一种工业废渣制备Sialon材料的方法

一种工业废渣制备sialon材料的方法
技术领域
1.本发明涉及一种sialon材料的制备方法，特别是指一种工业废渣制备sialon材料的方法。


背景技术：

2.sialon是si3n4中的n和si原子部分被al和o取代而形成的基本单元为(si、al、o、n)四面体组成氮化硅固溶体的总称，可分为a-sialon、a-sialon、o-sialon、singalong等多种类型，sialon材料具有优良的常温和高温强度，良好化学稳定性、热稳定性及高耐磨性，在化工、冶金、石油、机械等领域得到广泛应用。目前sialon材料的制备方法主要有直接合成法、自蔓延高温合成法、碳热还原氮化法、硅热及铝热还原氮化法：
3.1、直接合成法以si3n4、sio2、al2o3及afn为原料，严格按照sialon材料组成配比各原料，在高温密闭条件下直接合成sialon材料。该合成方法具有原料纯度要求高、烧结温度高、设备要求高等缺点，但也具有工艺简单、能合成指定组分sialon材料的优点。
4.2、自蔓延高温合成法是利用化学反应过程中释放的反应热的自加热和自传导作用来合成材料技术，自蔓延高温合成sialon材料是将si粉、si3n4、afn等按照一定比例充分混合后置于一定压力的氮气气氛中，点燃后产生高温使反应物开始发生燃烧反应，整个过程可以自发维持。该法具有工艺简单、反应温度高、速度快、能耗低、产物纯度高、活性好、易烧结等优点，同时也具有原料纯度要求高、设备要求高、产量低等缺点。
5.3、碳热还原氮化法是以含有sio2、al2o3矿物为原料，以碳粉、炭黑、无定型碳等为碳源，在高温时可以直接打开si-o键而形成c-o键，处于不饱和状态的si与n及al2o3等结合而达到饱和状态，最终反应得到sialon材料。该法具有原料来源广、价格低廉、反应温度低、设备简单、能耗低等优点，但存在着co污染环境、sialon材料气孔率高、多余的碳不易除去、产品的纯度和性能稍差等缺点。
6.4、硅热或铝热还原氮化法是以硅或铝为还原剂，加入适量含sio2、al2o3矿物为原料，在高温时可以氮化生成si3n4和afn，再与sio2、al2o3反应得到sialon材料。该法具有合成温度低、产物为固溶体、设备简单、环境污染小等优点，但存在着生产成本高的缺点
7.综上所述，这些传统的生产方法都存在着各自的优缺点，具有较大的工艺改进空间。本发明专利主要改进硅热还原氮化工艺，以铝灰及工业硅渣为原料，以工业硅为还原剂制备sialon材料。铝灰和硅渣是主要含有sio2、al2o3矿物的原料，同时铝灰中含有单质铝，硅渣中含有单质硅，可以作为还原剂，可以极大减少还原剂硅的用量，降低生产成本。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明提供了一种工业废渣制备sialon材料的方法，解决了现有硅热还原氮化法制备sialon材料生产成本高的问题。
9.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种工业废渣制备sialon材料的方法，具体包括以下步骤：
10.(1)球磨机中按照一定比例加入铝灰、工业硅渣、工业硅进行球磨，球磨介质为无水乙醇。控制条件为：si/sio2摩尔比为0.5～5.0，si/al2o3摩尔比0.5～5.0，球磨时间0.5h～8h；
11.(2)将步骤1中料浆干燥后，压制成片，压片放入刚玉坩埚中，以50％氮化硅+50％氮化硼埋粉埋盖，置于石墨电阻炉中进行反应烧结，烧结过程中通入氮气为保护气，在高温时进行氮化烧结得到sialon材料。控制条件为：焙烧温度1200℃～2000℃，焙烧时间0.5h～10h，氮气流量0.2l/min～5l/min。
12.采用上述技术方案的工业废渣制备sialon材料方法，技术原理简述如下：
13.al在600℃开始氮化生成afn，继续升高温度，al还原sio2生成si，发生的主要反应如下：
14.2al+n2＝2aln
15.3sio2+4al＝3si+2al2o316.在900℃～1200℃区间，主要发生si的氮化反应，同时生成的si3n4继续与sio2反应生成si2n2o，继续升高温度si2n2o会与sio2反应生成sialon材料，si也会与sio2反应生成so，so继续与n2反应生成si2n2o，发生的主要反应如下：
17.3si+2n2＝si3n418.3si+sio2+2n2＝si2n2o
19.si+afn+si2n2o+sio2+al2o3+n2→
si
6-z
alzozn
8-z
20.si+sio2＝2sio
21.si+so+2n2＝si2n2o
22.本发明的优点为：
23.(1)降低成本。铝灰中含有单质铝，硅渣中含有单质硅，这些单质铝和硅难以回收利用，在本专利中可以作为制备sialon材料的还原剂，减少还原剂工业硅的用量，极大降低生产成本。
24.(2)变废为宝。制备sialon材料，需要sio2、al2o3矿物，铝灰和硅渣是含有sio2、al2o3矿物的高纯物料，可以作为制备sialon材料的原料，可以变废为宝，实现废渣的高值化利用。
25.综上所述，本发明是一种成本低，高效利用废弃资源制备sialon材料的方法。本发明适用于各种铝灰和硅渣，特别适用于含单质铝高的铝灰和单质硅高的硅渣，提高了废渣的资源利用率。
附图说明
26.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
27.图1为本发明一实施例提供的一种工业废渣制备sialon材料的方法的流程示意图。
具体实施方式
28.以下结合附图1对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并
非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
29.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
30.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
31.如图1所示，本发明提供了一种工业废渣制备sialon材料的方法的实施例如下：
32.实施例1：
33.球磨机中加入一定比例铝灰(单质al含量30％)、工业硅渣(单质si含量20％)、工业硅进行球磨，球磨介质为无水乙醇。控制条件为：si/sio2摩尔比为2.5，si/al2o3摩尔比1.5，球磨时间5.0h。
34.料浆干燥后，压制成片，压片放入刚玉坩埚中，以50％氮化硅+50％氮化硼埋粉埋盖，置于石墨电阻炉中进行反应烧结，烧结过程中通入氮气为保护气，在高温时进行氮化烧结得到sialon材料。控制条件为：焙烧温度1400℃，焙烧时间4.0h，氮气流量2.0l/min。sialon材料玻璃相较少，维氏硬度11.4gpa，密度3.1g/cm3。
35.实施例2：
36.球磨机中加入一定比例铝灰(单质al含量30％)、工业硅渣(单质si含量20％)、工业硅进行球磨，球磨介质为无水乙醇。控制条件为：si/sio2摩尔比为2.5，si/al2o3摩尔比1.0，球磨时间4.0h。
37.料浆干燥后，压制成片，压片放入刚玉坩埚中，以50％氮化硅+50％氮化硼埋粉埋盖，置于石墨电阻炉中进行反应烧结，烧结过程中通入氮气为保护气，在高温时进行氮化烧结得到sialon材料。控制条件为：焙烧温度1500℃，焙烧时间4.0h，氮气流量2.0l/min。sialon材料有玻璃相生成，维氏硬度10.8gpa，密度3.0g/cm3。
38.实施例3：
39.球磨机中加入一定比例铝灰(单质al含量40％)、工业硅渣(单质si含量20％)、工业硅进行球磨，球磨介质为无水乙醇。控制条件为：si/sio2摩尔比为3.0，si/al2o3摩尔比1.0，球磨时间5.0h。
40.料浆干燥后，压制成片，压片放入刚玉坩埚中，以50％氮化硅+50％氮化硼埋粉埋盖，置于石墨电阻炉中进行反应烧结，烧结过程中通入氮气为保护气，在高温时进行氮化烧结得到sialon材料。控制条件为：焙烧温度1600℃，焙烧时间6.0h，氮气流量2.0l/min。sialon材料玻璃相少，维氏硬度13.2gpa，密度3.2g/cm3。
41.实施例4：
42.球磨机中加入一定比例铝灰(单质al含量40％)、工业硅渣(单质si含量30％)、工
业硅进行球磨，球磨介质为无水乙醇。控制条件为：si/sio2摩尔比为2.0，si/al2o3摩尔比1.5，球磨时间5.0h。
43.料浆干燥后，压制成片，压片放入刚玉坩埚中，以50％氮化硅+50％氮化硼埋粉埋盖，置于石墨电阻炉中进行反应烧结，烧结过程中通入氮气为保护气，在高温时进行氮化烧结得到sialon材料。控制条件为：焙烧温度1450℃，焙烧时间4.0h，氮气流量2.0l/min。sialon材料玻璃相少，维氏硬度11.2gpa，密度3.1g/cm3。
44.实施例5：
45.球磨机中加入一定比例铝灰(单质al含量40％)、工业硅渣(单质si含量30％)、工业硅进行球磨，球磨介质为无水乙醇。控制条件为：si/sio2摩尔比为2.5，si/al2o3摩尔比1.0，球磨时间5.0h。
46.料浆干燥后，压制成片，压片放入刚玉坩埚中，以50％氮化硅+50％氮化硼埋粉埋盖，置于石墨电阻炉中进行反应烧结，烧结过程中通入氮气为保护气，在高温时进行氮化烧结得到sialon材料。控制条件为：焙烧温度1500℃，焙烧时间6.0h，氮气流量2.0l/min。sialon材料玻璃相少，维氏硬度11.8gpa，密度3.1g/cm3。
47.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。