一种低氧化钠杂质含量α相氧化铝的制备方法
技术领域
本发明涉及α氧化铝制备的技术领域,具体地指一种低氧化钠杂质含量α相氧化铝的制备方法。
背景技术
α氧化铝微粉是高性能不定型耐火材料和定型耐火材料产品的重要原料,其α相具有极高的高温稳定性,在高温条件下与耐火材料中的其他原料形成陶瓷结合,强化了耐火材料的机械性能、抗侵蚀性、耐磨性性能。α氧化铝微粉以α氧化铝细粉为原料通过研磨得到。低氧化钠含量的α氧化铝细粉以工业γ氧化铝细粉为主要原料,通过高温煅烧的方式将γ相氧化铝晶体转化成高温稳定的α相氧化铝,同时很好地降低煅烧后的杂质含量。
在实际生产中,工业γ相氧化铝原料含有较高的杂质氧化钠成分,一般在0.4%左右,这种氧化钠成分会带来两个负面影响:其一,由于氧化钠成分的存在,高温煅烧时会生成β相氧化铝,显著降低α相含量,降低煅烧后氧化铝的高温稳定性,反应方程为:11Al2O3+Na2O=Na2O·11Al2O3(β相氧化铝)。其二,氧化钠成分的存在,在高温使用时,会与耐火材料中的其他原料成分反应生成低熔点物相,降低耐火材料的高温使用性能,恶化产品的使用寿命。
目前,现有的α氧化铝生产工艺主要采取矿化剂除杂法,在煅烧的过程中去除氧化钠成分。其工艺方面存在不足:其一,氧化钠在高温区脱出后,以蒸汽的形式排除,但是由于热工窑炉存在不同高温区,当氧化钠蒸汽流经低温区时,部分氧化钠蒸汽又会冷凝下来重新回到原料中去,造成脱不干净的结果。其二,去除氧化钠杂质所用的矿化剂,在高温区会同时影响氧化铝的α相转化率和晶体粒度,二者在相近的温区反应,会造成除杂与专相的相互影响,增加工艺控制难度,最终影响煅烧获得的α氧化铝产品的质量稳定性。
因此,需要一种既能有效除去氧化钠、又不影响最终α氧化铝产品性能的α氧化铝的工艺方法。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足,提供一种既能有效除去氧化钠、又不影响最终α氧化铝产品性能的α氧化铝的工艺方法。
本发明的技术方案为:一种低氧化钠杂质含量α相氧化铝的制备方法,其特征在于,步骤为:
a.将二氧化硅砂子、矿化剂加入氧化钠质量含量≤0.50%的γ氧化铝细粉中,在700-1000℃的高温窑炉中预处理3-4h;
b.将高温窑炉中热处理温度提高到1200℃-1500℃后保温1-10h,得到氧化钠质量含量≤0.20%的α相氧化铝。得到产物中氧化钠含量0.03-0.20%、α相氧化铝转化率93-96.5%。
上述方案根据热力学和动力学反应原理,通过二氧化硅砂子除钠,可以在较低的700℃-1000℃温度范围内,通过固相烧结化学反应,将氧化铝中的杂质氧化钠成分与二氧化硅砂子反应,生成的反应产物包括硅酸钠、钠长石、霞石中一种或几种,紧紧地熔融在二氧化硅砂子表面。在高温烧结期间,熔融了氧化钠成分的二氧化硅砂子不参与α氧化铝的转相和晶粒生长过程,煅烧完毕后,通过筛分去除含有氧化钠的二氧化硅砂子,即可避免氧化钠的再次回流。使用过的二氧化硅砂还可以见过处理后再次循环利用,实现低成本高效的使用。本方案具有除杂稳定不回留的特点,可以将氧化钠成分降低到0.2%以下,满足不同的要求,其反应原理如下方程所示:
1)2SiO2+Na2O=Na2O·2SiO2硅酸钠
2)6SiO2+Al2O3+Na2O=Na2O·Al2O3·6SiO2钠长石
3)2SiO2+Al2O3+Na2O=Na2O·Al2O3·2SiO2霞石
上述方案中,所述二氧化硅砂子、矿化剂、γ氧化铝细粉的质量比为3-15:0.1-1:100,从而有利于氧化钠成分与二氧化硅砂子反应除去,矿化物也将和氧化钠生成低沸点的化合物挥发除去,双重功效去除氧化钠,而且矿化剂本身具有促进α氧化铝晶型转化、窑炉生产煅烧温度的作用。
上述方案中,所述矿化剂为硼酸、氯化铵、氟化铝中的一种或几种混合。硼酸可以降低氧化钠含量、将原与氧化钠分子结合的γ氧化铝得以释放并转变为α氧化铝;氯化铵可在颗粒表面细化晶粒;氟化铝可促进晶体的长大,因此使用矿化剂提高α相转化率、促进晶体长大。
上述方案中,所述矿化剂优选为硼酸、氯化铵、氟化铝三者的混合物,更优选为硼酸、氯化铵、氟化铝按质量比1:3:1混合而成,氯化铵、氟化铝卤化物类矿化剂,可使SiO2在烧结、煅烧时加速晶型转变形成稳定相磷石英,有利于已经熔在表面的氧化钠渗入SiO2内部形成更紧密的结合,以及后期的回收再利用。从而既有利于矿化剂与二氧化硅砂子协同去除氧化钠,又同时促进氧化铝原料、SiO2的相转变。得到产物中氧化钠含量≤0.05%。
上述方案中,所述二氧化硅砂子为河砂或者石英矿砂,其中二氧化硅质量含量≥90%,颗粒度3-5mm。二氧化硅砂子中二氧化硅含量越高,杂质越少,避免对后续α氧化铝的转相产生不利影响。
上述方案中,所述高温窑炉设备可以是隧道窑、梭式窑、倒焰窑或回转窑。
本发明优选的技术方法为:
a.将二氧化硅砂子、矿化剂加入氧化钠质量含量≤0.50%的γ氧化铝细粉中,在800-900℃的高温窑炉中预处理3-4h,其中二氧化硅砂子、矿化剂、γ氧化铝细粉的质量比为5-12:0.3-0.75:100,所述矿化剂为硼酸、氯化铵、氟化铝按质量比1:3:1混合而成;
b.将高温窑炉中热处理温度提高到1300℃-1450℃后保温5-8h,得到氧化钠质量含量≤0.20%的α相氧化铝。通过几种物质剂量的精确配合,使氧化钠杂质高效反应且氧化铝原料的晶型转化率高,得到产物中氧化钠含量0.03-0.05%、α相氧化铝转化率96-96.5%。
本发明更好的的技术方案为:
a.将二氧化硅砂子、矿化剂加入氧化钠质量含量≤0.50%的γ氧化铝细粉中,在900℃的隧道窑中预处理3h,其中二氧化硅砂子、矿化剂、γ氧化铝细粉的质量比为7:0.5:100,所述矿化剂为硼酸、氯化铵、氟化铝按质量比1:3:1混合而成;
b.将隧道窑中热处理温度提高到1350℃后保温8h,得到氧化钠质量含量≤0.20%的α相氧化铝。通过几种物质剂量最佳配合,使氧化钠杂质高效反应且氧化铝原料的晶型转化率高,得到产物中氧化钠含量0.03%、α相氧化铝转化率96.5%。
本发明的有益效果为:
(1)本发明可以在700-1000℃范围内显著去除氧化铝中的杂质氧化钠成分,低至0.2%以下。
(2)本发明在煅烧保温阶段(1200℃-1500℃),可以实现高达96%的α相转化率。
(3)本发明生产的α氧化铝微粉具有晶粒稳定可控的优点,可以实现不同的晶粒尺度控制,改善耐火材料产品的施工性能、烧结性能和质量稳定性。
(4)本发明具有工艺稳定性高,保证了生产操作便利,从而保证了产品的高质量水平,低制造成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中,所用二氧化硅砂子为河砂或者石英矿砂,其中二氧化硅质量含量≥90%,颗粒度3-5mm。γ氧化铝细粉为氧化钠质量含量≤0.50%的市售产品。
实施例1
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸=100:3:0.2均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为700℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到95.5%,氧化钠含量0.20%,原晶粒度为0.6微米。
实施例2
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸=100:5:0.1均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为700℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到95.5%,氧化钠含量0.18%,原晶粒度为0.6微米。
实施例3
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸=100:7:0.1均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为700℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到95%,氧化钠含量0.15%,原晶粒度为0.6微米。
实施例4
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸=100:10:0.1均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为700℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到95%,氧化钠含量0.10%,原晶粒度为0.6微米。
实施例5
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸=100:15:0.1均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为850℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到96%,氧化钠含量0.05%,原晶粒度为0.6微米。
实施例6
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氟化铝=100:7:0.2均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为1000℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到93%,氧化钠含量0.15%,原晶粒度为0.4微米。
实施例7
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氟化铝=100:10:0.2均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为1000℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到94%,氧化钠含量0.12%,原晶粒度为0.4微米。
实施例8
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氟化铝=100:15:0.2均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为1000℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到94.5%,氧化钠含量0.08%,原晶粒度为0.4微米。
实施例9
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氯化铵=100:7:0.5均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为1000℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到94%,氧化钠含量0.12%,原晶粒度为0.5微米。
实施例10
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氯化铵=100:10:0.5均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为1000℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到93.5%,氧化钠含量0.10%,原晶粒度为0.4微米。
实施例11
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸:氟化铝=100:7:0.1:0.15:均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为800℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到94.5%,氧化钠含量0.10%,原晶粒度为0.7微米。
实施例12
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氯化铵:氟化铝=100:7:0.5:0.15:均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为850℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到94.5%,氧化钠含量0.07%,原晶粒度为0.5微米。
实施例13
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氯化铵:硼酸=100:7:0.5:0.10均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为850℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到94.5%,氧化钠含量0.05%,原晶粒度为0.7微米。
实施例14
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸:氯化铵:氟化铝=100:7:0.1:0.5:0.15:均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为900℃)停留3小时,在1350℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到95.5%,氧化钠含量0.03%,原晶粒度为0.5微米。
实施例15
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸=100:10:0.1均匀混合后,于回转窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为1000℃)停留3小时,在1450℃条件下保温370分钟(6.2h),自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到94.5%,氧化钠含量0.13%,原晶粒度为0.3微米。
实施例16
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氟化铝=100:10:0.2均匀混合后,于回转窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为1000℃)停留3小时,在1450℃条件下保温370分钟(6.2h),自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到94%,氧化钠含量0.15%,原晶粒度为0.4微米。
实施例17
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸:氯化铵=100:7:0.1:0.5均匀混合后,于回转窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为850℃)停留3小时,在1450℃条件下保温370分钟(6.2h),自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到95.5%,氧化钠含量0.10%,原晶粒度为0.3微米。
实施例18
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸:氟化铝=100:15:0.1:0.2均匀混合后,于回转窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为900℃)停留3小时,在1450℃条件下保温370分钟(6.2h),自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到95%,氧化钠含量0.05%,原晶粒度为0.4微米。
实施例19
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氟化铝=100:4:0.1,均匀混合后,于梭式窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为700℃)停留4小时,在1280℃条件下保温3小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到93.0%,氧化钠含量0.18%,原晶粒度为0.5微米。
实施例20
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氯化铵=100:5:0.1,均匀混合后,于梭式窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为7500℃)停留4小时,在1250℃条件下保温4小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到94.1%,氧化钠含量0.20%,原晶粒度为0.5微米。
实施例21
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氯化铵:氟化铝=100:6:0.1:0.1,均匀混合后,于梭式窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为720℃)停留4小时,在1200℃条件下保温1小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到93.7%,氧化钠含量0.18%,原晶粒度为0.7微米。
实施例22
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:矿化剂=100:10:0.3均匀混合后(其中矿化剂为硼酸:氯化铵:氟化铝按质量比1:3:1混合所得),于倒焰窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为875℃)停留3小时,在1400℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到96%,氧化钠含量0.04%,原晶粒度为0.3微米。
实施例23
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:矿化剂=100:5:0.4均匀混合后(其中矿化剂为硼酸:氯化铵:氟化铝按质量比1:3:1混合所得),于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为850℃)停留3小时,在1300℃条件下保温7小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到96.0%,氧化钠含量0.05%,原晶粒度为0.4微米。
实施例24
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:矿化剂=100:7:0.5均匀混合后(其中矿化剂为硼酸:氯化铵:氟化铝按质量比1:3:1混合所得),于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为900℃)停留3小时,在1350℃条件下保温8小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到96.5%,氧化钠含量0.03%,原晶粒度为0.3微米。
实施例25
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:矿化剂=100:12:0.75均匀混合后(其中矿化剂为硼酸:氯化铵:氟化铝按质量比1:3:1混合所得),于回转窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为850℃)停留4小时,在1350℃条件下保温5小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到96.1%,氧化钠含量0.05%,原晶粒度为0.4微米。
实施例26
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:矿化剂=100:15:0.75均匀混合后(其中矿化剂为硼酸:氯化铵:氟化铝按质量比1:7:2混合所得),于梭式窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为900℃)停留3小时,在1400℃条件下保温6小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到95.4%,氧化钠含量0.08%,原晶粒度为0.3微米。
实施例27
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:硼酸=100:5:1,均匀混合后,于梭式窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为950℃)停留4小时,在1450℃条件下保温9小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到93.5%,氧化钠含量0.18%,原晶粒度为0.6微米。
实施例28
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氟化铝=100:6:1,均匀混合后,于回转窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为1000℃)停留4小时,在1500℃条件下保温10小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到94.1%,氧化钠含量0.15%,原晶粒度为0.6微米。
实施例29
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氯化铵=100:3:1,均匀混合后,于隧道窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为950℃)停留4小时,在1480℃条件下保温9小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到93.0%,氧化钠含量0.10%,原晶粒度为0.8微米。
实施例30
将所用原料质量比按照γ氧化铝原粉:二氧化硅砂子:氯化铵:氟化铝=100:3:0.5:0.5,均匀混合后,于梭式窑中煅烧,在700-1000℃(本实施例为1000℃)停留4小时,在1500℃条件下保温10小时,自然冷却得到α氧化铝原粉,α相达到93.7%,氧化钠含量0.15%,原晶粒度为0.8微米。
由以上实施实例可见,采用本发明工艺,可以将γ氧化铝中的杂质氧化钠含量降低到0.03%-0.2%的水平,保证了转相率在93%以上,原晶粒度在0.3-0.8微米之间可调。很好地满足了α氧化铝的煅烧工艺质量要求,具有显著的效果。