一种电熔铁铝尖晶石－刚玉复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种电熔铁铝尖晶石－刚玉复合材料及其制备方法。其技术方案是：先以34～44wt％的Fe

说明书

技术领域

本发明属于电熔耐火材料领域。具体涉及一种电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料及其制备方法。

背景技术

镁铬砖由于极佳的高温性能和良好的挂窑皮性能，在水泥窑中得到了广泛的应用，但是在高碱环境下，三价铬离子会转化为有毒六价铬离子，容易污染水源，并且致癌，随着环保意识的增强和相应法规的日益完善，水泥窑用镁铬砖的发展受到了极大的限制。因此无铬化成为目前水泥窑用耐火材料的发展趋势，镁铝尖晶石砖和镁铁尖晶石砖就是两种重要的替代材料，前者荷重软化温度高、高温强度和热震稳定性能较好，但是导热系数高，筒体易变形，挂窑皮性能不好，且尖晶石容易和水泥熟料反应，生成一系列低熔点物相，降低了其使用寿命(Journal of the European Ceramic Society，2004，24：2079-2085)；后者是在制砖过程中引入预合成的电熔铁铝尖晶石，虽然所制备的砖挂窑皮性能好，抗碱、硫、氯和熟料侵蚀性能优良(RHI，Bull，2003，1：25～28)，但由于工艺及原料的原因，电熔铁铝尖晶石成本太高，致使目前使用的镁铁尖晶石砖价格太高。

目前，生产铁铝尖晶石的主要方法有电熔法、烧结法和机械合金化法。关于电熔法制备铁铝尖晶石的报道较少，如以Al₂O₃和Fe为原料通过电熔法制备铁铝尖晶石时(Journal ofMagnetism and Magnetic Materials，2003，264：264-274)，反应过程难以控制，且反应不够充分；以分析纯的Al₂O₃粉、分析纯Fe₂O₃粉和铁鳞为原料通过电熔法制备铁铝尖晶石时(硅酸盐通报，2007，26(5)：1003-1006)，虽然工艺简单，但分析纯的Al₂O₃粉和分析纯Fe₂O₃粉价格太高，致使成本太高，不适合大规模工业化生产。关于烧结法合成铁铝尖晶石的报道较多，多为在气氛保护下烧成，如“一种合成铁铝尖晶石及其制备方法(CN200510019267.6)”采用埋碳方法合成铁铝尖晶石，该工艺劳动强度大，气氛难以控制，不易于大规模工业化生产。机械合金化法一般需要行星磨研磨和煅烧两步，工艺复杂，也不易工业化生产(Materials Chemistryand Physics，2002，76：104-109)。

发明内容

本发明旨在克服上述技术的缺陷，目的是提供一种易于工业化生产、成本低廉的以铁铝尖晶石为主晶相、刚玉为次晶相并含有少量镁铝尖晶石的电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：先以34～44wt％的Fe₂O₃粉、55～65wt％的Al₂O₃粉和0.5～3wt％的轻烧镁砂粉为混合料，外加混合料0.5～4wt％的碳粉；或再外加混合料0.5～3wt％的结合剂，搅拌均匀，成型，坯体经110℃条件下干燥4～24小时，放入三相电弧炉内，或直接将原料搅拌均匀后放入三相电弧炉内；然后采用90～220V电压电熔，当原料或坯体全部熔融后，继续熔炼25～60分钟；或将熔炼后的高温合成料在电弧炉中冷却24～48小时，或将熔炼后的高温合成料导入水冷罐中冷却23～46小时，取出破碎至所需粒度，即得铁铝尖晶石-刚玉复合材料。

所述的Fe₂O₃粉为氧化铁红粉、煅烧铁鳞粉中的一种或两种；氧化铁红粉的Fe₂O₃含量＞93wt％，粒径＜100μm；煅烧铁鳞粉是指将铁鳞在500～800℃煅烧后的产物，煅烧铁鳞粉的Fe₂O₃含量＞90wt％，粒径＜100μm。

所述的Al₂O₃粉为工业氧化铝粉、富铝尖晶石粉中的一种或两种；工业氧化铝粉的Al₂O₃含量＞97wt％，粒径＜100μm；富铝尖晶石粉的Al₂O₃含量＞94wt％，MgO含量为3～5wt％，粒径＜100μm。

所述的轻烧氧化镁粉的MgO含量＞92wt％，粒径＜100μm；碳粉为焦炭、石油焦中的一种或两种。

由于采用上述技术方案，本发明进一步优化了原料与工艺，成本低廉，所制备的产品是物相组成为80～98wt％铁铝尖晶石、1～18wt％刚玉和0.3～3wt％镁铝尖晶石的电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料，是一种制造耐火材料的新原料。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对本发明保护范围的限制。

为避免重复起见，先对本具体实施方式将要涉及到的原料及其理化性能参数统一描述如下，在各个实施例中将不赘述。

氧化铁红粉的Fe₂O₃含量＞93wt％，粒径＜100μm；煅烧铁鳞粉是指将铁鳞在500～800℃煅烧后的产物，煅烧铁鳞粉的Fe₂O₃含量＞90wt％，粒径＜100μm；工业氧化铝粉的Al₂O₃含量＞97wt％，粒径＜100μm；富铝尖晶石粉的Al₂O₃含量＞94wt％，MgO含量为3～5wt％，粒径＜100μm；轻烧氧化镁粉的MgO含量＞92wt％，粒径＜100μm。

实施例1

一种电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料及其制备方法：先以34～39wt％的氧化铁红粉、60～65wt％的工业氧化铝粉和0.5～3wt％的轻烧镁砂粉为混合料，外加混合料0.5～4wt％的焦炭，搅拌均匀后直接放入三相电弧炉内；然后采用90～120V电压电熔，当原料全部熔融后，继续熔炼45～60分钟；将熔炼后的高温合成料导入水冷罐中冷却23～35小时，取出破碎至所需粒度，即得铁铝尖晶石-刚玉复合材料。

采用实施例1所述方法，得到含80～89wt％铁铝尖晶石、8～18wt％刚玉和0.3～3wt％镁铝尖晶石的电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料。这种铁铝尖晶石-刚玉复合材料的体积密度为3.85～3.92g/cm³，气孔率为4.0～5.0％，吸水率为1.3～1.8％。

实施例2

一种电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料及其制备方法：先以37～42wt％的煅烧铁鳞粉、55～60wt％的工业氧化铝粉和1～3wt％的轻烧镁砂粉为混合料，外加混合料2～4wt％的石油焦和1～3％的水搅拌均匀，在5～50MPa压力下机压成型，压坯于110℃干燥4～24小时。然后将压坯放入三相电弧炉中，采用120～150V电压电熔，当原料全部熔融后，继续熔炼35～45分钟，熔炼后的高温合成料在电弧炉中冷却32～42小时，取出破碎至所需粒度，即得铁铝尖晶石-刚玉复合材料。

采用实施例2所述方法，得到含89～98wt％铁铝尖晶石、1～10wt％刚玉和0.8～3wt％镁铝尖晶石的电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料。这种铁铝尖晶石-刚玉复合材料的体积密度为3.92～4.00g/cm³，气孔率为3.5～4.5％，吸水率为1.1～1.6％。

实施例3

一种电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料及其制备方法：先以19～22wt％的氧化铁红粉、19～22wt％的煅烧铁鳞粉、55～58wt％的工业氧化铝粉和0.5～1wt％的轻烧氧化镁粉为混合料，外加混合料1～2wt％的焦炭、1～2wt％的石油焦、0.5～1wt％的糊精和1.5～2％的水搅拌均匀，在50～150MPa压力下机压成型，压坯子110℃干燥4～24小时。然后将压坯放入三相电弧炉中，采用140～160V电压电熔，当原料全部熔融后，继续熔炼25～35分钟，将熔炼后的高温合成料导入水冷罐中冷却35～46小时，取出破碎至所需粒度，即得铁铝尖晶石-刚玉复合材料。

采用实施例3所述方法，得到含90～97wt％铁铝尖晶石、1～8wt％刚玉和1.8～3wt％镁铝尖晶石的电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料。这种铁铝尖晶石-刚玉复合材料的体积密度为3.90～3.99g/cm³，气孔率为3.8～4.8％，吸水率为1.3～1.6％。

实施例4

一种电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料及其制备方法：先以34～39wt％的煅烧铁鳞粉、60～65wt％的工业氧化铝粉和0.5～2wt％的轻烧镁砂粉为混合料，外加混合料2～4wt％的焦炭，搅拌均匀后直接放入三相电弧炉中，采用160～220V电压电熔，当原料全部熔融后，继续熔炼35～40分钟，浇注导入水冷罐中静置冷却23～30小时，取出破碎至所需粒度，即得铁铝尖晶石-刚玉复合材料。

采用实施例4所述方法，得到含80～89wt％铁铝尖晶石、10～18wt％刚玉和0.3～2.5wt％镁铝尖晶石的电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料。这种铁铝尖晶石-刚玉复合材料的体积密度为3.88～3.94g/cm³，气孔率为3.8～4.8％，吸水率为1.1～1.6％。

实施例5

一种电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料及其制备方法：先以35～40wt％的氧化铁红粉、50～55wt％的工业氧化铝粉、5～10wt％的富铝尖晶石粉％和0.5～0.8wt％的轻烧镁砂粉为混合料，外加混合料0.5～3wt％的石油焦，搅拌均匀后直接放入三相电弧炉中，采用140～180V电压电熔，当原料全部熔融后，继续熔炼35～45分钟，将熔炼后的高温合成料在电弧炉中冷却24～35小时，取出破碎至所需粒度，即得铁铝尖晶石-刚玉复合材料。

采用实施例5所述方法，得到含82～91wt％铁铝尖晶石、8.5～17.5wt％刚玉和0.3～0.5wt％镁铝尖晶石的电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料。这种铁铝尖晶石-刚玉复合材料的体积密度为3.86～3.93g/cm³，气孔率为3.8～4.8％，吸水率为1.2～1.7％。

实施例6

一种电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料及其制备方法：先以37～42wt％的氧化铁红粉、55～60wt％的富铝尖晶石粉和0.5～3wt％的轻烧镁砂粉为混合料，外加混合料2～4wt％的石油焦，搅拌均匀后直接放入三相电弧炉内；采用100～120V电压电熔，当原料全部熔融后，继续熔炼50～60分钟，将熔炼后的高温合成料在电弧炉中冷却32～48小时，取出破碎至所需粒度，即得铁铝尖晶石-刚玉复合材料。

采用实施例6所述方法，得到含89～98wt％铁铝尖晶石、1～10wt％刚玉和0.8～3wt％镁铝尖晶石的电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料。这种铁铝尖晶石-刚玉复合材料的体积密度为3.91～3.98g/em³，气孔率为3.9～5.0％，吸水率为1.3～2.0％。

实施例7

一种电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料及其制备方法：先以17～20wt％的氧化铁红粉、17～20wt％的煅烧铁鳞粉、28～33wt％的工业氧化铝粉、27～32wt％的富铝尖晶石粉和0.5～0.8wt％的轻烧镁砂粉为混合料，外加混合料0.5～4wt％的石油焦和1～3％的水，搅拌均匀，在50～150MPa压力下机压成型，压坯于110℃干燥4～24小时。然后将压坯放入三相电弧炉中，采用90～120V电压电熔，当原料全部熔融后，继续熔炼35～45分钟，将熔炼后的高温合成料导入水冷罐中冷却30～40小时，取出破碎至所需粒度，即得铁铝尖晶石-刚玉复合材料。

采用实施例7所述方法，得到含80～90wt％铁铝尖晶石、8～18wt％刚玉和1～2wt％镁铝尖晶石的电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料。这种铁铝尖晶石-刚玉复合材料的体积密度为3.80～3.92g/cm³，气孔率为4.0～5.5％，吸水率为1.5～2.3％。

本具体实施方式进一步优化了原料与工艺，成本低廉，所制备的产品是物相组成为80～98wt％铁铝尖晶石、1～18wt％刚玉和0.3～3wt％镁铝尖晶石的电熔铁铝尖晶石-刚玉复合材料，是一种制造耐火材料的新原料。