專利名稱：一種氧化鋯-莫來石復相耐火原料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氧化鋯-莫來石復相耐火原料及其制備方法，屬于耐高溫復相材料制備技術領域。
背景技術：
鋯英石是一種十分重要的含鋯非金屬礦礦種，它在耐火材料、陶瓷工業(yè)、建材工業(yè)、電子工業(yè)和原子能工業(yè)等諸多領域都有十分廣泛的應用。鋯英石的主要成分為硅酸鋯， 它主要產于花崗巖、堿性巖或與這些巖石有關的偉晶巖及巖漿期后礦床中，此外在變質巖、 沉積巖以及某些噴出巖中也有鋯英石存在。莫來石材料由莫來石單晶或多晶組成，具有高的彈性模量、抗蠕變性、抗熱沖擊性和高溫強度，化學穩(wěn)定性好，能在1000°c以上抵抗熔融金屬和非氧化物的浸蝕，同時在高溫氧化條件下具有良好的穩(wěn)定性和力學性能、較低的熱導率和優(yōu)良的電絕緣性，其廣泛用于高溫結構材料的研究。復相材料相比于單相材料有著更好的理化性能，因此擬通過鋯英石與氧化鋁在高溫條件下反應燒成獲得的氧化鋯-莫來石復相耐火材料可以顯著改善單一材料的機械性能，使其具有更優(yōu)異的力學性能、抗熱震性能以及抗侵蝕性能，作為耐火材料的原料或高溫結構材料，廣泛的應用于冶金、機械、化工、鋼鐵冶煉等諸多領域。傳統的制備氧化鋯-莫來石復相原料的方法常采用氧化鋯或硅酸鋯細粉與莫來石細粉作為主要原料進行復合。如唐紹裘等以^SiO4和Al2O3為主要原料原位合成了氧化鋯-莫來石復相陶瓷材料并探討了原位反應機理，所制備的材料具有較好的機械性能。趙世柯等以超細^SiO4和Al2O3的反應燒結產物為結合相，以粗粒莫來石為骨料制備出了具有高致密度、優(yōu)良抗熱震性的氧化鋯-莫來石復合耐火材料。這一類方法工藝過程較為簡單，但是所需原料的獲得往往需要經過復雜的破碎和高溫等過程，從而使得生產的成本較尚ο除了傳統的高溫燒結法以外，在一些研究中采用液相合成的方法也可以得到這種高性能的氧化鋯-莫來石復相粉體材料。如譚小平等采用非晶晶化法制備得到了高含量的氧化鋯-莫來石納米復相陶瓷，同時研究了 Si02-2A1203-2^O2體系的原位受控晶化過程，這種制備方法解決了納米粉末團聚、高溫燒結時不能完全致密和晶粒快速長大等問題，有利于獲得均勻、致密、高可靠性的結構陶瓷材料。朱伯銓等以鋯英石為原料，采用熔鹽法合成制備出了氧化鋯-莫來石復相粉體，這種合成方法使反應在液相中實現原子尺度的混合，所合成的粉體具有較好的形貌。這一類反應所需溫度較低，所制備的材料性能較好， 其不足在于需要經過多步反應才能得到所要合成的目標產物。為了降低生產成本、縮短工藝流程，尋找一種高效、低成本的合成方法來制備氧化鋯-莫來石復相原料，可以選用天然礦物作為原料經一步高溫反應過程來制備這種復相材料。熱力學分析表明，按適當的比例混合鋯英石和氧化鋁細粉并加熱至1500°C以上可以使鋯英石分解產生的S^2與Al2O3反應形成莫來石。因此采用天然礦物鋯英石為主要原料制備氧化鋯-莫來石復相材料可以有效的節(jié)約能源和降低能耗，此外該工藝還可以實現鋯英石等含鋯非金屬礦物的高效增值利用，具有十分重要的意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝過程相對簡單、生產成本較低、能源消耗較低、物相純度較高的氧化鋯-莫來石復相耐火原料的制備方法。本發(fā)明涉及一種氧化鋯-莫來石復相耐火原料制備的新方法，其特征為以鋯英石細粉和鋁源(可以是α-Al2O3^-Al2O3和Al (OH)3等)為主要原料，外加常溫結合劑，并將其按一定比例混合，然后經制坯、干燥、燒成、冷卻等工藝過程制備出氧化鋯-莫來石復相耐火原料。所制備的氧化鋯-莫來石復相耐火原料的主要組成成分有m-&02、t-Zr02和莫來石等，各物相所占總比例m-&02+t-Zr02+3Al203 · 2Si02大于96%。這種氧化鋯-莫來石復相材料可以作為耐火材料的原料。所述鋯英石細粉為市售工業(yè)原料，其質量要求為鋯英石純度大于90wt%，其粒度要求為最大粒徑小于500 μ m。所述鋁源細粉為市售工業(yè)原料，可以采用α-Α1203、Y-Al2O3和Al (OH)3等常用的鋁的化合物。其質量要求為鋁源純度大于95wt%，其粒度要求為最大粒徑小于500 μ m。所述制備過程中外加的常溫結合劑采用硅溶膠或工業(yè)糊精溶液、聚乙烯醇溶液等，其添加量為配料總質量的0.2% 15.0%。所述氧化鋯-莫來石復相材料的制備工藝過程為a)將鋯英石細粉和鋁源(可以是α _Α1203、γ -Al2O3和Al (OH)3等)按鋯英石細粉占20wt% 80襯％的、鋁源占20wt% 80wt%的比例混合，混合后加入球磨機中球磨 0. 1 24h至原料充分混合均勻，球磨的方式可以選用干法球磨或濕法球磨，其中球磨介質可以選用陶瓷球或瑪瑙球等，濕法球磨可以選用水作為球磨液。b)將混合后的原料經過干壓成型、半干壓成型或等靜壓成型等工藝制成坯體，再在室溫下進行干燥處理。c)將干燥好的坯體置于熱工窯爐中加熱燒成，燒成溫度為1450°C 1800°C。坯體經過常溫至燒成溫度范圍內的升溫速度沒有特定要求，在800°C 1200°C的溫度范圍內可以保溫一定時間，在最終燒成溫度下保溫1 18小時，然后自然冷卻至室溫即可得到所述的氧化鋯-莫來石復相耐火原料。本發(fā)明涉及的這種制備氧化鋯-莫來石復相耐火原料的新方法具有工藝過程簡單、制備成本較低、能源消耗較少以及便于大規(guī)模生產等突出優(yōu)勢，同時也為鋯英石等富含鋯、硅元素的天然礦物原料的高效增值利用提供一條新的技術途徑。
具體實施例方式實施例1 原料及配比鋯英石(硅酸鋯含量約為98wt% )加入量為54. 30wt %，平均粒徑為小于Iym; α-Al2O3加入量為45. 70wt%，平均粒徑為小于100 μ m。外加結合劑(硅溶膠)的添加量為配料總質量的3%。
配料、混料首先將各種原料按照上述比例裝入球磨機，選用氧化鋁球作為球磨介質，水為球磨溶液，濕法球磨他將原料充分混合均勻，粒度小于1 μ m，孔徑篩篩余量小于2. Owt %。干燥、研磨將球磨混合好的原料取出，置于烘箱中使原料中的水分充分蒸發(fā)，然后將原料倒入研缽中研磨30min。成型在研磨后的原料中加入3%的結合劑硅溶膠，然后采用干壓成型法使物料在 200MPa的壓力下壓制得到0100mmX200mm的試樣。燒成將成型好的坯體置于高溫電爐中加熱，最高燒成溫度為1600°C并保溫3小時。上述燒成產物自然冷卻后即可得到所述氧化鋯-莫來石復相耐火原料。所制備的氧化鋯-莫來石復相耐火原料的主要組成成分為m-&02、t-ZiO2和莫來石，各物相所占總比例 m-Zr02+t-Zr02+3Al203 · 2Si02 大于 96%。實施例2 原料及配比鋯英石(硅酸鋯含量約為96wt%)加入量為43. 72wt%，平均粒徑為小于500 μ m ； Al (OH)3W入量為56. ^wt %，平均粒徑為小于500 μ m。外加結合劑(濃度為10%的聚乙烯醇溶液)的添加量為配料總質量的2%。配料、混料首先將各種原料按照上述比例裝入球磨機，選用氧化鋁球作為球磨介質，水為球磨溶液，濕法球磨IOh將原料充分混合均勻，粒度小于1 μ m，孔徑篩篩余量小于2. Owt %。干燥、研磨將球磨混合好的原料取出，置于烘箱中使原料中的水分充分蒸發(fā)，然后將原料倒入研缽中研磨30min。成型在研磨后的原料中加入2%的結合劑聚乙烯醇溶液，然后采用等靜壓成型法使物料在IOOMPa的壓力下壓制得到Φ IOOmmX 200mm的試樣。燒成將成型好的試樣置于高溫電爐中加熱，最高燒成溫度為1650°C并保溫2小時。上述燒成產物自然冷卻后即可得到所述氧化鋯-莫來石復相耐火原料。所制備的氧化鋯-莫來石復相耐火原料的主要組成成分為m-&02、t-ZiO2和莫來石，各物相所占總比例 m-Zr02+t-Zr02+3Al203 · 2Si02 大于 96%。實施例3 原料及配比鋯英石(硅酸鋯含量約為95wt%)加入量為51.93wt%，平均粒徑為小于IOOym; Y-Al2O3加入量為48. 07wt%，平均粒徑為小于100 μ m。外加結合劑(工業(yè)糊精溶液)的添加量為配料總質量的4%。配料、混料
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首先將各種原料按照上述比例裝入球磨機，選用氧化鋁球作為球磨介質，水為球磨溶液，濕法球磨他將原料充分混合均勻，粒度小于ι μ m，孔徑篩篩余量小于2. Owt %。干燥、研磨將球磨混合好的原料取出，置于烘箱中使原料中的水分充分蒸發(fā)，然后將原料倒入研缽中研磨30min。成型在研磨后的原料中加入4%的結合劑工業(yè)糊精溶液，然后采用等靜壓成型法使物料在150MPa的壓力下壓制得到Φ IOOmmX 200mm的試樣。燒成將成型好的試樣置于高溫電爐中加熱，最高燒成溫度為1550°C并保溫4小時。上述燒成產物自然冷卻后即可得到所述氧化鋯-莫來石復相耐火原料。所制備的氧化鋯-莫來石復相耐火原料的主要組成成分為m-&02、t-ZiO2和莫來石，各物相所占總比例 m-Zr02+t-Zr02+3Al203 · 2Si02 大于 96%。
權利要求
1.一種氧化鋯-莫來石復相耐火原料及其制備方法，其特征為采用高溫原位下反應合成氧化鋯-莫來石復相耐火原料。本發(fā)明所制備的氧化鋯-莫來石復相耐火原料的主要組成成分有m-&02、t-ZiO2和莫來石等，各物相所占總比例m-&02+t-Zr02+3Al203 *2Si02大于 96%。這種氧化鋯-莫來石復相材料可以作為耐火材料的原料。
2.根據權利要求1所述的一種氧化鋯-莫來石復相耐火原料，其特征為所述氧化鋯-莫來石復相耐火原料的制備以鋯英石細粉和不同的鋁源(可以是α-Α1203、Y-Al2O3 和Al (OH)3等)為主要原料，外加常溫結合劑，并按鋯英石細粉占20wt% 80wt%、鋁源占 20wt% 80wt%的比例混合，然后經制坯、干燥、燒成、冷卻等工藝過程制備出氧化鋯-莫來石復相耐火原料。
3.根據權利要求2所述的一種氧化鋯-莫來石復相耐火原料，其特征為所述鋯英石細粉為市售工業(yè)原料，其質量要求為鋯英石純度大于90wt %，其粒度要求為最大粒徑小于 500umo
4.根據權利要求2所述的一種氧化鋯-莫來石復相耐火原料，其特征為所述鋁源細粉為市售工業(yè)原料，可以采用α-Α1203、Y-Al2O3和Al (OH)3等常用的鋁的化合物。其質量要求為鋁源純度大于95wt %，其粒度要求為最大粒徑小于500 μ m。
5.根據權利要求2所述的一種氧化鋯-莫來石復相耐火原料，其特征為所述制備過程中外加的常溫結合劑采用硅溶膠或工業(yè)糊精溶液、聚乙烯醇溶液等，其添加量為配料總質量的0. 2% 15. 0%。
6.根據權利要求2所述的一種氧化鋯-莫來石復相耐火原料，其制備工藝過程依次為a)將鋯英石細粉和鋁源(可以是α-A1203> Y-Al2O3和Al (OH)3等)按一定配比混合后加入球磨機中球磨0. 1 24h至原料充分混合均勻，球磨的方式可以選用干法球磨或濕法球磨，其中球磨介質可以選用陶瓷球或瑪瑙球等，濕法球磨可以選用作為球磨液。b)將混合后的原料經過干壓成型、半干壓成型或等靜壓成型等工藝制成坯體，再在室溫下進行干燥處理。c)將干燥好的坯體置于熱工窯爐中加熱燒成，燒成溫度為1450°C 1800°C。坯體經過常溫至燒成溫度范圍內的升溫速度沒有特定要求，在800°C 1200°C的溫度范圍內可以保溫一定時間，在最終燒成溫度下保溫1 18小時，然后自然冷卻至室溫即可得到所述的氧化鋯-莫來石復相耐火原料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化鋯-莫來石復相耐火原料及其制備方法，屬于耐高溫復相材料制備技術領域。其特征是以鋯英石和不同鋁源(如α-Al2O3、γ-Al2O3、Al(OH)3等)在高溫下原位反應制備氧化鋯-莫來石復相耐火原料。本發(fā)明所制備的氧化鋯-莫來石復相耐火原料的主要組成成分有m-ZrO2、t-ZrO2和莫來石等。本發(fā)明涉及的這種制備氧化鋯-莫來石復相耐火原料的新方法具有工藝成本較低、能耗較少以及便于大規(guī)模生產等突出優(yōu)勢，同時也為鋯英石等含鋯硅酸鹽礦物的高效增值利用提供一條新的技術途徑。
文檔編號C04B35/66GK102424585SQ20111025982
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權日2011年9月5日
發(fā)明者劉艷改, 唐潮, 尹麗, 徐友果, 房明浩, 易帥, 李悅彤, 黃朝暉 申請人:中國地質大學(北京)