专利名称：一种Fe-Sialon复合粉体的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种利用大宗矿业固体废弃物铁尾矿制备Fe-Sialon复合粉体的方法，属于耐火材料及固体废弃物资源综合利 用技术领域。
背景技术：
Sialon基材料是近几十年来发展起来的综合性能十分优越(包括机械、热学、物理与化学等性能)的工程材料，在航空、军工、机械、冶金、化工等领域中有着广阔的应用前景。Sialon材料的早期制备方法是先合成氮化硅和氮化铝粉末，依据Si-Al-O-N相图，掺杂二氧化硅和氧化铝，按比例混合后在高温下经固相反应而生成。该法的基本特点是制备过程复杂、原料成本极高，难以作为常规的耐火材料或结构材料等而获得大规模的工业应用。而截至到2009年底我国的矿业固体废弃物尾矿累积堆存量为100亿吨。尾矿已成为我国目前产出量最大、堆存量最多的固体废弃物，已经引起严重的环境问题且存在巨大的安全隐患，成为我国矿业经济和矿业城市可持续发展的瓶颈问题。在矿石日益贫化、资源日益枯竭、环保意识日益增强的世界大环境下，尾矿作为二次资源的再利用问题已刻不容缓。对废弃物加以利用，变废为宝，既创造出新的社会财富，又消除了对环境的污染，是矿山废弃物治理的理想途径。因而，充分利用铁尾矿的化学组成特点，开发Sialon基耐火原料有着广阔的发展前景。房现阁，高远飞，胡美羚等进行了富铝煤矸石碳热还原氮化合成Fe-Sialon复相材料的研究。以富铝煤矸石、铁精矿粉、焦炭为原料，经过碳热还原氮化在1400 1550°C保温4h条件下合成Fe-Sialon复相材料,其Sialon基复合材料中的Fe相是外加的铁精矿粉形成的相，而非煤矸石废弃物本身含有的Fe元素，因此原料成本较高。公开号为CN101045633A的中国发明专利申请中提供了一种利用选铁尾矿制备Ca-α -Sialon材料的方法。以酸洗除去铁的尾矿为主要原料，合成了主晶相为Ca-α -Sialon,次晶相为SiC的陶瓷粉体。此种方法是将铁尾矿中的铁除去，而非将其利用，合成的Sialon复合材料非Fe-Sialon。公开号为CN102219532A的中国发明专利申请中提供了一种耐火的Fe-Sialon原料的制备方法。以铁精矿粉，富铝煤矸石和碳源为主要原料合成的Fe-Sialon耐火原料粉体。此种方法以铁精矿粉为Fe源，原料成本较高。公开号为CN101654369A的中国发明专利申请中提供了一种制备Fe-Sialon耐火原料的方法。以铁精矿粉，高铝粉煤灰和焦炭粉为主要原料合成的Fe-Sialon耐火原料粉体。此种方法以铁精矿粉为Fe源，原料成本较高。目前，尚未发现利用铁尾矿资源化合成Fe-Sialon复合粉体的相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用铁尾矿为原料制备Fe-Sialon复合粉体的方法，为铁尾矿的资源化高效综合深度利用提供有效途径，为Sialon的低成本合成提供新的绿色工艺。本发明以铁尾矿为主要原料，以铝灰为调剂料，配入碳粉为还原剂，机压成型得到成分均勻还体；根据Ct -Sialon的化学式MxSi12_3xAl3xOxN16_x (x彡2)及β -Sialon的化学式 Si6_zAlz0zN8_z (z < 4. 2),设计 α / β -Sialon,其中 a -Sialon : β -Sialon = O 100 100 O。在制备过程中通过控制配料比、烧结温度、升温制度、保温时间等工艺参数，得到Fe-Sialon复合粉体。本发明解决问题的技术方案是一种Fe-Sialon复合粉体的制备方法，为碳热还原氮化方法，包括配料，制坯和烧结的步骤，所述制备方法的原料包括铁尾矿和碳粉。本发明所述制备方法的原料还包括铝灰，所述铁尾矿和铝灰的质量百分比按a -Sialon(X ^ 2) ； β -Sialon(z ^ 4. 2) = O 100 : 100 O 确定。其中，铁尾矿为反应的王要原料，招灰在反应中为调剂料。本发明所述制备方法采用碳粉为还原剂，其加入量为理论配碳量的I 2倍。碳粉作为还原剂，本发明所述理论配碳量是通过方程式(I)和(2)确定的。(7-z) Si02+aAl203+bAl+ (18. 5_3z+3a) C+ (4-0. 5z) N2+l. 5Fe203 = Si6^AlzOzN8-+Fe3Si+ (18. 5-3z+3a)C0 (I)式(I)中，z< 4. 2, 2a+b = z。(13-3x) Si02+cAl203+dAl+ (30. 5_6x+3c) C+ (8-0. 5x) N2+l. 5Fe203+xM0 = MxSi12_3xAl3x0xN16_x+Fe3Si+ (30. 5-6x+3c)⑴(2)式(2)中，X< 2, 2c+d = 3x。本发明所述制备方法所述铁尾矿指铁矿山选矿后的废弃物；所述铝灰指电解铝或铸造铝生产工艺中产生的熔渣经冷却加工后的产物。本发明所述制备方法中铁尾矿按质量百分比，由下述组分组成=SiO2 50 70%，Al2O3 5 10%，CaO 3 8%，MgO 3 5%，Fe2O3 10 30%，其他组分1 3% ;其中，其他组分是Na20、K2O, TiO2、P2O5, MnO中的一种或几种的混合物。本发明所述制备方法中所述铝灰按质量百分比，由下述组分组成A1 :10 30%，Al2O3 30 ~ 60%, SiO2 3 10%，其他组分:1 8% ;其中，其他组分是CaO、MgO、Na2O, FeO、MnO中的一种或几种的混合物。本发明所述制备方法包括以下工艺步骤a.配料将铁尾矿粉碎，过200目标准筛，然后将铁尾矿、铝灰按照a -Sialon (x ^ 2) : β -Sialon (z ^ 4. 2) = O 100 : 100 O 的质量百分比配料混合；并加入理论配碳量的I 2倍的碳粉；将混合料中加入混合料总质量3 12%的无水乙醇，常温下球磨6 12小时，使之均匀混合；b.成型将混合料烘干，掺入粘结剂，置于模具中机压成型，脱模后在60 120°C温度下干燥10 18小时，其中，所述粘结剂是质量分数为3 5%的聚乙烯醇水溶液，每IOOg混合料加入粘结剂量为10 50ml。
c.烧结将干燥后坯体埋焦炭，然后置于气氛烧结炉进行烧结，在O. 2 I. OL/min的流动氮气气氛下，进行程序升温，自然冷却至400°C以下，取出制品，粉碎后放入马弗炉中，800°C保温4 8h除去残碳，即得Fe-Sialon复合粉体。应理解步骤c中所述程序升温指室温经60min至200°C，200°C经180min至700°C，在700°C保温30min，然后以2 8°C /min的升温速率升温至1400 1600°C，保温2 8h ;所述埋焦炭指利用焦炭将坯体包覆。利用上述方法制备的Fe-Sialon复合粉体是由a -Sialon, β -Sialon和Fe3Si组成的复合粉体、或ct -Sialon和Fe3Si组成的复合粉体、或β -Sialon和Fe3Si组成的复合粉体。本发明利用铁尾矿为主要原料，通过碳热还原氮化的方法制得Fe-Sialon复合粉体，此种耐火原料是一种新型的具有耐高温、良好的抗氧化性和热化学稳定性的耐火原料。本发明具有以下几个突出特点主要原料为危害环境的铁尾矿，成本低廉且有利于环境保护；工艺成熟易于控制；所得产品附加值高。本发明提供了一种新的铁尾矿的资源化途径，将铁尾矿最大限度的资源化整体利用，变废为宝，缓解废弃物尾矿对环境的压力，同时也为Sialon的廉价合成提供了一种新的绿色工艺。本发明制备的Fe-Sialon复合粉体可用于炼铁高炉的炮泥耐火材料、出铁沟浇注料，还可以用于制备其它的耐高温材料。
本发明附图3幅，图I是实施例I所得产物的XRD图；图2是实施例2所得产物的XRD图；图3是实施例3所得产物的XRD图。
具体实施例方式下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。实施例I 3所用原料铁尾矿与招灰的成分，按质量百分比，如表I所不。表I
权利要求
1.一种Fe-Sialon复合粉体的制备方法，为碳热还原氮化方法，包括配料，制坯和烧结的步骤，其特征在于所述制备方法的原料包括铁尾矿和碳粉。
2.根据权利要求I所述的Fe-Sialon复合粉体的制备方法，其特征在于所述制备方法的原料还包括招灰；所述铁尾矿和招灰的质量百分比按a -Sialon β -Sialon = O 100 100 O确定。
3.根据权利要求I所述的Fe-Sialon复合粉体的制备方法，其特征在于所述碳粉的量为理论配碳量的I 2倍。
4.根据权利要求I所述的Fe-Sialon复合粉体的制备方法，其特征在于所述铁尾矿按质量百分比，由下述组分组成=SiO2 50 70%,Al2O3 5 10%，CaO 3 8%，Mg0 3 5%, Fe2O3 10 30%，其他组分:1 3% ; 其中，其他组分是Na20、K2O, TiO2、P2O5, MnO中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求I所述的Fe-Sialon复合粉体的制备方法，其特征在于所述铝灰按质量百分比，由下述组分组成=Al 10 30%,Al2O3 30 60%, SiO2 3 10%，其他组分I 8% ; 其中，其他组分是CaO、MgO、Na2O, FeO、MnO中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求I所述的Fe-Sialon复合粉体的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤 a.配料将铁尾矿进行粉碎,过200目标准筛；将铁尾矿、招灰按a -Sialon : β-Sialon = O 100 : 100 O的质量百分比配料,并加入碳粉；向混合料中加入混合料总质量3 12%的无水乙醇，常温下球磨； b.制坯将混合料烘干后掺入粘结剂，机压成型，脱模后干燥； c.烧结将干燥的坯体埋焦炭后在氮气气氛下进行烧结，将烧结完成的坯体粉碎后进行去残碳处理，即得Fe-Sialon复合粉体。
7.根据权利要求6所述的Fe-Sialon复合粉体的制备方法，其特征在于步骤b中所述粘结剂是质量分数为3 5%的聚乙烯醇水溶液，每IOOg混合料加入粘结剂量为10 50ml ο
8.一种由权利要求I所述方法制备的Fe-Sialon复合粉体，其特征在于所述复合粉体是由α -Sialon, β -Sialon和Fe3Si组成的复合粉体、由a -Sialon和Fe3Zi组成的复合粉体、或β -Sialon和Fe3Si组成的复合粉体。
全文摘要
本发明涉及一种利用大宗矿业固体废弃物铁尾矿制备Fe-Sialon复合粉体的方法，属于耐火材料及固体废弃物资源综合利用技术领域。本发明以铁尾矿为主要原料，以铝灰为调剂料，配入碳粉为还原剂，机压成型得到成分均匀坯体；根据α-Sialon和β-Sialon的化学式，在α-Sialon的平面两相区内，设计α/β-Sialon。在制备过程中通过控制配料比、烧结温度、升温制度、保温时间等工艺参数，得到Fe-Sialon复合粉体。
文档编号C04B35/599GK102617150SQ20121007869
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月22日 优先权日2012年3月22日
发明者刘贵山, 姜淑文, 王志强, 王辉利, 胡志强, 郝洪顺 申请人:大连工业大学