CN107935555A

CN107935555A - 一种镍铁渣陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN107935555A
Application number: CN201711326806.XA
Authority: CN
Inventors: 李宇; 任育鹏; 裴德健
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2018-04-20
Anticipated expiration: 2037-12-13
Also published as: CN107935555B

Abstract

本发明提供了一种镍铁渣陶瓷及其制备方法，所述方法包括：取石英、富硅铝原料、钙质原料中的一种或多种，按镍铁渣20‑65％，石英0‑10％，富硅铝原料20‑70％，钙质原料0‑30％的质量百分比与镍铁渣混合，经研磨后进行造粒、成型、烧成，得到镍铁渣陶瓷。采用本发明的制备方法，可实现镍铁渣的批量化使用，生产方法简单易行，有利于实现工业化生产；所制备的建筑陶瓷材料(陶瓷砖以及陶瓷烧结砖)和工业陶瓷等陶瓷材料晶相中含有钙长石、尖晶石、橄榄石、堇青石中一种或多种，易于烧结，力学性能优良。

Description

一种镍铁渣陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于固体废弃物资源综合利用领域，具体涉及一种镍铁渣陶瓷及其制备方法。

背景技术

近年我国镍铁冶炼所排放的镍铁渣年产量在4000万吨以上，已成为继高炉矿渣、钢渣、赤泥之后第四大冶炼渣。镍铁渣目前没有很好的利用渠道，其主要的处理方式是露天堆存或填埋，从而造成了巨大的资源浪费和环境破坏，严重制约了镍铁冶炼行业的可持续发展。

镍铁渣的开发利用，目前主要在以下三个方面：混凝土细集料、与碱激发剂复合制作复合无机聚合物、与石灰石和矾土复合制作高铝水泥。混凝土因成分的限制仅有对高炉镍铁渣的开发利用，但高炉镍铁渣中的硅氧聚合度较高，影响水化速度，因此也限制了高炉镍铁渣的掺量；无机聚合物的制作，因受到市场需求量的影响，其消耗量相比建筑材料领域，十分有限。

随着建筑陶瓷行业的迅速发展，我国陶瓷砖年产量已接近100亿m²，但是天然矿物资源日益减少，使得陶瓷砖的工业原料十分缺乏。故此，实现充分利用工业固体废弃物代替天然矿物资源生产陶瓷砖，不仅降低工业固体废弃物对环境的危害，也可以减少天然非金属矿物资源的开发，避免过度开采带来的生态系统破坏的风险。

目前关于镍铁渣应用在建筑材料上的研究主要是利用镍铁渣制备免烧砖。

公开号为CN 103771811A的中国专利中提出了一种镍铁渣自保温蒸压砖及其制备方法，其蒸压砖强度等级可达MU30。通过将粉状镍铁渣(0.18-0.25mm)、颗粒状镍铁渣(0.75-1.5mm)和钙质材料经过干搅拌、湿搅拌、打散、陈化、二次加水、轮碾制得坯料再挤压成型制成砖坯经过初期养护后送入蒸压釜制得蒸压砖。该方法不但原料要求高、工艺复杂，且成品强度较低，由于镍铁渣易磨性较差，该方法能耗较大。

公开号为CN 106082895A的中国专利中提出了一种利用镍铁渣配加适量生石灰等，经成型、静停、蒸压养护等工序制备出了透水砖。该方法制备的透水砖抗折强度为3.6MPa，透水系数为0.014cm/s，该透水砖强度较低；公开号CN104163596A公开了之中镍铁矿渣路面透水砖及其制备方法，即采用镍铁矿渣、活性微粉、水泥等原料，通过标准养护28天养护制备了透水砖，产品抗压强度可达34.6MPa，透水系数为0.005cm/s，该方法生产周期长，活性微粉需要磨制300～500目，能耗较高。

公开为CN105948508A的中国专利中提到了一种以镍铁废渣为原料采用全电熔压延法生产的微晶玻璃及其制备方法，它是以镍铁废渣为主料，以轻烧镁、磷酸二氢钙、钛白粉、花岗石和纯碱为辅料，加水混合后送至全电熔窑中在1350-1500℃温度下先熔化再在1400～1450℃温度下澄清和均化再将其经流液洞、上升道进入料道，经过料道降温后，进入压延机在1150-1250℃温度下压延成型，成型的玻璃经过退火保温后冷却出窑得到微晶玻璃。微晶玻璃制备工艺复杂、成本高、难以实现批量化生产，其对镍铁渣的利用对于镍铁渣总量来说无疑是杯水车薪。

目前尚未发现镍铁渣在陶瓷砖方面应用研究的相关报道。

发明内容

本发明实施例的目的是为了实现镍铁渣的废物利用，同时提高建筑陶瓷和工业陶瓷的性能。为了实现这一目的，本发明实施例提出了一种镍铁渣陶瓷及其制备方法，所述镍铁渣陶瓷的制备方法利用镍铁渣含氧化镁和氧化铁的特点，经过配方优化实现陶瓷晶相的优化，所制备的镍铁渣陶瓷中除了含有传统的辉石相或石英相外，还含有钙长石、尖晶石、橄榄石、堇青石相中的一种或多种晶相，制备过程易操作，可进行批量生产，从而实现大量利用镍铁渣固本废弃物并制备出具有良好性能的陶瓷产品。

根据本发明的一个方面，提供了一种镍铁渣陶瓷的制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，取石英、富硅铝原料、钙质原料中的一种或多种，按预定比例与镍铁渣混合，经研磨后得到混合料粉末；

步骤S2，将所述混合料粉末进行造粒、成型，得到陶瓷坯体；

步骤S3，将所述陶瓷坯体烧成得到镍铁渣陶瓷。

上述方案中，所述镍铁渣为高炉镍铁渣、电炉镍铁渣中的一种或两种；所述高炉镍铁渣的化学组成按质量百分比为25％<SiO₂<35％，20％<CaO<36％，20％<Al₂O₃<29％，6％<MgO<14％；所述电炉镍铁渣的化学组成按质量百分比为43％<SiO₂<58％，0.1％<CaO<12％，1％<Al₂O₃<10％，20％<MgO<40％，3％<Fe₂O₃<18％。

上述方案中，步骤S1中的所述预定比例为，以占总质量的质量百分比计，镍铁渣为20-65％，石英为0-30％，富硅铝原料为20-70％，钙质原料为0-30％。

上述方案中，所述富硅铝原料包括普通粘土、矸石、劣质粘土、页岩或长石中的一种或多种；所述钙质原料为含钙廉价矿物和/或固体废弃物。

上述方案中，所述含钙廉价矿物包括白云石、大理石及石材加工边角料；所述固体废弃物包括转炉钢渣、电炉钢渣、不锈钢冶炼渣、炼钢精炼渣、赤泥、铁合金冶炼渣。

上述方案中，所述步骤S3中的烧成温度为1120-1250℃。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种镍铁渣陶瓷，所述陶瓷由上述制备方法进行制备。

上述方案中，所述镍铁渣陶瓷的晶相中含有钙长石、尖晶石、橄榄石、堇青石中一种或多种。

上述方案中，所述镍铁渣陶瓷为普通建筑陶瓷、高强度工业用陶瓷。

本发明实施例的有益效果如下：

1、本发明利用镍铁渣制造一种新型的陶瓷材料，本实施例的陶瓷砖是对现有技术中陶瓷砖的改进，除可能含有基础的辉石相和/或石英相外，还含有钙长石、尖晶石、橄榄石、堇青石相中的至少一种晶相。这些晶相的形成，一方面能够消纳镍铁渣中大量的MgO、Fe₂O₃、CaO、Al₂O₃组分，另一方面还能够改善陶瓷的烧成和力学性能。

利用镍铁渣的问题是随镍铁渣利用量提高会带来过多的MgO、Fe₂O₃或CaO等具有熔剂作用的成分，会形成过多的液相，陶瓷难以烧成或性能难以提高。该方法利用镍铁渣同时添加石英和富硅铝原料，也可协同利用其他的含钙廉价矿物或固体废弃物，如大理石边角料、钢渣、赤泥等，控制其新生成钙长石、尖晶石、橄榄石或堇青石矿物而不是作为熔剂的液相。其中，橄榄石相、尖晶石相和堇青石相均具有较高的烧成温度和稳定高温性质。在烧结过程中，镍铁渣中MgO、Fe₂O₃、CaO等具有熔剂作用的成分大部分转化成钙长石、尖晶石、橄榄石或堇青石晶相，能够形成陶瓷材料的稳定骨架结构，从而使得生产过程中试样不易过烧和变形，保持良好的力学性能。本发明实施例保证了镍铁渣掺入量增加(利用率为25-65％)，陶瓷制品力学性能的提升。

而适量的钙长石相因为其熔点较低性能，能够起到调节烧结温度的作用。少量的MgO、Fe2O3、CaO等成分仍然可以通过控制起到熔剂作用。因此，本发明实施例的制备原料中无需大量含碱金属的长石类原料。2、本发明是一种新型的高强硅钙体系陶瓷材料，其作为陶瓷砖的抗折强度值超过60MPa，吸水率值小于2％，较优的配比下，陶瓷砖抗折强度值超过100MPa，吸水率值小于0.5％；其作为烧结砖抗压强度值超过90MPa，吸水率值小于7％，较优的配比下，陶瓷材料抗压强度值超过150MPa，吸水率值小于3％。故此可将镍铁渣用于生产普通建筑陶瓷(陶瓷砖以及陶瓷烧结砖)、高强度工业用陶瓷材料的原料和其它陶瓷基材料。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

本发明根据镍铁渣的组成特点，提出利用镍铁渣制备一种新型的镍铁渣陶瓷。镍铁渣中的氧化镁、氧化铁组分是非活性组分，制约了其在水泥行业的应用。然而制备陶瓷材料，可以实现镍铁渣中各类组分与陶瓷其他原料的充分反应，形成陶瓷的有益晶相。在制备过程中，通过镍铁渣与大理石边角料、钢渣、赤泥等廉价钙质原料、石英和富硅铝原料等陶瓷其他原料的混合、成型制坯、烧成，其中不参加反应的原料和新生成的矿物相构成陶瓷骨架，从而可提高陶瓷组分中具有熔剂作用的成分含量，使得镍铁渣使用量增加，同时在烧成过程中陶瓷坯体不易过烧和变形，烧成的陶瓷保持良好的力学性能，从而保证了镍铁渣这一固体废弃物的用量增加，镍铁渣掺入量可达65％，同时陶瓷制品力学性能得以提升。

优选的，所述镍铁渣为高炉镍铁渣、电炉镍铁渣中的一种或两种；高炉镍铁渣的化学组成按质量百分比为25％<SiO₂<35％，20％<CaO<36％，20％<Al₂O₃<29％，6％<MgO<14％；电炉镍铁渣的化学组成按质量百分比为43％<SiO₂<58％，0.1％<CaO<12％，1％<Al₂O₃<10％，20％<MgO<40％，3％<Fe₂O₃<18％。

在对镍铁渣和其他陶瓷原料进行混合的过程中，其混合原料的成分位于辉石和石英附近的钙长石、尖晶石、橄榄石、堇青石中的相区，并烧制以使这些晶相中的一种或多种为骨架的陶瓷材料，同时将有害的MgO和Fe₂O₃组分转变成有利的陶瓷材料组分和矿相，从而能够增加陶瓷材料的强度。

利用高炉镍铁渣的高含量CaO，使其在烧结过程起到熔剂作用，因其晶相的生成先于烧结致密化过程，晶相形成骨架结构以保证烧结过程材料可很好的快速致密化，实现其低温快烧节能制备较优性能的陶瓷材料。实验及应用结果证明，利用镍铁渣制备的陶瓷材料最佳烧成温度可低于1200℃，显著减少了能源消耗。

下面通过具体的实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例提供了一种镍铁渣陶瓷及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤S11，按质量百分比将高炉镍铁渣10％，电炉镍铁渣10％，钢渣10％，石英6％，普通粘土64％混合，经过湿法研磨后进行干燥得到混合料粉末；

步骤S12，将所述混合料粉末喷水造粒并陈腐后，在20-30MPa压制成型，干燥；经干燥后坯体含水率<1％；

步骤S13，将干燥后的陶瓷坯体送入陶瓷窑炉烧制，最佳烧成温度为1170℃，烧制时间为30分钟，即得到镍铁渣陶瓷。

本实施例所提供的镍铁渣陶瓷制品抗折强度为109.20MPa，吸水率0.32％，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相除传统辉石、石英相，还含有橄榄石相。

实施例2

本实施例提供了一种镍铁渣陶瓷及其制备方法，本实施例的所述制备方法与实施例1中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：高炉镍铁渣25％，电炉镍铁渣40％，普通粘土35％；所采用的烧成温度为1120℃，烧制时间为30分钟。

本实施例所提供的镍铁渣陶瓷制品，其抗折强度为98.37MPa，吸水率0.32％，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相除传统辉石、石英相，还含有橄榄石。

实施例3

本实施例提供了一种镍铁渣陶瓷及其制备方法，本实施例的所述制备方法与实施例1中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：高炉镍铁渣30％，矸石40％，普通粘土30％；所采用的烧成温度为1250℃，烧制时间为30分钟。

本实施例所提供的镍铁渣陶瓷制品，其抗折强度为84.26MPa，吸水率1.58％，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相含有钙长石、尖晶石。

实施例4

本实施例提供了一种镍铁渣陶瓷及其制备方法，本实施例的所述制备方法与实施例1中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：高炉镍铁渣55％，矸石30％，普通粘土15％；所采用的烧成温度为1220℃，烧制时间为30分钟。

本实施例所提供的镍铁渣陶瓷制品，其抗折强度为119.30MPa，吸水率1.00％，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相含有钙长石、尖晶石。

实施例5

本实施例提供了一种镍铁渣陶瓷及其制备方法，本实施例的所述制备方法与实施例1中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：高炉镍铁渣25％，钢渣25％，石英30％，普通粘土20％；所采用的烧成温度为1150℃，烧制时间为30分钟。

本实施例所提供的镍铁渣陶瓷制品，其抗折强度为96.52MPa，吸水率0.51％，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相除传统辉石、石英相，还含有钙长石。

实施例6

本实施例提供了一种镍铁渣陶瓷及其制备方法，本实施例的所述制备方法与实施例1中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：高炉镍铁渣20％，电炉镍铁渣5％，钢渣25％，石英25％，普通粘土25％；所采用的烧成温度为1150℃，烧制时间为30分钟。

本实施例所提供的镍铁渣陶瓷制品，其抗折强度为110.70MPa，吸水率0.39％，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相除传统辉石、石英相，还含有钙长石。

实施例7

步骤S71，按质量百分比将电炉镍铁渣30％，劣质粘土70％经破碎或干磨混合得到混合料粉末；

步骤S72，将所述混合料粉末陈腐、成型和干燥；经干燥后坯体含水率<1％；

步骤S73，将干燥后的陶瓷坯体送入陶瓷窑炉烧制，最佳烧成温度为1180℃，烧制时间为30分钟，即得到镍铁渣陶瓷。

本实施例所提供的镍铁渣陶瓷制品，其抗压强度为173.1MPa，吸水率3.86％，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相除传统辉石、石英相，还含有堇青石。

实施例8

本实施例提供了一种镍铁渣陶瓷及其制备方法，本实施例的所述制备方法与实施例7中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：电炉镍铁渣40％，劣质粘土60％。

本实施例所提供的镍铁渣陶瓷制品，其抗压强度为132.8MPa，吸水率5.24％，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相除传统辉石相、石英，还含有堇青石。

实施例9

本实施例提供了一种镍铁渣陶瓷及其制备方法，本实施例的所述制备方法与实施例7中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：电炉镍铁渣30％，普通粘土40％，转炉钢渣30％。

本实施例所提供的镍铁渣陶瓷制品，其抗压强度为90.8MPa，吸水率7.54％，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相除传统辉石、石英相，还含有堇青石。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种镍铁渣陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S3，将所述陶瓷坯体烧成得到镍铁渣陶瓷。

2.根据权利要求1所述的镍铁渣陶瓷制备方法，其特征在于，所述镍铁渣为高炉镍铁渣、电炉镍铁渣中的一种或两种；所述高炉镍铁渣的化学组成按质量百分比为25％<SiO₂<35％，20％<CaO<36％，20％<Al₂O₃<29％，6％<MgO<14％；所述电炉镍铁渣的化学组成按质量百分比为43％<SiO₂<58％，0.1％<CaO<12％，1％<Al₂O₃<10％，20％<MgO<40％，3％<Fe₂O₃<18％。

3.根据权利要求1所述的镍铁渣陶瓷制备方法，其特征在于，步骤S1中的所述预定比例为，以占总质量的质量百分比计，镍铁渣为20-65％，石英为0-30％，富硅铝原料为20-70％，钙质原料为0-30％。

4.根据权利要求1所述的镍铁渣陶瓷制备方法，其特征在于，所述富硅铝原料包括普通粘土、矸石、劣质粘土、页岩或长石中的一种或多种；所述钙质原料为含钙廉价矿物和/或固体废弃物。

5.根据权利要求4所述的镍铁渣陶瓷制备方法，其特征在于，所述含钙廉价矿物包括白云石、大理石及石材加工边角料；所述固体废弃物包括转炉钢渣、电炉钢渣、不锈钢冶炼渣、炼钢精炼渣、赤泥、铁合金冶炼渣。

6.根据权利要求1所述的镍铁渣陶瓷制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的烧成温度为1120-1250℃。

7.一种镍铁渣陶瓷，其特征在于，所述陶瓷由权利要求1至6任一项中的制备方法进行制备。

8.根据权利要求7所述的镍铁渣陶瓷，其特征在于，所述镍铁渣陶瓷的晶相中含有钙长石、尖晶石、橄榄石、堇青石中一种或多种。

9.根据权利要求7所述的镍铁渣陶瓷，其特征在于，所述镍铁渣陶瓷为普通建筑陶瓷、高强度工业用陶瓷。