本發(fā)明涉及到冶金工業(yè)中固體廢棄物資源化利用領域，具體的說是一種熔煉鋁灰制備棕剛玉的方法。
背景技術：
棕剛玉是以鋁礬土、焦碳（無煙煤）為主要原料，在電弧爐內經高溫冶煉而成棕褐色人造剛玉，又稱為金剛砂。主要含有95.0%～97.0%的Al2O3，其余為少量的Fe2O3、SiO2、TiO2等。棕剛玉具有純度高，結晶好，流動性強，線膨脹系數低，耐腐蝕的特點，應用領域非常廣泛。隨著棕剛玉生產主要原料高品位鋁礬土資源的枯竭，用于生產棕剛玉的鋁礬土品味越來越低，已成為制約棕剛玉行業(yè)發(fā)展的最主要因素，所以尋找生產棕剛玉用鋁礬土的替代資源成為科研人員急需解決的關鍵問題。
鋁灰是電解鋁、金屬鋁合金鑄造、金屬鋁回收等生產過程中產生的熔渣。主要含有Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3、MgO及單質Al和一些氮化物和氯化物。我國每年生產的鋁灰高達112萬～180萬t。鋁灰作為一種可再生資源主要用于生產硫酸鋁、棕剛玉、合成聚合氯化鋁、合成油墨用氧化鋁以及作為路用材料等技術領域。就目前以公開的相關專利而言，如利用鋁灰生產棕剛玉的方法（200610148219.1）、生產棕剛玉用鋁灰的處理工藝（201310205937.8）、一種用于剛玉生產的鋁灰處理系統(tǒng)（201510123613.9）、使用鋁灰低溫冶煉生產棕剛玉的方法（201310205936.3）等相關專利。主要存在著工藝復雜、生產能耗高、產品理化指標不合格、二次污染等問題。因此開發(fā)一種工藝簡單，能耗低、無二次污染的鋁灰資源化再利用技術處理技術，在解決鋁灰存放造成的環(huán)境污染和土地占用問題的同時，又解決了棕剛玉生產用高鋁礬土資源短缺的問題，具有很高的經濟效益和社會效益。
技術實現要素：
為解決現有利用鋁灰生產棕剛玉時存在的工藝復雜、能耗高、產品理化指標不合格、二次污染等問題，本發(fā)明提供了一種熔煉鋁灰制備棕剛玉的方法，該方法具有工藝簡單、工藝控制條件溫和、設備生產效率高、設備投資小，實現了連續(xù)性生產，實現了鋁灰的無害化處理和資源化利用，解決了用于棕剛玉生產原料的高鋁礬土資源枯竭的問題，降低了棕剛玉的生產成本。
本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種熔煉鋁灰制備棕剛玉的方法，首先對鋁灰依次進行酸化處理和堿化處理，而后固液分離得到的鋁灰依次進行干燥脫水和高溫煅燒，待其冷卻后與鐵屑、焦炭混合進行熔煉，從而得到棕剛玉產品，所述熔煉時，煅燒后的鋁灰、鐵屑和焦炭按照重量比100:3-4:8-13的比例混合，在2300-2700℃條件下熔煉煉2-3h，然后冷卻、破碎、分級即制得棕剛玉產品。
所述堿化處理時，在鋁灰漿中加入鋁灰總重量0.02-0.05%的助劑，該助劑包含EDTA、十二烷基多糖苷、十二烷基二羥乙基甜菜堿、十二烷基苯磺酸鈉、二異丙基萘磺酸鈉、聚丙烯酰胺和N-月桂?；劝彼岫』０分兄辽僖环N物質。
所述助劑為EDTA、十二烷基多糖苷、十二烷基苯磺酸鈉、二異丙基萘磺酸鈉、聚丙烯酰胺、N-月桂?；劝彼岫』０分兄辽僖环N與十二烷基二羥乙基甜菜堿按重量比500-850:1的比例混合得到。
所述助劑中還含有粒徑為3-20nm的活性氧化鋁微粉和活性氧化鋁微粉重量100-500%的丙醛，且活性氧化鋁微粉的量為鋁灰總重量的0.01-0.05%。
所述鋁灰進行酸化處理之前先將鋁灰與水按照重量比為0.5-2:1的比例混合均勻制成鋁灰漿。
所述酸化處理是在鋁灰漿中加入酸，以控制鋁灰漿的pH值為3.5-5，并在溫度為45-90℃的攪拌條件下反應0.5-2.5h。
所述的酸為工業(yè)級鹽酸、硝酸、硫酸的一種或兩種以上的組合物。
所述堿化處理是在經酸化處理后的漿體中加入堿，以控制其pH值為6.5-8，并在溫度為25-40℃的攪拌條件下反應2-4h。
所述堿為工業(yè)級氨水、氫氧化鈉和氫氧化鉀中的一種或兩種以上的組合物。
所述固液分離后得到的濾液用于制備鋁灰漿；固液分離得到的鋁灰依次在120-300℃的溫度下脫水、1150-1300℃的條件下煅燒0.5-2.0h，而后以300-400℃/min的降溫速率急速冷卻處理，之后再與鐵屑、焦炭混合進行2300-2700℃條件下高溫熔煉2-3小時，經冷卻、破碎、分級即可制得棕剛玉產品。
本發(fā)明中，酸化處理和堿化處理選用的反應器為通用型槽式和釜式反應器，煅燒后的鋁灰與鐵屑、焦炭混合熔煉是在三相電弧爐中進行的。鋁灰漿料處理后的固液分離設備為單級或多級電動離心分離機、袋式真空過濾機、盤式真空過濾機。干燥脫水設備為單級或多級滾筒式干燥機、機械攪拌式干燥機、回轉式干燥機、氣流式干燥機、振動式干燥機以及微波干燥設備。高溫煅燒設備為氣體懸浮焙燒爐。
有益效果：本發(fā)明與現有技術相比，具有以下優(yōu)點：
1）本發(fā)明實現了鋁灰的無害化處理和資源化利用，解決了用于棕剛玉生產原料的高鋁礬土資源枯竭的問題，降低了棕剛玉的生產成本；
2）本發(fā)明在鋁灰預處理時采用在堿化過程中添加助劑的技術手段，提高和改善Al(OH)3晶體的有效成分含量和過濾性能；添加EDTA等助劑使其與反應物系中的Fe3+、Mg2+、Ca2+等雜質發(fā)生絡合反應形成水溶性絡合物，降低Al(OH)3晶體中雜質金屬離子的含量；添加表面活性劑，調整Al(OH)3晶體與水溶液之間固-液界面的表面張力，控制Al(OH)3晶體的生長速率，提高和改善物料的粒度分布和顆粒形貌；
3）本發(fā)明采用EDTA、十二烷基多糖苷、十二烷基苯磺酸鈉、二異丙基萘磺酸鈉、聚丙烯酰胺、N-月桂?；劝彼岫』０分兄辽僖环N與十二烷基二羥乙基甜菜堿按重量比500-850:1的比例混合得到助劑，助劑中含有的磺基甜菜堿在加入體系初期的酸性環(huán)境中，能使EDTA和聚丙烯酰胺更好的分散在反應體系中，從而有助于金屬離子的絡合去除；在反應體系后期的堿性環(huán)境中，磺基甜菜堿能和其他表面活性劑更好的調整Al(OH)3晶體與水溶液之間固-液界面的表面張力，從而控制Al(OH)3晶體的生長速率，提高和改善Al(OH)3晶體的粒度和顆粒形貌，從而提高Al(OH)3晶體的過濾性能，降低其含水率和干燥能耗；
4）本發(fā)明通過在助劑中額外加入丙醛和活性氧化鋁微粉，能夠進一步改善Al2O3的結晶環(huán)境，大幅度提高Al2O3晶體的粒度和產品過濾性能；
5）本發(fā)明控制酸化和堿化處理的反應溫度及pH值、選用高效率的干燥和焙燒設備，提高了生產效率和設備單位有效容積的生產能力，降低設備投資和生產成本；
6）本發(fā)明對鋁灰的預先處理工藝簡單、工藝控制條件溫和、設備生產效率高、設備投資小，實現了連續(xù)性生產，而且處理后的鋁灰中Al2O3含量高，處理成本低，處理過程中實現了濾液的循環(huán)利用，沒有造成二次污染。
附圖說明
圖1為本發(fā)明具體實施方式中對比試驗的結果。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步的闡述。
實施例1
一種熔煉鋁灰制備棕剛玉的方法，首先將鋁灰與水按照重量比為0.5:1的比例混合均勻制成鋁灰漿，然后對鋁灰漿依次進行酸化處理和堿化處理，而后進行固液分離，固液分離后得到的濾液用于制備鋁灰漿，固液分離得到的鋁灰依次在300℃的溫度下脫水、1150℃的條件下高溫煅燒2.0h，而后以300℃/min的降溫速率急速冷卻，待其完全冷卻后與鐵屑、焦炭混合進行熔煉，從而得到棕剛玉產品，熔煉時，煅燒后的鋁灰、鐵屑和焦炭按照重量比100:3:8的比例混合，在2300℃高溫熔煉2h，然后冷卻即制得棕剛玉產品；
所述酸化處理是在鋁灰漿中加入酸，以控制鋁灰漿的pH值為5，并在溫度為90℃的攪拌條件下反應0.5h，所述堿化處理是在鋁灰漿中加入堿，以控制鋁灰漿的pH值為8，并在溫度為40℃的攪拌條件下反應2h，在堿化處理時，向鋁灰漿中加入鋁灰總重量0.02%的助劑，該助劑為EDTA和十二烷基二羥乙基甜菜堿質量比為500:1的混合助劑。
本實施例中所用的酸為工業(yè)級硫酸，而且酸化處理中，物料持有量占處理容器內有效容積的0.6；
所用的堿為氫氧化鈉，氫氧化鈉加入時以水溶液的形式加入，氫氧化鈉溶液的濃度為40%。
本實施例所得棕剛玉產品中Al2O3含量為94.16%，產品回收率為92.41%。
實施例2
一種熔煉鋁灰制備棕剛玉的方法，首先將鋁灰與水按照重量比為2:1的比例混合均勻制成鋁灰漿，然后對鋁灰漿依次進行酸化處理和堿化處理，而后進行固液分離，固液分離后得到的濾液用于制備鋁灰漿，固液分離得到的鋁灰依次在120℃的溫度下脫水、1300℃的條件下高溫煅燒0.5h，而后以400℃/min的降溫速率急速冷卻，待其完全冷卻后與鐵屑、焦炭混合進行熔煉，從而得到棕剛玉產品，熔煉時，煅燒后的鋁灰、鐵屑和焦炭按照重量比100:4:13的比例混合，在2700℃高溫熔煉3h，然后冷卻即制得棕剛玉產品；
所述酸化處理是在鋁灰漿中加入酸，以控制鋁灰漿的pH值為3.5，并在溫度為45℃的攪拌條件下反應2.5h，所述堿化處理是在鋁灰漿中加入堿，以控制鋁灰漿的pH值為6.5，并在溫度為25℃的攪拌條件下反應4h，在堿化處理時，向鋁灰漿中加入鋁灰總重量0.05%的助劑，該助劑為聚丙烯酰胺、十二烷基苯磺酸鈉和十二烷基二羥乙基甜菜堿質量比為400:300:1的混合助劑。
本實施例中所用的酸為工業(yè)級鹽酸；
所用的堿為氫氧化鉀，氫氧化鉀加入時以水溶液的形式加入，氫氧化鉀溶液的濃度為20%。
本實施例所得棕剛玉產品中Al2O3含量為95.21%，產品回收率為85.9%。
實施例3
一種熔煉鋁灰制備棕剛玉的方法，首先將鋁灰與水按照重量比為1:1的比例混合均勻制成鋁灰漿，然后對鋁灰漿依次進行酸化處理和堿化處理，而后進行固液分離，固液分離后得到的濾液用于制備鋁灰漿，固液分離得到的鋁灰依次在210℃的溫度下脫水、1220℃的條件下高溫煅燒1.5h，而后以350℃/min的降溫速率急速冷卻，待其完全冷卻后與鐵屑、焦炭混合進行熔煉，從而得到棕剛玉產品，熔煉時，煅燒后的鋁灰、鐵屑和焦炭按照重量比100:3.5:10.5的比例混合，在2500℃高溫熔煉2.5h，然后冷卻即制得棕剛玉產品；
所述酸化處理是在鋁灰漿中加入酸，以控制鋁灰漿的pH值為4.2，并在溫度為70℃的攪拌條件下反應1.2h，所述堿化處理是在鋁灰漿中加入堿，以控制鋁灰漿的pH值為7.3，并在溫度為32℃的攪拌條件下反應3h，在堿化處理時，向鋁灰漿中加入鋁灰總重量0.035%的助劑，該助劑為十二烷基多糖苷、二異丙基萘磺酸鈉、N-月桂酰基谷氨酸二丁基酰胺和十二烷基二羥乙基甜菜堿質量比為400:200:200:1的混合助劑。
本實施例中所用的酸為工業(yè)級硝酸；
所用的堿為工業(yè)級氨水。
本實施例所得棕剛玉產品中Al2O3含量為97.47%，產品回收率為90.8%。
實施例4
該實施例與實施例1的工藝完全相同，但是在堿化處理時加入的助劑中還含有粒徑為3-20nm的活性氧化鋁微粉和活性氧化鋁微粉重量100%的丙醛，且活性氧化鋁微粉的量為鋁灰總重量的0.01%。
本實施例所得棕剛玉產品中Al2O3含量為94.64%，產品回收率為92.82%。
實施例5
該實施例與實施例2的工藝完全相同，但是在堿化處理時加入的助劑中還含有粒徑為3-20nm的活性氧化鋁微粉和活性氧化鋁微粉重量500%的丙醛，且活性氧化鋁微粉的量為鋁灰總重量的0.05%。
本實施例所得棕剛玉產品中Al2O3含量為95.24%，產品回收率為86.2%。
實施例6
該實施例與實施例3的工藝完全相同，但是在堿化處理時加入的助劑中還含有粒徑為3-20nm的活性氧化鋁微粉和活性氧化鋁微粉重量300%的丙醛，且活性氧化鋁微粉的量為鋁灰總重量的0.03%。
本實施例所得棕剛玉產品中Al2O3含量為97.48%，產品回收率為91.3%。
對比試驗
為了驗證本發(fā)明的方法對鋁灰處理后品質的提高，特進行如下對比試驗，并對處理后鋁灰中各成分的含量進行測定；
選取三組鋁灰進行對比試驗，其中一組嚴格按照實施例3的工藝條件對鋁灰進行酸化、堿化、脫水和高溫煅燒和熔煉處理，冷卻后得到棕剛玉產品Ⅰ，另一組仍然以實施例3的工藝條件對鋁灰進行酸化、堿化、脫水和高溫煅燒和熔煉處理，但是在堿化處理中并未加入助劑，最后冷卻得到棕剛玉產品Ⅱ，最后一組嚴格按照實施例6的工藝條件對鋁灰進行酸化、堿化、脫水和高溫煅燒和熔煉處理，冷卻后得到棕剛玉產品Ⅲ，對產品Ⅰ、產品Ⅱ和產品Ⅲ進行成分分析，其結果如附圖1所示。
由附圖1的分析結果可知，在堿化處理中加入助劑，能夠有效地提高產品中氧化鋁的含量和回收率，而在助劑中額外加入活性氧化鋁微粉和丙醛，能夠進一步的提高產品中氧化鋁的含量和回收率。