CN114083448B - 一种以锂云母废渣为主要原料的高强度陶瓷砂轮结合剂制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以锂云母废渣为主要原料的高强度陶瓷砂轮结合剂制备方法，包括如下步骤：步骤一：对锂云母废渣进行预先处理获得高活性玻璃粉；步骤二：将步骤一高活性玻璃粉的质量为基准，配以0.1～0.5倍质量的高岭土和0.01～0.03倍质量的黄糊精粉装入容器中混合均匀后，加入0.3～0.6倍质量的水继续搅拌至均匀获得陶瓷砂轮用结合剂。本发明以锂云母废渣为主要原料制备陶瓷砂轮结合剂，不仅可解决陶瓷行业用锂资源匮乏的问题同时也可实现固废资源化利用、提高企业效益，因此具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及无机新材料及固废资源化利用领域，尤其涉及以锂云母废渣为主要原料的高强度陶瓷砂轮结合剂制备方法，所制备的结合剂可广泛应用于磨具制造业、陶瓷工业及相关用领域。
背景技术
陶瓷砂轮是以陶瓷或玻璃为结合剂将磨料颗粒固结而成的磨具，其物相组成可粗略的分为磨料、结合剂和气孔等三部分。磨料是具有高硬度值的颗粒物，一般具有锋利的刃角，是砂轮具备磨削能力的关键；气孔是使砂轮具有容屑能力和确保及时冷却而必须设计的结构；结合剂则是将磨料颗粒粘结而形成固结磨具的关键材料，其性能在很大程度上决定了砂轮的整体性能和磨削能力。因此，陶瓷砂轮结合剂的制备是砂轮企业的核心工作，提高结合剂性能、降低成本是永恒的主题。在结合剂制备所需的众多原料中，含锂矿物是结合剂实现低温烧成和提高强度的重要原料之一。一方面含锂矿物可降低结合剂的低共熔点，从而实现低温烧结；另一方面，锂离子半径小，在烧成过程中很容易扩散和迁移而形成新的晶相，实现对结合剂强度的提升和性能的优化。然而，随着近年来锂离子动力电池行业的快速发展，含锂矿物价格急剧升高，甚至有价无市，很多需要以含锂矿物为原料的产业因此受到显著影响。采用何种方法解决含锂矿物短缺的问题已是众多陶瓷材料相关企业当务之急。
锂云母是国内动力电池用锂的主要矿物来源，相比国外的锂辉石等矿物中6.0～7.6wt%的氧化锂含量，锂云母中氧化锂含量一般仅为1.5～5.9wt%，因此从锂云母提锂所形成的废渣量更大。目前国内锂云母提锂的工艺一般采用硫酸盐法，这种工艺会导致废渣中大量强酸性硫酸盐的残留，对环境和水源污染形成严重威胁。同时，硫酸盐法提锂的效率并不高，锂云母废渣中一般还有1.0～2.0wt%左右的氧化锂残留，因此依然存在利用价值。但是，锂云母废渣中硫酸盐的分解温度高达1100～1300℃，在高温下会不断分解而产生气体，很难作为陶瓷原料予以利用，因此探索如何实现锂云母废渣的资源化利用是当前锂业发展急需解决的技术问题。
发明内容
本发明以锂云母废渣为主要原料，辅以少量其他矿物原料和化学原料，通过配方优化和工艺改进，制备高强度陶瓷砂轮用结合剂，实现变废为宝、降低陶瓷砂轮企业生产成本。
本发明的技术方案是：一种以锂云母废渣为主要原料的高强度陶瓷砂轮结合剂制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：对锂云母废渣进行预先处理获得高活性玻璃粉；
步骤二：将步骤一高活性玻璃粉的质量为基准，配以0.1～0.5倍质量的高岭土和0.01～0.03倍质量的黄糊精粉装入容器中混合均匀后，加入0.3～0.6倍质量的水继续搅拌至均匀获得陶瓷砂轮用结合剂。
所述步骤一中锂云母废渣的化学组成重量百分比为：氧化铝为21.16%、氧化硅为38.92%、三氧化二铁为2.31%、氧化钙为10.86%、氧化镁为2.17%、氧化钾为6.26%、氧化钠为4.38%、氧化锂为1.13%、氧化锰为1.21%、三氧化硫为9.35%、烧失2.25%。
所述步骤一中预先处理的工序为：按锂云母废渣的质量为基准，配以0.1～0.2倍质量的萤石、0.1～0.2倍质量的石英、0.1～0.2倍质量的钠长石、0.02～0.05倍质量的粉煤灰，经混均、第一次球磨、第一次过筛、高温熔融、淬冷、烘干、第二次球磨、第二次过筛获得高活性玻璃粉。
所述第一次过筛的筛孔目数大于80目，第二次过筛的筛孔目数大于300目。
所述高温熔融的温度为1400～1500℃，并保温1～3小时。
所述步骤二中高岭土的颗粒度为过120目标准筛。
所述步骤二中陶瓷砂轮用结合剂的应用工序为：按陶瓷砂轮用结合剂的质量为基准，配以4～6倍质量的磨料混合均匀后倒入模具中于20～50 MPa轴向压力下成型砂轮坯体，然后将砂轮坯体置于窑炉中以3～8℃/min速度升温至890～960℃并保温1～6h，经随炉冷却后获得陶瓷砂轮。
所述磨料为刚玉或碳化硅。
所述模具的规格根据陶瓷砂轮的形状进行选择。
所述陶瓷砂轮的抗弯强度为120～140 MPa，最大加工线速度达60～80 m/s。
本发明具有以下有益效果：
本发明的有益效果体现在三个方面。第一是原料成本低，所制备的陶瓷砂轮结合剂在组成上以锂云母废渣为主要原料，由于实现了变废为宝，相比其他矿物原料和化工原料而言，显著降低了原料成本。而通过粉煤灰中未完全燃烧的碳在高温下所形成的弱还原气氛，使得锂云母废渣中的硫酸盐的分解温度显著降低，促使硫酸盐得到充分分解，消除了锂云母废渣作为陶瓷原料的不利因素。第二是所制备的结合剂活性高、软化温度低，可将陶瓷砂轮的烧制温度从1260℃以上降低至960℃以下，从而大幅度降低陶瓷砂轮的烧成能耗。这是因为结合剂中主要成分是由锂云母废渣等原料转化而来的玻璃粉，这种玻璃粉本身是亚稳定相、内能高，从高温急冷过程中大量能量没有来得及释放而具使得其具有很高的活性，因而可以在相对较低的温度下软化、完成对磨料颗粒的包裹，从而实现对陶瓷砂轮的低温烧结。第三是如上工艺制备的陶瓷砂轮具有很好的结合强度，其抗弯强度可到120 MPa以上，砂轮的加工线速度可达60～80 m/s。这得益于锂离子很小的离子半径，在高温下很容易扩散和迁移而与其他氧化物形成新的晶相，这种扩散过程既有利于促进高温烧结，同时由于所生成晶体的“钉扎效应”可阻碍结合剂中微裂纹的扩展，因而可提高结合剂的室温强度，增强陶瓷砂轮的整体机械性能。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明、为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对本发明进行详细说明：
实施例1
取锂云母废渣10份、萤石2份、石英1份、钠长石2份、粉煤灰0.2份，混合均匀后磨细过120目标准筛，装入刚玉坩埚中，于1420℃保温2小时使其熔融、均化后，倒入水中淬冷得玻璃渣，将玻璃渣烘干后磨细过300目标准筛得高活性玻璃粉；取如上所制备玻璃粉10份、过120目标准筛的高岭土2份、黄糊精粉0.15份、混合均匀后，加入4.5份水继续搅拌至均匀，加入4.5倍的刚玉磨料，混合均匀后倒入模具中于45 MPa轴向压力下成型。将成型后的砂轮坯体置于窑炉中以5℃/min速度升温至950℃并保温3h，随炉冷却后获得的陶瓷砂轮抗弯强度为128 MPa，最大加工线速度达66 m/s。
实施例2
取锂云母废渣10份、萤石1.5份、石英2份、钠长石1份、粉煤灰0.5份，混合均匀后磨细过100目标准筛，装入刚玉坩埚中，于1470℃保温2.5小时使其熔融、均化后，倒入水中淬冷得玻璃渣，将玻璃渣烘干后磨细过350目标准筛得高活性玻璃粉。取如上所制备玻璃粉10份、过120目标准筛的高岭土4份、黄糊精粉0.2份、混合均匀后，加入5.2份水继续搅拌至均匀，加入4倍的碳化硅磨料，混合均匀后倒入模具中于30 MPa轴向压力下成型。将成型后的砂轮坯体置于窑炉中以3℃/min速度升温至900℃并保温5h，随炉冷却后获得的陶瓷砂轮抗弯强度为137 MPa，最大加工线速度达78 m/s。
实施例3
取锂云母废渣10份、萤石1份、石英2份、钠长石1.5份、粉煤灰0.4份，混合均匀后磨细过80目标准筛，装入刚玉坩埚中，于1500℃保温1小时使其熔融、均化后，倒入水中淬冷得玻璃渣，将玻璃渣烘干后磨细过320目标准筛得高活性玻璃粉。取如上所制备玻璃粉10份、过120目标准筛的高岭土1份、黄糊精粉0.3份、混合均匀后，加入3份水继续搅拌至均匀，加入6倍的碳化硅磨料，混合均匀后倒入模具中于50 MPa轴向压力下成型。将成型后的砂轮坯体置于窑炉中以8℃/min速度升温至950℃并保温3h，随炉冷却后获得的陶瓷砂轮抗弯强度为122 MPa，最大加工线速度达63 m/s。
Claims (8)
1.一种以锂云母废渣为主要原料的高强度陶瓷砂轮结合剂制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：对锂云母废渣进行预先处理获得高活性玻璃粉；
步骤二：将步骤一高活性玻璃粉的质量为基准，配以0.1～0.5倍质量的高岭土和0.01～0.03倍质量的黄糊精粉装入容器中混合均匀后，加入0.3～0.6倍质量的水继续搅拌至均匀获得陶瓷砂轮用结合剂；
所述步骤一中锂云母废渣的化学组成重量百分比为：氧化铝为21.16%、氧化硅为38.92%、三氧化二铁为2.31%、氧化钙为10.86%、氧化镁为2.17%、氧化钾为6.26%、氧化钠为4.38%、氧化锂为1.13%、氧化锰为1.21%、三氧化硫为9.35%、烧失2.25%；
所述步骤一中预先处理的工序为：按锂云母废渣的质量为基准，配以0.1～0.2倍质量的萤石、0.1～0.2倍质量的石英、0.1～0.2倍质量的钠长石、0.02～0.05倍质量的粉煤灰，经混均、第一次球磨、第一次过筛、高温熔融、淬冷、烘干、第二次球磨、第二次过筛获得高活性玻璃粉。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一次过筛的筛孔目数大于80目，第二次过筛的筛孔目数大于300目。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高温熔融的温度为1400～1500℃，并保温1～3小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤二中高岭土的颗粒度为过120目标准筛。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤二中陶瓷砂轮用结合剂的应用工序为：按陶瓷砂轮用结合剂的质量为基准，配以4～6倍质量的磨料混合均匀后倒入模具中于20～50 MPa轴向压力下成型砂轮坯体，然后将砂轮坯体置于窑炉中以3～8℃/min速度升温至890～960℃并保温1～6h，经随炉冷却后获得陶瓷砂轮。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述磨料为刚玉或碳化硅。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述模具的规格根据陶瓷砂轮的形状进行选择。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述陶瓷砂轮的抗弯强度为120～140MPa，最大加工线速度达60～80 m/s。
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