一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥及其制备方法

摘要

本发明涉及一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥及其制备方法。其技术方案是：先将15~85wt%的天然白云石和15~85wt%的工业氧化铝球磨0.5~3h，机压成块体；再将所述的块体置入高温烧结炉中，以1~25℃/min的升温速率升温至1000~1600℃，保温0.1~5h，随炉冷却，振动破碎，制得含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。所述天然白云石的粒径为5~50μm，CaO含量为20~40wt%，MgO含量为20~40wt%。所述工业氧化铝的粒径为5~44μm；所述工业氧化铝的纯度大于95.0wt%。本发明具有工艺简单、成本低、粒径可控和适用于工业化生产的特点；所制备的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的粒径仅为50~500nm。

权利要求

1.一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的制备方法，其特征在于所述制备方法是：先将15～30wt％的天然白云石和70～85wt％的工业氧化铝球磨0.5～3h，机压成块体；再将所述的块体置入高温烧结炉中，以1～5℃/min的升温速率升温至1000～1200℃，保温3～5h，随炉冷却，振动破碎，制得含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥；

所述天然白云石的粒径为5～50μm；所述天然白云石中的CaO含量为20～40wt％，MgO含量为20～40wt％；

所述工业氧化铝的粒径为5～44μm；所述工业氧化铝的纯度大于95.0wt％。

2.一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的制备方法，其特征在于所述制备方法是：先将25～40wt％的天然白云石和60～75wt％的工业氧化铝球磨0.5～3h，机压成块体；再将所述的块体置入高温烧结炉中，以5～10℃/min的升温速率升温至1100～1300℃，保温2～3h，随炉冷却，振动破碎，制得含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥；

所述天然白云石的粒径为5～50μm；所述天然白云石中的CaO含量为20～40wt％，MgO含量为20～40wt％；

所述工业氧化铝的粒径为5～44μm；所述工业氧化铝的纯度大于95.0wt％。

3.一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥，其特征在于所述含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥是根据权利要求1～2项中任一项所述含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的制备方法所制备的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。

说明书

一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于铝酸盐水泥技术领域。具体涉及一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥及其制备方法。

背景技术

[0002] 铝酸盐水泥是一种以铝酸钙为主要矿物相的水硬性水泥，其主要化学成分是CaO和Al2O3。由于铝酸盐水泥硬化时间短，早期强度高，且低温下凝结较快，被称为“一日混凝土”，广泛应用于军事工程、桥梁、道路、机场跑道等紧急施工和抢修工程；同时由于铝酸盐水泥具有优良的耐高温、抗弱酸和碱侵蚀的能力，铝酸盐水泥在耐火浇注料、耐火混凝土等领域获得了广泛的应用。

[0003] 在传统铝酸盐水泥中的CaO会与钢渣中的SiO2、FeO/Fe2O3和MnO等反应形成低熔相，导致耐火材料的抗渣性能和高温使用性能的降低。研究结果表明，在制备铝酸盐水泥过程中，将CaO用一定量的MgO替代时，在铝酸盐水泥中能生成一定量的镁铝尖晶石，以提高铝酸盐水泥的使用温度和服役寿命。

[0004] 由于在制备铝酸盐水泥的过程中原位合成镁铝尖晶石可以实现镁铝尖晶石在铝酸盐水泥中均匀分布，同时其制备成本也较低，因此，在制备铝酸盐水泥过程中原位合成镁铝尖晶石这种方法受到关注。如Khalil等［M. A. Khalil, A. S. El-Hemaly, L. G. Girgis. Aluminous cements containing magnesium aluminate spinel from Egyptian dolomite. Ceramics International, 2001, 27: 865-873］采用印度白云石和活性氧化铝原位合成了含镁铝尖晶石的铝酸盐水泥，并发现采用含镁铝尖晶石的铝酸水泥的浇注料具有更高的强度和耐火度；肖国庆等［段锋，肖国庆，荆桂花，张君博，高云琴. 含镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的制备与应用. 耐火材料，2007，4：41-44］以白云石和工业氧化铝合成了含镁铝尖晶石的铝酸盐水泥，其中镁铝尖晶石的粒径在10μm以上。随着铝酸盐水泥结合刚玉浇注料的低水泥化发展，为了在降低铝酸盐水泥用量的同时保持浇注料高温性能和抗渣性能，应将镁铝尖晶石的粒度控制在纳米级，这样其体积含量将有效提高，并能获得更良好的综合性能。目前制备纳米镁铝尖晶石的主要方法是采用镁盐和铝盐进行化学分解，如Li等[J. Li, L. Tong, W. Zhou. Phase Composition, Microstructure and Mechanical Properties of Aluminous Cements Containing Magnesium Aluminate Spinel. Key Engineering Materials. 2011, 492: 467-471]和Orosco等［P. Orosco, L. Barbosa, M. Ruiz, Synthesis of magnesium aluminate spinel by periclase and alumina chlorination. Materials Research Bulletin. 2014, 59: 337-340］采用镁盐和铝盐两种金属盐为先驱体，通过化学分解获得了粒径在20~100nm的镁铝尖晶石。“一种镁铝尖晶石化合物的制备方法”（CN103204528A）专利技术，采用含铝的化合物和含镁的化合物在酸溶液中进行混合后，通过过滤，洗涤、干燥、焙烧等获得镁铝尖晶石化合物，此工艺操作过程复杂，难以实现镁铝尖晶石的工业应用；“一种含镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的制备方法”（CN101891408A）专利技术，采用轻烧白云石和氧化铝为原料，在1550~1600℃温度下保温4~6h制备了含镁铝尖晶石的铝酸钙水泥，但工艺操作过程繁琐，生成的水泥中的镁铝尖晶石粒径在微米级，且不能进行有效控制；“一种含镁铝尖晶石的铝酸盐水泥及其制备方法”（ZL201310059691.8）专利技术，以工业氧化铝、重质碳酸钙和轻烧镁砂为原料，在1200~
1550℃时保温120~240min制备了含镁铝尖晶石的铝酸盐水泥，此工艺获得的镁铝尖晶石粒径在0.2~5μm，晶粒尺寸较大。

发明内容

[0005] 本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种工艺简单的制备含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的方法，用该方法所制备的纳米镁铝尖晶石粒径可控和适合用于工业化生产。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：先将15~85wt%的天然白云石和15~85wt%的工业氧化铝球磨0.5~3h，机压成块体；再将所述的块体置入高温烧结炉中，以1~25℃/min的升温速率升温至1000~1600℃，保温0.1~5h，随炉冷却，振动破碎，制得含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。

[0007] 所述天然白云石的粒径为5~50μm；所述天然白云石中的CaO含量为20~40wt%，MgO含量为20~40wt%。

[0008] 所述工业氧化铝的粒径为5~44μm；所述工业氧化铝的纯度大于95.0wt%。

[0009] 由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下积极效果：

[0010] 本发明利用高温固相反应机理，在空气气氛中，按照给定的天然白云石和工业氧化铝的质量百分含量进行配料，经过球磨、烧结和破碎工艺，即可得到含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。该制备工艺简单、烧结温度低，获得的镁铝尖晶石粒径可控。由于天然白云石资源丰富，成本较低，采用该制备方法制备含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的成本较低，适合于工业化生产。

[0011] 本发明制备的铝酸盐水泥中镁铝尖晶石为纳米级，有利于进一步提高铝酸盐水泥结合刚玉质耐火材料中的使用温度和耐火材料的抗侵蚀性能及抗热震性，延长刚玉质耐火材料的使用寿命。

[0012] 本发明采用天然白云石和工业氧化铝为原料，通过控制合成工艺制度，即以1~25℃/min的升温速率升温至1000~1600℃，保温0.1~5h，制得粒径为50~500nm的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。

[0013] 本发明制备的镁铝尖晶石的粒径与现有技术制备的镁铝尖晶石的粒径相比更小，仅为50~500nm，且采用工业容易实现的原料和合成方式，故具有工艺简单、成本低和适用于工业化生产的特点。

附图说明

[0014] 图1为本发明制备的一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的物相分析图；

[0015] 图2为图1所示含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的显微结构图片；

[0016] 图3为本发明制备的另一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的显微结构图片。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制：

[0018] 为避免重复，先将本具体实施方式的所涉及的技术参数统一描述如下，以下各实施例中不再赘述：

[0019] 所述天然白云石的粒径为5~50μm；所述天然白云石中的CaO含量为20~40wt%，MgO含量为20~40wt%。

[0020] 所述工业氧化铝的粒径为5~44μm；所述工业氧化铝的纯度大于95.0wt%。

[0021] 实施例1

[0022] 一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥及其制备方法。本实施例所述制备方法是：先将15~30wt%的天然白云石和70~85wt%的工业氧化铝球磨0.5~3h，机压成块体；再将所述的块体置入高温烧结炉中，以1~5℃/min的升温速率升温至1000~1200℃，保温3~5h，随炉冷却，振动破碎，制得含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。

[0023] 本实施例所制备的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的主相为镁铝尖晶石和一铝酸钙镁铝尖晶石，粒径为50nm~100nm。

[0024] 实施例2

[0025] 一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥及其制备方法。本实施例所述制备方法是：先将25~40wt%的天然白云石和60~75wt%的工业氧化铝球磨0.5~3h，机压成块体；再将所述的块体置入高温烧结炉中，以5~10℃/min的升温速率升温至1100~1300℃，保温2~3h，随炉冷却，振动破碎，制得含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。

[0026] 本实施例所制备的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的主相为镁铝尖晶石和一铝酸钙镁铝尖晶石的粒径为80nm~150nm。

[0027] 实施例3

[0028] 一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥及其制备方法。本实施例所述制备方法是：先将40~55wt%的天然白云石和45~60wt%的工业氧化铝球磨0.5~3h，机压成块体；再将所述的块体置入高温烧结炉中，以10~15℃/min的升温速率升温至1200~1400℃，保温1~2h，随炉冷却，振动破碎，制得含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。

[0029] 本实施例所制备的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的主相为镁铝尖晶石和一铝酸钙镁铝尖晶石的粒径为100nm~300nm。

[0030] 实施例4

[0031] 一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥及其制备方法。本实施例所述制备方法是：先将55~70wt%的天然白云石和30~45wt%的工业氧化铝球磨0.5~3h，机压成块体；再将所述的块体置入高温烧结炉中，以15~20℃/min的升温速率升温至1300~1500℃，保温0.1~5h，随炉冷却，振动破碎，制得含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。

[0032] 本实施例所制备的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的主相为镁铝尖晶石和一铝酸钙镁铝尖晶石的粒径为200nm~400nm。

[0033] 实施例5

[0034] 一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥及其制备方法。本实施例所述制备方法是：先将70~85wt%的天然白云石和15~30wt%的工业氧化铝球磨0.5~3h，机压成块体；再将所述的块体置入高温烧结炉中，以20~25℃/min的升温速率升温至1400~1600℃，保温0.1~0.5h，随炉冷却，振动破碎，制得含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。

[0035] 本实施例所制备的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的主相为镁铝尖晶石和一铝酸钙镁铝尖晶石的粒径为350nm~500nm。

[0036] 本发明与现有技术相比具有以下积极效果：

[0037] 本发明利用高温固相反应机理，在空气气氛中，按照给定的天然白云石和工业氧化铝的质量百分含量进行配料，经过球磨、烧结和破碎工艺，即可得到含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。该制备工艺简单、烧结温度低，获得的镁铝尖晶石粒径可控。由于天然白云石资源丰富，成本较低，采用该制备方法制备含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的成本较低，适用于工业化生产。

[0038] 本发明制备的铝酸盐水泥中镁铝尖晶石为纳米级，有利于进一步提高铝酸盐水泥结合刚玉质耐火材料中的使用温度和耐火材料的抗侵蚀性能及抗热震性，延长刚玉质耐火材料的使用寿命。

[0039] 本发明采用天然白云石和工业氧化铝为原料，通过控制合成工艺制度，即以1~25℃/min的升温速率升温至1000~1600℃，保温0.1~5h，制得粒径为50~500nm的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥。其物相图和微观结构图如附图所示：图1为本发明所制备的一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的物相分析图；图2为图1所示的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的显微结构图片；图3为本发明制备另一种含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥的显微结构图片。从图1~图3可以看出：制备的含纳米镁铝尖晶石的铝酸盐水泥中以镁铝尖晶石和铝酸钙为主相，镁铝尖晶石的粒径在50~500nm。

[0040] 本发明制备的镁铝尖晶石的粒径与现有技术制备的镁铝尖晶石的粒径相比更小，仅为50~500nm，且采用工业容易实现的原料和合成方式，故具有工艺简单、成本低和适用于工业化生产的特点。