一种以钢渣为主导的蓄热陶瓷材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种以钢渣为主导的蓄热陶瓷材料，所述蓄热陶瓷材料的原料按重量比计，包括：钢渣50‑54份、黏土14‑15份、铝矾土14‑15份和镁砂18‑20份，本发明解决了钢渣直接作为蓄热材料导热能力差，机械强度低的问题，通过配比使该蓄热陶瓷材料的导热系数、抗折强度、抗压强度得以保证。钢渣是钢铁生产中的副产品，含有大量金属氧化物，导热率较高。钢渣价格低，且有大量的货源以保证生产，开发钢渣配以辅料作蓄热材料，实现钢渣资源化利用，提高经济和环境效益。

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，特指一种以钢渣为主导的蓄热陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

蓄热材料已发展多年，各种体系一直在不断完善，现有的体系有堇青石、镁铝尖晶石、方镁石、碳化硅、辉石等。其中堇青石、镁铝尖晶石体系的蓄热材料导热系数最高可达2–4W/m·k，其原料的组成主要以MgO、Al2O3、SiO2含量较高的矿物为主，原料的其他杂质相含量低，如铁、钙的氧化物等。现有的以高岭土、滑石、α-Al2O3、MgO制备的堇青石-镁铝尖晶石体系蓄热材料室温下导热系数最高为3.03W/m·k。

钢渣主要作为道路砖、建筑材料引用较多。如钢渣蓄热混凝土，虽有一定的热力学性能，但钢渣利用率仅为33%；或乙酸酸浸过的钢渣，其导热系数为1.022W/m·k。

而钢渣作为蓄热材料的应用较少，在已有的研究中，其样品导热性能较低，因此需要研制导热性能更好的以钢渣为主要原料的蓄热材料。此外蓄热材料的力学性能对材料的实际使用寿命等有重要影响，现有技术中以粉煤灰、钢渣为原料配制的样品，其抗折强度低于8MPa，纯钢渣制作的样品即使经过烧结，机械强度也远低于使用要求。

另外因为钢渣内成分含量差别较大，物相差别较大，导热性能差距更大，无法直接用作蓄热材料，目前，尚未出现应用钢渣作为蓄热陶瓷的主要原料的情况。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种以钢渣为主导的蓄热材料及其制备方法，制备出与钢渣成分相适应的物相，解决钢渣自身导热系数低，同时使钢渣充分利用，保证其热力学性能满足使用。

本发明的目的是这样实现的：一种以钢渣为主导的蓄热陶瓷材料，所述蓄热陶瓷材料的原料按重量比计，包括：钢渣50-54份、黏土14-15份、铝矾土14-15份和镁砂18-20份。

进一步地，所述蓄热陶瓷材料组分含量为：CaO:20.0-22.0%、Al2O3:15.9-16.5%、SiO2:22.4-22.6%、Fe2O3:9.5-10.5%、MgO:22.0-22.3%、TiO2+P2O5+K2O+MnO≤5%，其余为杂质。

进一步地，所述钢渣组分含量为：CaO：42.0-44.0%、SiO2：17-18.5%、Fe2O3：17.5-18.0%、MgO：6.0-7.0%、Al2O3：5.0-5.5%和MnO：3.0-4.0%、P2O5：1.8%-2.0%、Na2O：1.2%-1.4%，其余为杂质；

进一步地，所述黏土组分含量为：Al2O3：33.0-35.0%、SiO2：48.5-50.0%、Fe2O3：1.6-1.9%、TiO2：1.9%-2.0%，其余为水以及少量杂质；所述铝矾土组分含量为：Al2O3：50.0-55.0%、SiO2：35.0-38.5%、Fe2O3：1.76-1.9%、TiO2：2.3%-2.5%，其余为杂质；所述镁砂组分含量为：MgO：90.2-95.7%、CaO：1.5-1.8%、SiO2：1.4-1.6%，其余为杂质。

一种以钢渣为主导的蓄热陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取钢渣、铝矾土和镁砂进行粉碎，按比例进行配比，制得配料；

步骤2：将配料与水按1:1.5的比例，配入球磨机混料，制得湿料；

步骤3：对湿料进行干燥处理，形成干料；

步骤4：将干料与水按比例进行混合，之后进行陈腐；

步骤5：陈腐后的干料进行压制成型，之后进行干燥处理，最后进行烧制。

进一步地，所述步骤1中，将钢渣、铝矾土、镁砂分别用粉碎机粉碎，粉碎后原料分别过150目筛。

进一步地，所述步骤2中，按照配料：水：球=1:1.5:1.5的比例，配入卧式高能球磨机，球磨机速度为300r/min，混料时间为2h。

进一步地，所述步骤3中，湿料通过干燥箱进行干燥，干燥时间6h，温度105℃；所述步骤4中，干料与水按1:0.06的比例混合，陈腐时间为6h。

进一步地，所述步骤5中，采用124-130MPa的压力进行压制成型，并保压30s；之后放入干燥箱干燥6h，温度105℃；在烧制过程中，温度＜1000℃时，按照5℃/min升温，温度＞1000℃时，按照2℃/min升温，温度达到1220℃时，保温2h，之后随炉降温。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：钢渣成分相关的物相有钙铝黄长石、钙镁黄长石、钙镁橄榄石、透辉石和尖晶石等，其中，镁铝尖晶石本身具有良好的导热性能，同时，通过添加黏土、铝矾土、镁砂，形成新的物相体系，即钙镁黄长石+镁铝铁尖晶石，使在一定配比下烧制的蓄热陶瓷具有较高的导热性能，同时保证机械强度，以满足使用要求，由于钢渣成本廉价，可降低蓄热陶瓷整体成本较低。

附图说明

图1是本发明制备蓄热陶瓷材料的工艺流程图；

图2是本发明中钢渣的XRD衍射图；

图3是本发明中黏土的XRD衍射图；

图4是本发明中铝矾土的XRD衍射图；

图5是本发明中镁砂的XRD衍射图；

图6为本发明实施例1蓄热陶瓷的XRD衍射图；

图7为本发明实施例1蓄热陶瓷的导热系数检测结果图；

图8为本发明实施例1抗折强度测试结果；

图9为本发明实施例2抗折强度测试结果；

图10为本发明实施例3抗折强度测试结果。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，钢渣主要成分以钙、铁、镁、硅及少量铝、锰，其主要物相为硅酸二钙、赤铁矿，硅酸二钙的导热性能差，限制了钢渣直接作为蓄热材料的应用，固体钢渣导热系数仅为0.55W/m•k，因为烧制过程中纯钢渣并无新物相产生，原料粉末中的微颗粒不会出现因为不同物料元素含量不同相互扩散产生新物相，因此成品也易碎，需要加入辅料对钢渣进行改性，使其能够作为蓄热材料应用。

本发明提供一种以钢渣为主导的蓄热陶瓷材料，所述蓄热陶瓷材料的原料按重量比计，包括：钢渣50-54份、黏土14-15份、铝矾土14-15份和镁砂18-20份。

钢渣往往钙铁含量最高，通过添加黏土、铝矾土、镁砂，形成新的物相体系，即钙镁黄长石+镁铝铁尖晶石，使钢渣中的钙铁等元素进入新物相，使其作用于有利的方面，新物相的热力学性能远优于纯钢渣。黏土的粘性有利于坯体的成型，使坯体有一定的机械强度，不至于在运送过程中碎裂，同时黏土为新的物相体系提供铝、硅源。铝矾土添加是为了平衡坯体中的铝硅比。镁砂则是因为两种新物相中均有镁，而其他几种物料中的氧化镁含量过低，因此作为镁源来使用。

所述钢渣组分含量为：CaO：42.0-44.0%、SiO2：17-18.5%、Fe2O3：17.5-18.0%、MgO：6.0-7.0%、Al2O3：5.0-5.5%、MnO：3.0-4.0%、P2O5：1.8%-2.0%、Na2O：1.2%-1.4%，其余为杂质，钢渣的XRD衍射图可参考附图2，其扫描速度8°/min，扫描范围10°-65°；由于新疆钢渣的主要成分包括：CaO为43.1%，SiO2为18%，Fe2O3为17.6%，MgO为6.6%，Al2O3为5.2%，MnO为3.6%、P2O5：1.89%、Na2O：1.27%，其余为杂质，其组分符合本发明的钢渣组分要求，无需进行过多其他加工即可满足本发明的需求，因此，本实施例的钢渣采用新疆钢渣。

本发明中，黏土组分含量为：Al2O3：33.0-35.0%、SiO2：48.5-50.0%、Fe2O3：1.6-1.9%、TiO2：1.9%-2.0%，且一部分以结合水形式存在于高岭土中以及少量杂质，黏土的XRD衍射图可参考附图3；所述铝矾土组分含量为：Al2O3：50.0-55.0%、SiO2：35.0-38.5%、Fe2O3：1.76-1.9%、TiO2：2.3%-2.5%，其余为杂质，铝矾土的XRD衍射图可参考附图4；所述镁砂组分含量为：MgO：90.2-95.7%、CaO：1.5-1.8%、SiO2：1.4-1.6%，其余为杂质，镁砂的XRD衍射图可参考附图5，附图3-5的扫描速度和范围均与附图2的扫描速度和范围相同。

上述所有原料及样品使用荧光测试仪熔片法检测，因为V2O5、Na2O、Cr2O3等物质均小于1%，而小于1%的物质可能为仪器误差，不能当做一定含有该物质，且在配比后的样品里含量较小，因此以杂质来处理，这些杂质一定存在于原料及样品中，但由于含量太低，不会对样品性能产生影响。另外原子序数小的物质无法测出，如氢原子、锂原子，黏土中的结合水无法测出，因此黏土各组分含量百分比之和小于90%，其余几种原料及样品的各组分含量百分比之和小于100%。

经过配比及实验结果的比对，物相为钙铝黄长石相/钙镁橄榄石+透辉石/尖晶石的样品导热系数为0.9～1.15 W/m•k，其中含有钙铝黄长石的物相导热系数均≤1.0 W/m•k，而物相为钙镁黄长石+镁铁铝尖晶石的样品导热性能较好，其导热系数＞1.2 W/m•k。在各组分相同条件下，对比配方新疆钢渣+黏土+镁砂+铝矾土/高岭土/钾长石/粉煤灰的导热系数，结果表明配方新疆钢渣+黏土+镁砂+铝矾土结果最好，其样品导热系数为1.615 W/m•k。

上述以钢渣为主导的蓄热陶瓷材料的制备方法，参考附图1，包括如下步骤：

步骤1：取钢渣、铝矾土和镁砂进行粉碎，将钢渣、铝矾土、镁砂分别用粉碎机粉碎，粉碎后原料分别过150目筛，按比例进行配比，制得配料，原料粒度取过150目筛，原料粒度过大不利于坯体致密化，粒度过大时会导致坯体密度降低，进而致使材料导热系数有所降低；

步骤2：按照配料：水：球=1:1.5:1.5的比例，配入卧式高能球磨机，球磨机速度为300r/min，混料时间为2h，制得湿料，由于原料中含有黏土，黏土有一定粘性，直接用混料时会出现配料粘附在球磨罐内壁上的情况致使混料不均匀，加入适量的水可以增加配料流动性，使其混料均匀；

步骤3：湿料通过干燥箱进行干燥处理，去除配料中多余的水分，干燥时间6h，温度105℃，形成干料；

步骤4：将干料与水按1:0.06的比例混合，加水使配料成为含有一定水分的半干料，这有利于坯体成型，以及成型后塑形，之后进行陈腐，陈腐时间为6h，陈腐可使混合料各部分水分能扩散更均匀，坯体含水量过低或过高均不利于坯体成型，否则会出现坯体开裂或坯体易碎的情况；

步骤5：陈腐后的干料进行压制成型，压力过高会造成坯体开裂，压力过低时坯体不够致密，因此，控制压力为124-130MPa，并保压30s；之后放入干燥箱干燥6h，温度105℃；最后进行烧制，在烧制过程中，温度＜1000℃时，按照5℃/min升温，温度＞1000℃时，按照2℃/min升温，温度达到1220℃时，保温2h，之后随炉降温，由于温度会影响坯体热力学性能，温度过低不利于坯体形成新物相，同时影响成品的机械强度和导热系数，温度高会使成品变形，且产生气孔，大于烧结温度±10℃时样品有较为明显的变化，如变形、致密度的变化。

采用上述方法制得的蓄热陶瓷材料，其组分含量为：CaO:20.0-22.0%、Al2O3:15.9-16.5%、SiO2:22.4-22.6%、Fe2O3:9.5-10.5%、MgO:22.0-22.3%、TiO2+P2O5+K2O+MnO≤5%、其余为杂质。

结合上述内容，作出如下相关实施例：

实施例1：

按重量比称取钢渣50份、黏土15份、铝矾土15份和镁砂20份。按上述工艺过程制备蓄热陶瓷材料，烧结温度1220℃，测其密度、热力学性能等，所制得的蓄热陶瓷材料其密度2.39 g/cm

实施例2：

按重量比称取钢渣52份、黏土14份、铝矾土14份和镁砂20份。按上述工艺过程制备蓄热陶瓷材料，烧结温度1200℃，测其密度、热力学性能等，所制得的蓄热陶瓷材料其密度2.22 g/cm

实施例3：

按重量比称取钢渣54份、黏土14份、铝矾土14份和镁砂18份。按上述工艺过程制备蓄热陶瓷材料，烧结温度1200℃，测其密度、热力学性能等，所制得的蓄热陶瓷材料其密度2.22 g/cm

实施例4：

按重量比称取钢渣50.1份、黏土28.5份和铝矾土21.4份。按上述工艺过程制备蓄热陶瓷材料，烧结温度1220℃，测其密度、热力学性能等，所制得的蓄热陶瓷材料其密度2.36 g/cm

实施例5：

按重量比称取钢渣58份、黏土26份、铝矾土11份和镁砂5份。按上述工艺过程制备蓄热陶瓷材料，烧结温度1170℃，测其密度、热力学性能等，所制得的蓄热陶瓷材料其密度2.37 g/cm

实施例6：

按重量比称取钢渣58份、粉煤灰12份、钾长石15份和高岭土15份。按上述工艺过程制备蓄热陶瓷材料，烧结温度1220℃，测其密度、热力学性能等，所制得的蓄热陶瓷材料其密度2.33 g/cm

实施例7：

按重量比称取钢渣52份、石英砂28.7份、镁砂9.3份。按上述工艺过程制备蓄热陶瓷材料，测其密度、导热性能等，所制得的蓄热陶瓷材料其密度1.81 g/cm

上述实施例中，实施例1-4的主要物相为钙镁黄长石相、镁铁铝尖晶石，其导热系数在1.4-1.6 W/m·k之间，其中实施例1的配方最优。实施例5与实施例6使用了不同辅料，引入了新物相钙铝黄长石相、铁透辉石，其导热系数降至1W/m·k及以下。实施例6为该配方体系（相同辅料、物相，配比不同）中导热系数最高的配方，可以看出钙铝黄长石-镁铝尖晶石体系与钙镁黄长石-镁铁铝尖晶石比差别较大，实施例7主要物相为铁透辉石相，其导热系数较低，因此选用了钙镁黄长石-镁铁铝尖晶石作为目标晶相来配比。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明说明中所使用的术语，只是为了描述具体得实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。