本发明涉及耐火原料生产领域，尤其涉及一种功能烧结刚玉的原料及其生产方法。
背景技术：
1970年，人类在si3n4与al2o3热压成型的过程中，发现al2o3可固溶入si3n4晶格中达60-70％，形成含si-al-o-n的固溶体，把四个元素符号罗列sialon或sialon来表示这种固溶体，读作：“赛隆”，随后人们逐渐发现sialon材料有非常优良的热震稳定性，和人类已发现的热稳定性最好的堇青石、熔融石英、锂辉石和钛酸铝的膨胀系数相接近，只有(2-3)*10-6/k；它的熔点高到几乎无熔点，在2200-2300摄氏度下仍能稳定存在，有非常优良的抵抗溶渣侵蚀性能，抗碱侵蚀性也非常优秀，其机械强度比普通材料高两个数量级。经研究后，耐材专家认为sialon是将来高炉上使用条件最苛刻部位最好的材料。
法国savoie公司经过十年的不断探索，在1985年前后，开发出了高炉上一代寿命可达二十年的sialon结合刚玉砖，在sialon结合刚玉砖出现之前，高炉上用的最好的是日本生产的si3n4结合sic砖，因此专家断定sialon结合刚玉砖寿命可达二十年，在此之前，全球的特大型高炉有三分之二是集中在日本，在此之后，特大型高炉在全球逐渐增多，目前，这些赛隆结合刚玉砖高炉都已服役到期，实践证明了sialon材料二十年寿命，甚至是二十五年也没有问题。
在sialon结合刚玉砖诞生的初期，我国就有数十家大专院校和科研机构对sialon材料进行了研究，至今已有四十年了，我国始终未诞生和法国相同的材料，研究部门在没有研究出和法国相同的sialon结合刚玉砖的情况下，开始想以刚玉原料和煤矸石等废弃物作为原料，氮化与还原一步完成，但得到的产物不明确，也未对产物进行应用做研究与分析，因此，在四十年内，国内的研究一直在已有的刚玉原料和煤矸石等废料上做研发，并未研究出sialon结合刚玉砖，其主要原因之一是未研发出适合生产sialon材料的原料。
在我国sialon材料研究进入瓶颈期时，2011年，发明人团队在思考高炉用工作层喷涂料时，突发奇想：采用可燃管通n2方式实现喷涂料的sialon化，于2015年拿到了高炉sialon和铁沟sialon施工体的制备两项发明专利，因为当时没有适合做赛隆材料的刚玉，只得用棕刚玉来申请两专利，因此开发适合做sialon原料的刚玉使命自然就落到本开发团队肩上。从适合生产sialon材料的原料上进行研发，利于原料生产得到均匀分布的β-sialon施工体，提高高炉的使用寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷和现有技术合成sialon必须在氮化炉内完成的技术不足，而提供一种功能烧结刚玉的原料、生产及其应用，该功能烧结刚玉的原料中si、al均匀分散于al2o3晶格之间，用该功能烧结刚玉原料制成sialon材料时，无需氮化炉即可实现sialon的生成，节省成本，原料中被还原的fe、ti均匀分布于原料中，直接作为sialon材料制备过程中的催化剂，得到的sialon材料使用寿命长。
本发明的技术方案是这样实现的：一种功能烧结刚玉的原料，用过量的金属al粉还原研磨级烧结刚玉和/或煅烧高岭土中的sio2、fe2o3和tio2，该功能烧结刚玉原料中：si、al的质量比为(3-4)：1，si和al的质量之和占功能烧结刚玉总质量的8-12wt％，且功能烧结刚玉中的si全部来源于此还原反应，al全部来源于还原剂的过量部分，fe含量<1wt％，ti含量为2-4wt％，al2o3含量为75-90wt％，体积密度为2.8-3.2g/cm3。
一种功能烧结刚玉原料的生产方法，包括以下步骤：
a：原料研磨
将研磨级烧结矾土和/或煅烧高岭土分别研磨至300-600目备用，准确检测研磨级矾土或煅烧高岭土中sio2、fe2o3和tio2的量，加入al粉，al粉的质量依据目标产物中si、al量根据质量守恒定律算得，使目标产物中si、al的质量比为(3-4)：1，si和al的质量之和占功能烧结刚玉总质量的8-12％；fe含量<1wt％，ti含量为2-4wt％，al2o3含量为75-90wt％，体积密度为2.8-3.2g/cm3；
将研磨级矾土粉、煅烧高岭土粉和al粉加入内有刚玉球的球磨机中进行干磨，干磨2h后放料；球磨机混粉只在打破粉料团聚，提高细粉混合熵和均匀程度更利于还原反应的顺利进行；
b：湿辗
将步骤a中得到的混合粉料加入湿辗机或强制式搅拌机，向混合粉料中加入稀酚醛树脂湿混5-10min，稀酚醛树脂的加入量为混合粉料质量的4-6％，只所以用稀酚醛树脂，旨在提供一种不含水的结合剂避免al的水化氧化；
c：压坯
将步骤b中的湿混料在100-150mpa下压坯，得到的坯体装入隧道窑车或入倒焰窑中，以30-50℃/h的升温速率对坯体焙烧，烧至1500-1550℃，保温2-8h后进行冷却，对冷却后的坯体进行破碎、磨粉、包装、入库。以作浇注料、喷涂料之用。
优选的，步骤a中研磨级烧结刚玉中al2o3含量>80wt％，fe2o3含量<1.5wt％，tio2含量为2-4wt％。
优选的，步骤a中煅烧高岭土中al2o3含量>45wt％，al2o3+sio2≥98wt％，fe2o3<1.0wt％，tio2＝1-1.5wt％，体积密度为2.1-2.35g/cm3。
优选的，所述步骤b中稀酚醛树脂由酚醛树脂和乙二醇组成，所述酚醛树脂和乙二醇的质量比例为1：(3-4)。
一种用功能烧结刚玉的原料制备sialon材料的方法：
本发明具有以下有益效果：本发明的功能烧结刚玉原料中si、al均匀分布于al2o3晶格之间，该功能烧结刚玉原料用过量的还原剂，将研磨级矾土和/或煅烧高纯高岭土中的sio2、fe2o3和tio2还原成si、fe和ti，使还原得到的si成为将来sialon材料全部的单质si的来源，还原剂al的过量部分sialon材料全部的单质al的来源，而被还原的fe、ti均匀分布于功能烧结刚玉原料中，恰好作为制备sialon的催化剂。
这种材料之所以称为“功能烧结刚玉原料”，它除了单质si、al均匀分布于al2o3晶格中外，其均匀程度可达到分子组成的原子级均匀，si、al处于发生还原反应的原位处，为日后重新氮化形成原位sialon材料提供了si、al资源，这种资源的均匀程度是任何一种机械搅拌与机械混合无法达到的，且al与被还原的si形成al-si合金，而机械混合的si、al是独立存在的，遇水会发生al+3h2o＝al(oh)3+3/2h2↑,使al水化氧化而损失，这些仅仅是功能烧结刚玉原料的重要功能之一，且功能烧结刚玉原料可以作为原料生产sialon浇注或喷涂料，实现无氮化炉对sialon材料的制备和不定形化才是本发明人要解决的主要问题。
功能烧结刚玉原料之所以做成烧结刚玉，而没有做成更致密的刚玉，是因为刚玉一般都是电熔的，内部几乎无气孔，但考虑到生成sialon的反应是气固反应：
zsi+z/3al+z/3al2o3+(4-z)/2n2＝si6-zalzozn8-z
不利于气固传质，因此本申请的发明人认为此功能烧结刚玉原料做成含有一定透气性的烧结刚玉更加科学，但目前我国唯一一本关于sialon材料的专著中《非氧化物复合耐火材料》一书作者孙加林、洪彦若也没有提到过刚玉太过致密，不利于气固传质的说明，发明人认为这可能是影响国内sialon结合刚玉砖到目前为止仍不能实现的重要原因之一。
用本发明的功能烧结刚玉原料做颗粒和细粉做浇注料或喷涂料的施工体只在烘炉时通n2气，就可是现实工体的无氮化炉sialon化，赛隆的形成不单是在基质中，颗粒内部也一样塞隆化了，再也不会像过去用致密的刚玉做颗粒sialon只在基质中形成，而颗粒仍是刚玉，得不到性能可靠的、稳定的、赛隆相均匀分布的，达不到应用要求的sialon结合刚玉大砖，我国到现在仍没有赛隆结合刚玉砖的生产，实际就是没开发出这种功能刚玉原料。
用本发明的功能烧结刚玉原料做颗粒和细粉的大型施工体采用发明专利：zl201310509414.2或zl201310509406.8中方法预埋可燃管做氮化模具的方案，在烘炉或使用过程中通氮，可实现无氮化炉的情况下施工体的sialon化。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围决非仅限于此。
实施例1：目标产物：制备金属al含量为1.5wt％，单质si含量为6.0wt％的功能烧结刚玉的原料。
用研磨级矾土(矾土中al2o385wt％，fe2o31.5wt％，tio24.0wt％，sio28.04wt％)和朔州小峪煤矿煅烧纯高岭土(al2o345.5wt％，fe2o30.5wt％，tio21.0wt％，sio252.5wt％)来生产金属al1.5wt％，单质si6.0wt％的功能烧结刚玉的原料。
设一吨配料中研磨级矾土与高纯高岭土分别为x、y公斤，
则x+y＝1000
解方程组得x＝884(kg)，y＝116(kg)
即生产一吨功能烧结刚玉的原料，研磨级矾土和煅烧纯高岭土配比为884:116，884kg研磨级矾土与116kg高纯高岭土中有sio2131.9376kg，fe2o315.49kg，tio232.56kg，还原这些氧化物分别需单质al79.184kg、5.228kg和16.434kg，还原al为100.846kg，金属al过加量＝100.846+1.5％×1000＝116kg。
即：通过计算1000kg配料中研磨级矾土与高纯高岭土石配量分别为884kg、116kg，还原剂al外加100.846+1.5％×1000＝116kg，即可得到si含量6.0wt％，al含量为1.5wt％的功能烧结刚玉原料，最终功能烧结刚玉原料的总成分为：al2o390.20wt％，si5.59wt％，al1.36wt％，fe1.02wt％，ti1.82wt％，此结果未考虑钙、镁、钾、钠等微量杂质因素影响。
实现生产时按计算扩大100倍配料，即研磨级矾土88.4t，煅烧高岭土11.6t，金属al粉11.6t，把这些原料预先磨细至300-600目备用，用时按比例与al粉混合装入带有刚玉球的磨机中研磨两小时，共混料出球磨搅匀后，刚玉球重返磨机，共磨粉放入强制式搅拌机或湿辗机中，加稀酚醛树脂，稀酚醛树脂的加料量为共磨粉质量的4-6wt％，搅拌5-10分钟即可压坯成型，成型压力150mpa。
成型的坯体可在倒焰窑或隧道窑中以30-50℃/小时的升温速度煅成，烧后最高气温1500℃，如此烧成的功能烧结刚玉的原料即为al1.5wt％，si6％的功能烧结刚玉原料，按功能烧结刚玉的要求的粒度进行破碎，包装，入库。
每一批研磨级矾土和煅烧高岭土都应批量检验，sio2、fe2o3、tio2的检验误差不得大于0.20％，配料要严格按要得到的目标产物中si、al的含量，依据质量守恒定律准确计算，对功能烧结刚玉原料必须对al2o3，si，al，fe，ti进行检验。
实施例2：目标功能烧结刚玉原料：al2o3含量为80wt％，si/al＝5:1，fe<0.5％。
由于al还原高岭土(al2o3·2sio2)即可得到al2o3含量为80wt％左右的矾土，所配料中只需煅烧高岭土，无需研磨矾土即可得到目标产物。
如果高纯高岭土成分为al2o345wt％，fe2o31.12wt％，tio21.5wt％，sio251.00wt％。
所以一吨高纯高岭土中含sio2510kg，fe2o311.2kg，tio215kg，还原它们需al306kg、3.78kg、6.75kg，还原剂al共316.53kg，产生新al2o3＝578+7.14+12.75＝597.89kg，生成单质si238kg，fe7.84kg，ti9kg。
此时物料中总al2o3＝597.89+450＝1047.87kg
单质al总加入量＝316.53+238÷5＝364.13(其中最终物料金属al只有238÷5＝47.6kg)
最终功能烧结刚玉的原料中单质fe量为7.84kg，单质ti为9kg
最终所得功能烧结刚玉的原料化学成分为：
al2o3＝1047.89/(1047.89+238+47.6+7.84+9)＝77.60％
si＝238/1350.33＝17.62％
al＝47.6/1350.33＝3.53％
fe＝7.84/1350.33＝0.581％
ti＝9/1350.33＝0.667％
即要得到al2o3的含量为80wt％左右，si/al＝5:1的功能烧结刚玉的原料，只用金属al还原煅烧高岭土，即可得到目标功能烧结刚玉原料，即1000kg煅烧高岭土配364.13kg金属al粉可得化学成分为al2o377.60wt％，si17.62wt％，al3.53wt％，fe0.58wt％，ti0.67wt％的功能烧结刚玉原料。
配料时现将煅烧高岭土细磨成300-600目细粉备用。混料时高岭土与金属al粉按1000:364配伍装入瓷球中，干磨2小时后全部放出，瓷球返还球磨机内，共磨粉置入湿辗机或强制式搅拌机中，加共磨料量4-6wt％的稀树脂辗或混5-10分钟出料压坯，稀树脂由酚醛树脂和乙二醇组成，酚醛树脂和乙二醇的质量比例为1：(3-4)，成型压力为100-150mpa。
坯体置入隧道窑车或入倒焰窑中，以30-50℃/h的升温速率对坯体焙烧，升温至1500℃后保温2-8小时停止加热，降温至常温后可得体积密度达2.8-3.2g/cm3的功能烧结刚玉原料，根据使用要求破碎成各规格粒度与细分。