一种适合做Sialon材料原料的刚玉的冶炼方法
【专利摘要】本发明公开了一种用过量的金属铝做铝矾土或焦宝石中SiO2、Fe2O3、TiO2等的还原剂，得到含不同金属Si、Al比例的刚玉的冶炼方法，这种刚玉不但最适合做Sialon结合刚玉砖的刚玉原料，因用这种刚玉在氮化烧成时不但砖的基质中形成Sialon结合而且颗粒内部也一样形成Sialon结合，另外它还是生产铁沟料和高荷软低蠕变耐火砖及浇注料很好的原料。因Al还原SiO2、 Fe2O3、TiO2的化学反应均是放热反应，所以说冶炼这种在含Si、Al的刚玉的电耗比普通刚玉少；因无需形成硅铁沉淀，带走一部分Al2O3，所以Al2O3收得率也比普通刚玉高。
【专利说明】一种适合做Sialon材料原料的刚玉的冶炼方法
【技术领域】
[0001]本发明属于刚玉冶炼领域，特别涉及到一种适合做Sialon材料原料的刚玉的冶炼方法。
【背景技术】
[0002]刚玉是重要的耐火原料，在高档耐火材料和磨料模具行业生产中有着不可替代的作用。刚玉有白刚玉、棕刚玉两大类。目前我国刚玉的标准均是参考磨料、模具行业标准。白刚玉是工业氧化铝在电炉中熔融除Na2O得到的，一般Al2O3彡98.5%;棕刚玉是高铝矾土配碳在矿热炉中还原掉Si02及少量的Fe203使Si与加入的铁屑形成硅铁沉淀于炉底，而得到的Al2O3在94.5-97%的产品。
[0003]Sialon(读:塞隆)是上世纪七十年代人们在陶瓷研究时发现，在Si3N4与Al 203热压成型时，发现Al2O3可固溶于Si 3N4晶格中达60-70%，形成一种含S1、Al、0、N四元素的固溶体。它对外保持电中性，分子式用Sie_zAlz0zN8_表承。Z值在0-4.2之间，4.2为Sialon的极限值。进一步研究发现Sialon熔点在2200-2300°C，有非常好的高温性能和抗侵蚀性能、非常低的热膨胀系数。于是开发了 Sialon年结合的刚玉质耐火材料。用于高炉的炉缸、炉腹等条件最苛刻的部位，结果一下使闻炉的一代寿命提闻到~■十年以上，一时间Sialon材料的研究风靡全球。我国耐火材料从上世纪八十年代后，也做了大量实验，发表有关Sialon材料的文章有几百篇，北京科技大学洪彦若、孙加林把这些成果汇编成《非氧化物复合耐火材料》一书，在2004年已出版.一般Sialon结合刚玉制品是刚玉材料中引进单质S1、单质Al成型后，在氮化炉中N2氛围下加热烧成:
Al+Si+Al203+N2 _= Si6_zAlz0zN8_z
Sialon出现已近五十年了，我国各大专院校研究Sialon产品，国家已投入数亿元的费用，都只是证明了 Sialon材料的优越性。到目前为止，国内还没有一家能拿出Sialon结合刚玉砖产品来和法国Savoie公司Sialon结合刚玉砖质量一比高下。
[0004]其原因是:不能在高炉使用的大尺寸砖中获得性能稳定、可靠、均匀分布的β -Sialon 相。
[0005]究其原因，我认为我国研究人员只是在国内现有原料基础上做了大量工作，从没有人去开发更适合Sialon结合刚玉砖用的刚玉原料，这就是问题的症结所在。
[0006]既然Sialon形成得必须有单质硅存在，为何冶炼刚玉时非得把有用的单质Si，力口铁屑让它形成没有用的硅铁炉底刚玉除掉呢？
如果不除去单质Si，在Sialon结合大砖中，刚玉颗粒内部不一样可形成氮化结合了吗？在Sialon结合刚玉砖中，基质部分的Sialon是可以靠加金属招、金属娃氮化形成的，但颗粒内部则是万万做不到的。
[0007]我们的发明正是为了解决这一问题的。
[0008]
【发明内容】
[0009]本发明提供一种适合做Sialon材料原料的刚玉的冶炼方法，公开了一种用过量的金属铝做铝矾土或焦宝石中Si02、Fe203、Ti02等的还原剂，得到含不同金属S1、Al比例的刚玉的冶炼方法，这种刚玉不但最适合做Sialon结合刚玉砖的刚玉原料，因用这种刚玉在氮化烧成时不但砖的基质中形成Sialon结合而且颗粒内部也一样形成Sialon结合,另外它还是生产铁沟料和高荷软低蠕变耐火砖及浇注料很好的原料。
[0010]本发明的技术方案如下:根据要得到刚玉中的Si含量(均来自于还原矾土和焦宝石)，根据研磨级矾土与高气孔率高纯焦宝石用量与金属Al的比例，金属Al的总用量除了全部将矾土与焦宝石中的Si02、Fe203、Ti02还原为单质，多余之量即为刚玉中的目标刚玉金属Al之量,而还原出的Si的总量即为刚玉中的目标Si含量。
[0011]制作方法如下:将大部分的焦宝石与80%左右的金属铝，置于矿热电炉中加热熔融，然后逐渐加入铝矾土和剩余的金属Al，金属Al要先于铝矾土加完，避免浮在刚玉熔液表面被空气氧化，物料按计算比例加完后，将熔液倾入中频炉中精炼，精炼的主要目的是靠电磁搅拌，使金属Al、金属Si更均匀的分散于刚玉晶格中，精炼后的熔液倒出逐渐冷却后破碎、包装、入库。
[0012]所述研磨级铝矾土为Al2O3彡85%、Fe 203< 1% ;所述焦宝石为Al 203> 45%、AlA+S12^ 97-98.5%,体密在 2.1 -2.3g/cm 3，吸水率大于 5%。
[0013]根据国内铝矾土的矿物成分特点少量MgO、CaO是不能被Al还原的，Na2O, K2O也是不能被还原的，能被Al还原的杂质只有Si02、T12, Fe2O30根据质量守恒定律,每还原IkgFe2O3形成 Al 203637.5g、单质 Fe700g、耗单质 Α1337.5g ;还原 IkgT12生成 Al 203841.67g，金属 Ti550g、耗单质 A1450g ;还原 IkgS12,生成 Al2031133g、单质 Si467g、耗单质 A1600g。
[0014]如果还原化学成分为:A120375%、Fe2O3L12%、Ti023.6%、CaO0.2%、MgO0.2%、Na2O0.1%、K200.2%、Si0218.0%、其它杂质1.5%、热失0.2%的矾土。则一吨这样的铝矾土中:Al203750kg、Fe2O3Il.2kg、Ca02kg、Mg02kg、Na2Olkg' K202kg、Si02180kg、其它杂质 15kg。参与和 Al 的反应只有 S12, Fe2O3' T120 各自形成 S1、Fe、Ti 分别为 84kg、7.84kg、19.8kg，共生成新 Al203=7.14+40.8+204=251.94kg 金属 Fe、Ti 分别为 7.84kg、26.4kg。即这吨矾土被金属 Al 还原后，总 Al203=7 50+251.94=1001.94kg、单质 Fe7.84kg、单质 Τ?26.4kg、单质Si84kg、Ca02kg、Mg02kg、Na2O I kg > K202kg、其它杂质仍是15kg,耗还原剂金属Al=3.78+21.6+108=133.38kg。如果要得到刚玉中金属Al、金属Si比例为I:4的刚玉，金属Al总加入量应再多出21kg，为154.38kg。这时还原后刚玉总质量=750+Fe7.84+Τ?26.4+Si84+A121+A1203251.94+Ca02+Mg02+Na201+K302+ 杂质 15=1163.18kg。
[0015]最终得到刚玉成分为=Al2O3=(750+251.94) /1163.18=84.14%、Fe=0.673%、Ti
2.27%、Si 7.22%、Al 1.805%、CaO 0.17%、MgO 0.17%、Na2O 0.086%、K2O 0.17%、其它杂质1.29%。冶炼这种刚玉时应选择Al2O3含量较低的研磨级铝矾土，Fe 203也应控制在1%左右，为了得到较多的含Si量，也可用一部分高纯度的焦宝石代替铝矾土，金属Al的加入量要严格按还原原料中所含的Si02、Fe203、Ti02经过精确计算，尤其是用Al 203高低不同的原料时，应特别注意。
[0016]如同时用焦宝石与研磨级矾土冶炼这种刚玉，可先将焦宝石与铝锭混合后先装入矿热电炉中，熔化后再逐渐装入Al2O3较高的研磨级矾土，这样有Al参与的放热反应也能避免热损失，使反应热用于矾土原料的熔化，最好为了更好的得到质地均匀的含Al、Si刚玉，可将熔化后的熔液倾入中频炉中靠电磁搅拌得到质地更均匀的含Al、Si的刚玉，
如用Al2O3含量45%Si0253%的焦宝石和Al 20385%的研磨级矾土生产Si含量8%、A1 2%的刚玉，通过计算可将二者比例计算出，金属铝用量及过量多少也算出，将焦宝石与铝锭置入中矿热炉中。开始加热，然后逐渐加入研磨级铝矾土，如果物料熔融后，炉中各部位刚玉中Al，Si都均匀分布，则无需再进中频炉中经电磁搅拌，若Al、Si分布不均匀再进中频炉精炼。
[0017]本发明的有益效果是:这种刚玉不但最适合做Sialon结合刚玉砖的刚玉原料，因用这种刚玉在氮化烧成时不但砖的基质中形成Sialon结合而且颗粒内部也一样形成Sialon结合，另外它还是生产铁沟料和高荷软低蠕变耐火砖及浇注料很好的原料。因Al还原Si02、Fe203> T12的化学反应均是放热反应，所以说冶炼这种含S1、Al的刚玉的电耗比普通刚玉少；因无需形成硅铁沉淀，带走15%左右Al2O3成不了正品，所以Al 203收得率也比普通刚玉高。
[0018]有益分析:优点全在原权利要求书中体现了，可根据此另起草。
【具体实施方式】
[0019]应用实例一:
例如用研磨级铝矾土:(矾土中Al20385%、Fe2O3L 5%、Ti024.0%、Si028.04%)和朔州小峪矿煅烧煤矸石级焦宝石(Α120345.5%、Fe2O30.5%、T12L 0%、Si025 2.5%)生产金属Al含量1.5%金属硅含量6.0%的刚玉.即目标刚玉中Al 1.5%、Si 6 %、Fe 0.5-1%左右。
[0020]设一吨配料中研磨帆土与焦宝石分别为X、y公斤则 x+y=1000、
28/60X8.04%x+28/60 X 52.5%y=1000*6.0%
解方程组得 x=884 (kg)、y=116 (kg)
即生产一吨目标刚玉二原料比例为884:116,884kg研磨料与116kg焦宝石中有Si02131.97kg、Fe20315.49kg、Ti0236.52kg还原这些的氧化物分别需金属 Al:79.184kg,5.228kgU6.434kg,还原 Al 为 100.846kg。总金属 Al 加入量=100.846+1.5%X1000 ^ 116kg。
[0021]即:通过计算100kg配料:研磨级帆土与朔州焦宝石分别为884kg和116kg,还原剂金属铝加入100.846+1.5%X 1000 ^ 116kg，即可得到含金属铝约1.5%金属Si6.0%左右的刚玉，成分大体为Α120390.20%、Si5.59%、Al 1.36%、Fel.02%、Ti 1.82%。此结果计算未考虑原料中钙、镁、钾、钠等微量杂质的因素。
[0022]实际生产中按计算扩大100倍配料，用研磨级矾土 88.4t、焦宝石11.6t、金属铝锭11600kg 配料。
[0023]冶炼:先将11.6t朔州焦宝石和10000kg铝块混匀装入矿热电炉中，料面上部盖上一层研磨级矾土，送电开炉(注意:由于熔化后反应剧烈，放热大，送电不宜大电流)当料开始熔融后，应及时补加研磨级帆土，并不断增加电流，剩余的1600kg招锭应先于帆土加完。加料和熔炼结束后，将熔液倾入中频炉中，电磁搅拌熔液，使S1、Al、Fe、Ti更均匀的分散于刚玉晶格之中，确保物料质地均匀中，熔炼结束后，将刚玉熔液倾倒于冷却板上，逐渐冷至常温，破碎、包装、入库。
[0024]若用倾倒炉冶炼此种刚玉，每一批次的加料均应严格按计算的比例配料，前期加焦宝石与大部分铝锭，后期加少量的矾土与剩余的铝锭，确保每一批次倒出去精炼前的刚玉熔成分总组成要保持一致。
[0025]应用实例二:
目标刚玉:要求Al20380%左右、金属Si/Al=5:l、Fe 0.5%左右。
[0026]因Al还原Al2O3.2Si02即可得到:A120380%左右、Si20%左右的刚玉，又因生产Sialon刚玉必须有0.5%左右的Fe,所以用Al还原焦宝石,最后得用少量研磨帆土或炼普通刚玉的炉底料(含S1、T1、Fe、Al203)去调节刚玉中要求的最后Fe、Ti含量即可达到目标。
[0027]如果焦宝石成分为Al2O3为 45.00%、Fe 203为 1.12%, T12^ 1.5%, S1 2% 51.00%,因Al还原Al2O3.2Si02(焦宝石矿物成分)可得至IJ Al20381%、Si 19%的刚玉，因此要得到Al20380%左右、金属Si/Al=5:1的刚玉,只需还原焦宝石即可。
[0028]仍以100kg 焦宝石配料。这 100kg 料中 Fe2O3Il.2kg、Ti0215kg、Si025 1 0kg，还原它们分别需金属 Al:3.92kg、6.75kg、306kg，分别形成 Α1203:7.41kg、12.75kg、578kg。同时也形成金属Fe 8.41kg、金属Ti 8.25kg、金属Si 238kg。
[0029]所以需还原剂Al 总量=3.92+6.75+306+238/5=364.27kg
最终可得到刚玉中 Al2O3= (450+7.41+12.75+578)/ (1048.16+238+8.41+8.25)=80.45%
Si=238/1302.82=18.27%
Al=238*0.2/1302.82=3.65%
Fe=8.41/1302.82=0.65%
Ti=8.25/1302.82=0.63%
所以不用用矾土与炉底刚玉调节微量成分即可达到目标刚玉要求。
[0030]冶炼时100kg焦宝石配入364.27kg铝锭，还原后得到刚玉成分为Al20380.45%、金属 Si 18.27%、金属 A13.65%、Fe0.65%、T1.63%。
[0031]冶炼:将计算方案扩大200倍配料，按配料比例往矿热电炉中加料后，料面上边铺一层焦宝石，开炉通电，(开始时电流小些，开始熔化时注意控制电流，充分利用还原反应放出的热量熔化物料)冶炼中途电流循序增大，并不断添加配料，最后铝锭先于焦宝石加完，液面到规定高度，及时倒入中频炉中精炼，精炼过程中开启电磁搅拌，使金属Al、S1、Fe、Ti均匀分布于刚玉晶格中。
[0032]如果不进中频炉，S1、Al、Fe、Ti也能均匀分布于刚玉晶格中，可省掉中频炉精炼工艺，矿热炉直接出料。精炼完成后，将熔液倒入冷却台，逐渐硬化后，破碎、包装、入库。
【权利要求】
1.一种适合做Sialon材料原料的刚玉的冶炼方法，其特征在于:其制作方法是:根据要得到刚玉中的Si含量(均来自于金属A1还原矾土和焦宝石)，根据研磨级矾土与高气孔率高纯焦宝石用量与金属A1的比例，将铝矾土和焦宝石中全部的Si02、Fe203、Ti02还原为单质而多于出的金属A1即为目标刚玉之A1，还原出的Si即为目标刚玉之Si，将大部分的焦宝石与80%左右的金属铝混合，置于矿热电炉中加热熔融，使还原热全用于加热物料，而后逐渐加入铝矾土和剩余的金属A1，金属A1避免浮在刚玉熔液表面被空气氧化，所以金属铝要先于铝矾土加完，余下物料按计算比例加完后，将熔液倾入中频炉中精炼，精炼的主要目的是靠电磁搅拌，使金属A1、金属Si更均匀的分散于刚玉晶格中，精炼后的熔液倒出逐渐冷却后破碎、包装、入刚玉库。
2.根据权利要求1所述的一种适合做Sialon材料原料的刚玉的冶炼方法，其特征在于:所述研磨级铝矾土为A1203彡85%、Fe203 < 1%左右；所述焦宝石为:A1203 > 45%、A1203+Si02 在 97-98.5%,体密在 2.1 -2.3g/cm3,吸水率> 5%。
【文档编号】C01F7/02GK104445319SQ201410685128
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】李明建 申请人:巩义市时创新材料孵化器有限公司