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8种方法让金属铝废弃物铝灰摇身成为耐火材料原材料
编辑:耐火浇注料 时间:2021-12-28 浏览:524
众所周知,原料是耐火材料的基础,高质量的耐火原料才能生产好的产品。对耐火原料基本要求就是耐火性能, 即耐火度1580℃以上的原材料才能作为耐火原料。铝灰中除了Al2O3以外,还含有较多耐火性能较低的杂质成分,因 此,一般不能用铝灰直接配制耐火材料,需要进一步加工处理,除去杂质,提高Al2O3含量,才能考虑用作耐火材 料。以下就铝灰加工处理方法作简要介绍。
1、铝灰的浮选法提纯
采用油酸钠为捕收剂,当pH值固定在8.6左右,捕收剂用量为1000g/t时,浮选后铝灰w(Al2O3)含 量由原来43.14%提高到86.41%,回收率68.89%。详见表1。可以替代铝矾土冶炼氧化铝基电熔材料。
5、合成Sialon粉
Sialon陶瓷是20世纪70年代后迅速发展起来的一类高温结构材料,Sialon材料以优越的力学性能、热学性能和化 学稳定性,被认为是最有希望的高温陶瓷材料之一。Sialon为Si3N4-AlN-Al2O3-SiO2系固溶体,采用纯化学原料制 备,成本高。李家镜等[6]采用铝灰、炭黑和粉煤灰为原料,用碳热铝热复合还原氮化工艺制备Sialon粉体。试用铝灰 及粉煤灰的化学成分如表3。称好料,进行球磨12h(用Si3N4球,无水乙醇为介质),然后进行干燥、过筛、压成圆 片,再进行煅烧,自然冷却后磨成粉,研究了原料组成、合成温度对生成物相的影响。结果表明:在原料中当Si/Al为 1(铝灰为33%,粉煤灰为50%)时,加入17%炭黑,合成温度1450℃,得到的主要物相为Si3Al3O3N(5β-Sialon,Z= 3)和SiAl4O2N(415R)的产物;在Si/Al为1.5时,加入80%粉煤灰,1450℃可制备较纯的Si3Al3O3N5粉。
其原理是:根据反应式6TiO2+8Al+3N2=6TiN+4Al2O3计算铝灰和金红石理论质量比为16∶27。具体做法 是:先称好料,放入球磨机中,干磨12h,以40MPa压力,干压成型坯体,然后放入石墨坩埚,在流动氨气中,600 ~1400℃,保温5h煅烧。在1300℃煅烧的产品按理论用量合成的产物主要是TiN,α-Al2O3,少量倍长石和MgAl2O 4。经计算,TiN为30.4%,α-Al2O3为45.8%,随铝灰增加α-Al2O3增多,TiN减少,当铝灰过量50%时,TiN为26. 4%,α-Al2O3为55.0%。TiN-Al2O3复合材料的抗折强度达520.2MPa。
8、电熔莫来石
利用铝灰电熔莫来石。具体步骤是:步是铝灰预处理过程,首先在1100℃下煅烧铝灰,使金属铝 部分转变为Al2O3,然后将煅烧的铝灰放入水槽中,加入盐酸进行清洗,然后烘干;第二步是电熔,按铝灰、铝矾土与 硅石的质量分数比为:30%~80%:0~50%:10%~20%的范围内,混合均匀后加入电弧炉中,熔炼,倒出,冷却, 破粉碎,分选,得到莫来石。
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1、铝灰的浮选法提纯
采用油酸钠为捕收剂,当pH值固定在8.6左右,捕收剂用量为1000g/t时,浮选后铝灰w(Al2O3)含 量由原来43.14%提高到86.41%,回收率68.89%。详见表1。可以替代铝矾土冶炼氧化铝基电熔材料。
表1 铝灰及浮选后的XRF分析结果 (质量分数w/%)
2、制取α-Al2O3
α-Al2O3是刚玉等高级耐火材料的主要原料。用铝灰提取的基本原理是:在400~600℃的温度下,铝灰中的金 属铝、氧化铝与NaOH和NaNO3反应生成可溶于水的金属盐,并用水将其溶出,实现铝与其他杂质分离之后,使用 晶种分解法处理含铝溶液,最终得到α-Al2O3。得出的制备条件是:碱灰比(mNaOH/m铝灰)1.3,盐灰比(mNaNO 3/m铝灰)0.7,按比例要求配合,混合均匀,在500℃下熔炼,熔炼时间60min;用去离子水在60℃恒温水溶中浸出熔 炼产物,浸出时间30min,固液比1∶4,铝浸出率达92.71%,浸出后抽滤,固液分离,浸出液经过净化,调整 苛性比,晶种分解和煅烧获得氧化铝。
采用加压碱浸、微波活化辅助的方法回收铝灰中氧化铝。首先将铝灰破碎、筛分、水洗,与NaOH溶液 按固液比1∶7混合搅拌均匀,然后在高压釜内,于140℃,1.15MPa反应6h,经进一步固液分离、酸中和、水洗分离 后,将产物置于输出功率5W/g的微波设备干燥活化7min,抽风速度为30m/min,最终可得Al2O3产品。
还有人通过王水浸取法及添加氧化钇制备高硬度γ-Al2O3。首先铝灰在室温下溶解在王水中,然后在pH为9~10 的条件下沉淀,加入0~20%氧化钇粒子,经压实后于1550~1650℃煅烧可得高硬度γ-Al2O3。
3、制取纳米氧化铝
在刚玉耐火制品中引入α-Al2O3粉,降低烧结温度,节约能源,提高其性能。例如:在用电熔刚玉(Al2O399. 5%)的配料中,加入4%~8%的α-Al2O3微粉和1%~2%的α-Al2O3纳米粉,制品的烧成温度由1700~1800℃降至14 00℃。
采用硫酸浸取铝灰制备纳米氧化铝的工艺方法是:首先在80℃搅拌条件下,用硫酸溶液多次浸取铝 灰中的铝离子,经过滤分离得到硫酸铝溶液,然后将碳酸氢铵溶液加入到硫酸铝溶液中,在40℃条件下搅拌反应60m in,生成前驱体碳酸铝铵沉淀和硫酸铵溶液,经陈化,真空抽滤分离,硫酸铝铵沉淀洗涤干燥后于1200℃煅烧1h,得 到粒径约70nm的α-Al2O3粉。
4、利用铝灰冶炼棕刚玉
耐火材料用棕刚玉一般是用特级铝矾土冶炼而成,Al2O3含量94.5%~97%,是中、高档耐火材料的主要原料, 尤其不定形耐火材料用量较多。近年来,为了节能环保,降低生产成本,有人在研究用铝灰冶炼棕刚玉,其中试验的低温冶炼制备棕刚玉的效果较好。其生产过程是:将1份铝灰(小于0.10mm)放入2~5份90~100℃热水中,浸泡6~10h,将水排出,并加入排出等质量的90~100℃热水浸泡2~14h,浸泡为放热反应,不断搅拌,保持水 温90~100℃,确保铝灰不沉积,将浸泡后的铝灰分离出来后用流动水漂洗,漂洗水流为3~6m/min,然后用真空过 滤机过滤,再经80~110℃烘干至水分低于20%,即完成预处理。在电弧炉中熔炼:在铝灰中加入0.5%~4%的沉淀剂 铁屑,在炉中1700~1800℃冶炼6~8h,熔融还原铝灰中的SiO2,Fe2O3,TiO2等氧化物,冷却后经粉碎,磁选和 筛分得到棕刚玉产品。其试用的铝灰及棕刚玉产品的化学成分见表2。
α-Al2O3是刚玉等高级耐火材料的主要原料。用铝灰提取的基本原理是:在400~600℃的温度下,铝灰中的金 属铝、氧化铝与NaOH和NaNO3反应生成可溶于水的金属盐,并用水将其溶出,实现铝与其他杂质分离之后,使用 晶种分解法处理含铝溶液,最终得到α-Al2O3。得出的制备条件是:碱灰比(mNaOH/m铝灰)1.3,盐灰比(mNaNO 3/m铝灰)0.7,按比例要求配合,混合均匀,在500℃下熔炼,熔炼时间60min;用去离子水在60℃恒温水溶中浸出熔 炼产物,浸出时间30min,固液比1∶4,铝浸出率达92.71%,浸出后抽滤,固液分离,浸出液经过净化,调整 苛性比,晶种分解和煅烧获得氧化铝。
采用加压碱浸、微波活化辅助的方法回收铝灰中氧化铝。首先将铝灰破碎、筛分、水洗,与NaOH溶液 按固液比1∶7混合搅拌均匀,然后在高压釜内,于140℃,1.15MPa反应6h,经进一步固液分离、酸中和、水洗分离 后,将产物置于输出功率5W/g的微波设备干燥活化7min,抽风速度为30m/min,最终可得Al2O3产品。
还有人通过王水浸取法及添加氧化钇制备高硬度γ-Al2O3。首先铝灰在室温下溶解在王水中,然后在pH为9~10 的条件下沉淀,加入0~20%氧化钇粒子,经压实后于1550~1650℃煅烧可得高硬度γ-Al2O3。
3、制取纳米氧化铝
在刚玉耐火制品中引入α-Al2O3粉,降低烧结温度,节约能源,提高其性能。例如:在用电熔刚玉(Al2O399. 5%)的配料中,加入4%~8%的α-Al2O3微粉和1%~2%的α-Al2O3纳米粉,制品的烧成温度由1700~1800℃降至14 00℃。
采用硫酸浸取铝灰制备纳米氧化铝的工艺方法是:首先在80℃搅拌条件下,用硫酸溶液多次浸取铝 灰中的铝离子,经过滤分离得到硫酸铝溶液,然后将碳酸氢铵溶液加入到硫酸铝溶液中,在40℃条件下搅拌反应60m in,生成前驱体碳酸铝铵沉淀和硫酸铵溶液,经陈化,真空抽滤分离,硫酸铝铵沉淀洗涤干燥后于1200℃煅烧1h,得 到粒径约70nm的α-Al2O3粉。
4、利用铝灰冶炼棕刚玉
耐火材料用棕刚玉一般是用特级铝矾土冶炼而成,Al2O3含量94.5%~97%,是中、高档耐火材料的主要原料, 尤其不定形耐火材料用量较多。近年来,为了节能环保,降低生产成本,有人在研究用铝灰冶炼棕刚玉,其中试验的低温冶炼制备棕刚玉的效果较好。其生产过程是:将1份铝灰(小于0.10mm)放入2~5份90~100℃热水中,浸泡6~10h,将水排出,并加入排出等质量的90~100℃热水浸泡2~14h,浸泡为放热反应,不断搅拌,保持水 温90~100℃,确保铝灰不沉积,将浸泡后的铝灰分离出来后用流动水漂洗,漂洗水流为3~6m/min,然后用真空过 滤机过滤,再经80~110℃烘干至水分低于20%,即完成预处理。在电弧炉中熔炼:在铝灰中加入0.5%~4%的沉淀剂 铁屑,在炉中1700~1800℃冶炼6~8h,熔融还原铝灰中的SiO2,Fe2O3,TiO2等氧化物,冷却后经粉碎,磁选和 筛分得到棕刚玉产品。其试用的铝灰及棕刚玉产品的化学成分见表2。
表2 铝灰及棕刚玉产品的化学成分 (质量分数w/%)
5、合成Sialon粉
Sialon陶瓷是20世纪70年代后迅速发展起来的一类高温结构材料,Sialon材料以优越的力学性能、热学性能和化 学稳定性,被认为是最有希望的高温陶瓷材料之一。Sialon为Si3N4-AlN-Al2O3-SiO2系固溶体,采用纯化学原料制 备,成本高。李家镜等[6]采用铝灰、炭黑和粉煤灰为原料,用碳热铝热复合还原氮化工艺制备Sialon粉体。试用铝灰 及粉煤灰的化学成分如表3。称好料,进行球磨12h(用Si3N4球,无水乙醇为介质),然后进行干燥、过筛、压成圆 片,再进行煅烧,自然冷却后磨成粉,研究了原料组成、合成温度对生成物相的影响。结果表明:在原料中当Si/Al为 1(铝灰为33%,粉煤灰为50%)时,加入17%炭黑,合成温度1450℃,得到的主要物相为Si3Al3O3N(5β-Sialon,Z= 3)和SiAl4O2N(415R)的产物;在Si/Al为1.5时,加入80%粉煤灰,1450℃可制备较纯的Si3Al3O3N5粉。
表3 铝灰及粉煤灰的法学成分(质量分数w/%)
6、制备镁铝尖晶石
镁铝尖晶石是重要的耐火原料,以它为颗粒,镁砂为细粉,制备与刚玉配制钢包用浇注料。李晓娜[7]以铝灰、 铝矾土和电熔镁砂为原料,铁屑为沉淀剂,焦炭为还原剂,采用高温电熔法合成富铝镁铝尖晶石。试验表明:加入铝 灰20%,40%,60%生产的镁铝尖晶石,其综合指标超过铝矾土基镁铝尖晶石的技术指标;加入40%铝灰时,综合指标 ,其含Al2O382.48%,SiO20.35%,MgO14.10%,CaO1.12%,Fe2O30.5%(质量分数)显气孔率0.9%,体积 密度3.48g/cm3,耐火度>1800℃;铝灰加入40%,60%生产的尖晶石中含有六铝酸钙(CA6)相。
7、制备TiN-Al2O3复相耐火原料
TiN-Al2O3复合材料具有优异的高温稳定性,耐磨性及力学性能,是一种优异的耐火材料。刘海涛等[8]以金红 石和铝灰为原料,以铝灰中的金属铝为还原剂,采用铝热还原氮化法合成TiN-Al2O3复合粉体。试验用铝灰及金红石 的化学成分见表4。
镁铝尖晶石是重要的耐火原料,以它为颗粒,镁砂为细粉,制备与刚玉配制钢包用浇注料。李晓娜[7]以铝灰、 铝矾土和电熔镁砂为原料,铁屑为沉淀剂,焦炭为还原剂,采用高温电熔法合成富铝镁铝尖晶石。试验表明:加入铝 灰20%,40%,60%生产的镁铝尖晶石,其综合指标超过铝矾土基镁铝尖晶石的技术指标;加入40%铝灰时,综合指标 ,其含Al2O382.48%,SiO20.35%,MgO14.10%,CaO1.12%,Fe2O30.5%(质量分数)显气孔率0.9%,体积 密度3.48g/cm3,耐火度>1800℃;铝灰加入40%,60%生产的尖晶石中含有六铝酸钙(CA6)相。
7、制备TiN-Al2O3复相耐火原料
TiN-Al2O3复合材料具有优异的高温稳定性,耐磨性及力学性能,是一种优异的耐火材料。刘海涛等[8]以金红 石和铝灰为原料,以铝灰中的金属铝为还原剂,采用铝热还原氮化法合成TiN-Al2O3复合粉体。试验用铝灰及金红石 的化学成分见表4。
表4 铝灰和金红石的化学成分及粒度(质量分数w/%)
其原理是:根据反应式6TiO2+8Al+3N2=6TiN+4Al2O3计算铝灰和金红石理论质量比为16∶27。具体做法 是:先称好料,放入球磨机中,干磨12h,以40MPa压力,干压成型坯体,然后放入石墨坩埚,在流动氨气中,600 ~1400℃,保温5h煅烧。在1300℃煅烧的产品按理论用量合成的产物主要是TiN,α-Al2O3,少量倍长石和MgAl2O 4。经计算,TiN为30.4%,α-Al2O3为45.8%,随铝灰增加α-Al2O3增多,TiN减少,当铝灰过量50%时,TiN为26. 4%,α-Al2O3为55.0%。TiN-Al2O3复合材料的抗折强度达520.2MPa。
8、电熔莫来石
利用铝灰电熔莫来石。具体步骤是:步是铝灰预处理过程,首先在1100℃下煅烧铝灰,使金属铝 部分转变为Al2O3,然后将煅烧的铝灰放入水槽中,加入盐酸进行清洗,然后烘干;第二步是电熔,按铝灰、铝矾土与 硅石的质量分数比为:30%~80%:0~50%:10%~20%的范围内,混合均匀后加入电弧炉中,熔炼,倒出,冷却, 破粉碎,分选,得到莫来石。
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