一种基于铁尾矿的陶瓷基储热材料及其制备方法与流程

文档序号：12029800阅读：364来源：国知局

本发明属于陶瓷基储热技术领域。具体涉及一种基于铁尾矿的陶瓷基储热材料及其制备方法。

背景技术：

储热材料是目前应用比较广泛的新型功能材料，主要用于工业余/废热回收利用、太阳能综合开发及高温节能等领域。主要包括显热储热材料和潜热储热材料两种。储热材料属于显热储热材料，采用耐火材料作为吸收热量的主体，由于热量的吸收仅仅是依靠耐火材料的显热容变化，这种储热材料具有体积大、造价高、热惯性大和输出功率逐渐下降等缺点。潜热式储热材料则利用相变介质在相变过程中的吸放热特性，具有储热密度大、体积小和相变温度范围宽等优势，是热量存储技术研究的热点之一。

目前主要采用混合烧结法和熔融浸渗法来制备潜热储热材料，都存在一些不足。混合烧结法是将基体材料、相变材料和添加剂等混匀，成型，烧结，得到潜热储热材料。该法虽相对简单，但当烧结温度过高或相变材料含量较大时会造成相变材料的蒸发流失，从而降低材料的蓄热性能。为降低相变材料固、液转变过程中的损失，有研究者将相变材料封装在专门容器内，但会增加材料的热阻，降低传热效率、提高生产成本。熔融浸渗法则需预先制备多孔陶瓷材料，然后将液态相变材料浸渗到多孔陶瓷孔隙中，冷却，制得潜热储热材料。这种方法虽可避免相变材料蒸发流失和减少烧结过程体积效应，但需要预先制备多孔陶瓷体，相变材料的含量取决于多孔陶瓷预制体的孔径大小及其分布状态，不仅过程较为复杂，且制作成本高。另外，现有的储热材料中还存在机械强度、导热系数及热震稳定性等性能低的问题。

同时，随着工业和经济的高速发展，天然矿物的开采量急剧增大，以钢铁冶炼行业为例，铁尾矿—钢铁厂选矿废石和碎屑，其堆放造成了环境污染和安全隐患，铁尾矿的处理量和处理费用越来越高，由此引起的社会问题也越来越多。现有的技术通常是将铁尾矿用于制砖、玻璃制品或作为添加剂用于其它产品的生产。但由于并未从铁尾矿的成分、矿相及结构特征出发，因而基于铁尾矿所开发的产品并未体现出这一原料的资源优势。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，目的在于提供一种原料来源广、生产成本低和工艺简单的基于铁尾矿的陶瓷基储热材料的制备方法，用该方法制备的基于铁尾矿的陶瓷基储热材料储热密度大、导热系数大、耐压强度高和热震稳定性高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

第一步、将40~60wt%的铁尾矿、20~40wt%的铝盐、0.1~10wt%的稳定剂和10~30wt%的络合剂混合，室温条件下研磨0.5~2小时，即得研磨料。

第二步、将20~40wt%的铝盐、30~50wt%的无机盐、10~30wt%的钴粉、10~30wt%的锰粉和10~30wt%的锗粉混合均匀，在50~100mpa条件下压制成型，于中性气氛和400~600℃条件下热处理0.5~3小时，粉碎，球磨，90℃条件下干燥12小时，筛分，得到粒度为0.088~1mm的筛分料a和粒度小于0.088mm的筛分料b。

第三步、将20~50wt%的研磨料、10~30wt%的筛分料a、20~40wt%的筛分料b和5~10wt%的无机盐混合均匀，在10~30mpa条件下压制成型，于中性气氛和400~600℃条件下热处理0.5~3小时，即得基于铁尾矿的陶瓷基储热材料。

所述铁尾矿的粒度小于0.088mm；所述铁尾矿：sio2含量为70~80wt%，fe2o3含量为8~15wt%，al2o3含量小于3.5wt%，cao含量小于4wt%。

所述铝盐的粒度小于0.045mm；所述铝盐为al2(so4)3·18h2o或为al(no3)3·9h2o，所述铝盐的纯度大于99wt%。

所述稳定剂的粒度小于0.01mm；所述稳定剂为氧化镧粉或为二氧化锆粉，所述氧化镧粉中的la2o3含量大于99wt%，所述二氧化锆粉的zro2含量大于99wt%。

所述络合剂为无水草酸或为一水柠檬酸，所述络合剂的纯度大于99wt%。

所述无机盐的粒度小于0.088mm；所述无机盐为硝酸钠或为硝酸钾，所述无机盐的纯度大于99wt%。

所述钴粉的粒度小于0.045mm，所述钴粉的co含量大于99wt%。

所述锰粉的粒度小于0.088mm，所述锰粉的mn含量大于99wt%。

所述锗粉的粒度小于0.088mm，所述锗粉的ge含量大于99wt%。

所述中性气氛为氮气气氛或为氩气气氛。

所述球磨是：按物料︰氧化锆磨球︰无水乙醇的质量比为1︰10︰5配料，放入球磨罐中，在200r/min的条件下球磨12~15小时。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

⑴本发明以高含量相变材料为基础，控制结构材料的组成、形成与分布状态，调节结构材料与相变材料的高温反应性，因而制得的基于铁尾矿的陶瓷基储热材料具有较大的储热密度。

⑵本发明利用结构材料的形成特点实现相变材料的微观分布，控制微晶在相变材料中的形成状态来调节材料的吸热、蓄热及传热行为，因而制得的基于铁尾矿的陶瓷基储热材料具有较高的导热系数。

⑶本发明利用不同原料之间的高温反应特性，形成耐火度高、耐压强度大、热膨胀系数低和抗侵蚀性高的基体材料，因而制得的基于铁尾矿的陶瓷基储热材料具有较高的耐压强度和热震稳定性。

⑷本发明根据储热材料的结构与性能特点，将制备过程分步控制，避免采用高温煅烧等工序，既杜绝了相变材料的流失，又实现了材料结构与性能的巧妙控制。因此，不但所采用的原料来源广泛，而且生产工艺简单、生产成本低。

⑸本发明以铁尾矿为主要原料之一，不仅解决堆积占地和污染环境的问题，而且变废为宝，实现了铁尾矿资源的综合回收与利用；同时，利用铁尾矿中含有的氧化硅、氧化铁、氧化铝及其他有益成分以及铁尾矿中的晶相分布状态，将其与其他原料相配合，在热处理过程中形成交织分布的晶粒，因而所制得的基于铁尾矿的陶瓷基储热材料具有较高的耐压强度。

本发明制备的基于铁尾矿的陶瓷基储热材料经检测：储热密度大于800kj/kg；导热系数大于1.8w/(m·k)；耐压强度大于20mpa；热震稳定性(1100℃水冷)>20次。

因此，本发明具有原料来源广、生产成本低和工艺简单的特点，所制备的基于铁尾矿的陶瓷基储热材料储热密度大、导热系数大、耐压强度高和热震稳定性高。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的物料统一描述如下，实施例中不再赘述：

所述铁尾矿的粒度小于0.088mm；所述铁尾矿的主要化学成分是：sio2含量为70~80wt%，fe2o3含量为8~15wt%，al2o3含量小于3.5wt%，cao含量小于4wt%。