专利名称：一种用铝土矿尾矿合成刚玉-莫来石复相材料的方法
技术领域：
本发明属于耐火材料领域，特别涉及一种刚玉-莫来石复相材料。
背景技术：
由于莫来石具有良好的高温力学、高温热学性能，使合成莫来石制品具有较高的密度和纯度，较低的热传导系数和热膨胀系数，高温结构强度高，高温蠕变率低，抗热震性和化学侵蚀性强，熔点高等优点；而刚玉弹性好，熔点高，在高温下具有良好的耐磨、抗化学侵蚀性和体积稳定性，硬度大，耐火度高；另外莫来石晶体一般为柱状或者棱柱状，刚玉体一般为粒状，所以制备刚玉-莫来石复相材料将汇集刚玉晶体和莫来石晶体的双重优点，从而使这种材料在各方面都优于单相莫来石材料或刚玉材料。目前一般采用高铝矾土以烧结法或电熔法人工合成莫来石，但是如果用纯原料来合成则严重提高了材料的生产成本，尤其是作为耐火材料。因此，采用天然原料无疑可以大幅度降低材料的生产成本。·
我国铝土矿特点是低铝硅比，只能采用选矿-拜耳法生产氧化铝，选矿后产生的主要固体废弃物是铝土矿尾矿，每吨铝土矿原矿将产生约209Γ30%质量的铝土矿尾矿，尾矿目前并没有被大规模开发利用，一般只是在尾矿坝中堆放。尾矿的堆积会造成土壤碱化，环境污染等问题。铝工业在不断发展，尾矿量必将越来越大，因此，铝土矿尾矿的开发与利用，已成为当务之急。铝土矿尾矿的主要化学成分为Al2O3及SiO2，二者含量之和一般在70%左右，另有少量的Fe203、TiO2、K2O等。Al2O3与SiO2是工业上生产铝硅酸盐系耐火材料的主要成分，可以考虑用铝土矿尾矿作为生产铝硅酸盐系耐火材料的原料。
发明内容
本发明目的在于结合我国现有资源，充分利用及促进固体废弃物资源化再利用，选择了固体废弃物铝土矿尾矿来合成耐火材料，制作刚玉-莫来石复相材料，不仅充分利用了现有资源，同时也减少了固体废弃物带来的污染，大大降低生产成本。一种用铝土矿尾矿合成刚玉-莫来石复相材料的方法，主要以铝土矿尾矿为原料，铝土矿尾矿中Al2O3含量重量百分比为45°/Γ65%左右，SiO2含量为20% 25%左右，同时含有1(Γ15%的Fe2O3及2°/Γ4%的K2O,其余物质主要为结晶水。其合成方法是
(I)铝土矿尾矿原料为褐黄色颗粒状，原始粒径尺寸为100 μ m左右，为减小矿粉颗粒的粒径，增大其比表面积，增加其化学反应活性，并使其化学成分均匀分布，将矿粉在球磨机中磨细并均化，得到的矿粉的平均粒径小于 ο μ m。(2)磨细后的铝土矿尾矿在630°C 820°C活化焙烧2至4个小时，活化焙烧过程中铝土矿尾矿中的一水硬铝石，高岭石，伊利石矿相会逐步分解，分解后得到Al2O3, SiO2, K2O及Fe2O3等，这些成分的化学活性相比焙烧前有很大提高，有利于之后的盐酸除杂流程及烧结合成流程。(3)活化焙烧后的铝土矿尾矿焙烧后的矿粉以液固比1:10左右在浓度2. 5mol/L至4. 3mol/L的盐酸中于90°C以上酸浸I. 5至3. 5个小时，绝大多数Fe2O3与K2O会溶解于盐酸之中，绝大多数Al2O3与SiO2会保留在固相之中，经固液分离过程，得到纯净的基本不含杂质的精矿。(4)酸浸后得到的精矿成型后在1450°C 1650°C保温3 6个小时进行烧结合成，合成气氛为空气，精矿中的Al2O3与SiO2成分发生反应生成莫来石-刚玉复相。经试验，并利用XRD分析了复相材料的组成，试验结果表明合成的是刚玉-莫来石复相材料，从SEM断口形貌分析可看出晶体形貌为典型的长柱状晶体与块状晶体彼此交错生长，结构致密。铝土矿尾矿的杂质含量较高，特别是Fe2O3与K2O杂质，其将严重影响莫来石复相材料的合成过程，以普通工艺无法用铝土矿尾矿来合成莫来石复相材料。本课题组经多年研究，发现在630°C 820°C对铝土矿尾矿先进行2至4个小时活化焙烧，得到的精矿再以液 固比1:10左右在浓度2. 5mol/L至4. 3mol/L的盐酸中于90°C以上酸浸I至3个小时，可显著降低尾矿中的Fe2O3与K2O杂质，酸浸后尾矿中的Al2O3与SiO2的化学活性也显著提高，其在1450°C 1650°C烧结3 6个小时即可得到刚玉-莫来石复相材料。本发明的优点在于因为合成刚玉-莫来石的主要原料是铝土矿尾矿，是一种废弃的资源，合成的刚玉-莫来石复相材料具有很高的附加值，所以是制备高性能耐火材料的又一个新途径，而且符合国家倡导的“循环经济”的产业政策。
图I :用铝土矿尾矿合成刚玉-莫来石复相材料的工艺流程图 图2 :用铝土矿尾矿合成的刚玉-莫来石复相的XRD图谱 图3 以铝土矿尾矿为原料合成的刚玉-莫来石复相材料SEM图
具体实施例方式 1.原料选取
原料为豫中铝土矿尾矿，铝土矿尾矿的化学分析结果如表I所示
表I :铝土矿尾矿的化学成分
IAlaO, ISiOa IFeaO, ITiOa IKaO |结晶水I吕土矿尾矿 |49. 87 |22. 45 |l3. I \2. 61 \2. 25 \9. 72
2.合成步骤见图I
从XRD图中标注中很清晰的看到在此试验条件下合成了非常纯的刚玉-莫来石复相材料。从SEM断口形貌分析可看出晶体形貌为典型的柱状晶，相互交错状的密集生长。
权利要求
1.一种用铝土矿尾矿合成刚玉-莫来石复相材料的方法，其特征在于 以铝土矿尾矿为原料，铝土矿尾矿中Al2O3含量重量百分比为45%飞5%，SiO2含量为20% 25%，同时含有10 15%的Fe2O3, 2% 4%的K20，2% 4%的TiO2，其余为结晶水； 合成刚玉-莫来石的步骤为 (I)铝土矿尾矿原料为褐黄色颗粒状，原始粒径尺寸为100 μ m，为减小矿粉颗粒的粒径，增大其比表面积，增加其化学反应活性，并使其化学成分均匀分布，将矿粉在球磨机中磨细并均化，得到的矿粉的平均粒径小于IOym; 磨细后的铝土矿尾矿在630°C 820°C活化焙烧2至4个小时，活化焙烧过程中铝土矿尾矿中的一水硬铝石，高岭石，伊利石矿相会逐步分解，分解后得到Al2O3, SiO2, K2O及Fe2O3,这些成分的化学活性相比焙烧前有很大提高，有利于之后的盐酸除杂流程及烧结合成流程; (3)活化焙烧后的铝土矿尾矿焙烧后的矿粉以液固比1:10的比例在浓度2. 5mol/L至4.3mol/L的盐酸中于90°C以上酸浸I. 5至3. 5个小时，绝大多数Fe2O3与K2O会溶解于盐酸之中，绝大多数Al2O3与SiO2会保留在固相之中，经固液分离过程，得到纯净的不含杂质的精矿； 酸浸后得到的精矿成型后在1450°C 1650°C保温3 6个小时进行烧结合成，合成气氛为空气，精矿中的Al2O3与SiO2成分发生反应生成莫来石-刚玉复相。
全文摘要
一种用铝土矿尾矿合成刚玉-莫来石复相材料的方法，属于耐火材料领域。合成刚玉-莫来石的原料是铝土矿尾矿，合成步骤为原料为褐黄色颗粒状，原始粒径尺寸为100μm左右，经球磨磨细并均化，得到矿粉的平均粒径小于10μm，磨细后的矿粉在630℃~820℃活化焙烧2至4个小时，焙烧后的矿粉以液固比1:10左右在浓度2.5mol/L至4.3mol/L的盐酸中于90℃以上酸浸1至3个小时，酸浸后得到的精矿在1450℃～1650℃保温3～6个小时，空气气氛下进行合成。本发明原料丰富价格低廉，合成的刚玉-莫来石复相材料非常纯，能显著提高材料的各方面性能，有很高的附加值，是制备高温耐火材料的一个新途径。
文档编号C04B35/117GK102910923SQ20121046110
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者张梅, 郭敏, 马冬阳, 王振东, 苑德志, 彭犇, 岳昌盛 申请人:北京科技大学