CN106810281B - 一种利用镍铁渣制备得到的镁橄榄石耐火砖的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用镍铁渣制备得到的镁橄榄石耐火砖的制备方法，以镍铁渣为原料，添加镁砂细粉，通过调控各组分的质量比，来控制烧制过程液相的生成量，从而提高耐火砖的体积密度、耐压强度，降低烧成温度，控制各组分质量比满足：MgO/SiO2＝0.98‑1.67，MgO/FeO＝5.87‑7.71，MgO/Al2O3＝11.23‑17.6，Al2O3/SiO2＝0.087‑0.095，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)＝0.95‑1.59，同时，外加水和结合剂，混合均匀，压制成型，干燥处理；处理后在1200℃‑1350℃下焙烧2‑3.5h，烧成过程中采用氧化气氛，制得镁橄榄石耐火砖。本发明具有资源利用率高、环境友好、工艺简单、生产成本低等诸多优点。利用镍铁渣制备得到的镁橄榄石砖的耐压强度高、体积密度大、气孔率低、抗热震性能好。

Description

一种利用镍铁渣制备得到的镁橄榄石耐火砖的方法
技术领域
本发明属于耐火材料领域，具体涉及一种利用镍铁渣制备得到的镁橄榄石耐火砖的制备方法
背景技术
镁橄榄石属弱碱性耐火材料，具有强度高、熔点高、化学和矿物稳定性好、热导率低，且与大多数的碱性耐火材料具有良好的相容性等特点，因此广泛应用于冶金、热工以及铸造行业。现有的镁橄榄石耐火砖耐压强度为22.6-51MPa，显气孔率为17.2-22.1％，体积密度为2.43-2.67g/cm3。目前，作为镁橄榄石质耐火材料的原料主要有天然镁橄榄石和利用镁质与硅质原料合成镁橄榄石两种。由于天然镁橄榄石难以直接进行烧制耐火砖，且天然镁橄榄石中含有较多的铁、钙、铝等杂质，严重影响了其在冶金领域的应用。利用镁质与硅质原料合成镁橄榄石耐火材料的原料主要包括直接利用纯物质合成和利用非纯物质合成两种，直接利用纯物质合成的镁橄榄石耐火材料的原料性能高于天然原料，但是所需的条件比较苛刻，尤其是温度条件，不利于大规模生产；国内外均有采用非纯物质，如铁尾矿、硼泥、镍铁渣、蛇纹石尾矿等为原料，通过适当的调节成分，生产质量合格的镁橄榄石质耐火材料的例子。随着镁橄榄石耐火砖在高温热工设备中的广泛应用，制备镁橄榄石的菱镁矿等镁质耐火原料将日益紧张，而以尾矿渣等二次资源为原料，生产质量合格的镁橄榄石质耐火材料，具有广阔的应用前景。
近年来，随着红土矿火法冶炼镍铁合金规模逐步扩大，红土镍矿冶炼镍铁渣的排放量逐渐增多,约占冶金渣总排放量的五分之一，成为第四大固体废物。与其他冶金渣相比，镍铁渣有价金属回收价值低，排放量大，已逐步成为冶金废渣处理的一大难题。目前，镍铁渣的处理方式主要以堆存和填埋为主，少部分用于建筑原料，比如用于生产碱激发水泥、用于改善混凝土级配问题、用于生产透水砖等。简单的堆存、填埋不仅占用了大量的土地资源，还带来了严重的环境污染，不利用镍铁冶炼的可持续发展。而镍铁渣中镁、硅含量高，钙含量低，导致其在水泥、混凝土中配入的量很低，镍铁渣的使用量小，附加价值低。因此，开发研究一条简单高效的利用镍铁渣的生产工艺，提高镍铁渣的附加价值，对于镍铁冶炼的健康可持续发展具有重要的意义。
发明内容
本发明旨在提供一种工艺简单、生产成本低、资源利用率高、环境友好的利用镍铁渣制备得到的镁橄榄石耐火砖及其制备方法。利用此方法生产得到的镁橄榄石耐火砖与现有的镁橄榄石耐火砖相比具有耐压强度高、体积密度大、气孔率低等诸多优点，具有很好的产业前景。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：以镍铁渣为原料，添加镁砂细粉，并控制各组分质量比满足：MgO/SiO2＝0.98-1.67，MgO/FeO＝5.87-7.71，MgO/Al2O3＝11.23-17.6，Al2O3/SiO2＝0.087-0.095，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)＝0.95-1.59，同时，外加水和结合剂，混合均匀，压制成型，干燥处理；处理后在1200℃-1350℃下焙烧2-3.5h，烧成过程中采用氧化气氛，制得镁橄榄石耐火砖。
所述的氧化气氛中氧气含量为21％-35％。
85％以上的镍铁渣颗粒的粒径小于0.088mm。
85％以上的镁砂细粉颗粒的粒径小于0.088mm。
所述的结合剂为氯化镁溶液或腐殖酸。
所述的氯化镁溶液的浓度为1.15-1.35g/cm3，添加量为4-6wt.％。
所述的腐殖酸的添加量为4-5wt.％。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明以镍铁渣为原料，变废为宝，环境友好，很好解决了镍铁渣处理的难题，同时本发明可最大限度的利用镍铁渣，镍铁渣的利用率可达85％。
镁橄榄石耐火砖所需外加的原料种类少(只需添加少量镁砂)，工艺简单、生产条件易于控制，易于实现工业生产。
本发明利用镍铁渣为原料制备镁橄榄石耐火砖所用的烧结温度比采用天然镁橄榄石为原料制备镁橄榄石耐火砖所用的烧结温度低，且只需一段烧成，可提高生产工艺的适应性，有利于保障较高的生产效益。
发明人通过对镍铁渣深入的研究，反复尝试，终于发现，通过添加镁砂，并使得原料的MgO/SiO2，MgO/FeO，MgO/Al2O3，Al2O3/SiO2，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)控制在本发明的范围内，同时通过控制烧成气氛，控制烧成过程，从而得到具有本发明优异性能的耐火砖。
在800℃左右时，镍铁渣中的铁橄榄石很快分解，除形成镁橄榄石外，形成Fe2O3和非晶质的SiO2，1080℃时，SiO2部分与镁橄榄石反应生成顽火辉石。在烧成过程中，镁砂细粉在高温下转变成为高度分散的高活性氧化镁，高活性氧化镁会与镍铁渣中的镁铁橄榄石在氧化气氛中分解出来的二氧化硅、氧化铁及顽火辉石发生反应，更重要的是，本发明通过控制原料中的MgO/SiO2，MgO/FeO，MgO/Al2O3，Al2O3/SiO2，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)，最终使得分解出来的二氧化硅、氧化铁能够完全转变为高耐火度相。同时，反应过程中产生的液相能够加快反应速度，降低烧成温度，减小气孔尺寸，降低耐火砖的显气孔率，从而使得耐火砖具有高的体积密度和抗压强度。
因此，本发明具有工艺简单，生产成本低，环境友好的特点。利用镍铁渣制备得到的镁橄榄石砖的耐压强度高、体积密度大、气孔率低、抗热震性能好等优点，具有很好的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
为避免重复，现将本具体实施方式所涉及的原料统一描述如下，具体实施例中不再赘述：
所述镍铁渣的主要化学成分是：SiO2含量≥47.81％，MgO含量≥30.22％，FeO含量≤10％，CaO含量≤2.6％，Al2O3含量≤4.25％。
对比例1
以镍铁渣为原料，添加适量镁砂细粉，控制各组分质量比满足：MgO/SiO2＝0.86，MgO/FeO＝5.55，MgO/Al2O3＝9.95，Al2O3/SiO2＝0.086，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)＝0.84；外加所述原料10-12wt.％的水，4-5wt.％的氯化镁溶液，混合均匀，在100-150MPa压力下压制成型，干燥处理；处理后在氧化气氛1300-1350℃下焙烧2-3h，制得镁橄榄石耐火砖。
所述的氧化气氛中氧气含量为21％-25％。
所述的镍铁渣的粒径为85.21％小于0.088mm。
所述的镁砂的粒径为85.45％小于0.088mm。
所述的氯化镁溶液的浓度为1.2-1.35g/cm3。
本对比例1利用镍铁渣制备的镁橄榄石耐火砖：耐火度为1450-1480℃，耐压强度为45.7-46.1Mpa，体积密度为2.21-2.25g/cm3，显气孔率为35.76-36.24％。
实施例1
以镍铁渣为原料，添加适量镁砂细粉，控制各组分质量比满足：MgO/SiO2＝0.98，MgO/FeO＝5.87，MgO/Al2O3＝11.23，Al2O3/SiO2＝0.087，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)＝0.95；外加所述原料10-12wt.％的水，4-5wt.％的氯化镁溶液，混合均匀，在100-150MPa压力下压制成型，干燥处理；处理后在氧化气氛1200-1250℃下焙烧2-3h，制得镁橄榄石耐火砖。
所述的氧化气氛中氧气含量为21％-25％。
所述的镍铁渣的粒径为89.21％小于0.088mm。
所述的镁砂的粒径为89.45％小于0.088mm。
所述的氯化镁溶液的浓度为1.2-1.35g/cm3。
本实施例2利用镍铁渣制备的镁橄榄石耐火砖：耐火度为1510-1540℃，耐压强度为88.7-89.3Mpa，体积密度为2.41-2.45g/cm3，显气孔率为26.57-26.66％。
实施例2
以镍铁渣为原料，添加适量镁砂细粉，控制各组分质量比满足：MgO/SiO2＝0.98，MgO/FeO＝5.87，MgO/Al2O3＝11.23，Al2O3/SiO2＝0.087，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)＝0.95；外加所述原料12-15wt.％的水，5-6wt.％的氯化镁溶液，混合均匀，在100-150MPa压力下压制成型，干燥处理；处理后在氧化气氛1300-1350℃下焙烧2-3h，制得镁橄榄石耐火砖。
所述的氧化气氛中氧气含量为21％-25％。
所述的镍铁渣的粒径为89.21％小于0.088mm。
所述的镁砂的粒径为89.45％小于0.088mm。
所述的氯化镁溶液的浓度为1.2-1.35g/cm3。
本实施例2利用镍铁渣制备的镁橄榄石耐火砖：耐火度为1580-1610℃，耐压强度为105.7-106.9Mpa，体积密度为2.79-2.88g/cm3，显气孔率为5.8-6.01％。
实施例3
以镍铁渣为原料，添加适量镁砂细粉，控制各组分质量比满足：MgO/SiO2＝1.12，MgO/FeO＝6.33，MgO/Al2O3＝12.63，Al2O3/SiO2＝0.089，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)＝1.08；外加所述原料12-14wt.％的水，5-6wt.％的氯化镁溶液，混合均匀，在100-150MPa压力下压制成型，干燥处理；处理后在氧化气氛1300-1350℃下焙烧2.5-3.5h，制得镁橄榄石耐火砖。
所述的氧化气氛中氧气含量为25％-30％。
所述的镍铁渣的粒径为88.42％小于0.088mm。
所述的镁砂的粒径为88.57％小于0.088mm。
所述的氯化镁溶液的浓度为1.25-1.35g/cm3。
本实施例3利用镍铁渣制备的镁橄榄石耐火砖：耐火度为1620-1670℃，耐压强度为117.5-119.6Mpa，体积密度为2.89-2.93g/cm3，显气孔率为0.91-1.01％。
实施例4
以镍铁渣为原料，添加适量镁砂细粉，控制各组分质量比满足：MgO/SiO2＝1.67，MgO/FeO＝7.71，MgO/Al2O3＝17.60，Al2O3/SiO2＝0.095，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)＝1.59；外加所述原料12-14wt.％的水，5-6wt.％的氯化镁溶液，混合均匀，在100-150MPa压力下压制成型，干燥处理；处理后在氧化气氛1300-1350℃下焙烧2.5-3.5h，制得镁橄榄石耐火砖。
所述的氧化气氛中氧气含量为30％-35％。
所述的镍铁渣的粒径为90.63％小于0.088mm。
所述的镁砂的粒径为91.55％小于0.088mm。
所述的氯化镁溶液的浓度为1.25-1.35g/cm3。
本实施例4利用镍铁渣制备的镁橄榄石耐火砖：耐火度为1630-1680℃，耐压强度为100.5-105.6Mpa，体积密度为2.36-2.43g/cm3，显气孔率为20.94-21.01％。
实施例5
以镍铁渣为原料，添加适量镁砂细粉，控制各组分质量比满足：MgO/SiO2＝1.12，MgO/FeO＝6.33，MgO/Al2O3＝12.63，Al2O3/SiO2＝0.089，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)＝1.08；外加所述原料13-15wt.％的水，4-5wt.％的腐殖酸，混合均匀，在100-150MPa压力下压制成型，干燥处理；处理后在氧化气氛1300-1350℃下焙烧2-3h，制得镁橄榄石耐火砖。
所述的氧化气氛中氧气含量为21％-25％。
所述的镍铁渣的粒径为92.11％小于0.088mm。
所述的镁砂的粒径为93.35％小于0.088mm。
本实施例5利用镍铁渣制备的镁橄榄石耐火砖：耐火度为1610-1660℃，耐压强度为87.5-89.6Mpa，体积密度为2.27-2.33g/cm3，显气孔率为26.88-27.78％。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方案。

Claims (8)

1.一种利用镍铁渣制备镁橄榄石耐火砖的方法，其特征在于：以镍铁渣为原料，添加镁砂细粉，并控制各组分质量比满足：MgO/SiO2＝0.98-1.67，MgO/FeO＝5.87-7.71，MgO/Al2O3＝11.23-17.6，Al2O3/SiO2＝0.087-0.095，(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)＝0.95-1.59，同时，外加水和结合剂，混合均匀，压制成型，干燥处理；处理后在1200℃-1350℃下焙烧2-3.5h，烧成过程中采用氧化气氛，制得镁橄榄石耐火砖。
2.根据权利要求1所述的利用镍铁渣制备镁橄榄石耐火砖的方法，其特征在于：所述的氧化气氛中氧气含量为21％-35％。
3.根据权利要求1所述的利用镍铁渣制备镁橄榄石耐火砖的方法，其特征在于：85％以上的镍铁渣颗粒粒径小于0.088mm。
4.根据权利要求1所述的利用镍铁渣制备镁橄榄石耐火砖的方法，其特征在于：85％以上的镁砂细粉颗粒粒径小于0.088mm。
5.根据权利要求1所述的利用镍铁渣制备镁橄榄石耐火砖的方法，其特征在于：所述的水的用量为所述原料的10-15wt.％。
6.根据权利要求1所述的利用镍铁渣制备镁橄榄石耐火砖的方法，其特征在于：所述的结合剂为氯化镁溶液或腐殖酸。
7.根据权利要求6所述的利用镍铁渣制备镁橄榄石耐火砖的方法，其特征在于：所述的氯化镁溶液的浓度为1.15-1.35g/cm3，添加量为所述原料的4-6wt.％。
8.根据权利要求6所述的利用镍铁渣制备镁橄榄石耐火砖的方法，其特征在于：所述的腐殖酸的添加量为所述原料的4-5wt.％。
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