'十二五'期间优势非金属矿资源高效综合利用技术进展

摘要

根据"十二五"期间我国优势非金属矿资源高效综合利用技术研究重点和耐火材料的发展方向,针对我国高品位铝矾土矿产资源面临消耗殆尽,大量煤矸石和粉煤灰固体废弃物排放堆积地表以及我国工业窑炉用炉衬材料急需更新换代的现状,介绍我国优势非金属矿资源包括中低品位铝矾土、菱镁矿、煤矸石、镁橄榄石、石英、锆英石等资源研究.提出利用中低品位铝矾土和煤矸石为原料合成了莫来石质材料,结果表明:莫来石含量在60％以上时,柱状莫来石和颗粒状刚玉交错生长,复相材料的体积密度为3.21 g/crm3,抗折强度为220.73MPa,材料试样经1500℃处理后,700℃条件下热导率为0.44W/m·k,和市售轻质莫来石浇注料相比,其热导率更低;针对我国优质铝矾土矿产资源储量小,大量固体粉煤灰废弃物排放、堆积的现状,提出了以中低品位铝矾土、菱镁矿矿粉和粉煤灰为原料合成铝硅镁系的复相材料,讨论了不同菱镁矿添加量、反应温度、保温时间对合成材料的物相、显微形貌和常温物理性能的影响.结果显示:以中低品位铝矾土、菱镁矿矿粉为原料,经高温处理后的产物物相主要为刚玉相和莫来石相,当菱镁矿矿粉添加量≥6.2wt.％时,合成的材料中开始有尖晶石物相的生成,当原料中菱镁矿含量为8.95wt.％,试样经1450℃×4h处理后的抗折强度为163.05MPa;针对目前Si3N4-SiC复相耐火材料高温烧成过程中存在的成本高、能耗高、质量不稳定等突出问题,提出了利用石英和金红石经碳热还原氮化工艺合成Si3N4、 TiCN等非氧化物原料,并进行了SiC-Si3N4耐火材料的免烧成制备技术与性能优化的研究,探讨免烧成耐火材料强度获得的机制,取得重要研究成果.分析了石英和金红石碳热还原氮化低成本合成TiCN和Si3N4耐火原料的物相行为,获得优化的工艺参数.以石英为原料,焦炭添加量为理论量,Fe2O3添加量为5％,在1600℃保温3h碳热还原氮化,可合成晶粒尺寸2～4μm的β-Si3N4粉体.以金红石和石英为原料,金红石和石英比例为1∶9,焦炭添加量为理论量,在1600℃保温3h碳热还原氮化,可合成TiCN-Si3N4复相粉体;针对窑炉内衬耐火材料稳定性、可靠性方面还需要改善的问题,提出利用天然金红石和石英为主要原料,采用铝热还原氮化法将TiN引入到β-Sialon结合刚玉复相材料中,对复相材料可以起到增韧增强的作用,结果显示:合成刚玉-Sialon-TiN材料的优化温度为1500℃,随着铝粉添加量的增加,试样体积密度增大,显气孔率减小,抗折强度和抗压强度呈增大的趋势.相关研究工作为我国耐火材料可持续发展提供重要支撑和矿物资源保障.