CN104140102B - 用于制备炼硅废弃物含碳球团的粘结剂及球团的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于制备炼硅废弃物含碳球团的粘结剂，所述粘结剂包括水溶性硅酸盐(硅酸钾或硅酸钠，或其混合物)70～90wt％、有机烧失型材料10～30wt％。本发明还提供了一种利用权利要求所述的粘结剂制备球团的方法，包括：将粘结剂与水混合，然后与球团料混合，于20～40MPa压力下压制成球；所述粘结剂的添加比为球团料的2～8％。本发明提供的粘结剂具有价格低廉、使用量小、能够同时提高炼硅废弃物含碳球团低温强度和高温强度等优点。

Description

用于制备炼硅废弃物含碳球团的粘结剂及球团的制备方法

技术领域

本发明属于含碳球团粘结剂的开发与应用领域，具体涉及一种用于炼硅废弃物含碳球团的粘结剂及球团的方法。

背景技术

在传统炼硅工艺中，原料由硅石(SiO₂)和还原剂(木炭，石油焦等)组成，炼硅过程是在半封闭式电炉内连续进行生产的，冶炼过程中电流通过电极及炉料电阻产生的热量和电极端的电弧热将炉料加热到2000℃以上，在这一温度下二氧化硅经过一系列的物理化学反应被碳还原生成了金属硅液体，并伴有CO气体和微硅粉逸出。

然而在炼硅电炉正常操作上，尤其是大、中型电炉，要求炉料具有合适的块度以确保良好的透气性。因此，入炉的硅石和木炭要有一定的粒度要求。一般情况下，硅石的粒度控制在40-120mm，木炭粒度控制在20-200mm。这就要求在原料准备阶段要对硅石和还原剂进行破碎、筛分、以满足入炉料的粒度要求。

在破碎筛分过程中产生的不能入炉的碎硅石(粒度<40mm)和碎木炭(粒度<20mm)等炼硅废弃物数量巨大。据统计，碎硅石要占到总硅石量的35％以上，而碎木炭也要占到木炭量的20％左右。这些炼硅废弃物被闲置起来，造成了很大的资源浪费，这种浪费使得单位产量的相对成本大大提高；而在冶炼过程中，也会有大量的固体废弃物微硅粉(ω(Si)≥95％)产生，而这些微硅粉若不充分利用，也会造成大量的资源浪费和生产成本上升。此外，在冶炼成本上考虑，木炭的价格相对较高，若能使用价格相对便宜的石油焦或石墨代替部分木炭，也会使炼硅成本大幅下降。但石油焦和石墨的粒度相对较细，直接入炉会影响电炉的透气性。

为了将传统炼硅过程中的废弃物料(如碎硅石、碎木炭)以及副产物含硅粉尘(微硅粉)结合适量低成本物料(如石墨、石油焦)加以综合利用，扩大原料来源和节约生产成本，申请人提供了一种炼硅废弃物含碳球团炼硅的新工艺，该工艺按照电炉生产需求，将炼硅废弃物进行预处理、配料、造球、烘干，直接加入电炉炼硅。为了使炼硅生产的顺利进行，必须保证这些废弃物含碳球团具有一定的低温强度和高温强度，但是适宜粘结剂的开发显得尤为关键。

近年来，膨润土等无机粘结剂以及淀粉、有机硅树脂等有机粘结剂的制备与使用都得到了一定程度的研究，且其主要涉及领域为铁矿含碳球团的制备工艺。研究结果可大体概括为：无机粘结剂成球性能好、资源充足，但易引入杂质元素、影响球团质量；而有机粘结剂的胶结性较好、高温下燃烧分解、不影响球团质量，但是用量有限制，否则会降低球团抗压强度和爆裂温度。对性能较好的粘结剂的开发和合理使用：或是通过优化使用突出单一粘结剂优势，或是借助合理搭配无/有机粘结剂获得优势互补，都是值得综合研究的问题。着眼于炼硅废弃物含碳球团制备工艺，相应地开发一种粘结剂及其使用方法是极具价值的。

发明内容

本发明旨在提供一种用于炼硅废弃物含碳球团的粘结剂及合理的使用方法，确保制备出强度合格，质量符合入炉要求的球团。

本发明提供的粘结剂包括水溶性硅酸盐70～90wt％、有机烧失型材料10～30wt％。

其中，所述可溶性硅酸盐在室温下与炼硅废弃物粉料颗粒表面间会形成一层粘结膜。这一层很薄的硅酸粘结膜使得粉料颗粒之间相互连接，含碳球团的室温强度得以提高；随着温度的进一步升高，硅酸盐析出硅酸凝胶颗粒填充到含碳球团内的毛细孔中，有利于强度的提高；在高温条件下，硅酸凝胶形成的Si-O-Si键能够将凝胶颗粒和粉料颗粒连接成网络状的结构，能够起到固化粘结的作用；硅酸凝胶干燥，由于耐高温元素硅的存在以及其网络状的结构，也会使球团强度进一步提高；选用水玻璃作为粘结剂，不会带来大量的杂质元素，且硅酸盐中的Na、K等对硅石的还原能够起到促进作用。

优选的，所述的有机烧失型材料包括淀粉0～20wt％。

所述淀粉在室温下具有吸水膨胀性和粘稠性，有利于炼硅废弃物含碳球团生球强度的提高；温度逐渐升高时，淀粉开始糊化，糊化后淀粉与废弃物粉料颗粒的共混相融性提高了球团的致密性，进一步提高了含碳球团的强度；随着温度的进一步升高淀粉失水形成固相连接桥连接，但固相连接桥在高温条件下逐渐挥发，不利于含碳球团的高温强度的提高。

更优选的，所述有机烧失性材料还包括有机硅树脂、环氧树脂和羧甲基纤维素类化合物中的一种或多种。

所述羧甲基纤维素类化合物等为粒状或纤维状物质，其吸湿性强、易溶于水形成胶体溶液；含有的-COO-可与炼硅废弃物粉料颗粒表面形成化学吸附，而-OH又是良好的亲水基团，可有效改善粘结剂的亲水性。炼硅废弃物粉料颗粒和还原剂间通过羧甲基纤维素类化合物等高分子有机链结合起来，通过粘结剂颗粒间的粘附能力形成具有一定强度的链架结构，因此加入羧甲基纤维素类化合物等粘结剂利于含碳球团强度的提高；羧甲基纤维素类化合物等粘结剂在一定配比范围内与淀粉配合，可使粘结剂的粘结性能得到提高。与粉料颗粒接触时增加了它们之间的结合力，从而改善了球团强度。

本发明还提供了一种球团的制备方法，包括：

将粘结剂与水混合，然后与球团料混合，于20～40MPa压力下压制成球；所述粘结剂的添加比为球团料的2～8％。

优选的，粘结剂与水，然后与含硅原料和含碳原料混合后压制成球，所述含硅原料至少包括含硅原料微硅粉或硅石粉中的一种，所述含碳原料包括碎木炭、石油焦和石墨中的一种或多种。

本发明提供的粘结剂具有价格低廉、使用量小、能够同时提高炼硅废弃物含碳球团低温强度和高温强度等优点。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明进行简要补充和应用效果评述，其中含碳球团主体配料中使用的炼硅废弃物为碎硅石、碎木炭、微硅粉；低成本物料选择石墨、石油焦。

实施例1

选择硅酸钠和淀粉按照质量分数85％和15％的比例制备含碳球团粘结剂，按照质量百分数4％的使用比例，配合7％的水，与炼硅废弃物粉料以及低成本物料进行混匀，送入设定好成球压力为30MPa的对辊压球机进行压制。干燥后球团的强度测试结果如下：

实施例2

将硅酸钠、淀粉以及羧甲基纤维素钠(CMC-Na)按照质量分数76％、20％、4％的比例制备复合粘结剂，将制备好的粘结剂按照4％的配比，配加8％的水，与炼硅废弃物粉料以及低成本物料进行混匀，送入设定好成球压力为30MPa的对辊压球机进行压制。球团强度测试结果如下：

由上述强度数据可知，制备的含碳球团干燥后的落下强度、抗压强度、转鼓强度以及高温强度均很高，1.5m落下强度均在5次以上，抗压强度均在400N以上，转鼓强度均在98.5％以上，1400℃的高温强度均在1000N以上，完全能够满足炼硅需要，并且相比于现有的粘结剂效果有着较大的改进。

Claims (4)

1.一种用于制备炼硅废弃物含碳球团的粘结剂，其特征在于，所述粘结剂包括水溶性硅酸盐70～90wt％、有机烧失型材料10～30wt％；

所述的有机烧失型材料包括淀粉0～20wt％和羧甲基纤维素类化合物。

2.根据权利要求1所述的粘结剂，其特征在于，所述水溶性硅酸盐为硅酸钾或硅酸钠，或其混合物。

3.根据权利要求1所述的粘结剂，其特征在于，所述有机烧失性材料还包括有机硅树脂和环氧树脂中的一种或多种。

4.一种利用权利要求1～3任一所述的粘结剂制备球团的方法，包括：

将粘结剂与水混合，然后与球团料混合，于20～40MPa压力下压制成球；所述粘结剂的添加比为球团料的2～8％。