專利名稱：一種鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用石灰石、石英粉和Y -氧化鋁制備鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料的方法，屬耐火材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石灰石是石灰?guī)r作為礦物原料的商品名稱，主要化學(xué)成分為CaCO3，也有少量的 SiO2 (0. 07-2% )、Al2O3 (0.02-1% ), Fe2O3 (0. 03-1% )、MgO(0. 08-1 % )等。石灰?guī)r在人類文明史上，以其在自然界中分布廣、易于獲取的特點而被廣泛應(yīng)用。作為重要的建筑材料有著悠久的開采歷史，在現(xiàn)代工業(yè)中，石灰石是制造水泥、石灰、電石的主要原料，是冶金工業(yè)中不可缺少的熔劑灰?guī)r，優(yōu)質(zhì)石灰石經(jīng)超細粉磨后，被廣泛應(yīng)用于造紙、橡膠、油漆、涂料、 醫(yī)藥、化妝品、飼料、密封、粘結(jié)、拋光等產(chǎn)品的制造中。據(jù)不完全統(tǒng)計，水泥生產(chǎn)消耗的石灰石和建筑石料、石灰生產(chǎn)、冶金熔劑，超細碳酸鈣消耗石灰石的總和之比為I : 3。石灰?guī)r是不可再生資源，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和納米技術(shù)的發(fā)展，石灰石的應(yīng)用領(lǐng)域還將進一步拓寬。中國是世界上石灰?guī)r礦資源豐富的國家之一。除上海、香港、澳門外，在各省、直轄市、自治區(qū)均有分布。據(jù)原國家建材局地質(zhì)中心統(tǒng)計，全國石灰?guī)r分布面積達43. 8萬 km2 (未包括西藏和臺灣)，約占國土面積的1/20，其中能供做水泥原料的石灰?guī)r資源量約占總資源量的1/4 1/3。為了滿足環(huán)境保護、生態(tài)平衡，防止水土流失，風(fēng)景旅游等方面的需要，特別是隨著我國小城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃的不斷完善和落實，可供水泥石灰?guī)r的開采量還將減少。全國已發(fā)現(xiàn)水泥石灰?guī)r礦點七、八千處，其中已有探明儲量的有1286處，其中大型礦床257處、中型481處、小型486處(礦石儲量大于8000萬噸為大型、4000 8000萬噸為中型、小于4000萬噸為小型)，共計保有礦石儲量542億噸，其中石灰?guī)r儲量504億噸，占 93% ;大理巖儲量38億噸，占7%。保有儲量廣泛分布于除上海市以外29個省、直轄市、自治區(qū)，其中陜西省保有儲量49億噸，為全國之冠；其余依次為安徽省、廣西自治區(qū)、四川(含重慶市)省，各保有儲量34 30億噸；山東、河北、河南、廣東、遼寧、湖南、湖北7省各保有儲量30 20億噸；黑龍江、浙江、江蘇、貴州、江西、云南、福建、山西、新疆、吉林、內(nèi)蒙古、青海、甘肅13省各保有儲量20 10億噸；北京、寧夏、海南、西藏、天津5省各保有儲量5 2億噸。石英粉(同石英砂)又稱硅微粉。石英粉是一種堅硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的礦物，其主要礦物成分是石英，其主要化學(xué)成分是SiO2,常含有少量雜質(zhì)成分如Al203、Ca0、Mg0 等。石英砂的顏色為乳白色、或無色半透明狀，硬度7，密度為2. 65，堆積密度(20-200目為I. 5)，其化學(xué)、熱學(xué)和機械性能具有明顯的異向性，不溶于酸，在160°C以上時溶于NaOH、 KOH水溶液，熔點1650°C。從礦山開采出的石英石經(jīng)加工后，一般粒度在120目篩上的產(chǎn)品稱石英砂。過120目篩的產(chǎn)品稱為石英粉。石英是地球表面分布最廣的礦物之一，它的用途也相當(dāng)廣泛。用于玻璃、鑄造、陶瓷及耐火材料、冶金、建筑、化工、塑料、橡膠、磨料等工業(yè)。鋁礬土，在石油煉制和石油化工中是常用的吸附劑、催化劑和催化劑載體；在工業(yè)上是變壓器油、透平油的脫酸劑，還用于色層分析；在實驗室是中性強干燥劑，其干燥能力不亞于五氧化二磷，使用后在175°C以下加熱6-8h還能再生重復(fù)使用.我國具有較豐富的鋁土礦資源，迄今已探明保守儲量23億噸，位居世界第4，具備發(fā)展氧化鋁工業(yè)的資源條件。據(jù)2004年以來的不完全統(tǒng)計，國內(nèi)已公布的氧化鋁投資項目達26個，測算總規(guī)模達1604. I萬t。即使不考慮利用國外鋁土礦資源和到海外投資辦廠的項目，總規(guī)模也達到 2814. I萬t。2006年底，中鋁公司氧化鋁生產(chǎn)952萬t，除目前已公布在建的氧化鋁規(guī)模外， 全國還有擬建氧化鋁總規(guī)模1992萬t接近國外所有擬建(擴建)氧化鋁項目的總和。氧化鋁工業(yè)的迅速發(fā)展不同于以往的低水平重復(fù)建設(shè)，而是上規(guī)模、高水平，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，極大地提升了我國氧化鋁工業(yè)整體水平和競爭力。但是，如果這種投資熱繼續(xù)無序膨脹，勢必造成產(chǎn)品相對過剩。目前我國氧化鋁企業(yè)達40多家，已建和在建產(chǎn)能達4350多萬噸/年，其中處理國內(nèi)鋁土礦的產(chǎn)能為3250萬噸/年。2010年全國氧化鋁產(chǎn)量2896萬噸，是世界第一大氧化
鋁生產(chǎn)國。據(jù)文獻，對于鈣長石及莫來石的合成及其復(fù)合材料也相繼出現(xiàn)過相關(guān)報導(dǎo)，中國發(fā)明專利“一種輕質(zhì)耐火磚”(CN1424280)利用藍晶石、煅燒煤矸石(低鐵)為原料，制備鈣長石-莫來石復(fù)相輕質(zhì)耐火磚的專利文獻報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前單相鈣長石熔點低，單相莫來石導(dǎo)熱系數(shù)高，以及其采用兩步法燒結(jié)生產(chǎn)成本較高等問題，提出一種以石灰石、石英粉和鋁礬土為原料通過一次燒結(jié)制備低成本、高性能的鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料。石灰石中存在CaC03、Si02、A1203、Fe203、MgO等,石英粉中主要化學(xué)成分為SiO2,招礬土主要提供鋁源，石灰石在高溫下分解形成CaO，并與SiO2作用生成鈣長石，鈣長石在在液相中互相擴散滲透而加速莫來石的形成。利用石灰石、石英粉和鋁礬土制備鈣長石-莫來石復(fù)相材料將進一步降低成本，尤其是鈣長石本身分解會產(chǎn)生CO2，形成氣孔，有利于降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)。本發(fā)明提出的一種鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料，其特征在于該復(fù)相耐高溫材料以石灰石、石英粉和鋁礬土為主要原料。所述石灰石(CaCO3含量大于98. Owt. %)占總配料質(zhì)量分數(shù)的0. I 31%,粒度小于0. IOmm ;所述石英粉(SiO2的含量大于90. Owt. % ) 占總配料質(zhì)量分數(shù)的28. 2 37. 5%。Y-氧化鋁(Al2O3含量大于95wt. % )按照占總配料質(zhì)量分數(shù)的31. 5 72%。本發(fā)明提出的一種鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料的方法，其特征在于所述方法將原料分別振動磨細過200目篩，按所需比例進行配料，將配合料濕法球磨混合l_12h， 加入約占粉料總質(zhì)量3% 10%的結(jié)合劑(結(jié)合劑一般可采用濃度為30%左右工業(yè)糊精、濃度為30%左右的木質(zhì)素磺酸鈣溶液或濃度為10%左右的聚乙烯醇溶液)壓成坯體，通過壓機壓制成為試樣坯體，成型壓力30-100MPa。將坯體經(jīng)過冷等靜壓處理，壓力為 150-200MPa，保壓時間為l_2min。坯體在50°C干燥0. 5-2小時，100°C干燥0. 5-5小時。將坯體置于高溫爐中，在 900°C保溫 0. 5-lh，1200°C保溫 0. 5_lh，1400。。(1500。。、1600。。)保溫3h，升溫制度從室溫到900°C升溫速率10°C /min，900°C以上，2 5°C /min。將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1300 1550°C，將燒成后出窯冷卻后的磚坯按要求尺寸進行切割，即得到本發(fā)明的鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料。本發(fā)明不僅能夠為石灰石、石英粉的綜合利用提供一條新的技術(shù)途徑，同時能夠獲得一種低成本、綜合性能優(yōu)良的高級復(fù)合耐高溫材料，為高溫工業(yè)發(fā)展做出一定的貢獻。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明本發(fā)明采用的原料配方和配比分別為石灰石(CaCO3含量大于98. Owt. % )占總配料質(zhì)量分數(shù)的0. I 31%,粒度小于0. IOmm ;所述石英粉(SiO2的含量大于90. Owt. % ) 占總配料質(zhì)量分數(shù)的28. 2 37. 5%。Y-氧化鋁(Al2O3含量大于95wt. % )按照占總配料質(zhì)量分數(shù)的31. 5 72%。本發(fā)明首先將原料分別振動磨細過200目篩，按所需比例進行配料，將配合料濕法球磨混合l_12h，加入約占粉料總質(zhì)量3% 10%的結(jié)合劑(結(jié)合劑一般可采用濃度為30%左右工業(yè)糊精、濃度為30%左右的木質(zhì)素磺酸鈣溶液或濃度為10%左右的聚乙烯醇溶液)壓成坯體，通過壓機壓制成為試樣坯體，成型壓力30-100MPa。將坯體經(jīng)過冷等靜壓處理，壓力為150-200MPa，保壓時間為l_2min。坯體在50°C干燥0. 5_2小時， 100°C干燥0. 5-5小時。將坯體置于高溫爐中，在900°C保溫0. 5-lh, 1200。。保溫0. 5-lh, 1400°C (1500。。、1600。。)保溫3h，升溫制度從室溫到900°C升溫速率10°C /min，900°C以上，2 5°C /min。將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1300 1550°C，將燒成后出窯冷卻后的磚坯按要求尺寸進行切割，即得到本發(fā)明的鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料。一種鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料的制備工藝流程為原料一原料預(yù)處理(破碎磨細過篩)一配料一濕法球磨混合一干燥一加入結(jié)合劑制成坯體一等靜壓處理一干燥一燒結(jié)一鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料本發(fā)明制備的復(fù)相耐高溫材料具有優(yōu)良的耐高溫、低導(dǎo)熱和高強度性能，可有效降低含鈣長石、莫來石的復(fù)相耐高溫材料的成本，同時為石灰石和石英粉的高效利用開辟了新的應(yīng)用途徑。實施例I原料石灰石，其化學(xué)組成為(w)=CaCO3 88. 2332%, MgCO3 8. 2827%, SiO2 I. 7295%, Fe2O3O. 6325 %, Al2O3 0. 5913 %, K2O 0. 2196 %, SrO 0. 1148 %, TiO2 0. 1053 %, Cr2O3
0.0913%，加入量占總配料質(zhì)量分數(shù)的6. 20% ;石英粉，加入量占總配料質(zhì)量分數(shù)的 30. 02% ;山東淄博的鋁礬土，加入量占總配料質(zhì)量分數(shù)的63. 78%。原料預(yù)處理將上述原料分別利用振動磨磨細過200目篩，使原料在使用前的粒度較細。配料及球磨將上述各種處理過的原料按所述的比例進行配料，然后在將配合料濕法球磨混合 6h。成形與干燥
將上述混合料加入約占混合料總質(zhì)量3%的濃度為30%左右聚乙烯醇作為結(jié)合劑，通過壓機壓制成為試樣坯體，成型壓力50MPa。將試樣坯體經(jīng)過冷等靜壓加壓密實，壓力 200MPa保壓Imin。坯體在50°C干燥I小時，100°C干燥2小時。熱處理將坯體置于高溫爐中于，在900°C保溫lh，1200°C保溫lh，1400°C保溫3h，升溫制度從室溫到900°C升溫速率10°C /min, 900°C以上，2 5°C /min。最后隨爐自然冷卻到室溫即可得到該鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料。試樣的理化性能為其主晶相為鈣長石相、莫來石相、剛玉相；燒結(jié)后試樣的顯氣孔率為14. 8%，體積密度為I. 20g/cm3，常溫抗折強度為120MPa，抗熱震性能良好。實施例2原料石灰石，其化學(xué)組成為(w)=CaCO3 88. 2332%, MgCO3 8. 2827%, SiO2 I. 7295%, Fe2O3O. 6325 %, Al2O3 0. 5913 %, K2O 0. 2196 %, SrO 0. 1148 %, TiO2 0. 1053 %, Cr2O3
0.0913%，加入量占總配料質(zhì)量分數(shù)的6. 20% ;石英粉，加入量占總配料質(zhì)量分數(shù)的 30. 02% ;山東淄博的鋁礬土，加入量占總配料質(zhì)量分數(shù)的63. 78%。原料預(yù)處理將上述原料分別利用振動磨磨細過200目篩，使原料在使用前的粒度較細。配料及球磨將上述各種處理過的原料按所述的比例進行配料，然后在將配合料濕法球磨混合 6h。成形與干燥將上述混合料加入約占混合料總質(zhì)量3%的濃度為30%左右聚乙烯醇作為臨時結(jié)合劑，通過壓機壓制成為試樣坯體，成型壓力50MPa。將試樣坯體經(jīng)過冷等靜壓加壓密實， 壓力200MPa保壓lmin。坯體在50°C干燥I小時，100°C干燥2小時。熱處理將坯體置于高溫爐中于，在900°C保溫lh，1200°C保溫lh，1500°C保溫3h，升溫制度從室溫到900°C升溫速率10°C /min, 900°C以上，2 5°C /min。最后隨爐自然冷卻到室溫即可得到該鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料。試樣的理化性能為其主晶相為鈣長石相、莫來石相、剛玉相；燒結(jié)后試樣的顯氣孔率為10.8%，體積密度為1.96g/cm3，常溫抗折強度為lOOMPa，抗熱震性能良好。實施例3原料石灰石，其化學(xué)組成為(w)=CaCO3 88. 23 %, MgCO3 8. 28%, SiO2 I. 73%, Fe2O3
0.63%, Al2O3 0. 59%, K2O 0. 22%, SrO 0. 11%, TiO2 0. 10%, Cr2O3 0.09%，加入量占總配料質(zhì)量分數(shù)的6. 20%;石英粉，加入量占總配料質(zhì)量分數(shù)的30. 02%;山東淄博的鋁礬土，加入量占總配料質(zhì)量分數(shù)的63. 78%。原料預(yù)處理將上述原料分別利用振動磨磨細過200目篩，使原料在使用前的粒度較細。配料及球磨
將上述各種處理過的原料按所述的比例進行配料，然后在將配合料濕法球磨混合 6h。成形與干燥將上述混合料加入約占混合料總質(zhì)量3%的濃度為30%左右聚乙烯醇作為臨時結(jié)合劑，通過壓機壓制成為試樣坯體，成型壓力50MPa。將試樣坯體經(jīng)過冷等靜壓加壓密實， 壓力200MPa保壓lmin。坯體在50°C干燥I小時，100°C干燥2小時。熱處理將坯體置于高溫爐中于，在900°C保溫lh，1200°C保溫lh，1400°C保溫3h，升溫制度從室溫到900°C升溫速率10°C /min, 900°C以上，2 5°C /min。最后隨爐自然冷卻到室溫即可得到該鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料。試樣的理化性能為其主晶相為鈣長石相、莫來石相、剛玉相；燒結(jié)后試樣的顯氣孔率為2. 8%，體積密度為2. 82g/cm3，常溫抗折強度為145MPa，抗熱震性能良好。
權(quán)利要求
1.一種鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料及其制備方法，其特征在于采用天然礦物原料石灰石、石英粉及鋁礬土為原料，將原料分別振動磨細過200目篩，將配合料濕法球磨混合l_12h，加入約占粉料總質(zhì)量3% 10%的結(jié)合劑(結(jié)合劑一般可采用濃度為30%左右工業(yè)糊精、濃度為30%左右的木質(zhì)素磺酸鈣溶液或濃度為10%左右的聚乙烯醇溶液)壓成坯體，通過壓機壓制成為試樣坯體，成型壓力30-100MPa。將坯體經(jīng)過冷等靜壓處理，壓力為150-200MPa，保壓時間為l_2min。坯體在50°C干燥0. 5-2小時，100。。干燥0. 5-5小時。 將坯體置于高溫爐中，在 900°C保溫 0. 5-lh，1200。。保溫 0. 5-lh，1400°C (1500。。、1600。。) 保溫3h，升溫制度從室溫到900°C升溫速率10°C /min，900°C以上，2 5°C /min。將干燥好的磚坯裝入窯中燒成，最終燒成溫度1300 1550°C，將燒成后出窯冷卻后的磚坯按要求尺寸進行切割，即得到本發(fā)明的鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料。
2.如權(quán)利要求I所述的一種鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料，其特征在于石灰石按照占總配料質(zhì)量分數(shù)的I. 0 31. 0%，要求CaCO3含量大于98. 0%，粒度小于0. IOmm ;石英粉按照占總配料質(zhì)量分數(shù)的28. 2 37. 5%，要求SiO2含量大于90. Owt. % ； y-氧化鋁按照占總配料質(zhì)量分數(shù)的31. 5 72. 0 %，要求Al2O3含量大于95. Owt. %。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料及其制備方法，屬耐火材料技術(shù)領(lǐng)域。該復(fù)相耐高溫材料以石灰石、石英粉和γ-氧化鋁為主要原料，石灰石按照占總配料質(zhì)量分數(shù)的1.0～31％、石英粉按照占總配料質(zhì)量分數(shù)的28.2～37.5％、γ-氧化鋁按照占總配料質(zhì)量分數(shù)的31.5～72％進行配料，經(jīng)濕法球磨混合后，加入結(jié)合劑干壓成形，于1400℃～1600℃下燒結(jié)制備得到鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料。本發(fā)明制備的鈣長石-莫來石復(fù)相耐高溫材料具有優(yōu)良的耐高溫、抗熱震性和低導(dǎo)熱性能，可有效降低含鈣長石、莫來石復(fù)相耐高溫材料的成本，同時能夠為鈣長石和莫來石的綜合高效利用開辟新的技術(shù)途徑。
文檔編號C04B35/66GK102603313SQ201110433179
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者劉艷改, 徐慧銘, 房明浩, 易帥, 王永紅, 黃軍同, 黃朝暉 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)