本发明专利技术涉及一种由煤矸石制备Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］／ＳｉＣ复相粉体的方法，该方法以煤矸石和碳质材料为原料，经混配、球磨、碳热还原反应和去除残炭等工艺制备出Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］／ＳｉＣ复相粉体，其中α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］和β－ＳｉＣ晶相的质量百分含量分别为２３％～６５％、３２％～７０％。本发明专利技术解决了现有技术生产效率低、难以大规模工业化生产以及目前煤矸石开发和利用过程中所面临的产品技术含量及附加值低、经济效益和环境效益差的缺点，为煤矸石这种固体废弃物的高附加值利用提供了一种新的途径。本发明专利技术所制备的复相粉体可广泛应用于高技术陶瓷和耐火材料领域。
Method for preparing Al2O3/SiC composite powder from coal gangue and product thereof
The present invention relates to a preparation of coal gangue Al: 2 O: 3 / SiC composite powder method, the method of using coal gangue and carbonaceous material as raw material, through mixing, milling, carbothermal reduction and removal of residual carbon was prepared by the process of Al: 2 O: 3 / SiC composite powder, the alpha Al: 2 O: 3 and beta SiC phase percentage quality were 23% ~ 65%, 32% ~ 70%. The invention solves the problems facing the existing technology of low production efficiency, not suitable for large-scale industrialized production and the development and utilization of coal gangue in the process of technical content and low added value, economic benefit and environmental benefit is poor, provides a new way for the utilization of coal gangue in the solid waste with high added value. The composite powder prepared by the invention can be widely applied in the field of high - tech ceramics and refractory materials.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无机非金属材料
，具体涉及一种以煤矸石为主要原料，通过碳热还原工艺制备Al2O3/SiC复相粉体的方法，以及用该方法所制得的Al2O3/SiC复相粉体。
技术介绍
中国是目前世界上最大的煤矸石排放国之一，据2002年统计，中国较大的煤矸石山有1500多座，历年排放的煤矸石积存量已达34亿吨以上，而且每年仍以1.7亿吨的排放速度增长。煤矸石是典型的固、液、气三害具存的污染源。大量煤矸石不仅占用大量耕地，而且增加煤矿企业购地、运输的经费支出；矸石山自燃排放大量的有毒气体严重污染大气且容易造成火灾；雨淋时，有害物质随雨水流出或渗入地下，污染农田、江河湖泊及地下水源，给人类的健康带来巨大的危害。中国煤矸石的综合利用率目前已达到43％，但和欧美发达国家90％的利用率相比仍有差距。目前中国煤矸石的利用主要在以下几个方面1)煤矸石发电，虽然国家已经投入了大量的财力物力，但成效甚微，这主要是由于煤矸石的低热值导致其发电成本高于用优质煤发电的成本。另外热值高于6.3MJ·Kg-1的煤矸石仅占煤矸石总量的10％，而用于发电的煤矸石的热值要求在7.5MJ·Kg-1以上，因此即使将能用于发电的煤矸石全部用于发电，其利用率也达不到10％。而且还存在粉煤灰、炉渣(二者总量约为燃烧前煤矸石总量的70％)存放、烟尘和大气污染等“二次环境污染问题”。2)煤矸石制砖，由于制砖前要对煤矸石进行机械破碎加工，从而导致煤矸石制砖的成本较高，经济效益明显低于用粘土制砖。3)提取化工产品。主要是利用煤矸石中的含铝矿物来制备氯化铝、硫酸铝等化工原料。同发电和制砖相比，该工艺虽具有相对较高的经济效益(加工每吨煤矸石可带来约400元的经济效益)，但是该工艺对煤矸石的组成要求较严格，而中国煤矸石的组成千差万别且铝含量高的煤矸石只占煤矸石总量的一小部分，而且此类工艺方法相对复杂，消耗的煤矸石数量有限，还会产生大量的废液、残渣及有害气体，带来的“二次环境污染”甚至超过煤矸石利用带来的正面作用。4)制备水泥，据报道每吨煤矸石可产生约40元的经济效益，具有明显的环境效益。5)道路路基材料，据报道每吨煤矸石可带来约15元的经济效益，但是从长期来看，煤矸石中的重金属及硫化物等成分经雨雪的淋洗及地下水的浸泡等多种方式渗出，对道路周边的地下水源、农田等将造成长期而直接的污染。综上所述，目前中国煤矸石的综合利用面临的突出问题是技术含量低、产品附加值低，经济效益和环境效益差。这些缺点直接导致煤矸石的大规模工业化利用难以推进。因此，提高煤矸石利用的技术含量，开发高附加值产品，开辟新的大规模工业化利用的途径是目前中国煤矸石利用急需解决的关键问题。申请号为95192947的专利披露了一种制造氧化铝-SiC复合陶瓷粉料的方法，该方法是向装有一种铝硅酸盐的反应器中通入可热解碳源，使可热解碳源在原位热解形成碳粒，碳粒再和铝硅酸盐中的一种硅酸盐反应形成复合粉。由于该方法的碳源是由可裂解气体引入的，故该方法的生产效率低、成本较高、难以大规模工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种以煤矸石和碳质材料为原料，利用煤矸石和碳质材料在高温下的碳热还原反应来制备Al2O3/SiC复相粉体的方法，以克服现有技术生产效率低、难以大规模工业化生产的不足。同时提供用上述方法制得的Al2O3/SiC复相粉体，以解决目前煤矸石利用过程中存在的利用率低、经济效益和环境效益差的问题。本专利技术的技术方案包括以下步骤将煤矸石和碳质材料破碎为粒度小于250目的粉料，其中煤矸石的主要化学组份(质量百分含量)为SiO230～65％，Al2O315～40％，Fe2O30.3～10％，CaO 1～4％，MgO 0.1～2％，TiO20.5～4％，Na2O+K2O 1～3％，烧失量10～30％，碳质材料为煤矸石为煤、石油焦、石墨、碳黑或沥青；取煤矸石和上述碳质材料的一种或几种配制混合原料，以煤矸石中的SiO2与碳质材料中的C元素质量之比进行配料计算，配制的混合料中SiO2与C的质量之比为0.83～1.67∶1，将混料装入球磨罐中，以水为介质共磨10～40小时，干燥后得混合粉；将上述混合粉在10～200MPa的压力下机压成块体并装入以硅钼棒为发热体的实验电炉或工业窑炉中进行碳热还原反应，升温前先将炉膛抽真空，然后通入纯度不低于99.9％的氩气，保持炉膛内气氛压力在0.01～0.2MPa，将炉温升至1400～1580℃，保温2～20小时，保温结束后随炉冷却至室温；将碳热还原反应后的块体粉碎，并在500～750℃空气气氛中加热处理1～4小时，除去粉料中残留的C，即得到Al2O3/SiC复相粉体。采用上述方法制得的产物即为Al2O3/SiC复相粉体，主要由α-Al2O3和β-SiC晶相所构成，其中β-SiC和α-Al2O3的质量百分含量范围分别为32％～70％、23％～65％；其余为少量的杂质相，如Fe、少量莫来石相及少量玻璃相。本专利技术以工业固体废弃物煤矸石和廉价的工业碳质材料为原料，利用煤矸石原料中的SiO2和Al2O3组分与碳质材料中的C发生碳热还原反应的温度区间不同的特点，通过合理控制工艺参数，使煤矸石中的SiO2发生碳热还原反应生成SiC，而Al2O3组分不发生反应，从而得到Al2O3/SiC复相粉体。由于SiO2和Al2O3组分在煤矸石中高度分散的特点，从而导致所制备的复相粉体中各相之间具有高度均匀的分散性。鉴于碳热还原反应制备粉体的特点，本专利技术制备的复相粉体具有粒度细、活性高、可烧结性好、各相之间高度均匀分散的特性，可广泛应用于精细陶瓷、耐火材料领域。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点1、工艺简单，整个工艺过程不需要复杂昂贵的设备，适宜于大规模工业化生产。2、同目前煤矸石的各种利用途径相比，本专利技术具有更为显著的经济效益和环境效益。为煤矸石的综合利用开辟了新的途径。从经济效益的角度来看，Al2O3/SiC复合粉体的生产成本低廉，一般不高于1500元/吨，而目前商业Al2O3及SiC粉体的平均价格皆在3000元/吨以上。由于目前Al2O3及SiC在陶瓷和耐火材料领域中广泛应用且多以复合方式使用，该Al2O3/SiC复合粉体可完全取代目前陶瓷和耐火材料领域中大规模应用的高成本Al2O3及SiC粉体。因此，利用本专利技术生产Al2O3/SiC复合粉体可以获得较高的经济利益。仅以钢铁工业中的高炉铁沟用耐火材料(铁沟料)为例来说明本专利技术所制备的复合粉体所能带来的经济效益据国家统计局数据显示，2005年中国生铁产量将突破3亿吨，中国铁沟料的平均消耗水平约为1Kg/吨铁，则消耗约30万吨铁沟料，中国铁沟料中约含10％的Al2O3和10％SiC粉。则年消耗Al2O3和SiC粉约6万吨，若以本专利技术制备的复合粉代替目前使用的高成本Al2O3和SiC粉，毛利润按1500元/吨计，则每年可产生约9000万元的利润。从环境效益来看，本专利技术最大程度地实现了煤矸石的综合利用，具有更为显著的环境效益。煤矸石发电仅利用了煤矸石中5～10％的C及其它少量的可燃物质，而煤矸石中的主体成分仍以粉煤灰、炉渣等固体废弃物形式排放；煤矸石提取化工产品，实际上仅利用了其中的Al2O3成分，大部分的SiO2和C未能得以利用。而本专利技术则使煤矸石中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种由煤矸石制备Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］／ＳｉＣ复相粉体的方法，其特征在于包括以下步骤：ａ．将煤矸石和碳质材料破碎为粒度小于２５０目的粉料，按照煤矸石中ＳｉＯ↓［２］与碳质材料中Ｃ元素质量之比为０．８３～１．６７∶１的比例进行混配， ｂ．将上述配料装入球磨罐中，以水为介质共磨１０～４０小时，干燥后压成块体，装入反应炉中，ｃ．炉膛抽真空，通入氩气，保持炉膛内气氛压力为０．０１～０．２ＭＰａ，将炉温升至１４００～１５８０℃进行碳热还原反应，保温２～２０小时，冷 却至室温，ｄ．将碳热还原反应后的块体粉碎，并在５００～７５０℃空气气氛中加热处理１～４小时，除去粉料中残留的Ｃ，即得产物。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张厚兴，叶方保，贾全利，李志刚，栗娅敏，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]
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