一种含碳氮化钛固溶体的电熔莫来石制备方法
技术领域
本发明涉及一种含碳氮化钛固溶体的电熔莫来石的制备方法，属于耐火材料技术领域。
背景技术
我国已被探明的矾土总储量约21亿吨，约占世界总含量的2.5%，虽然天然耐火材料资源丰富，但我国人均储量较低，矾土人均储量约为世界人均含量的7.3%。与此同时还存在开采量过大和无序开采、优质矾土资源利用率低、大量的中低品位矾土以及碎矿不能被有效利用等问题，造成我国优质高铝矾土资源消耗殆尽的现状，严重制约了我国耐火材料行业的持续发展。我国中低品位矾土储量巨大，约占矾土资源的60%，因此，实现中低品位矾土资源的高效、综合利用是实现耐火行业持续绿色发展的重要途径。
矾土是高岭石、一水铝石和三水铝石的混合物，主要化学成份是Al2O3，除Al2O3外，还含有一定量的SiO2、K2O、Na2O、CaO、MgO、TiO2、Fe2O3，相比于高铝矾土，中低品位矾土的Al2O3含量较低，TiO2含量较高。将破碎后的中低品位矾土在电弧炉中加热至2000℃，矾土中K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3还原成金属除去，最终形成电熔莫来石，而TiO2会反应生成碳氮化钛固溶体固溶在莫来石中。
莫来石是一种性能优良的陶瓷材料，具有高熔点、高抗蠕变、高温机械稳定性以及优异的抗热冲击和化学腐蚀性等特性，但是由于其韧性和强度较低限制了其应用，近些年来，人们开始研究将莫来石与一些非氧化物材料结合起来的复合材料。
碳氮化钛固溶体是一种性能优良的非氧化物陶瓷材料，具有高熔点、高硬度、耐腐蚀和优异的抗氧化性等特性，在一些研究中表明，碳氮化钛固溶体的存在能显著增强莫来石陶瓷材料的强度和硬度，并且有利于莫来石的致密化。同时碳氮化钛在窑炉中能很好的抵抗渣和钢水的侵蚀，具有很好的护炉效果，但是碳氮化钛的成本太高，因此限制了其在耐火材料中的使用。
因此，面对我国高铝矾土资源消耗殆尽的现状以及实现低成本制备碳氮化钛从而大规模推广使用在耐火材料中，实现中低品位矾土的合理开发和利用是耐火行业持续、绿色、高效发展的重要途径。
发明内容
本发明的目的是针对我国优质矾土资源消耗殆尽的现状，提出利用中低品位矾土为原料通过电熔法制备莫来石原料，即利用中低品位矾土制备含碳氮化钛固溶体的电熔莫来石原料的方法，原料价格低廉，大大降低成本，工艺简单，易于实施。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明采用中低品位矾土经过破碎、细磨，进行电熔法制备，中低品位矾土中氧化铝含量为45%~60%，二氧化钛的含量通常＜8%，在电熔过程中形成碳氮化钛固溶体固溶在莫来石中，得到莫来石耐火原料。
所述电熔过程是经混炼、成型后，在800~1200℃烧成，再在电弧炉中加热至1900~2200℃，电弧炉电压控制在80~140V，电流为12000~15000A，加热至熔融后流槽放出自然冷却。
所述破碎、细磨是将中低品位矾土进行破碎成为碎矿或者块矿，经细磨后粒度在25~35mm。
所述莫来石耐火材料的主要化学成份为Al2O355~80wt.%，SiO245~19wt.%，碳氮化钛＜8.0wt.%，其它杂质总含量小于3.0wt.%。
本发明充分利用中低品位矾土中的各项组成，通过电熔法将矾土中的二氧化钛转变成一种性能优异的非氧化物增强相碳氮化钛固溶体，同时制得具有针状结构、发育良好的电熔莫来石。
本发明的积极效果
1、本发明充分利用矾土中的钛氧化物制备了含碳氮化钛固溶体的莫来石耐火材料，无需另外加入钛源，降低了成本；
2、本发明使用中低品位矾土制备莫来石，原料价格低廉，且实现了资源的综合利用；
3、本发明制备的电熔莫来石是其固有的针状柱体结晶，易破碎，在后续莫来石制品中易形成最大紧密堆积，使制品组织结构致密化。
附图说明
图1是实施例1的电熔莫来石针状晶体图。
图2是实施例2的电熔莫来石XRD图。
图3是实施例3的电熔莫来石中碳氮化钛固溶体的存在形貌。
图4是实施例4的电熔莫来石中碳氮化钛固溶体的存在形貌。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
实施例1
本发明的原料为中低品位矾土，其中氧化铝含量为45%~60%，二氧化钛含量为6%左右，破碎为碎矿或者块矿，经磨细后粒度在30mm左右。经混炼、成型后，在1000℃烧成，再在电弧炉中加热至1900℃，电弧炉电压控制在80~140V，电流为12000~15000A，加热至熔融后流槽放出自然冷却。
冷却后破碎即可得到含碳氮化钛固溶体的电熔莫来石原料，原料主要化学成分为Al2O372.95%，SiO219.66%，碳氮化钛5.79%，其他杂质总含量1.6%。由图1可知，电熔莫来石呈针状晶体结构。
实施例2
本发明的原料为中低品位矾土，其中氧化铝含量为45%~60%，二氧化钛含量为6%左右，破碎为碎矿或者块矿，经磨细后粒度在30mm左右。经混炼、成型后，在1000℃烧成，再在电弧炉中加热至2000℃，电弧炉电压控制在80~140V，电流为12000~15000A，加热至熔融后流槽放出自然冷却。
冷却后破碎即可得到含碳氮化钛固溶体的电熔莫来石原料。原料主要化学成分为Al2O374.35%，SiO219.12%，碳氮化钛5.29%，其他杂质总含量1.24%。由图2可知，在最终产物中有氮碳化钛固溶体的生成。
实施例3
本发明的原料为中低品位矾土，其中氧化铝含量为45%~60%，二氧化钛含量为6%左右，破碎为碎矿或者块矿，经磨细后粒度在30mm左右。经混炼、成型后，在1000℃烧成，再在电弧炉中加热至2100℃，电弧炉电压控制在80~140V，电流为12000~15000A，加热至熔融后流槽放出自然冷却。
冷却后破碎即可得到含碳氮化钛固溶体的电熔莫来石原料。原料主要化学成分为Al2O373.38%，SiO219.16%，碳氮化钛5.99%，其他杂质总含量1.47%。由图3可知，碳氮化钛固溶在电熔莫来石原料中。
实施例4
本发明的原料为中低品位矾土，其中氧化铝含量为45%~60%，二氧化钛含量为6%左右，破碎为碎矿或者块矿，经磨细后粒度在30mm左右。经混炼、成型后，在1000℃烧成，再在电弧炉中加热至2200℃，电弧炉电压控制在80~140V，电流为12000~15000A，加热至熔融后流槽放出自然冷却。
冷却后破碎即可得到含碳氮化钛固溶体的电熔莫来石原料。原料主要化学成分为Al2O372.13%，SiO219.43%，碳氮化钛6.24%，其他杂质总含量2.2%。由图4可知，碳氮化钛固溶体在电熔莫来石中为粒状。
