一種利用鋁灰直接制備鋁尖晶石耐火材料的方法及其制備的材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于固體廢物資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種工業(yè)鋁灰直接制備鋁尖晶石耐火材料的方法及其制備的材料。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁灰是電解鋁工業(yè)、鋁鑄造工業(yè)和鋁再生工業(yè)等工藝過程中產(chǎn)生的熔渣經(jīng)冷卻后的含鋁固體廢物。剛出爐的鋁渣通常含有50?70%金屬鋁，經(jīng)過常規(guī)的回收處理后，剩余的廢鋁灰中仍含有15?30%的金屬鋁，因品位較低，一般被廢棄。由于鋁灰中還含有10?25% A1203和5?20% A1N，同時含有一定量堿金屬和少量重金屬化合物，堆積在廠區(qū)或填埋，不僅造成資源浪費，同時也帶來環(huán)境污染。如能實現(xiàn)鋁灰中有價金屬的高效回收和鋁灰資源的循環(huán)使用，將會有效減輕其對生態(tài)環(huán)境造成的影響。
[0003]目前國內(nèi)外鋁灰的處理方式除直接填埋外，鋁灰固體廢物循環(huán)利用主要有以下幾種途徑:
[0004](1)合成聚合氯化鋁(一種凈水劑的制造方法，CN1089240A ;一種污水絮凝劑的生產(chǎn)方法，CN1009279B)。聚合氯化鋁具有凈化效率高、用藥量少、易過濾、生產(chǎn)工藝簡單等特點，是一種優(yōu)良的絮凝劑，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水和生活廢水的處理。但以鋁灰生產(chǎn)聚合氯化鋁同時將產(chǎn)生大量有害化工廢液，存在二次污染問題。
[0005](2)煉鋼保護渣(純凈鋼用中間包覆蓋劑及其制造方法，CN02111900.7 ;鋼鐵冶煉用脫硫劑，CN1223302A)。日本首先根據(jù)不同鋁灰品位將其分類，并用于200t電爐的鋼水氧化噴粉提溫和精煉脫氧脫硫。由于鋁灰成份復(fù)雜，國內(nèi)相應(yīng)標準體系還未建立完善，處理較困難，對鋼液易產(chǎn)生污染，無法推廣應(yīng)用。
[0006](3)制備棕剛玉等耐火材料(利用廢棄物鋁灰制造耐火原材料的方法，CN1927770 ;利用鋁灰生產(chǎn)棕剛玉的方法，CN100999329)。此途徑能夠有效提高鋁灰利用的附加值，但鋁灰中仍有一定量的MgO和A1N等有價成分并未利用，且制備鋁灰電熔目標產(chǎn)物所需溫度在2000°C以上，工藝流程較復(fù)雜。
[0007]鋁灰固體廢物上述利用途徑都未能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，開發(fā)一種工藝流程簡單，原料適用范圍廣，環(huán)境友好的工藝回收利用鋁灰固體廢物具有重要意義。
[0008]鋁灰固體廢物中含有較多的鋁及少量的鎂、鋅，在鋁灰中添加適量的鎂、鋅能達到鋁尖晶石型礦物的元素組成配比要求。尖晶石型礦物具有熔點高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好以及高溫穩(wěn)定性強等優(yōu)點。其中，鎂鋁尖晶石是一種重要的耐堿保溫耐火材料，屬于立方晶系，熔點為2135°C，莫氏硬度約為8.0，密度為3.55g/cm3，介電常數(shù)為7.5左右，膨脹系數(shù)較小(7.6X10 6/°C )，具有良好的熱穩(wěn)定性，化學性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不與酸、堿反應(yīng)，在高溫下對各種熔體的侵蝕作用有較強的抵抗性。作為窯磚或澆注料廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)窯爐和水泥回轉(zhuǎn)窯。鋅鋁尖晶石屬于立方晶系，熔點1950°C，莫氏硬度在7.5-8.0之間，密度在4-4.6g/cm3之間，較低的熱膨脹系數(shù)(7.0X10 6/°C )和較高的熱穩(wěn)定性，對堿性和酸性均具有較強的耐腐蝕性，在石油化工行業(yè)用作烯族烴、甲醇、乙醇合成的脫水催化劑載體材料，在光電子行業(yè)用作紫外線光電材料、光學和電子涂層材料，在高溫行業(yè)中作為鋼液中銅元素的過濾器，替代莫來石原料制備高爐陶瓷杯原料等。
[0009]生產(chǎn)鎂鋁尖晶石的方法主要有電熔法和燒結(jié)法兩種，電熔法(生產(chǎn)電熔鎂鋁尖晶石的方法，CN1919739A ;一種電熔復(fù)合耐火材料及其生產(chǎn)方法，CN200610018950.2 ;一種電熔鎂鋁尖晶石復(fù)合耐火材料及其生產(chǎn)方法，CN200710089960.X ;—種鎂鋁尖晶石及其制備方法，CN104311044A)大多采用高純原料，需要高溫條件，能耗高，如利用鋁灰作原料需要除雜；燒結(jié)法(一種鎂鋁尖晶石一Sialon復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，CN101066865 ;水泥回轉(zhuǎn)窯用方鎂石一鎂鋁尖晶石耐火材料及其制備方法，CN103864433A)工藝條件較電熔法要求較低，選用原料多為高純原料，反應(yīng)溫度在1500°C以上。生產(chǎn)鋅鋁尖晶石的方法主要有共沉淀法和水熱法。共沉淀法(一種納米鋅鋁尖晶石的制備方法，CN103449503A ;—種以鋅鋁低摩爾比類水滑石為前軀體制備鋅鋁尖晶石的方法，CN102583467A)是在相應(yīng)的可溶性鹽溶液中加入沉淀劑，將金屬離子均勻沉淀出來，再過濾、洗滌、干燥和鍛燒，得到鋅鋁尖晶石粉體。產(chǎn)品純度較高，但易出現(xiàn)團聚，常添加表面活性劑、真空干燥或冷凍干燥加以克服，需要消耗大量的沉淀劑。水熱法是在較高溫度和較高壓力下，以水為介質(zhì)制備納米粉體的一種技術(shù)，產(chǎn)品具有分散性好、純度高、形貌可控等優(yōu)點，但該法對設(shè)備要求高，需要耐高溫高壓的鋼材和耐腐蝕的內(nèi)襯；溫壓控制嚴格，成本高，技術(shù)難度大。
[0010]鋁灰固體廢物成分復(fù)雜，含有少量其他金屬氧化物，如能直接以鋁灰為原料，通過低溫條件燒結(jié)出鋁尖晶石耐火材料，不僅可以解決鋁灰固體廢物資源化利用問題，而且可以解決其潛在的二次污染問題。然而，目前還沒有利用鋁灰為原料在較低溫度燒結(jié)制備鋁尖晶石耐火材料的相關(guān)專利。本發(fā)明將直接利用鋁灰固體廢物為原料，生產(chǎn)出合格的鋁尖晶石耐火材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明利用鋁灰通過直接燒結(jié)法制備耐火材料，其目的在于實現(xiàn)鋁灰資源化利用、減少鋁灰固體廢物造成的環(huán)境污染，提供一種流程簡單、能耗較低的利用鋁灰直接制備招尖晶石耐火材料的方法及其制備的材料。
[0012]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0013]—種利用鋁灰直接制備鋁尖晶石耐火材料的方法，將50?90wt%的鋁灰與10?50界七％含鎂或含鋅原料混合，并加入混合料0.1?0.5wt%的助燒劑，球磨混勻后成型，將成型后的坯體于高溫反應(yīng)爐內(nèi)，以2?10°C /min的升溫速率升溫至1000?1400°C，保溫1?5h，隨后冷卻至室溫，即得到鋁尖晶石耐火材料。
[0014]所述的鋁灰為電解鋁工業(yè)、鋁鑄造工業(yè)和鋁再生工業(yè)工藝過程中產(chǎn)生的含鋁固體廢物，其主要化學組分:A1203為10?70wt%，A1為5?40wt%、MgO為3?12wt%，粒徑小于200 μ m。
[0015]所述的含鎂原料為輕燒鎂砂、電熔鎂砂、燒結(jié)鎂砂、菱鎂礦、水鎂石中的一種或一種以上的組合，粒徑小于200 μ m。
[0016]所述的含鋅原料為鋅白粉、菱鋅礦中的一種或兩種的組合，粒徑小于200 μπι。
[0017]所述的助燒劑為A1F3、La203、Y203、Ti02、Ce02的一種或一種以上的組合，粒徑小于200 μ??ο
[0018]上述方法制備得到的鋁尖晶石耐火材料體積密度為2.1?3.6g/cm3，耐壓強度為6.0?15.0MPa，顯氣孔率為11%?18%，硫酸侵蝕率為?.2%?10.4%，耐受1600°C高溫材料性能無變化。
[0019]本發(fā)明具有以下特點:
[0020]1、直接利用含鋁固體廢物為原料，首先報道直接利用鋁灰合成鋁尖晶石耐火材料，不僅原料成本低廉，而且實現(xiàn)了固體廢物資源化。
[0021]2、鋁灰固體廢物中鈉、鈣、鈦等氧化物在反應(yīng)溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)物質(zhì)，使產(chǎn)品燒結(jié)合成溫度較現(xiàn)有技術(shù)明顯降低。
[0022]3、利用燒結(jié)工藝直接制備出鋁尖晶石耐火材料，燒結(jié)溫度低于1400°C，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能耗明顯降低，工藝流程和燒結(jié)時間短，易于操作。
[0023]4、本發(fā)明所制備的招尖晶石耐火材料廣品性能穩(wěn)定，具有良好的抗侵蝕、耐尚溫性能。產(chǎn)品適用范圍廣，可燒制成窯磚、爐襯等高溫高腐蝕工業(yè)環(huán)境材料，亦可破碎后用作澆注料。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明制備的鎂鋁尖晶石的XRD圖譜；
[0025]圖2是本發(fā)明制備的鋅鋁尖晶石的XRD圖譜。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明，而不會形成對本發(fā)明保護范圍的保護。
[0027]實施例1
[0028]—種利用鋁灰直接制備鋁尖晶石耐火材料的方法，將80?丨％的鋁灰、20%的輕燒鎂砂混合，并加入混合料0.3wt %的助燒劑，球磨混勻后成型，將成型后的坯體于高溫反應(yīng)爐內(nèi)再以4°C /min的升溫速率升溫至1200°C，保溫1.5h，隨后冷卻至室溫。
[0029]供試鋁灰中A1203為 21.80%, A1 為 23.54%，A1N 為 3.68%，MgO 為 7.30%, Na 20為 11.57%，〇&0為3.07%，1102為 1.56%，F(xiàn)e 203為 1.26%，其它為 26.22%。各配料均為小于150 μ m的細粉。
[0030]經(jīng)X射線衍射分析，主要物相為鎂鋁尖晶石。所制備產(chǎn)品體積密度為2.19g/cm3，耐壓強度達8.95MPa，顯氣孔率為16.54%，硫酸侵蝕率為10.4%，經(jīng)高溫耐受實驗，在1600°C高溫材料性能無變化。
[0031]實施例2
[0032]—種利用鋁灰直接制備鋁尖晶石耐火材料的方法，將80?丨％的鋁灰、20%的輕燒鎂砂混合，并加入混合料0.3wt %的助燒劑，球磨混勻后成型，將成型后的坯體于高溫反應(yīng)爐內(nèi)再以4°C /min的升溫速率升溫至1200°C，保溫3h，隨后冷卻至室溫。
[0033]供試鋁灰中A1203為