎后在750℃下煅烧2h，制得轻烧氧化镁粉；
(2)将轻烧氧化镁和锆英石按质量分数40％、60％均匀混合，在球磨机中干磨10h；
(3)将经过球磨的原料在150MPa下保压5min制成生坯；
(4)生坯在1300℃保温6h，随炉冷却获得最终产品。
所制氧化锆-镁橄榄石复合材料的性能参数如下：显气孔率为14％，体积密度为3.2g·cm-3，常温抗压强度为163MPa。
实施例2
(1)将菱镁矿充分破碎后在750℃下煅烧2h，制得轻烧氧化镁粉；
(2)将轻烧氧化镁和锆英石按质量分数45％、55％混合，在球磨机中干磨10h；
(3)将经过球磨的原料在100MPa下保压5min制成生坯；
(4)生坯在1400℃保温4h，随炉冷却获得最终产品。
所制氧化锆-镁橄榄石复合材料的性能参数如下：显气孔率为6％，体积密度为3.7g·cm-3，常温抗压强度为188MPa。
实施例3
(1)将菱镁矿充分破碎后在750℃煅烧2h，制得轻烧氧化镁粉；
(2)将轻烧氧化镁和锆英石按质量分数45％、55％混合，在球磨机中干磨10h；
(3)将经过球磨的原料在100MPa下保压5min制成生坯；
(4)生坯在1600℃保温4h，随炉冷却获得产品。
所制氧化锆-镁橄榄石复合材料的性能参数如下：显气孔率为3％，体积密度为3.8g·cm-3，常温抗压强度为245MPa。

Claims (3)

1.一种高强致密氧化锆-镁橄榄石复合材料的制备方法，其特征在于，分为：菱镁矿预处理、混料、成型、烧结四部分；具体流程如下：
(1)菱镁矿预处理；将菱镁矿破碎处理后，在700～900℃下煅烧2～10h，获得轻烧氧化镁粉；
(2)混料；将轻烧氧化镁粉和氧化锆源按质量分数40％～70％和30％～60％混匀，并在球磨机中干磨5～20h；
(3)成型；将球磨好的原料压制成坯；
(4)烧结；将压好的生坯放入高温烧结炉，升温速率控制在5～15℃·min-1，在1200～1600℃时保温2～10h，随炉冷却后得到氧化锆-镁橄榄石复合材料；
所述压制方式为模压成型、等静压成型中的一种，成型压力为100～300MPa；
所述的菱镁矿破碎为平均粒径≤1mm；
所述的煅烧炉为箱式电阻丝炉、硅碳棒炉、硅钼棒炉、隧道窑中的一种；
所述的氧化锆源为锆英石、镁锆砖中的一种；
所述的氧化锆源选用镁锆砖时，还应加入硅石、硅微粉、硅灰中的一种作为硅源。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征还在于，所述球磨设备为行星式球磨机，转速设定为500～1000r·min-1，单向运行，每运行5h停歇1h。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征还在于，所述高温烧结炉为箱式电阻炉、管式电阻炉、隧道窑中的一种。
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