专利名称：一种镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料及其制备方法 铝灰是电解铝工业和铝材、铝制品生产过程中产生的固体废物中数量不小的部分。铝灰的化学成分主要以Al2O3，SiO2，MgO，Fe2O3，Na2O，CaO和金属铝等为主，还有一些氮化物、氯化物和硫化物等，在一般情况下，SiO2含量为0.5～30％、Al2O3含量为10～75％，其化学成分的比例随着各生产厂家的原料及操作条件不同而略有变化。铝灰通常被作为垃圾遗弃，既污染环境、又需要大量的处置场地、且处理费用高。随着工业进程的发展，铝灰的生成量也越来越多。如何综合利用铝灰是一个世界范围的重要课题。目前国内外铝灰的再生利用主要集中在如下几个方面(1)冶金炉料复合脱硫剂主要以萤石、石灰为主要原料，铝灰掺入量不超过40％，铁水经铝灰脱硫剂炉外脱硫，铁水中锰、硅、碳有烧伤；(2)用于混凝土或建筑材料由于铝灰中含有金属铝，金属铝的水化产生气泡，导致混凝土或建筑材料中内部产生气孔、膨胀使得内部结构疏松，强度降低，因而铝灰利用率不高；(3)铝盐的回收主要是将铝灰和盐酸或硫酸反应生成铝盐，这种方法主要回收铝灰中的铝，未能回收铝灰中的其它成分，同时也产生大量的废液；(4)铝酸钙产品采用水洗、蒸发、结晶的方法分离出非金属产物，这种非金属产物主要包括大量铝的化合物和少量的含硅和镁的化合物，除去非金属产物中的金属铝和氮化铝，加入CaO源，混合，煅烧成铝酸钙产品(USP 6,238,633)；(5)耐火材料采用铝灰生产耐火材料，目前报道主要生产电熔棕刚玉(铝灰生产棕刚玉的工艺，哈尔滨理工大学学报，1996，1(2)48-50)、“棕刚玉的生产方法”(CN 90107092.0)、“一种电熔复合耐火材料及其生产方法”(CN 200610018950.2)等技术。但这些技术目前存在着局限性一是需要铝灰中的Al2O3含量高；二是对铝灰成分的利用并不完全，浪费大。如生产棕刚玉和镁铝尖晶石只利用了铝灰中的金属铝、氧化铝或金属铝、氧化铝和氧化镁。铝灰中含有一定量的有用的成分SiO2和AlN会被浪费掉。Sialon具有热震稳定性好、高温强度高以及难于被金属润湿等优点，是一种性能优良的非氧化物耐火材料。Sialon引入刚玉内制成的Sialon结合刚玉材料，有效提高了刚玉材料的高温强度及热震稳定性，同时由于和钢水、渣液的润湿角较大，对改进刚玉材料的抗钢水、渣侵蚀和渗透能力也有积极作用。而镁铝尖晶石与刚玉相比熔点更高，化学稳定性及抗热震稳定性更好，抵抗碱性熔渣侵蚀的能力更强，是一种良好的氧化物耐火材料。镁铝尖晶石和Sialon相复合，能够结合两者的优点，制备出性能优良的新型复合材料——镁铝尖晶石/Sialon复合材料。
本发明的目的是提供一种可以变废为宝、减少环境污染、降低生产成本的利用废弃铝灰制备镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料的方法。所制备的镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料与普通的镁铝尖晶石材料相比，抗铁水、熔渣侵蚀的能力、耐压强度及抗热震稳定性显著提高。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是将25～95wt％的铝灰、0.1～20wt％的MgO细粉、0.5～55wt％的铝矾土熟料细粉、0～30wt％的单质硅细粉、0～10wt％的金属铝细粉、0～50wt％的SiO2细粉混和，经搅拌后成型，成型后的坯体在氮气气氛下于反应炉中先加温到1000～1100℃、保温0.5～5h，再以2～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温1～6h，然后以2～5℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温2～10h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。其中铝灰的主要化学组分是，Al2O3为10～70wt％、Al为5～40wt％、MgO为0.3～12wt％、SiO2为0.5～30wt％，粒径小于100目；SiO2细粉为硅微粉、石英粉和石英玻璃粉中的一种或一种以上，粒径小于100目；MgO细粉为轻烧氧化镁、电熔镁砂、烧结镁砂中的一种或一种以上，粒径小于100目；铝矾土熟料细粉、单质硅细粉、金属铝细粉的粒径均小于100目；反应炉或为气氛炉、或为电弧炉、或为感应炉。由于采用上述技术方案，本发明所用原料的为铝灰，利用其中的金属铝、氮化铝为还原剂。铝灰为铝工业生产废弃物，可以变废为宝、减少环境污染；使用该方法用废弃的铝灰为原料合成镁铝尖晶石/Sialon复合耐火材料，可以降低生产镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷的成本。所制备的镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料与普通的镁铝尖晶石材料相比，其抗铁水、熔渣侵蚀的能力、耐压强度及抗热震稳定性能显著提高。具有广泛的社会和经济价值。

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述实施例1一种镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料及其制备方法，将25～30wt％的铝灰、0.1～5wt％的轻烧氧化镁、1～6wt％的电熔镁砂、0.1～9wt％的烧结镁砂、30～40wt％的铝矾土熟料细粉、20～30wt％的单质硅细粉、0.1～5wt％的金属铝细粉、0.1～10wt％的硅微粉、5～15wt％的石英粉和5～15wt％的石英玻璃粉混和，经搅拌后成型，成型后的坯体在氮气气氛下于气氛炉中先加温到1000～1100℃、保温2～2.5h，再以2～3℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～4h，然后以2～3℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温5～6h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。
其中铝灰的化学组分是Al2O3为24.62％、Al为29.6％、MgO为10.7％、SiO2为10.5％、Na2O为3.7％、CaO为2.4％、TiO2为2.0％、Fe2O3为2.2％、灼减为12.84％、其它为1.5％。铝矾土熟料的化学组分是Al2O3为61.3wt％、SiO2为20.6wt％、MgO为0.09wt％、Na2O为0.08wt％、CaO为0.06wt％、TiO2为2.12wt％、Fe2O3为1.23wt％、灼减为14.51wt％。各配料均为小于100目的细粉。
经X-射线衍射分析，主要物相为镁铝尖晶石和Sialon相。扫描电镜显示Sialon呈片状，且两相分布均匀。
实施例2一种镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料及其制备方法，将35～40wt％的铝灰、1～10wt％的轻烧氧化镁、0.1～5wt％的电熔镁砂、40～55wt％的铝矾土熟料细粉、0.1～10wt％的单质硅细粉、2～15wt％的硅微粉、5～30wt％的石英粉混和，经搅拌后成型，成型后的坯体在氮气气氛下于电弧炉中先加温到1000～1100℃、保温2～5h，再以2～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～6h，然后以2～5℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温5～10h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。
其中铝灰的化学组分是Al2O3为56.21％、Al为23.56％、MgO为0.48％、SiO2为2.25％、Na2O为1.1％、CaO为0.74％、TiO2为0.63％、Fe2O3为1.23％、灼减为11.68％、其它为2.1％。铝矾土熟料的化学组分是Al2O3为59.1wt％、SiO2为23.6wt％、MgO为0.18wt％、Na2O为0.03wt％、CaO为0.02wt％、TiO2为2.62wt％、Fe2O3为1.03wt％、灼减为13.37wt％。各配料均为小于100目的细粉。
经X-射线衍射分析，主要物相为镁铝尖晶石和Sialon相。扫描电镜显示，两相分布均匀，晶型发育良好。
实施例3一种镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料及其制备方法，将45～50wt％的铝灰、0.1～3wt％的电熔镁砂、1～5wt％的烧结镁砂、20～30wt％的铝矾土熟料细粉、5～10wt％的金属铝细粉、0.1～10wt％的石英粉和1～5wt％的石英玻璃粉混和，经搅拌后成型，成型后的坯体在氮气气氛下于感应炉中先加温到1000～1100℃、保温3～3.5h，再以3～4℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～3.5h，然后以2～4℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温6～6.5h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。
其中铝灰的化学组分是Al2O3为63.57％、Al为3.69％、MgO为6.57％、SiO2为6.63％、Na2O为1.85％、CaO为1.91％、TiO2为0.58％、Fe2O3为1.33％、灼减为10.28wt％、其它为3.56％。铝矾土熟料的化学组分是Al2O3为78.19wt％、SiO2为3.86wt％、MgO为0.11wt％、Na2O为0.05wt％、CaO为0.10wt％、TiO2为2.95wt％、Fe2O3为0.70wt％、灼减为14.06wt％。各配料均为小于100目的细粉。
经X-射线衍射分析，主要物相为镁铝尖晶石和Sialon相。扫描电镜显示Sialon呈柱状，发育良好，且两相分布均匀。
实施例4一种镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料及其制备方法，将55～60wt％的铝灰、5～8wt％的轻烧氧化镁、0.1～3wt％的烧结镁砂、10～15wt％的铝矾土熟料细粉、10～15wt％的单质硅细粉、5～10wt％的硅微粉和1～5wt％的石英玻璃粉混和，经搅拌后成型，成型后的坯体在氮气气氛下于气氛炉中先加温到1000～1100℃、保温3～4h，再以2～4℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～4h，然后以2～5℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温5～7h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。
其中铝灰的化学组分是Al2O3为56.65％、Al为16.57％、MgO为1.28％、SiO2为6.49％、Na2O为0.87％、CaO为1.95％、TiO2为0.76％、Fe2O3为1.82％、灼减为10.15wt％、其它为3.45％。铝矾土熟料的化学组分是Al2O3为61.3wt％、SiO2为20.6wt％、MgO为0.09wt％、Na2O为0.08wt％、CaO为0.06wt％、TiO2为2.12wt％、Fe2O3为1.23wt％、灼减为14.51wt％。各配料均为小于100目的细粉。
经X-射线衍射分析，主要物相为镁铝尖晶石和Sialon相。扫描电镜显示晶型发育良好，分布均匀。
实施例5一种镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料及其制备方法，将65～70wt％的铝灰、15～20wt％的轻烧氧化镁、5～10wt％的铝矾土熟料细粉、0.5～2.5wt％的金属铝细粉和5～10wt％的石英玻璃粉混和，经搅拌后成型，成型后的坯体在氮气气氛下于电弧炉中先加温到1000～1100℃、保温2～4h，再以3～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～5h，然后以2～4℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温6～8h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。
其中铝灰的化学组分是Al2O3为56.53wt％、Al为14.39wt％、MgO为2.36wt％、SiO2为7.72wt％、Na2O为1.85wt％、CaO为1.69wt％、TiO2为0.58wt％、Fe2O3为1.33wt％、灼减为10.61wt％、其它为2.94wt％。铝矾土熟料的化学组分是Al2O3为62.8wt％、SiO2为19.1wt％、MgO为0.09wt％、Na2O为0.08wt％、CaO为0.06wt％、TiO2为2.12wt％、Fe2O3为1.23wt％、灼减为14.51wt％。各配料均为小于100目的细粉。
经X-射线衍射分析，主要物相为镁铝尖晶石和Sialon相。扫描电镜显示晶体形貌良好，各相分布均匀。
实施例6一种镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料及其制备方法，将75～80wt％的铝灰、1～10wt％的烧结镁砂、1～8wt％的铝矾土熟料细粉、10～20wt％的单质硅细粉0.1～5wt％的硅微粉混和，经搅拌后成型，成型后的坯体在氮气气氛下于气氛炉中先加温到1000～1100℃、保温3～5h，再以4～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温5～6h，然后以2～3℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温9～10h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。
其中铝灰的化学组分是Al2O3为44.66％、Al为9.6％、MgO为11.6％、SiO2为9.36％、Na2O为3.9％、CaO为3.1％、TiO2为1.8％、Fe2O3为1.5％、灼减为11.87％、其它为2.6％。铝矾土熟料的化学组分是Al2O3为78.19wt％、SiO2为3.86wt％、MgO为0.11wt％、Na2O为0.05wt％、CaO为0.10wt％、TiO2为2.95wt％、Fe2O3为0.70wt％、灼减为14.06wt％。各配料均为小于100目的细粉。
经X-射线衍射分析，主要物相为镁铝尖晶石和Sialon相。扫描电镜显示两种晶体均呈粒状，分布均匀。
实施例7一种镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料及其制备方法，将85～90wt％的铝灰、0.5～5wt％的电熔镁砂、1～5wt％的铝矾土熟料细粉、2.5～5wt％的金属铝细粉、5～8wt％的石英粉混和，经搅拌后成型，成型后的坯体在氮气气氛下于感应炉中先加温到1000～1100℃、保温3～5h，再以2～3℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温3～4h，然后以2～5℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温5～7h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。
其中铝灰的化学组分是Al2O3为38.57％、Al为19.2％、MgO为5.4％、SiO2为9.7％、Na2O为3.9％、CaO为3.1％、TiO2为2.5％、Fe2O3为2.1％、灼减为13.61％、其它为1.9％。铝矾土熟料的化学组分是Al2O3为62.2wt％、SiO2为19.6wt％、MgO为0.15wt％、Na2O为0.08wt％、CaO为0.07wt％、TiO2为2.52wt％、Fe2O3为1.17wt％、灼减为14.25wt％。铝灰、铝矾土熟料细粉、石英粉、单质硅细粉的粒径均小于100目。
经X-射线衍射分析，主要物相为镁铝尖晶石和Sialon相。扫描电镜显示两相分布均匀。
实施例8一种镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料及其制备方法，将91～95wt％的铝灰、0.5～3wt％的轻烧氧化镁、0.5～5wt％的铝矾土熟料细粉、0.1～5wt％的单质硅细粉混和，经搅拌后成型，成型后的坯体在氮气气氛下于气氛炉中先加温到1000～1100℃、保温4～5h，再以4～5℃/min的升温速度加温到1300～1350℃、保温5～6h，然后以3～5℃/min的升温速度加温到1360～1500℃、保温8～10h，最后在氮气保护下自然冷却到室温。
其中铝灰的化学组分是Al2O3为38.68％、Al为15.7％、MgO为11.7％、SiO2为8.6％、Na2O为3.2％、CaO为2.9％、TiO2为2.1％、Fe2O3为1.7％、灼减为13.65％、其它为1.7％。铝矾土熟料的化学组分是Al2O3为73.76wt％、SiO2为7.90wt％、MgO为0.10wt％、Na2O为0.10wt％、CaO为0.11wt％、TiO2为2.71wt％、Fe2O3为0.93wt％、灼减为14.40wt％。各配料均为小于100目的细粉。
经X-射线衍射分析，主要物相为镁铝尖晶石和Sialon相。扫描电镜显示两相分布均匀，晶体形貌较好。


本发明涉及一种镁铝尖晶石/Sialon复合陶瓷材料及其制备方法。其技术方案是将25～95wt％的铝灰、0.1～20wt％的MgO细粉、0.5～55wt％的铝矾土熟料细粉、0～30wt％的单质硅细粉、0～10wt％的金属铝细粉、0～50wt％的SiO