本发明涉及属无机非金属材料（陶瓷）领域，具体的说是一种用于水泥磨的氧化锆-刚玉复合陶瓷体及其生产工艺。
背景技术：
球磨机广泛用于冶金、矿产、建材、化工等领域，是一种使用极为广泛的粉碎设备。研磨介质是球磨机粉碎物料的关键，依靠研磨介质在球磨机内的滚动、撞击、挤压、摩擦等各种复杂的运动，将物料粉碎。因此，研磨介质的质量，不仅直接影响到生产效率的高低，而且还会影响到产品的质量。研磨介质主要为：陶瓷材料和金属钢球，但金属钢球质量大，工作时功耗高，带来的碳排放大，影响能量效率和环保；另外，钢质磨球易变形、相互间易粘连，影响水泥平均粒度的一致性，水泥强度波动大、后期易发生不规则变形；而陶瓷材料因高熔点、高硬度和耐热等优异性能广泛应用在矿产、冶金、化工、食品、建材等行业。
目前，先进的陶瓷材料根据其使用范围和材料的特性的不同主要分为功能陶瓷材料和结构陶瓷材料。结构陶瓷材料是指具有耐高温抗磨损特性，可作为高性能机械结构零件新材料的陶瓷，石英、玻璃、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、硅铝酸陶瓷、复合陶瓷等属于结构陶瓷材料。像氧化锆陶瓷研磨球、硅酸锆陶瓷研磨球这些属于高端的研磨材料比重大、性能好，但成本比较高；而其它的普通陶瓷研磨球、玻璃球研磨效率低，磨耗高，强度低。因此需要一种具有硬度大、密度大、对物料无污染或污染很小、耐磨性强、生产效率高等优点的复合陶瓷体，从而使得复合陶瓷体得到更为广泛的应用。
技术实现要素：
发明的目的是为了解决上述技术问题的不足，提供一种用于水泥磨的氧化锆-刚玉复合陶瓷体及其生产工艺，提高了复合陶瓷体的耐磨性、硬度、抗冲击性，延长其使用寿命，同时降低生产成本，提高生产效率、且绿色环保。
本发明为解决上述技术问题的不足而采用的技术方案是： 一种用于水泥磨的氧化锆-刚玉复合陶瓷体，具有光滑的表面，形状为球形，体积密度＞3.7 g/cm3，莫氏硬度为9，吸水量＜0.01％，当量磨耗＜0.05％，氧化锆-刚玉复合陶瓷体的原料由氧化铝微粉、氧化铝晶须、氧化锆和结合剂组成，各物料的重量份数及加入比例是：氧化铝微粉97-99份、氧化铝晶须0.1-0.5份、氧化锆0.4-2.5份和结合剂0.05-0.1份。
本发明，所述的氧化铝微粉粒径为0.1-2μm。
本发明，所述的氧化锆为纳米颗粒，粒径为4-60nm。
本发明，所述的氧化铝晶须平均直径为0.5-2μm，平均长度为8-100μm。
本发明，所述的结合剂为La2O3、Y2O3、SiO2、TiO2、CaO、 MgO、滑石中的任意一种或多种混合物。
一种用于水泥磨的氧化锆-刚玉复合陶瓷体的生产工艺，包括以下步骤：
步骤一：将氧化铝微粉97-99份、氧化铝晶须0.1-0.5份、氧化锆0.4-2.5份和结合剂0.05-0.1份放入球磨机，加入水进行湿磨，运行30-45时，过0.063mm筛出磨放入泥浆池中搅拌陈腐36-50h，再进行除铁得到含水量60%的料浆，备用；
步骤二：将步骤一得到的料浆输入喷雾干燥塔中进行喷雾制粉，将干燥后的粉料输送到大料仓中陈腐2-4天得到含水量1.5-3%的粉料，备用；
步骤三：将步骤二得到的粉料采用挤压成型或注射成型的方法成坯，得到含水量0.5-1%的球形坯体；
步骤四：将步骤三得到的球形坯体预先在室温放置，使球形坯体温度降至10-150℃，然后送入高温隧道窑中烧结，经在1300-1380℃保温5.5-8h即为烧结产品；
步骤五：将步骤四得到的烧结产品，再放入球磨机，加入水和氮化硼进行研磨，研磨5-24h后出磨干燥后包装。
本发明，所述的步骤一中得到的料浆细度D50≤1.2μm。
本发明，所述的步骤四中烧结升温过程分为三段：
a: 将球形坯体预热到500℃，升温速率为11-20℃/min，保温时间为0.5-2h；
b: 将球形坯体从500℃升温到1000℃，升温速率为6-10℃/min，保温时间为1-3h；
c: 将球形坯体从1000℃升温到1300-1380℃，升温速率为1-5℃/min，保温时间为5.5-8h。
本发明，所述的步骤五中研磨时烧结产品、水和氮化硼按重量份数加入的比例为：烧结产品100份、水10份、氮化硼1份。
本发明，所述的氮化硼的粒度为20-200nm。
本发明的有益效果是：
1．原料采用了平均直径为0.5-2μm、平均长度为8-100μm的氧化铝晶须，在陶瓷体中具有桥联、钉扎、偏转等作用，不仅明显提高陶瓷体强度、耐磨性、耐热性以及热疲劳性能；同时，氧化铝晶须质轻，使陶瓷体重量较轻，耗能较低，降低了生产成本。
2.原料中采用纳米颗粒氧化锆，使得陶瓷体中的气孔或缺陷尺寸大大减少，提高了陶瓷体的断裂韧性；纳米颗粒氧化锆晶粒间的滑移使得陶瓷体表现出独特的超塑性；同时纳米颗粒被压成型后，纳米级弥散相的存在使得陶瓷体产生优异的强韧化效果，在较低温度下烧结就能达到致密性的目的，且性能优异。
3.该陶瓷体生产工艺中烧结升温过程采取分段升温，并且在不同的温度段匹配不同的升温速率，同时在每一段升温后均精确控制一定的保温时间；例如在烧结过程中，将球形坯体预热到500℃，升温速率为11-20℃/min，将球形坯体从500℃升温到1000℃，升温速率为6-10℃/min，将球形坯体从1000℃升温到1300-1380℃，升温速率为1-5℃/min，申请人通过多次实验发现：采用上述三段式升温方式最为合理；其次在每一次升温后均施加一定的保温时间，上述步骤使得陶瓷体获得了较好的致密化效果，从而提高了陶瓷体硬度、耐磨性、抗冲击性等性能。
4.在烧结后，将烧结产品再次放入球磨机，加入水和氮化硼进行研磨，此处，所加入的氮化硼实现两种作用：首先，由于氮化硼本身的硬度较高，对一些表面具有缺陷或者表层内部有缺陷的烧结陶瓷体有一定的破坏作用，对于该类表面缺陷较大、硬度小、抗压能力小的陶瓷体在二次成型过程中由于摩损较大而被筛选出来，这对后续陶瓷体用于水泥研磨提高生产效率、保证产品质量有很大的影响，如果此时不筛选出来，后续在制备水泥过程中，表面具有缺陷、硬度小、抗压能力小的陶瓷体在很短的时间内就被破坏掉，不仅加速了其他正常陶瓷体的毁坏速度，从而降低陶瓷体的使用寿命，而且断裂或破碎的陶瓷体还会影响水泥的质量，对水泥有一定的污染，影响生产效率，浪费财力和人力；其次，采用较硬的氮化硼，同时限定其粒度为20-200nm，实现了研磨过程中在瞬时高温高压的作用下，在粗糙表面的触点上发生固体间的接触，而产生固体摩擦，氮化硼具有极好的润滑性能以及高温稳定性，即便是在极高的温度下氮化硼依然能保持其润滑性和惰性，在研磨过程中氮化硼可以减少陶瓷体表面接触压力，防止晶界微裂纹的形成和扩展粘连，减少微裂纹相互连结在一起形成大裂纹以导致晶粒的拨出或断裂从而减少陶瓷体的寿命，提高陶瓷体产品的表面洁度使其获得良好的表面质量。
5.本发明制备的陶瓷体硬度高，有效地控制了水泥粉的细度，制备出细度均匀一致的同批水泥粉，且制备出的水泥性能稳定、散差较小、强度波动较小、净度高，使其后期不会发生不规则变形，安全和质量得到了保障；陶瓷体耐高温，在高温条件下不会发生软化、变形或粘连，能够适应长时间、高强度的工作环境；重量轻，体积密度大于3.7g/cm3，当量磨耗小，小于0.05%，寿命长、更换周期长，物耗低，降低了成本；此外，在水泥粉研磨的过程中不会因添加铬存在污染现象，是一种绿色环保材料，符合国家产业政策；该陶瓷体为非金属材料，在研磨运行中传热速率慢，有效地降低了水泥磨内温度和水泥产品温度，避免了水泥中石膏的脱水问题。因此该发明的陶瓷体各项性能指标得到有效提高，具有很高的价值和创造意义。
具体实施方式
本发明为一种用于水泥磨的氧化锆-刚玉复合陶瓷体及其生产工艺，其具体的实施方式为：
一种用于水泥磨的氧化锆-刚玉复合陶瓷体，具有光滑的表面，形状为球形，体积密度＞3.7 g/cm3，莫氏硬度为9，吸水量＜0.01％，当量磨耗＜0.05％，氧化锆-刚玉复合陶瓷体的原料由氧化铝微粉、氧化铝晶须、氧化锆和结合剂组成，各物料的重量份数及加入比例是：氧化铝微粉97-99份、氧化铝晶须0.1-0.5份、氧化锆0.4-2.5份和结合剂0.05-0.1份。
本发明，所述的氧化铝微粉粒径为0.1-2μm。
本发明，所述的氧化锆为纳米颗粒，粒径为4-60nm。
本发明，所述的氧化铝晶须平均直径为0.5-2μm，平均长度为8-100μm。
本发明，所述的结合剂为La2O3、Y2O3、SiO2、TiO2、CaO、 MgO、滑石中的任意一种或多种混合物。
一种用于水泥磨的氧化锆-刚玉复合陶瓷体的生产工艺，包括以下步骤：
步骤一：将氧化铝微粉97-99份、氧化铝晶须0.1-0.5份、氧化锆0.4-2.5份和结合剂0.05-0.1份放入球磨机，加入水进行湿磨，运行30-45时，过0.063mm筛出磨放入泥浆池中搅拌陈腐36-50h，再进行除铁得到含水量60%的料浆，备用；
步骤二：将步骤一得到的料浆输入喷雾干燥塔中进行喷雾制粉，将干燥后的粉料输送到大料仓中陈腐2-4天得到含水量1.5-3%的粉料，备用；
步骤三：将步骤二得到的粉料采用挤压成型或注射成型的方法成坯，得到含水量0.5-1%的球形坯体；
步骤四：将步骤三得到的球形坯体预先在室温放置，使球形坯体温度降至10-150℃，然后送入高温隧道窑中烧结，经在1300-1380℃保温5.5-8h即为烧结产品；
步骤五：将步骤四得到的烧结产品，再放入球磨机，加入水和氮化硼进行研磨，研磨5-24h后出磨干燥后包装。
本发明，所述的步骤一中得到的料浆细度D50≤1.2μm。
本发明，所述的步骤四中烧结升温过程分为三段：
a: 将球形坯体预热到500℃，升温速率为11-20℃/min，保温时间为0.5-2h；
b: 将球形坯体从500℃升温到1000℃，升温速率为6-10℃/min，保温时间为1-3h；
c: 将球形坯体从1000℃升温到1300-1380℃，升温速率为1-5℃/min，保温时间为5.5-8h。
本发明，所述的步骤五中研磨时烧结产品、水和氮化硼按重量份数加入的比例为：烧结产品100份、水10份、氮化硼1份。
本发明，所述的氮化硼的粒度为20-200nm。
本文所述的陶瓷体具有光滑的表面是指制备出的陶瓷体表面光洁、无缺陷和划痕，经检测陶瓷体的表面粗糙度Ra= 3-5nm。
实施例1
氧化锆-刚玉复合陶瓷体的原料各物料的重量份数及加入比例是：粒径为0.1μm的氧化铝微粉97份，平均直径为0.5μm、平均长度为8μm的氧化铝晶须0.1-0.5份，粒径为4nm的纳米氧化锆0.4-2.5份，滑石和Y2O30.05-0.1份（滑石：Y2O3=1:1）。
首先将粒径为粒径为0.1μm的氧化铝微粉97份，平均直径为0.5μm、平均长度为8μm的氧化铝晶须0.1-0.5份，粒径为4nm的纳米氧化锆0.4-2.5份，滑石和Y2O30.05-0.1份（滑石：Y2O3=1:1）放入球磨机，加入水进行湿磨，运行30-45时，过0.063mm筛出磨放入泥浆池中搅拌陈腐36-50h，再进行除铁得到含水量60%的料浆，然后输入喷雾干燥塔中进行喷雾制粉，将干燥后的粉料输送到大料仓中陈腐2-4天得到含水量1.5-3%的粉料，将粉料采用挤压成型或注射成型的方法成坯，得到含水量0.5-1%的球形坯体；预先将球形坯体在室温放置，使球形坯体温度降至10-150℃，然后送入高温隧道窑中烧结，先将球形坯体预热到500℃，升温速率为13℃/min，保温时间为1h；然后将其升温速率定为8℃/min，温度升温到1000℃，保温时间为2h；最后将温度以3℃/min的速率升温到1350℃，保温时间为6h即为烧结产品；然后再将烧结产品100份、水10份、粒度为20nm的氮化硼1份放入球磨机进行研磨，研磨5h后出磨干燥后包装。
实施例2
氧化锆-刚玉复合陶瓷体的原料各物料的重量份数及加入比例是：粒径为2μm的氧化铝微粉99份，平均直径为2μm、平均长度为100μm的氧化铝晶须0.3份，粒径为60nm的纳米氧化锆0.6份，Y2O30.1份。
首先将粒径为2μm的氧化铝微粉99份，平均直径为2μm、平均长度为100μm的氧化铝晶须0.3份，粒径为60nm的纳米氧化锆0.6份，Y2O30.1份放入球磨机，加入水进行湿磨，运行30-45时，过0.063mm筛出磨放入泥浆池中搅拌陈腐36h，再进行除铁得到含水量60%的料浆，然后输入喷雾干燥塔中进行喷雾制粉，将干燥后的粉料输送输送到大料仓中陈腐2-4天得到含水量3%的粉料，将粉料采用挤压成型或注射成型的方法成坯，得到含水量0.5%的球形坯体；预先将球形坯体在室温放置，使球形坯体温度降至10-150℃，然后送入高温隧道窑中烧结，先将球形坯体预热到500℃，升温速率为11℃/min，保温时间为0.5h；然后将其升温速率定为6℃/min，温度升温到1000℃，保温时间为3h；最后将温度以4℃/min的速率升温到1350℃，保温时间为5.5h，即为烧结产品；然后再将烧结产品100份、水10份、粒度为40nm的氮化硼1份放入球磨机进行研磨，研磨24h后出磨干燥后包装。
实施例3
氧化锆-刚玉复合陶瓷体的原料各物料的重量份数及加入比例是：粒径为1μm的氧化铝微粉98份，平均直径为1μm、平均长度为60μm的氧化铝晶须0.1份，粒径为10nm的纳米氧化锆1.8份，SiO2、CaO、 MgO0.1份（SiO2: CaO: MgO =1:1:2）。
首先将上述配料放入球磨机，加入水进行湿磨，运行40时，过0.063mm筛出磨放入泥浆池中搅拌陈腐50h，再进行除铁得到含水量60%的料浆，然后输入喷雾干燥塔中进行喷雾制粉，将干燥后的粉料输送到大料仓中陈腐4天得到含水量2%的粉料，将粉料采用挤压成型的方法成坯，得到含水量1%的球形坯体；预先将球形坯体在室温放置，使球形坯体温度降至10-150℃，然后送入高温隧道窑中烧结，先将球形坯体预热到500℃，升温速率为15℃/min，保温时间为1.5h；然后将其升温速率定为10℃/min，温度升温到1000℃，保温时间为3h；最后将温度以5℃/min的速率升温到1300℃，保温时间为8h即为烧结产品；然后再将烧结产品100份、水10份、粒度为100nm的氮化硼1份放入球磨机进行研磨，研磨16h后出磨干燥后包装。
实施例4
氧化锆-刚玉复合陶瓷体的原料各物料的重量份数及加入比例是：粒径为0.8μm的氧化铝微粉97.5份，平均直径为1.5μm、平均长度为100μm的氧化铝晶须0.5份，粒径为20nm纳米氧化锆1.92份，Y2O3、SiO2、CaO、 MgO 0.08份（Y2O3:SiO2: CaO: MgO =1:1:1:1）。
首先将上述配料放入球磨机，加入水进行湿磨，运行30-45时，过0.063mm筛出磨放入泥浆池中搅拌陈腐48h，再进行除铁得到含水量60%的料浆，然后输入喷雾干燥塔中进行喷雾制粉，将干燥后的粉料输送到大料仓中陈腐3天得到含水量1.5%的粉料，将粉料采用挤压成型或注射成型的方法成坯，得到含水量0.7%的球形坯体；预先将球形坯体在室温放置，使球形坯体温度降至10-150℃，然后送入高温隧道窑中烧结，先将球形坯体预热到500℃，升温速率为20℃/min，保温时间为2h；然后将其升温速率定为7℃/min，温度升温到1000℃，保温时间为1h；最后将温度以2℃/min的速率升温到1380℃，保温时间为6.5h即为烧结产品；然后再将烧结产品100份、水10份、粒度为200nm的氮化硼1份放入球磨机进行研磨，研磨18h后出磨干燥后包装。
实施例5
氧化锆-刚玉复合陶瓷体的原料各物料的重量份数及加入比例是：粒径为0.5μm的氧化铝微粉97.3份，平均直径为1μm、平均长度为40μm的氧化铝晶须0.1份，粒径为30nm的纳米氧化锆2.5份，La2O3、SiO2、TiO2、CaO、 MgO 0.1份（La2O3:SiO2:TiO2:CaO: MgO =1:1:1:1:1）。
首先将上述配料放入球磨机，加入水进行湿磨，运行30-45时，过0.063mm筛出磨放入泥浆池中搅拌陈腐48h，再进行除铁得到含水量60%的料浆，然后输入喷雾干燥塔中进行喷雾制粉，将干燥后的粉料输送到大料仓中陈腐2天得到含水量1.5%的粉料，将粉料采用挤压成型或注射成型的方法成坯，得到含水量0.5-1%的球形坯体；预先将球形坯体在室温放置，使球形坯体温度降至10-150℃，然后送入高温隧道窑中烧结，先将球形坯体预热到500℃，升温速率为12℃/min，保温时间为2h；然后将其升温速率定为9℃/min，温度升温到1000℃，保温时间为2.5h；最后将温度以1℃/min的速率升温到1360℃，保温时间为6h即为烧结产品；然后再将烧结产品100份、水10份、粒度为150nm的氮化硼1份放入球磨机进行研磨，研磨5h后出磨干燥后包装。
为了进一步说明本发明，按照工业陶瓷行业标准，将陶瓷体或陶瓷球在规定的条件下进行研磨，考查陶瓷体或陶瓷球的耐磨性能，陶瓷体或陶瓷球的耐磨性能测试数据值见下表：
由上述结果可知：采用本发明制备的陶瓷体的当量磨耗较小，比市场普通配方制备的陶瓷球耐磨性能较好，同时在原料中没有添加氧化铝晶须制备出的陶瓷体和没有添加纳米氧化锆制备出的陶瓷体耐磨性较低；还有在二次研磨过程中没有添加氮化硼制备出的陶瓷体耐磨性、抗冲击性较低，这表明氧化铝晶须、纳米氧化锆的加入以及在二次研磨过程中氮化硼的加入都明显地提高了陶瓷体的强度、耐磨性以及抗冲击性，从而提高研磨效率，延长陶瓷体的使用寿命，降低企业生产成本，提高生产效率。
对上述所公开实施例的说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。本发明将不限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的内容相一致的最宽的范围。