专利名称：一种利用气化炉渣合成Ca-α-Sialon的方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷、耐火材料技术领域，特别是提供了一种利用气化炉渣 制备Ca-a-Sialon材料的方法，具有较强的可行性。
背景技术：
Sialon保留了Si3N4高强度、高硬度、高耐热性等优良性能，并且在韧 性、化学稳定性和抗氧化性等方面优于Si3N4，因此被认为是最有希望的高 温结构陶瓷之一。Ca-a-Sialon是固溶碱土金属的五元系赛隆族材料，由于 其晶体形貌为长柱状，使得以Ca-a-Sialon粉体为原料制成的陶瓷材料在韧 性方面有很大提高，这为韧性陶瓷的研制开辟了一条新思路。现己在高炉内 衬、混铁炉(车)内衬、铁水包、滑动水口及热交换器构件等设备上得到广 泛应用。
通常，Ca-a-Sialon是利用氮化物(a-Si3N4、 A1N)和CaO为原料在高 温热压的条件下制备而成的，合成温度高(1700 1800°C)，工艺繁杂，制 备成本高，限制了 Ca-a-Sialon的大规模工业生产。
目前针对气化炉渣报道较少，对气化炉渣的应用研究更是屈指可数。 Acosta (A. Acosta， I. Iglesias， M. Aineto， et al， Utilisation of IGCC slag and clay steriles in soft mud bricks (by pressing) for use in building bricks manufacturing, Waste Management, 2002， 22:887-89)利用气化炉渣与粘土 制备了建筑用砖，将粘土与气化炉渣按一定的比例混合均匀后在90(TC条件 下进行烧结，研究表明当样品气化炉渣含量达到50%时可制得满足使用要求的建筑用砖。然而，将气化炉渣应用于合成制备Ca-a-Sialon的研究成果并 未有所涉及。因此，利用气化炉渣制备Ca-a-Sialon材料对于满足资源的可 持续利用要求，具有很强的研究价值和技术意义。
发明内容
针对上述背景技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种从气化炉 渣合成Ca-a-Sialon材料的方法， 一是实现了气化炉渣的综合利用；二是设 计了一种制备Ca-a-Sialon材料廉价工艺，降低了成本。 为了实现上述技术任务，本发明采取以下技术方案 一种利用气化炉渣制备Ca-a-Sialon材料的方法，其特征在于，包括以下
a. 配料将气化炉渣作为原料，碳黑作为还原剂，按照6C+ 3Si02+2N2—Si3N4+6CO配置成混合料，其中碳黑加入量应超过理论加入量 的7%-10%，该碳黑加入量便于碳热还原氮化反应更充分。
b. 球磨混合将配制好的料放入球磨罐中，加10%白糊精作为结合剂， 干法球磨10-20小时，以达到混合均匀和细化粉末的目的。
c. 压制成型混合料在120MPa的压力下压制成圆柱状试样。
e. 干燥将成型块放入烘箱中在7(TC下烘干10-20小时。
f. 碳热还原氮化合成将试样放入高温可控管式气氛炉中，以5 7度/分 的升温速度加热到800。C， 2 3h后升至1200。C， l~3h升温到1300~1500°C, 通入氮气流量为0.5L/min，在最高温度保温9小时，以实现试样的充分烧结。
g. 去碳除铁将烧结试样在700—800。C条件下保温6—7h，以除去试样 中的碳；将除碳后试样磨成粉末，放置于除铁机中进行除铁，最终得到 Ca-a-Sialon陶瓷粉体。所述的气化炉渣成分为Si02 35 40%， A1203 7~12%， CaO 7~9%， MgO 0.5 1%， C 20~25%， Fe 3~5%， K20 1.2~1.8%， Na20 1~1.5%，
其他余量。
本发明的优点在于通过较低成本得到具有较高纯度(质量百分比为 60~90%)的规则六棱柱状Ca-cc-Sialon陶瓷粉体，使气化炉渣得到合理充分 的利用。
图1为本发明选用的气化炉渣的XRD图谱。 图2实施例1， 2， 3， 4产物的XRD图谱。 图3实施例1， 2， 3， 4产物的相组成含量变化图。 图4实施例4中Ca-a-Sialon的微观形貌图，其中图4 (a)的放大倍数 为5万倍，图4 (b)的放大倍数为20万倍。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施例方式
本发明以气化炉渣为主要原料，通过碳热还原氮化法制备Ca-a-Sialon 材料，在制备过程中通过控制烧结温度、保温时间、氮气流量等工艺参数， 可得到具有较高纯度的Ca-a-Sialon材料。其中Ca-a-sialon的形成反应原 理如下
mCaO十(24-2 (m+n)) Si02+ (m+n) A1203+ (16-n) N2+ (48画3n) C —2Ca(m/2)Si(12_(m+n)) Alm+nOnN16.n+ (48-3n) CO
遵循上述反应原理，本发明采取如下步骤 a.配料将气化炉渣作为原料，碳黑作为还原剂，按照6C+
3Si02+2N2—Si3N4+6CO配置成混合料，其中碳黑加入量应超过理论加入量的7%-10%，该碳黑加入量便于碳热还原氮化反应更充分。
b. 球磨混合将配制好的料放入球磨罐中，加10%白糊精作为结合剂， 干法球磨10-20小时，以达到混合均匀和细化粉末的目的。
c. 压制成型混合料在120MPa的压力下压制成圆柱状试样。
e. 干燥将成型块放入烘箱中在7(TC下烘干10-20小时。
f. 碳热还原氮化合成将试样放入高温可控管式气氛炉中，以5~7度/分 的升温速度加热到800'C， 2-3h后升至1200°C， l~3h升温到1300-1500°C ， 通入氮气流量为0.5L/min，在最高温度保温9小时，以实现试样的充分烧结。
g.去碳除铁将烧结试样在700—80(TC条件下保温6—7h，以除去试样 中的碳；将除碳后试样磨成粉末，放置于除铁机中进行除铁，最终得到 Ca-a-Sialon陶瓷粉体。
本发明的优点在于通过较低成本得到具有较高纯度(质量百分比为
60~90%)的规则六棱柱状Ca-a-Sialon陶瓷粉体，使气化炉渣得到合理充分 的利用。
以下是发明人给出的实施例，本发明不限于这些实施例，经申请人的实 验证明，在本发明给出的范围内均能够利用气化炉渣制备合格的 Ca-a-Sialon材料。以下实施例中所提供的气化炉渣均选用陕西神木化学工 业有限公司Texaco气化炉炉渣，所涉及的气化炉渣的主要化学组成为Si02、 Ab03和CaO，且含有较高的残碳量，气化炉渣成分为Si02: 35~40%， A1203 : 7 12%， CaO : 7~90/0， MgO : 0.5~lo/o， C: 20~25%， Fe 3~5%， K20 : 1.2~1.8%， Na20: 1~1.5%，其他余量。气化炉渣的X-射线衍射图 谱如图1所示。由图可见气化炉渣玻璃相、不定形物质含量很高，达到卯％ 以上，晶相主要为石英和方解石。其中石英由高温液相冷却过程中玻璃相析晶而得，方解石是为了调整灰分的熔点和熔体性质而引入的助溶剂，由于颗 粒粒径较大、在气化炉中停留时间较短没有完全分解而残留在气化渣中。 实施例1:
将气化炉渣、碳黑进行配料，其中碳黑加入量超过理论值的7%，将混
合物球磨14小时，球磨后的混合料在120MPa压力下压制成型，在70-80。C 下烘干10-20小时，干燥后试样在1300。C煅烧9小时，并控制氮气流量为 0.5L/min，得到的最终制品中主晶相为卩-sialon，只含有少量的Ca-a-Sialon 相和莫来石相，参见图2和图3所示。 实施例2:
将气化炉渣、碳黑进行配料，其中碳黑加入量超过理论值的8%，将混 合物球磨15小时，球磨后的混合料在120MPa压力下压制成型，在70-8(TC 下烘干10-20小时，干燥后试样在140(TC煅烧9小时，并控制氮气流量为 0.5L/min，得到的最终制品中主晶相仍为卩-siakm相，但相对于实施例1的 含量有所降低，Ca-a-Sialon相含有有所增加，参见图2和图3所示。
实施例3:
将气化炉渣、碳黑进行配料，其中碳黑加入量超过理论值的9%，将混 合物球磨18小时，球磨后的混合料在120MPa压力下压制成型，在70-80°C 下烘干10-20小时，干燥后试样在1450'C煅烧9小时，并控制氮气流量为 0.5L/min，得到的最终制品中主晶相为Ca-a-Sialon相，含有少量的卩-sialon 相和莫来石相，参见图2和图3所示。
实施例4:
将气化炉渣、碳黑进行配料，其中碳黑加入量超过理论值的10%，将混 合物球磨20小时，球磨后的混合料在120MPa压力下压制成型，在70-80'C下烘干10-20小时，干燥后试样在150(TC煅烧9小时，并控制氮气流量为 0.5L/min，得到的最终制品中主晶相为Ca-a-Sialon，其质量分数达到80%以 上，参见图2和图3。该主晶相Ca-a-Sialon为规则六棱柱状，径向长度为 3.5—5^m，参见图4所示。
权利要求
1、一种利用气化炉渣制备Ca-α-Sialon材料的方法，其特征在于，包括以下步骤a.配料将气化炉渣作为原料，碳黑作为还原剂，按照6C+3SiO2+2N2→Si3N4+6CO配置成混合料，其中碳黑加入量应超过理论加入量的7％-10％，该碳黑加入量便于碳热还原氮化反应更充分；b.球磨混合将配制好的料放入球磨罐中，加10％白糊精作为结合剂，干法球磨10-20小时，以达到混合均匀和细化粉末的目的；c.压制成型混合料在120MPa的压力下压制成圆柱状试样；e.干燥将成型试样放入烘箱中在70℃下烘干10-20小时；f.碳热还原氮化合成将试样放入高温可控管式气氛炉中，以5～7度/分的升温速度加热到800℃，2～3h后升至1200℃，1～3h升温到1300～1500℃，通入氮气流量为0.5L/min，在最高温度保温9小时，以实现试样的充分烧结；g.去碳除铁将烧结试样在700-800℃条件下保温6-7h，以除去试样中的碳；将除碳后试样磨成粉末，放置于除铁机中进行除铁，最终得到Ca-α-Sialon陶瓷粉体。
2、 如权利要求l所述的利用气化炉渣制备Ca-a-Sialon材料的方法，其特征在于，所述的气化炉渣成分为Si02 : 35~40%， A1203 : 7~12%， CaO: 7~9%， MgO : 0.5~1%， C : 20~25%， Fe : 3~5%， K20 : 1.2~1.8%， Na20 : 1~1.5%，其他余量。
全文摘要
本发明公开了一种利用气化炉渣制备Ca-α-Sialon材料的方法。该方法以气化炉渣为主要原料，通过碳热还原氮化法制备Ca-α-Sialon材料，在制备过程中通过控制配料、烧结温度、保温时间、氮气流量等工艺参数，可得到具有较高纯度的Ca-α-Sialon材料。本发明的优点在于通过较低成本得到具有较高纯度(质量百分比为60～90％)的规则六棱柱状Ca-α-Sialon陶瓷粉体，使气化炉渣得到合理充分的利用。
文档编号C04B35/622GK101607821SQ20091002330
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月13日 优先权日2009年7月13日
发明者耘 任, 尹洪峰, 张军战, 云 汤 申请人:西安建筑科技大学