CN105418060A - 一种利用不锈钢渣制备含铬尖晶石材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用不锈钢渣制备含铬尖晶石材料的方法，属于冶金固废资源综合利用技术领域。该方法首先将不锈钢渣破碎研磨成200目以下的粉末，然后加入一定比例的浓硫酸，搅拌后置于电炉中加热至310℃使之产生酸解反应，经固液分离获得硫酸钙；调整滤液pH值至2.5，置于高压反应釜中使硅酸产生SiO2沉淀并分离出来，经干燥处理获得白碳黑；最终将滤液进行真空冷冻干燥，真空度3mTorr，温度在-60℃，干燥后得到固态含铬尖晶石前驱体，将前驱体在1100℃下焙烧2h后研磨并压块，然后在1300-1500℃煅烧3-5h后制得含铬尖晶石材料。本发明不仅充分利用了不锈钢渣中有价组分，制备出性能良好的含铬尖晶石材料和超细白碳黑材料，同时消除了不锈钢渣中铬对环境的危害。

Description

一种利用不锈钢渣制备含铬尖晶石材料的方法
技术领域：
本发明属于冶金固废资源综合利用技术领域，具体涉及一种利用不锈钢渣制备含铬尖晶石材料的方法。
背景技术：
典型尖晶石组成是AB2O4，A代表二价金属离子如：Mg2+，Fe2+等，B代表三价金属离子如：Al3+、Fe3+、Cr3+等。由Mg、Cr、Al、Fe元素组成尖晶石中，二元含铬尖晶石，如：镁铬尖晶石(MgCr2O4)、铁铬尖晶石(FeCr2O4)等，由于尖晶石具有固溶特性，因此出现了复杂的尖晶石类型，如：镁铝铬尖晶石[Mg(Al,Cr)2O4]、镁铬铝铁尖晶石[(Mg,Mn,Fe)(Cr,Al,Fe)2O4]等。它们都具有高熔点，良好的热震稳定性以及抗渣侵蚀性等一系列优越性能，被广泛应用于水泥窑炉内衬耐火材料，钢包精炼耐火材料。
迄今为止，合成尖晶石方法主要采用烧结反应法、电熔反应法、化学反应合成法等。文献报道较多，如“镁铝尖晶石粉体的制备方法”(《中国陶瓷》，2008，(7):pp3～5)；“镁铬尖晶石粉体材料的制取及应用”(《中国搪瓷》，2003，(Z1):pp52～54)，“氧化镁铁铝尖晶石耐火材料的制备”(《硅酸盐通报》，2009，(6)：pp1143～1148)。文献报道所采用的化工原料和矿物原料加以制备而来，生产成本较高。
不锈钢渣是在冶炼不锈钢过程中产生的，分为电炉渣和转炉渣。其主要化学成分有：CaO、SiO2、Al2O3、MgO和FeOx，其中还含有2-10wt％铬氧化物，而未经处理的不锈钢渣中的铬是以多价态形式(Cr2+、Cr3+)存在，不同价态的铬分别赋存于不同的含铬矿物相中。已有研究表明：在空气与碱性CaO的作用下，不锈钢渣中的Cr3+由于时效转化生成Cr6+，Cr6+容易浸出污染水源，对生态、环境产生极大毒害。因此，铬属于我国《重金属污染综合防治“十二五”规划》中力求控制的五种重金属之一。目前，许多研究人员采用还原固化法处理不锈钢渣，将渣中Cr6+还原成Cr3+，Cr3+进入尖晶石晶格中进行固化和封存，降低不锈钢渣堆存对环境的污染。而从不锈钢渣中将铬氧化物以材料形式直接提取未见报道。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种利用不锈钢渣制备含铬尖晶石材料的方法，本发明以不锈钢渣为原料制备含铬尖晶石材料，不仅获得性能良好的耐高温材料，而且消除渣中铬对环境的污染。
本发明所提供的一种利用不锈钢渣制备含铬尖晶石材料的方法具体步骤如下：
(1)将不锈钢渣烘干、破碎、研磨至200目以下的不锈钢渣粉体，所述不锈钢渣为电炉渣或转炉渣；
(2)按照酸与渣的质量比(2-5)：1，分别称取98wt％浓硫酸和所述不锈钢渣粉体；
(3)将所述不锈钢渣粉体置于瓷坩埚中，按照所述不锈钢渣粉体与去离子水的质量比为1：1，加入去离子水调成糊状后，将所述98wt％浓硫酸缓慢加入，同时进行搅拌得到酸渣混合物；
(4)将所述酸渣混合物置于加热炉中，加热温度控制在310℃，反应3-7h后得到反应产物；
(5)将步骤(4)得到的所述反应产物，用去离子水进行浸取，浸取7-10h后得到浸取产物；
(6)将所述步骤(5)得到的所述浸取产物经过过滤，去除沉淀物得到滤液，沉淀物主要是硫酸钙不溶物；
(7)将氨水加入到步骤(6)得到的所述滤液中，使经氨水处理后的滤液的pH值维持在2.5，然后将所述经氨水处理后的滤液移至高压反应釜中，充入压缩空气，使压力达到0.6MPa，然后加热至120℃，反应2-5h后得到反应产物；
(8)将所述步骤(7)得到的反应产物进行过滤，得到以SiO2为主的沉淀物及多离子混合溶液，将所述以SiO2为主的沉淀物和所述多离子混合溶液分别进行真空冷冻干燥，真空度维持在3mTorr，温度维持在-60℃，干燥24-36h后得到白碳黑和含铬尖晶石前驱体；
(9)将步骤(8)得到的所述含铬尖晶石前驱体在1100℃焙烧2h，然后研磨并压块，在温度1300-1500℃保温3-5h进行煅烧，最后制得所述含铬尖晶石材料。
本发明具有以下技术特点：
1、通过酸解反应，使渣中钙组分以硫酸钙沉淀。
2、通过调节滤液pH值，并在一定温度下和高压条件下，使生成的硅酸以SiO2沉淀得以分离，干燥处理得到白碳黑；最终滤液中含有镁、铬、铁、铝、锰离子；将滤液冷冻干燥，获得含铬尖晶石前驱体，经过热处理获得含铬尖晶石材料。
附图说明：
图1采用不锈钢渣(电炉渣)制备得到的含铬尖晶石的X-射线衍射图谱；
图2采用不锈钢渣(转炉渣)制备得到的含铬尖晶石的X-射线衍射图谱。
具体实施方式：
实施例1：利用不锈钢渣(电炉渣)制备含铬尖晶石。
将不锈钢渣(电炉渣)烘干，破碎、粉磨至200目以下，得到不锈钢渣粉末；经分析，钢渣主要成分为：40.29wt％CaO，26.77wt％SiO2，10.60wt％MgO，4.58wt％Al2O3，7.95wt％Cr2O3，5.29wt％Fe2O3，0.82wt％MnO。称取100g粉末，置于瓷坩埚中，按照质量比1：1，加入去离子水调成糊状；量取98wt％硫酸溶液270ml硫酸溶液按照缓慢加入钢渣粉末中，同时进行搅拌，然后在电炉中加热至310℃使渣发生酸解反应7h；取出加入去离子水进行浸取10h，过滤除去以硫酸钙为主的沉淀物，滤液移至高压反应釜中，使用氨水将滤液的pH值调至2.5，充入压缩空气使压力达到0.6MPa，加热至120℃，反应5h后，硅酸转变为SiO2并沉淀，再进行过滤分离；获得的以SiO2为主的沉淀物和含有镁、铬、铁、铝、锰离子的滤液，将其分别进行真空冷冻干燥，真空度维持在3mTorr，温度维持在-60℃，干燥时间为24h；分别得到了白碳黑和固态含铬尖晶石前驱体；将固态含铬尖晶石前驱体预先在1100℃焙烧2h；研磨并压块，于1500℃保温3h煅烧，经X-射线衍射和能谱分析(见图1)，确定获得了含铬尖晶石材料。
实施例2：利用不锈钢渣(转炉渣)制备含铬尖晶石。
经分析，不锈钢渣(转炉渣)主要成分为：38.72wt％CaO，13.99wt％SiO2，3.72wt％MgO，3.23wt％Al2O3，0.99wt％Cr2O3，32.53wt％Fe2O3，1.75wt％MnO。称取不锈钢渣(转炉渣)粉末100g，置于瓷坩埚中，按照质量比1：1，加入去离子水调成糊状；量取98wt％硫酸溶液110ml硫酸溶液按照缓慢加入钢渣粉末中，同时进行搅拌，然后在电炉中加热至310℃使渣发生酸解反应3h；取出加入去离子水进行浸取5h，过滤除去以硫酸钙为主的沉淀物，滤液移至高压反应釜中，使用氨水将滤液的pH值调至2.5，充入压缩空气使压力达到0.6MPa，加热至120℃，反应2h后，硅酸转变为SiO2并沉淀，再进行过滤分离；获得的以SiO2为主的沉淀物和含有镁、铬、铁、铝、锰离子的滤液，将其分别进行真空冷冻干燥，真空度维持在3mTorr，温度维持在-60℃，干燥时间为24h；分别得到了白碳黑和固态含铬尖晶石前驱体；将固态含铬尖晶石前驱体预先在1100℃焙烧2h；研磨并压块，于1500℃保温5h煅烧，经X-射线衍射和能谱分析(见图2)，确定获得了含铬尖晶石材料。

Claims (1)

1.一种利用不锈钢渣制备含铬尖晶石材料的方法，其特征在于该方法具体步骤如下：
(1)将不锈钢渣烘干、破碎、研磨至200目以下的不锈钢渣粉体，所述不锈钢渣为电炉渣或转炉渣；
(2)按照酸与渣的质量比(2-5)：1，分别称取98wt％浓硫酸和所述不锈钢渣粉体；
(3)将所述不锈钢渣粉体置于瓷坩埚中，按照所述不锈钢渣粉体与去离子水的质量比为1：1，加入去离子水调成糊状后，将所述98wt％浓硫酸缓慢加入，同时进行搅拌得到酸渣混合物；
(4)将所述酸渣混合物置于加热炉中，加热温度控制在310℃，反应3-7h后得到反应产物；
(5)将步骤(4)得到的所述反应产物，用去离子水进行浸取，浸取7-10h后得到浸取产物；
(6)将所述步骤(5)得到的所述浸取产物经过过滤，去除沉淀物得到滤液；
(7)将氨水加入到步骤(6)得到的所述滤液中，使经氨水处理后的滤液的pH值维持在2.5，然后将所述经氨水处理后的滤液移至高压反应釜中，充入压缩空气，使压力达到0.6MPa，然后加热至120℃，反应2-5h后得到反应产物；
(8)将所述步骤(7)得到的反应产物进行过滤，得到以SiO2为主的沉淀物及多离子混合溶液，将所述以SiO2为主的沉淀物和所述多离子混合溶液分别进行真空冷冻干燥，真空度维持在3mTorr，温度维持在-60℃，干燥24-36h后得到白碳黑和含铬尖晶石前驱体；
(9)将步骤(8)得到的所述含铬尖晶石前驱体在1100℃焙烧2h，然后研磨并压块，在温度1300-1500℃保温3-5h进行煅烧，最后制得所述含铬尖晶石材料。
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