CN110203894B - 一种利用铝灰渣制备β-SiAlON的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用铝灰渣制备β‑SiAlON的方法：将铝灰渣研磨后，按比例加入Si粉和稀释剂Si3N4粉，经球磨机混合均匀后装入氧化锆坩埚，放入管式气氛炉，通氮气，然后通电加热至反应温度，待氮化反应结束，炉温冷却至室温，取出产物。本发明以工业固体废弃物铝灰渣为原料，制备高纯度β‑SiAlON粉体，工艺简单，实现了铝灰渣资源化再利用，可以减轻环境负担、减少资源浪费。

Description

一种利用铝灰渣制备β-SiAlON的方法
技术领域
本发明涉及工业固体废弃物资源化利用和氮氧化物陶瓷粉末制备，具体涉及一种利用铝灰渣制备β-SiAlON材料的方法。
背景技术
铝灰渣是一种工业废弃物，一般产生于铝电解、铝冶炼等铝加工生产过程中。铝灰渣成分复杂，主要含有金属(Al、Fe、Ca、Mg等)、氧化铝、二氧化硅、氮化物、碳化物等，其中含量最多的铝和氧化铝可达10～50％。为了充分利用铝资源，避免资源浪费，开展铝灰渣高附加值资源化技术的研发，进一步提高铝灰渣的综合利用效率是十分必要的。
在铝灰渣的综合利用中，以其为原料制备含铝新材料，一方面能够降低所制备材料的生产成本，提高企业的经济效益，另一方面又能解决由铝灰渣堆存造成的环境污染问题，保护生态环境，实现资源的有效利用。
SiAlON是Al、O元素溶于Si3N4基体形成的一种固溶体，根据其成分及结构不同可分为β-SiAlON、α-SiAlON、AlN多型体等多种类型。其中，β-SiAlON的结构通式可表示为Si6- zAlzOzN8-z(0<z≤4.2)，因其具有优异的强韧性、耐热冲击性，及耐腐蚀性等良好性能，在研磨介质、金属切削工具、非铁合金管或丝的磨具、耐火材料的结合剂、热机等热能设备中有着广泛应用。
目前，合成β-SiAlON材料的方法主要有：以Si3N4、Al2O3、AlN为原料高温固相合成；以Si、Al、SiO2为原料高压氮气气氛下燃烧合成等。随着近些年来SiAlON陶瓷材料在各领域的广泛应用，为降低原料成本，利用含铝硅的天然原料或固体废弃物制备SiAlON陶瓷材料已成为一种发展方向。
文献“硅热还原氮化法粉煤灰制备SiAlON粉体的研究”中提出了在流动的N2气中，以粉煤灰和硅粉为原料，配料制成坯体，坯体在1350～1500℃下氮化反应，但合成产物以β-SiAlON和O’-SiAlON为主相，两者总含量85.6％，同时生成少量的莫来石、Si3N4和Si2N2O等，产物纯度较低。
文献“利用铝灰制备SiAlON材料的研究”中提出了以铝灰+高炉渣+金属硅、铝灰+粉煤灰+碳黑、铝灰+金属硅等不同铝灰体系为原料制备SiAlON粉体。铝灰+高炉渣+金属硅体系，合成了Ca-α-SiAlON-AlN多型体复相陶瓷，由于CaO含量较高，易形成玻璃相，不利于SiAlON物相的合成；铝灰+粉煤灰+炭黑体系，采用优化的碳热铝热复合还原氮化工艺(1450℃、Si/Al比为1、1.5)制备出的主相为β-SiAlON和AlN多型体，但必须通过两步法才能实现材料的制备；铝灰+金属硅体系，流动氮气气氛下分别于1450℃保温6h、1550℃保温3h和1600℃保温3h合成了β-SiAlON，但产物中仍含有大量的AlN多型体及Ca-α-SiAlON，纯度不高。
目前，利用含铝工业废弃物为主要原料制备SiAlON材料，因原料成分复杂，过程控制困难，制备获得的SiAlON纯度不高，从而影响了含铝固体废弃物循环再利用。
发明内容
本发明针对铝灰渣成分复杂，Al提纯再利用困难的特点，提出一种利用铝灰渣制备β-SiAlON的方法，该方法根据铝灰渣成分特点，直接、充分再利用其组成成分(Al、Al2O3、AlN、SiO2等)，并可制备高纯度β-SiAlON粉体。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
1)将铝灰渣研磨，得铝灰渣粉料，分析铝灰渣样品的成分组成及含量(例如，铝等元素可利用X-ray荧光光谱仪分析获得)；
2)将Si粉、铝灰渣粉料以及稀释剂Si3N4粉进行球磨混合，得混合均匀的原料；其中，Si粉与铝灰渣中铝元素的摩尔比为1:2～5:1(Si粉与铝灰渣的质量比按照步骤1)分析得到的铝灰渣中铝元素的含量计算确定)；
3)将混合均匀的原料在流动氮气气氛下进行高温氮化反应，得主相为β-SiAlON的粉体材料。
优选的，所述铝灰渣粉料的粒径为20～100目。相对其它粒径下的对比试验，在该粒径范围下，氮化反应充分，经XRD检测，产物中β-SiAlON含量最高，未参加反应的原料含量较低。
优选的，所述步骤2)中，Si粉与铝灰渣中铝元素的摩尔比为1:1～2.5:1，稀释剂Si3N4粉的用量为原料总质量的3％～5％。
优选的，所述步骤2)中，球磨采用的工艺参数为：球料质量比为2:1～4:1，行星球磨机的转速为400～600r/min，球磨时间为10～30min。
优选的，所述步骤3)具体包括以下步骤：将混合均匀的原料置于坩埚中，然后将坩埚放入管式气氛炉，抽真空后通氮气，氮气流量控制在0.1～0.4L/min，以5～8℃/min的升温速率通电加热至1400～1500℃并保温3～5h，保温结束后，将炉温降至室温，然后取出坩埚，收集产物。
本发明的有益效果体现在：
本发明采用固体废弃物铝灰渣为原料，通过添加Si粉调节原料中主元素比例、添加Si3N4粉作为稀释剂，无需提纯工艺，直接全组分利用铝灰渣，通过高温氮化法制备得到了主相为β-SiAlON的粉末材料。所制备的粉末材料经过X射线衍射(XRD)进行物相分析，XRD衍射图谱中各衍射峰与β-SiAlON图谱完全吻合，即制备出了高纯度β-SiAlON材料粉末。本发明工艺简单、成本低，实现了铝灰渣资源化再利用，减轻环境负担、减少资源浪费。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的β-SiAlON的XRD图。
图2为本发明实施例2制备的β-SiAlON的SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。所述实施例用于解释本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明用球磨机将铝灰渣(例如，再生铝二次铝灰渣)研磨后过筛，然后根据分析获得的铝灰渣中铝元素的含量确定铝灰渣、Si粉及Si3N4(原料中Si3N4作为稀释剂，其作用为：①作为种子引导原料反应生成β-SiAlON；②为氮气渗入原料内部提供通道，保证反应原料与氮气充分接触，提高反应率)的配比并进行配料，经过球磨后使各原料混合均匀；再将混合好的原料粉末置于坩埚中，并放入管式气氛炉，按设定的温度、保温时间和反应气氛条件进行反应；完成预定的反应时间后得到β-SiAlON粉体。
实施例1
1.铝灰渣处理：铝灰渣经研磨后过60目筛，根据X-ray荧光光谱仪分析结果，本实施例所用的铝灰渣中铝元素(来自铝灰渣中的铝、氧化铝，氮化铝等)的质量分数为37.4％；
2.配料：按照Si粉和铝灰渣中Al的元素摩尔比为1:1，原料总重2g，经过计算称取铝灰渣1.40g、Si粉0.54g，以及Si3N4 0.06g(Si3N4用量为原料总重的3wt.％)；
3.球磨：将上一步得到的原料加入陶瓷球磨皿，氧化锆陶瓷球与原料质量比为3:1，在行星球磨机上于500r/min条件下磨料10min；
4.高温氮化反应：将经球磨均匀的原料平铺在陶瓷(氧化锆)坩埚中，送入管式气氛炉，抽真空后充氮气，氮气流速控制在0.4L/min，设置升温速率为5℃/min，加热温度为1450℃，保温3h，反应结束后炉温以10℃/min的速度降至室温，取出陶瓷坩埚，得灰色粉末状反应产物；
5.通过X射线衍射分析，检测到反应产物主相为β-SiAlON，并有微量不明杂质。扫描电子显微镜观察到反应产物形貌为团聚的小柱状晶粒。
实施例2
1.铝灰渣处理：铝灰渣经研磨后过60目筛，根据X-ray荧光光谱仪分析结果，本实施例所用的铝灰渣中铝元素的质量分数为37.4％；
2.配料：按照Si粉和铝灰渣中Al的元素摩尔比为2.5:1，原料总重2g，经过计算称取铝灰渣0.98g、Si粉0.96g，以及Si3N4 0.06g(Si3N4用量为原料总重的3wt.％)；
3.球磨：将上一步得到的原料加入陶瓷球磨皿，氧化锆陶瓷球与原料质量比为3:1，在行星球磨机上于500r/min条件下磨料15min；
4.高温氮化反应：将经球磨均匀的原料平铺在陶瓷(氧化锆)坩埚中，送入管式气氛炉，抽真空后充氮气，氮气流速控制在0.4L/min，设置升温速率为5℃/min，加热温度为1450℃，保温3h，反应结束后炉温以10℃/min的速度降至室温，取出陶瓷坩埚，得灰白色粉末状反应产物；
5.通过X射线衍射分析，反应产物未检测到除β-SiAlON以外的杂质相衍射峰(见图1)，表明获得了高纯度β-SiAlON粉末。扫描电子显微镜观察到反应产物形貌为长柱状及团簇的等轴状晶粒(见图2)。
实施例3
1.铝灰渣处理：铝灰渣经研磨后过60目筛，根据X-ray荧光光谱仪分析结果，本实施例所用的铝灰渣中铝元素的质量分数为37.4％；
2.配料：按照Si粉和铝灰渣中Al的元素摩尔比为5:1，原料总重2g，经过计算称取铝灰渣0.66g、Si粉1.28g，以及Si3N4 0.06g(Si3N4用量为原料总重的3wt.％)；
3.球磨：将上一步得到的原料加入陶瓷球磨皿，氧化锆陶瓷球与原料质量比为3:1，在行星球磨机上于500r/min条件下磨料20min；
4.高温氮化反应：将经球磨均匀的原料平铺在陶瓷(氧化锆)坩埚中，送入管式气氛炉，抽真空后充氮气，氮气流速控制在0.4L/min，设置升温速率为5℃/min，加热温度为1450℃，保温3h，反应结束后炉温以10℃/min的速度降至室温，取出陶瓷坩埚，得灰白色的粉末状反应产物(掺杂有部分大颗粒)；
5.通过X射线衍射分析，检测到反应产物主相为β-SiAlON及氮化硅，扫描电子显微镜观察到反应产物的形貌为大块小柱形晶粒聚集体。
总之，本发明以固体废弃物铝灰渣为原料，通过添加Si粉调节原料成分比，添加Si3N4粉作为稀释剂，有效地控制原料中Si、Al元素比和Si3N4质量分数，将铝灰渣得到充分利用，实现了铝灰渣资源化再利用于制备高纯结构陶瓷材料β-SiAlON，工艺简单、成本低，减轻环境负担、减少资源浪费。

Claims (4)

1.一种利用铝灰渣制备β-SiAlON的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将铝灰渣研磨，得铝灰渣粉料；所述铝灰渣选自再生铝二次铝灰渣；所述铝灰渣粉料的粒径为20～100目；
2)将Si粉、铝灰渣粉料以及作为稀释剂的Si3N4粉进行球磨混合，得混合均匀的原料；其中，Si粉与铝灰渣中铝元素的摩尔比为2.5:1～5:1，铝元素的来源为铝灰渣中的铝、氧化铝及氮化铝；
3)将混合均匀的原料于1400～1500℃进行氮化反应，得不含杂质的高纯度β-SiAlON粉体材料，或者得主相为β-SiAlON及氮化硅的粉体材料。
2.根据权利要求1所述一种利用铝灰渣制备β-SiAlON的方法，其特征在于：所述步骤2)中，Si粉与铝灰渣中铝元素的摩尔比为1:1～2.5:1，Si3N4粉的用量为原料总质量的3％～5％。
3.根据权利要求1所述一种利用铝灰渣制备β-SiAlON的方法，其特征在于：所述步骤2)中，球磨采用的工艺参数为：球料质量比为2:1～4:1，行星球磨机的转速为400～600r/min，球磨时间为10～30min。
4.根据权利要求1所述一种利用铝灰渣制备β-SiAlON的方法，其特征在于：所述步骤3)具体包括以下步骤：将混合均匀的原料置于坩埚中，然后将坩埚放入管式气氛炉，将管式气氛炉抽真空后通入氮气，使氮气流量控制在0.1～0.4L/min，然后将管式气氛炉以5～8℃/min的升温速率加热至1400～1500℃并保温3～5h，待管式气氛炉炉温降至室温后取出坩埚，收集坩埚内的粉体，得反应产物。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114516759A (zh) * 2022-02-10 2022-05-20 贵州理工学院 一种工业废渣制备Sialon材料的方法
CN116410006A (zh) * 2023-04-06 2023-07-11 江苏沙钢集团有限公司 一种β-Sialon-Al2O3-SiC复合陶瓷材料及其制备方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5132246A (en) * 1990-01-22 1992-07-21 Alcan International Limited Process for using dross residues to produce refractory products
CN101234902B (zh) * 2008-02-21 2010-07-21 上海交通大学 利用铝灰和高炉渣合成α-Sialon陶瓷材料的方法
CN101560100A (zh) * 2009-05-27 2009-10-21 东北大学 O’-Sialon/AIN复合粉体的制备方法
CN102115332B (zh) * 2011-03-23 2013-04-24 大连海事大学 一种高强度β-SiAlON陶瓷及其无压烧结制备方法
CN102924089A (zh) * 2012-12-03 2013-02-13 桂林理工大学 一种用粉煤灰和高岭土制备β-Sialon陶瓷粉体的方法
CN106892666A (zh) * 2017-03-17 2017-06-27 太原理工大学 一种煤矸石燃烧合成β‑SIALON基复合粉体的方法

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