CN108439809A - 基于冶炼炉渣的发泡微晶材料及其生产工艺 - Google Patents

基于冶炼炉渣的发泡微晶材料及其生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于冶炼炉渣的发泡微晶材料及其生产工艺，以冶炼炉渣为主要原料，配加天然矿物和添加剂，通过先水淬处理、后发泡和晶化反应得到发泡微晶材料，最大限度地利用冶炼炉渣等工业废弃物，处理废渣的同时提高产品经济附加值、降低生产成本，所得发泡微晶材料在强度、导热系数、阻燃性能等方面性能优于现有泡沫玻璃、发泡陶瓷等同类无机发泡产品，附加值比传统工艺提高10倍以上，作为优质防火保温材料用于各类工业和建筑保温领域，在环境保护和节能减排方面具有积极促进作用，可以产生巨大社会效益和经济效益。

Description

基于冶炼炉渣的发泡微晶材料及其生产工艺
技术领域
本发明属于无机发泡材料技术领域，涉及以工业冶炼炉渣为主要原料生产发泡微晶材料的工艺，具体涉及基于冶炼炉渣的发泡微晶材料及其生产工艺。
背景技术
冶炼炉渣是指冶金工业生产过程中产生的各种固体废弃物，主要指钢铁冶炼过程中产生的高炉渣、钢渣，有色金属冶炼过程中产生的各种有色金属渣如铜渣、铅渣、锌渣、镍渣等，从铝土矿提炼氧化铝排出的赤泥，以及轧钢过程产生的少量氧化铁渣等。每炼1t生铁排出0.3～0.9t铁渣，每炼1t钢排出0.1～0.3t钢渣，每炼1t氧化铝排出0.6～2t赤泥，每炼1t铜反射炉法产生10～20t炉渣，鼓风炉法产生50～100t炉渣；每炼1t硅锰合金产生1.2～1.3t硅锰渣等，由此可见，冶炼炉渣排放量十分巨大。
据统计，目前我国每年冶炼炉渣的排放总量约为1.15亿t，综合利用率在91.5％左右，虽然绝大部分得到利用，但其综合利用水平较低，通常是经过水淬或自然冷却后，再用作生产水泥、制砖、筑路、回填等原料，产品附加值很低，现有技术中使用的冶炼炉渣种类较为单一，且使用比例一般小于50％，目前国内还没有以多种冶炼炉渣为主要原料生产无机发泡微晶材料相关工艺报道。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供基于冶炼炉渣的发泡微晶材料，以冶炼炉渣为主要原料，配加天然矿物和添加剂得到的发泡微晶材料，处理废渣的同时提高产品的经济附加值，产品可广泛用于各类工业和建筑保温领域。
本发明的目的还在于提供基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，生产成本和技术性能优于用其他原料生产的同类产品，附加值比传统工艺生产的产品提高10倍以上，可以产生巨大社会效益和经济效益。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，包括以下步骤：
S1、首先将原料冶炼炉渣、天然矿物和添加剂按照比例充分混合均匀后放入坩埚中，将上述坩埚放入高温炉内以5～10℃/min速率升温至1450～1550℃高温下熔制2～4h，熔制后迅速倒入冷水中进行水淬处理；
S2、将步骤S1中水淬处理后的物料放入烘箱中，在温度为200～300℃下烘干60～120min得烘干料，然后将上述烘干料粉磨30～60min，得细度为100～300目的粉料；
S3、将步骤S2中的粉料与发泡剂、稳泡剂、助熔剂、着色剂按照比例充分混合均匀，装模后放入马弗炉中进行发泡和晶化反应；其中，发泡温度为850～1050℃，发泡时间为60～150min；晶化温度为1020～1150℃，晶化时间为40～100min，然后随炉冷却至室温后脱模取出，切除凹凸表层和四周边角，即得发泡微晶板材。
步骤S1中，所述的原料按照质量百分比计，包括：冶炼炉渣50～70％，天然矿物25～35％，添加剂5～15％。
步骤S1中，所述的冶炼炉渣包括赤泥、铜渣、铁渣、钢渣、铅渣、锌渣、镍渣、硅锰渣、铸余渣、铬铁渣、镁渣、锂渣、锰铁渣和脱硫脱磷渣中一种或两种以上。
步骤S1中，所述的天然矿物包括碳酸钡、纯碱、长石和石英砂中一种或两种以上混合物。
步骤S1中，所述的添加剂包括硝酸钠、氧化锌、锂辉石和三氧化二锑中一种或两种以上混合物。
步骤S1中，所述的水淬料的基本化学组成按照质量百分比计，包括：50～75％SiO2，5～15％Al2O3，10～25％CaO，3～10％MgO，7～15％K2O和Na2O任意比的混合物。
步骤S3中，所述的发泡剂包括碳粉、硅酸钠、碳酸钙、氮化铝、碳化硅和氢氧化钠中一种或几种，添加量为所述粉料总质量的2～8％。
步骤S3中，所述的稳泡剂包括磷酸钠、醋酸钠和硼酸中一种或几种，添加量为所述粉料总质量的1～5％。
步骤S3中，所述的助熔剂包括硼砂、萤石和氟硅酸钠中一种或几种，添加量为所述粉料总质量的2～4％。
步骤S3中，所述的着色剂为三氧化二铁、二氧化锰、硫酸铜和五氧化二钒中一种或几种，添加量为所述粉料总质量的1～3％。
步骤S3中，所述的装模工序中，模具底面和四周铺放硅酸铝高温隔热纸，表面保持干净光滑，将所述混合均匀的物料装入所述模具中并压实后，用刮刀将表面刮平整，确保模具中没有死角。
本发明的第二方面，通过上述生产工艺制得的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料，表观密度(容重)为160～330kg/m3，抗压强度为4～12Mpa，抗折强度为3～10Mpa，导热系数为0.085～0.200w/(m·k)，体积吸水率为0.6％～1.5％，燃烧等级为A级。
本发明的第三方面，上述基于冶炼炉渣的发泡微晶材料，作为防火保温材料的用途。
本发明中，所述的混合采用VH-2型颗粒粉末高效混合机，所述的熔制采用JNL-1600℃高温炉和锆刚玉质坩埚，所述的粉磨采用XQM-0.2行星球磨机，所述的筛分采用450型振动筛分过滤机，所述发泡和晶化处理的马弗炉采用SXJD-V6-16马弗炉，所述的切割采用RJH-600型电动切割机，所述的模具内腔尺寸为120mm×75mm×6mm。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件可以任意组合即得本发明各较佳实例；另外本发明所用的原料和试剂除有特殊说明外，均市售可得或为常规选择。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明以冶炼炉渣为主要原料，配加其他天然矿物和添加助剂得到发泡微晶材料，充分利用冶炼渣的有效成分，处理废渣的同时提高产品的经济附加值，且不产生二次污染；生产的发泡微晶材料作为优质防火保温材料用于各类工业和建筑保温领域，在环境保护和节能减排方面具有积极促进作用。
(2)现有技术中使用的冶炼炉渣种类较为单一，且使用比例一般小于50％，本发明的生产工艺最大限度地利用冶炼炉渣等工业废弃物，可以高达50～70％，且使用种类可根据成分进行多种组合调整，降低生产成本的同时，所得的发泡微晶材料表观密度(容重)为160～330kg/m3，抗压强度为4～12Mpa，抗折强度为3～10Mpa，导热系数为0.085～0.200w/(m·k)，体积吸水率为0.6％～1.5％，燃烧等级为A级，在强度、导热系数、阻燃性能等方面性能优于现有泡沫玻璃、发泡陶瓷等同类无机发泡产品，附加值比传统工艺生产的产品提高10倍以上，可以产生巨大的社会效益和经济效益。
(3)本发明的生产工艺中发泡和晶化同步完成，节省生产时间和能耗，进一步降低生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固态废弃物，一般平均每生产1t氧化铝，附带产生0.6～2.0t赤泥，全世界每年产生的赤泥约7000万t，我国作为世界第四大氧化铝生产国，每年产生的赤泥为3000万t以上。赤泥化学成分复杂，具有高钙、高硅、低铁的特点，其主要化学成分按照质量百分比计包括：20～23％SiO2，2～8％CaO，5～7％Al2O3，7～10％Fe2O3，2～10％Na2O，2.5～3.0％TiO2，除二氧化硅含量偏低外，其余化学组成与所述微晶发泡材料十分接近。
以冶炼炉渣赤泥为主要原料制备基于冶炼炉渣的发泡微晶材料，包括以下步骤：
首先，将650g赤泥，30g纯碱，120g长石，100g石英砂，100g锂辉石和硝酸钠添加剂，装入VH-2型颗粒粉末高效混合机，混合30min；再打开上述混合机的卸料阀，取出混好的物料加入到锆刚玉质坩埚，将坩埚放入JNL-1600℃高温炉内以8℃/min速率升温至1480℃，熔制150min后，迅速取出坩埚并将熔化好的熔体直接倒入冷水中进行水淬处理。
然后，待水温冷却后从水中捞出水淬料，用托盘装好放入烘箱中，在250℃下烘干120min，至水分完全脱除；将所述烘干后的水淬料装入XQM-0.2行星球磨机粉磨45min后取出，放入450型振动筛分过滤机，200目筛分10min后，筛下粉料备用。
最后，将上述粉料500g、发泡剂碳粉20g、稳泡剂磷酸钠15g、助熔剂氟硅酸钠10g和着色剂三氧化二铁5g装入VH-2型颗粒粉末高效混合机混合120min；将该混合粉料装入预先铺好硅酸铝高温隔热纸的耐火模具中，模具内腔尺寸为120mm×75mm×6mm，用刮刀将该混合粉料压实刮平后放入SXJD-V6-16马弗炉中，按照热处理升温曲线进行发泡和晶化反应，发泡温度为960℃，发泡时间为100min，晶化温度为1110℃，晶化时间为60min；热处理结束后，打开炉门约1/3，发泡体随炉冷却至室温后取出，用RJH-600型电动切割机切除侧边和凹凸表层得发泡微晶材料，制作样块进行性能测定。
测试结果：上述发泡微晶材料的表观密度(容重)为160kg/m3，抗压强度为4.35MPa，抗折强度为3.47MPa，导热系数为0.085w/(m·k)，体积吸水率为1.5％，燃烧等级为A级。
实施例2
铜渣是炼铜过程中产生的渣，属于有色金属渣的一种，采用反射炉法炼铜排出的废渣为反射炉铜渣，采用鼓风炉炼铜排出的废渣为鼓风炉铜渣，每冶炼1t铜，反射炉法产生10～20t炉渣，鼓风炉法产生50～100t炉渣。铜渣的化学组成按照质量百分比计包括：30～40％SiO2，5～10％CaO，1～5％NaO，2～4％Al2O3，此外还有大量的铁27～35％和少量锌2～3％；主要矿物相为铁橄榄石(为含90％的FeSiO4)，其次为磁铁矿、玻璃体和硫化物。
铁渣是炼铁过程中产生的固废，每炼1t生铁排出0.3～0.9t铁渣，铁渣的化学组成按照质量百分比计包括：33～43％CaO，6～10％MgO，30～40％SiO2，10～15％Al2O3，属硅酸盐类渣。
本实施例中与实施例1的制备方法相同，不同之处在于冶炼炉渣种类和工艺参数，其中，原料为450g铜渣，150g铁渣，230g石英砂，50g碳酸钡，120g硝酸钠和氧化锌添加剂，工艺参数为：熔制温度为1520℃，升温速率10℃/min，保温时间120min；其中，粉料500g，发泡剂碳酸钙25g，稳泡剂醋酸钠10g，助熔剂萤石15g，着色剂二氧化锰5g和五氧化二钒8g，发泡温度为870℃，发泡时间为90min，晶化温度为1050℃，晶化时间为80min。
测试结果：所得发泡微晶材料的表观密度(容重)为180kg/m3，抗压强度为5.26MPa，抗折强度为3.89MPa，导热系数为0.092w/(m·k)，体积吸水率为1.2％，燃烧等级为A级。
实施例3
硅锰渣也叫硅锰冶炼渣，是冶炼硅锰合金时排放的一种工业废渣，一般每生产1t硅锰合金会产生1.2t硅锰渣，硅锰渣主要由CaSiO3、CaAl2O4、Ca2Al2SiO7、Ca2MgSi2O7和MgSiO3等矿物组成，属于酸性渣系。铸余渣是钢包内的钢水经连铸或铸锭后所剩余的钢水和渣的混合物，属于碱性还原渣，碱度平均值为4.09，主要化学成分按照质量百分比计包括：45～55％CaO，5～15％MgO，10～15％SiO2，15～25％Al2O3，可作为引入碱性氧化物的原料。
以硅锰渣和铸余渣酸碱两种渣为主要原料制备微晶发泡材料与实施例1的制备方法相同，不同之处在于冶炼炉渣种类和工艺参数，其中原料为：350g硅锰渣，190g铸余渣，190g石英砂，120g长石，40g纯碱，110g锂辉石和硼砂添加剂。工艺参数为：熔制温度为1460℃，升温速率7℃/min，保温时间240min；其中，粉料500g，发泡剂碳粉20g和碳化硅15g，稳泡剂磷酸钠12g，助熔剂萤石12g和氟硅酸钠6g，着色剂三氧化二铁3g和硫酸铜5g，发泡温度为1020℃，发泡时间为120min，晶化温度为1130℃，晶化时间为90min。
测试结果：所得发泡微晶材料的表观密度(容重)为250kg/m3，抗压强度为8.49MPa，抗折强度为6.32MPa，导热系数为0.124w/(m·k)，体积吸水率为1.0％，燃烧等级为A级。
实施例4
我国是世界上锂辉石精矿储量最大的国家，锂渣是硫酸法制备碳酸锂工艺的副产品，锂渣的化学成份与粘土质相似，主要是55～60％SiO2、15～25％Al2O3和1～3％Fe2O3等。主要矿物成分为石英(SiO2)、方解石(CaCO3)、石膏(CaSO4·2H2O)、刚玉(Al2O3)、三水铝石(Al2O3·3H2O)、红柱石(Al2O3)、叶蜡石[Al2(Si4O10)(OH)2]，其余还有少量玻璃相、高岭石以及极少量的碳酸锂(Li2CO3)，属于碱性渣系。锰铁渣是冶炼锰铁合金时排放的一种工业废渣，一般每生产1t硅锰合金会产生2.0～2.5t锰铁渣，锰铁渣的化学成分为CaO、SiO2，Al2O3，其CaO与SiO2质量比大于1.2，属于碱性渣，80％左右为玻璃体，同时含有钙长石、C2S、镁硅钙石和锰钙辉石等少量晶体。
以锂渣和锰铁渣两种渣为主要原料制备微晶发泡材料与实施例1的制备方法相同，不同之处在于冶炼炉渣种类和工艺参数，其中，原料为450g锂渣，230g锰铁渣，90g长石，40g纯碱，50g碳酸钡，140g三氧化二锑和锂辉石添加剂。工艺参数为：熔制温度为1540℃，升温速率6℃/min，保温时间200min；其中，粉料500g，发泡剂硅酸钠20g和氮化铝10g，稳泡剂磷酸钠10g和醋酸钠8g，助熔剂硼砂10g和萤石8g，着色剂二氧化锰5g和三氧化二铁3g，发泡温度为990℃，发泡时间为70min，晶化温度为1150℃，晶化时间为100min。
测试结果：所得发泡微晶材料的表观密度(容重)为420kg/m3，抗压强度为11.76MPa，抗折强度为9.85MPa，导热系数为0.186w/(m·k)，体积吸水率为0.6％，燃烧等级为A级。
实施例5
铬铁渣是主要是矿热炉法冶炼高碳铬铁时所产生的含铬废渣，其主要成分是3～5％Cr2O3，28～34％SiO2，20～25％Al2O3，25～30％MgO，1～3％Fe2O3，1～5％CaO。铅渣是火法炼铅过程中产生的废渣，其主要成分一般为20～30％SiO2，30～40％FeO，15～20％CaO，5～25％ZnO。高炉渣是在高炉炼铁过程中，由矿石中的脉石、燃料中的灰分和熔剂(一般是石灰石)中的非挥发组分形成的固体废物。依矿石品位不同，每炼1t铁排出0.3～0.9t渣，其主要成分为33～43％CaO，6～10％MgO，30～40％SiO2，10～15％Al2O3。
以铬铁渣、铅渣、高炉渣为主要原料制备微晶发泡材料与实施例1的制备方法相同，不同之处在于冶炼炉渣种类和工艺参数，其中，原料为270g铬铁渣，180g铅渣，230g高炉渣，150g长石，90g碳酸钡，80g氧化锌和硝酸钠添加剂。工艺参数为：熔制温度为1450℃，升温速率9℃/min，保温时间180min；其中，粉料500g，发泡剂碳粉30g和氢氧化钠10g，稳泡剂磷酸钠15g和硼酸7g，助熔剂氟硅酸钠10g和萤石8g，着色剂五氧化二钒2g和二氧化锰5g，发泡温度为950℃，发泡时间为150min，晶化温度为1090℃，晶化时间为50min。
测试结果：所得发泡微晶材料的表观密度(容重)为330kg/m3，抗压强度为9.82MPa，抗折强度为7.69MPa，导热系数为0.153w/(m·k)，体积吸水率为0.8％，燃烧等级为A级。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (11)

1.基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、首先将原料冶炼炉渣、天然矿物和添加剂按照比例充分混合均匀后放入坩埚中，将上述坩埚放入高温炉内以5～10℃/min速率升温至1450～1550℃高温下熔制2～4h，熔制后迅速倒入冷水中进行水淬处理得水淬料；其中，所述的原料按照质量百分比计，包括：冶炼炉渣50～70％，天然矿物15～35％，添加剂5～15％；
S2、将步骤S1中的水淬料放入烘箱中，在温度为200～300℃下烘60～120min得到烘干料，然后将上述烘干料粉磨30～60min，得到细度为100～300目的粉料；
S3、将步骤S2中的粉料与发泡剂、稳泡剂、助熔剂、着色剂按照比例充分混合均匀，装模后放入马弗炉中进行发泡和晶化反应；其中，发泡温度为850～1050℃，发泡时间为60～150min；晶化温度为1020～1150℃，晶化时间为40～100min，然后随炉冷却至室温后脱模取出，切除凹凸表层和四周边角，即得发泡微晶材料。
2.根据权利要求1所述的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，其特征在于，步骤S1中，所述的冶炼炉渣包括赤泥、铜渣、铁渣、钢渣、铅渣、锌渣、镍渣、硅锰渣、铸余渣、铬铁渣、镁渣、锂渣、锰铁渣和脱硫脱磷渣中一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，其特征在于，步骤S1中，所述的天然矿物包括碳酸钡、纯碱、长石和石英砂中一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，其特征在于，步骤S1中，所述的添加剂包括硝酸钠、氧化锌、锂辉石和三氧化二锑中的一种或两种以上混合物。
5.根据权利要求1所述的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，其特征在于，步骤S1中，所述的水淬料基本化学组成按照质量百分比计，包括：50～75％SiO2，5～15％Al2O3，10～25％CaO，3～10％MgO，7～15％K2O和Na2O任意比混合物。
6.根据权利要求1所述的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，其特征在于，步骤S3中，所述的发泡剂包括碳粉、硅酸钠、碳酸钙、氮化铝、碳化硅和氢氧化钠中一种或几种，添加量为所述粉料总质量的2～8％。
7.根据权利要求1所述的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，其特征在于，步骤S3中，所述的稳泡剂包括磷酸钠、醋酸钠和硼酸中一种或几种，添加量为所述粉料总质量的1～5％。
8.根据权利要求1所述的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，其特征在于，步骤S3中，所述的助熔剂包括硼砂、萤石和氟硅酸钠中一种或几种，添加量为所述粉料总质量的2～4％。
9.根据权利要求1所述的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺，其特征在于，步骤S3中，所述的着色剂为三氧化二铁、二氧化锰、硫酸铜和五氧化二钒中一种或几种，添加量为所述粉料总质量的1～3％。
10.基于冶炼炉渣的发泡微晶材料，其特征在于，通过权利要求1～9任一项所述的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料生产工艺制得，且
所述发泡微晶材料的表观密度为160～330kg/m3，抗压强度为4～12Mpa，抗折强度为3～10Mpa，导热系数为0.085～0.200w/(m·k)，体积吸水率为0.6％～1.5％，燃烧等级为A级。
11.如权利要求10所述的基于冶炼炉渣的发泡微晶材料作为防火保温材料的用途。
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