專利名稱：一種Fe-Sialon復合粉體的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種利用大宗礦業固體廢棄物鐵尾礦制備Fe-Sialon復合粉體的方法，屬于耐火材料及固體廢棄物資源綜合利 用技術領域。
背景技術：
Sialon基材料是近幾十年來發展起來的綜合性能十分優越(包括機械、熱學、物理與化學等性能)的工程材料，在航空、軍工、機械、冶金、化工等領域中有著廣闊的應用前景。Sialon材料的早期制備方法是先合成氮化硅和氮化鋁粉末，依據Si-Al-O-N相圖，摻雜二氧化硅和氧化鋁，按比例混合后在高溫下經固相反應而生成。該法的基本特點是制備過程復雜、原料成本極高，難以作為常規的耐火材料或結構材料等而獲得大規模的工業應用。而截至到2009年底我國的礦業固體廢棄物尾礦累積堆存量為100億噸。尾礦已成為我國目前產出量最大、堆存量最多的固體廢棄物，已經引起嚴重的環境問題且存在巨大的安全隱患，成為我國礦業經濟和礦業城市可持續發展的瓶頸問題。在礦石日益貧化、資源日益枯竭、環保意識日益增強的世界大環境下，尾礦作為二次資源的再利用問題已刻不容緩。對廢棄物加以利用，變廢為寶，既創造出新的社會財富，又消除了對環境的污染，是礦山廢棄物治理的理想途徑。因而，充分利用鐵尾礦的化學組成特點，開發Sialon基耐火原料有著廣闊的發展前景。房現閣，高遠飛，胡美羚等進行了富鋁煤矸石碳熱還原氮化合成Fe-Sialon復相材料的研究。以富鋁煤矸石、鐵精礦粉、焦炭為原料，經過碳熱還原氮化在1400 1550°C保溫4h條件下合成Fe-Sialon復相材料,其Sialon基復合材料中的Fe相是外加的鐵精礦粉形成的相，而非煤矸石廢棄物本身含有的Fe元素，因此原料成本較高。公開號為CN101045633A的中國發明專利申請中提供了一種利用選鐵尾礦制備Ca-α -Sialon材料的方法。以酸洗除去鐵的尾礦為主要原料，合成了主晶相為Ca-α -Sialon,次晶相為SiC的陶瓷粉體。此種方法是將鐵尾礦中的鐵除去，而非將其利用，合成的Sialon復合材料非Fe-Sialon。公開號為CN102219532A的中國發明專利申請中提供了一種耐火的Fe-Sialon原料的制備方法。以鐵精礦粉，富鋁煤矸石和碳源為主要原料合成的Fe-Sialon耐火原料粉體。此種方法以鐵精礦粉為Fe源，原料成本較高。公開號為CN101654369A的中國發明專利申請中提供了一種制備Fe-Sialon耐火原料的方法。以鐵精礦粉，高鋁粉煤灰和焦炭粉為主要原料合成的Fe-Sialon耐火原料粉體。此種方法以鐵精礦粉為Fe源，原料成本較高。目前，尚未發現利用鐵尾礦資源化合成Fe-Sialon復合粉體的相關報道。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用鐵尾礦為原料制備Fe-Sialon復合粉體的方法，為鐵尾礦的資源化高效綜合深度利用提供有效途徑，為Sialon的低成本合成提供新的綠色工藝。本發明以鐵尾礦為主要原料，以鋁灰為調劑料，配入碳粉為還原劑，機壓成型得到成分均勻還體；根據Ct -Sialon的化學式MxSi12_3xAl3xOxN16_x (x彡2)及β -Sialon的化學式 Si6_zAlz0zN8_z (z < 4. 2),設計 α / β -Sialon,其中 a -Sialon : β -Sialon = O 100 100 O。在制備過程中通過控制配料比、燒結溫度、升溫制度、保溫時間等工藝參數，得到Fe-Sialon復合粉體。本發明解決問題的技術方案是一種Fe-Sialon復合粉體的制備方法，為碳熱還原氮化方法，包括配料，制坯和燒結的步驟，所述制備方法的原料包括鐵尾礦和碳粉。本發明所述制備方法的原料還包括鋁灰，所述鐵尾礦和鋁灰的質量百分比按a -Sialon(X ^ 2) ； β -Sialon(z ^ 4. 2) = O 100 : 100 O 確定。其中，鐵尾礦為反應的王要原料，招灰在反應中為調劑料。本發明所述制備方法采用碳粉為還原劑，其加入量為理論配碳量的I 2倍。碳粉作為還原劑，本發明所述理論配碳量是通過方程式(I)和(2)確定的。(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。本發明所述制備方法所述鐵尾礦指鐵礦山選礦后的廢棄物；所述鋁灰指電解鋁或鑄造鋁生產工藝中產生的熔渣經冷卻加工后的產物。本發明所述制備方法中鐵尾礦按質量百分比，由下述組分組成=SiO2 50 70%，Al2O3 5 10%，CaO 3 8%，MgO 3 5%，Fe2O3 10 30%，其他組分1 3% ;其中，其他組分是Na20、K2O, TiO2、P2O5, MnO中的一種或幾種的混合物。本發明所述制備方法中所述鋁灰按質量百分比，由下述組分組成A1 :10 30%，Al2O3 30 ~ 60%, SiO2 3 10%，其他組分:1 8% ;其中，其他組分是CaO、MgO、Na2O, FeO、MnO中的一種或幾種的混合物。本發明所述制備方法包括以下工藝步驟a.配料將鐵尾礦粉碎，過200目標準篩，然后將鐵尾礦、鋁灰按照a -Sialon (x ^ 2) : β -Sialon (z ^ 4. 2) = O 100 : 100 O 的質量百分比配料混合；并加入理論配碳量的I 2倍的碳粉；將混合料中加入混合料總質量3 12%的無水乙醇，常溫下球磨6 12小時，使之均勻混合；b.成型將混合料烘干，摻入粘結劑，置于模具中機壓成型，脫模后在60 120°C溫度下干燥10 18小時，其中，所述粘結劑是質量分數為3 5%的聚乙烯醇水溶液，每IOOg混合料加入粘結劑量為10 50ml。
c.燒結將干燥后坯體埋焦炭，然后置于氣氛燒結爐進行燒結，在O. 2 I. OL/min的流動氮氣氣氛下，進行程序升溫，自然冷卻至400°C以下，取出制品，粉碎后放入馬弗爐中，800°C保溫4 8h除去殘碳，即得Fe-Sialon復合粉體。應理解步驟c中所述程序升溫指室溫經60min至200°C，200°C經180min至700°C，在700°C保溫30min，然后以2 8°C /min的升溫速率升溫至1400 1600°C，保溫2 8h ;所述埋焦炭指利用焦炭將坯體包覆。利用上述方法制備的Fe-Sialon復合粉體是由a -Sialon, β -Sialon和Fe3Si組成的復合粉體、或ct -Sialon和Fe3Si組成的復合粉體、或β -Sialon和Fe3Si組成的復合粉體。本發明利用鐵尾礦為主要原料，通過碳熱還原氮化的方法制得Fe-Sialon復合粉體，此種耐火原料是一種新型的具有耐高溫、良好的抗氧化性和熱化學穩定性的耐火原料。本發明具有以下幾個突出特點主要原料為危害環境的鐵尾礦，成本低廉且有利于環境保護；工藝成熟易于控制；所得產品附加值高。本發明提供了一種新的鐵尾礦的資源化途徑，將鐵尾礦最大限度的資源化整體利用，變廢為寶，緩解廢棄物尾礦對環境的壓力，同時也為Sialon的廉價合成提供了一種新的綠色工藝。本發明制備的Fe-Sialon復合粉體可用于煉鐵高爐的炮泥耐火材料、出鐵溝澆注料，還可以用于制備其它的耐高溫材料。


本發明附圖3幅，圖I是實施例I所得產物的XRD圖；圖2是實施例2所得產物的XRD圖；圖3是實施例3所得產物的XRD圖。
具體實施例方式下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。實施例I 3所用原料鐵尾礦與招灰的成分，按質量百分比，如表I所不。表I
權利要求
1.一種Fe-Sialon復合粉體的制備方法，為碳熱還原氮化方法，包括配料，制坯和燒結的步驟，其特征在于所述制備方法的原料包括鐵尾礦和碳粉。
2.根據權利要求I所述的Fe-Sialon復合粉體的制備方法，其特征在于所述制備方法的原料還包括招灰；所述鐵尾礦和招灰的質量百分比按a -Sialon β -Sialon = O 100 100 O確定。
3.根據權利要求I所述的Fe-Sialon復合粉體的制備方法，其特征在于所述碳粉的量為理論配碳量的I 2倍。
4.根據權利要求I所述的Fe-Sialon復合粉體的制備方法，其特征在于所述鐵尾礦按質量百分比，由下述組分組成=SiO2 50 70%,Al2O3 5 10%，CaO 3 8%，Mg0 3 5%, Fe2O3 10 30%，其他組分:1 3% ; 其中，其他組分是Na20、K2O, TiO2、P2O5, MnO中的一種或幾種的混合物。
5.根據權利要求I所述的Fe-Sialon復合粉體的制備方法，其特征在于所述鋁灰按質量百分比，由下述組分組成=Al 10 30%,Al2O3 30 60%, SiO2 3 10%，其他組分I 8% ; 其中，其他組分是CaO、MgO、Na2O, FeO、MnO中的一種或幾種的混合物。
6.根據權利要求I所述的Fe-Sialon復合粉體的制備方法，其特征在于包括以下工藝步驟 a.配料將鐵尾礦進行粉碎,過200目標準篩；將鐵尾礦、招灰按a -Sialon : β-Sialon = O 100 : 100 O的質量百分比配料,并加入碳粉；向混合料中加入混合料總質量3 12%的無水乙醇，常溫下球磨； b.制坯將混合料烘干后摻入粘結劑，機壓成型，脫模后干燥； c.燒結將干燥的坯體埋焦炭后在氮氣氣氛下進行燒結，將燒結完成的坯體粉碎后進行去殘碳處理，即得Fe-Sialon復合粉體。
7.根據權利要求6所述的Fe-Sialon復合粉體的制備方法，其特征在于步驟b中所述粘結劑是質量分數為3 5%的聚乙烯醇水溶液，每IOOg混合料加入粘結劑量為10 50ml ο
8.一種由權利要求I所述方法制備的Fe-Sialon復合粉體，其特征在于所述復合粉體是由α -Sialon, β -Sialon和Fe3Si組成的復合粉體、由a -Sialon和Fe3Zi組成的復合粉體、或β -Sialon和Fe3Si組成的復合粉體。
全文摘要
本發明涉及一種利用大宗礦業固體廢棄物鐵尾礦制備Fe-Sialon復合粉體的方法，屬于耐火材料及固體廢棄物資源綜合利用技術領域。本發明以鐵尾礦為主要原料，以鋁灰為調劑料，配入碳粉為還原劑，機壓成型得到成分均勻坯體；根據α-Sialon和β-Sialon的化學式，在α-Sialon的平面兩相區內，設計α/β-Sialon。在制備過程中通過控制配料比、燒結溫度、升溫制度、保溫時間等工藝參數，得到Fe-Sialon復合粉體。
文檔編號C04B35/599GK102617150SQ20121007869
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者劉貴山, 姜淑文, 王志強, 王輝利, 胡志強, 郝洪順 申請人:大連工業大學