CN107964571A - 一种镍渣制备粒铁和多孔陶瓷的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镍渣制备粒铁和多孔陶瓷的系统，该系统包括第一原料处理系统、第一转底炉、磁选装置、第二原料处理系统以及第二转底炉。本发明同时还提供了一种制备粒铁和多孔陶瓷的方法，该方法包括以下步骤：将原料经第一原料处理系统处理后，得到第一成型产物；将碳质原料、第一成型产物进行还原处理，得到还原产物；将还原产物经磁选装置进行分离，得到粒铁和非磁性产物；将非磁性产物、菱镁矿和水玻璃经第二原料处理系统处理后，得到第二成型产物；将第二成型产物进行焙烧处理，得到多孔陶瓷产品。本发明的上述系统和方法将镍渣、硼泥等固废综合利用，硼泥中B2O3在促进镍渣还原的同时，还促进了多孔陶瓷的形成。

Description

一种镍渣制备粒铁和多孔陶瓷的系统和方法
技术领域
本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种镍渣制备粒铁和多孔陶瓷的系统和方法。
背景技术
镍渣是在冶炼金属镍的过程中排放的一种工业废渣。采用闪速炉熔炼法生产1吨镍需排出6～16吨镍渣。目前我国每年约产生90万吨镍渣。镍渣的化学成分与高炉矿渣类似，但在含量上有所差异。镍渣中铁主要以硅酸铁形式存在，少量以Fe2O3形式存在，是熔融物经水淬后形成的粒化炉渣，也有不经过水淬而直接外排的情况。
硼泥是以硼镁矿石为原料，采用碳碱法生产硼砂以及硼酸等硼化工产物剩余的废弃物。现有技术中利用硼泥制备陶瓷时硼泥中的硼等有价元素未得到有效利用，而进入到多孔陶瓷中，造成资源浪费。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种镍渣制备粒铁和多孔陶瓷的系统和方法，该系统和方法能够同时解决镍渣、硼泥等固废综合利用的问题。
根据本发明的一方面，提供一种镍渣制备粒铁和多孔陶瓷的系统，该系统包括：
第一原料处理系统，所述第一原料处理系统包括镍渣入口、硼泥入口、碳质原料入口、水玻璃入口和第一成型产物出口；
第一转底炉，所述第一转底炉包括第一成型产物入口、碳质原料入口和还原产物出口，所述第一成型产物入口与所述第一原料处理系统的第一成型产物出口相连；
磁选装置，所述磁选装置包括还原产物入口、粒铁出口和非磁性产物出口，所述还原产物入口与所述第一转底炉的还原产物出口相连；
第二原料处理系统，所述第二原料处理系统包括非磁性产物入口、菱镁矿入口、水玻璃入口和第二成型产物出口，所述非磁性产物入口与磁选装置的非磁性产物出口相连；
第二转底炉，所述第二转底炉包括第二成型产物入口和多孔陶瓷产品出口，所述第二成型产物入口与第二原料处理系统的第二成型产物出口相连。
根据本发明的一个实施例，第一原料处理系统包括混料装置、成型装置和烘干装置以及第二原料处理系统包括混料装置、成型装置和烘干装置。
根据本发明的一个实施例，磁选装置为干式磁选装置。
根据本发明的另一方面，提供一种使用上述系统制备粒铁和多孔陶瓷的方法，该方法包括下列步骤：
1)将镍渣、硼泥、碳质原料和水玻璃按比例添加至第一原料处理系统，经第一原料处理系统处理后，得到第一成型产物；
2)将碳质原料、第一成型产物依次布入第一转底炉内进行还原处理，得到还原产物；
3)将还原产物经磁选装置进行分离，得到粒铁和非磁性产物；
4)将非磁性产物、菱镁矿和水玻璃按比例添加至第二原料处理系统，经第二原料处理系统处理后，得到第二成型产物；
5)将第二成型产物送入第二转底炉进行焙烧处理，得到多孔陶瓷产品。
根据本发明的一个实施例，步骤1)中镍渣包括TFe 35～45wt％，S 0.5～1.0wt％，SiO2 30～35wt％，Al2O3 1～3wt％，MgO 4～8wt％，CaO 1～4wt％以及余量的杂质。
根据本发明的一个实施例，步骤1)中硼泥中MgO含量大于40wt％、SiO2含量大于30wt％、B2O3含量大于3wt％，并且硼泥的加入量为镍渣质量的10～30％。
根据本发明的一个实施例，步骤1)中碳质原料的加入量为镍渣质量的10～30％。例如，碳质原料包括无烟煤、烟煤、半焦、焦炭、炭黑、石油焦中的一种或几种。
根据本发明的一个实施例，步骤1)中水玻璃的用量为镍渣质量的1～3％，其模数n为2.6～2.9。
根据本发明的一个实施例，步骤2)中碳质原料的用量为第一成型产物质量的5～10％。
根据本发明的一个实施例，步骤2)中碳质原料的粒度为0.5～1mm。
根据本发明的一个实施例，步骤2)中第一转底炉的还原温度为1400～1450℃，还原时间为20～40分钟。
根据本发明的一个实施例，步骤4)中菱镁矿的加入量为非磁性产物质量的30～50％。
根据本发明的一个实施例，步骤4)中菱菱镁矿中MgO含量大于45％。
根据本发明的一个实施例，步骤4)中菱菱镁矿中粒度小于0.5mm的菱镁矿占80％～90％。
根据本发明的一个实施例，步骤4)中菱水玻璃的用量为非磁性产物质量的1～3％。
根据本发明的一个实施例，步骤5)中第二转底炉的焙烧温度为1100～1300℃，焙烧时间为40～60分钟。其中，第二转底炉内进料区温度1100～1200℃，焙烧区温度1200～1300℃，出料区温度1150～1250℃。
根据本发明的一个实施例，第一成型产物的水分含量小于2％。
根据本发明的一个实施例，步骤4)中第二原料处理系统所用成型压力为20～30MPa。
通过使用本发明的上述系统和方法，可以获得以下多种有益效果：
(1)将镍渣、硼泥等固废综合利用，硼泥中B2O3在促进镍渣还原的同时，还促进了多孔陶瓷的形成；
(2)本发明在实现铁回收的同时，还综合利用了其中的SiO2和MgO，由此解决了镍渣制备粒铁后尾渣利用价值低的问题；
(3)在制备多孔陶瓷时SiO2、MgO等均可作为有价元素，生成的镁橄榄石质多孔陶瓷具有耐高温、弯曲强度高等优点，1吨产物的成本能够降低50-70元。
附图说明
图1是根据本发明的镍渣制备粒铁和多孔陶瓷的系统的结构示意图；
图2是根据本发明的镍渣制备粒铁和多孔陶瓷的方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的镍渣制备粒铁和多孔陶瓷的系统总体包括第一原料处理系统100、第一转底炉200、磁选装置300、第二原料处理系统400以及第二转底炉500。
第一原料处理系统100包括镍渣入口、硼泥入口、碳质原料入口、水玻璃入口和第一成型产物出口。第一原料处理系统100可以由混料装置、成型装置和烘干装置组合而成，其用于将原料混合、成型并进行烘干。
第一转底炉200包括第一成型产物入口、碳质原料入口和还原产物出口。第一成型产物入口与所述第一原料处理系统100的第一成型产物出口相连。
磁选装置300包括还原产物入口、粒铁出口和非磁性产物出口。还原产物入口与第一转底炉200的还原产物出口相连。磁选装置300可以选用干式磁选装置等。
第二原料处理系统400包括非磁性产物入口、菱镁矿入口、水玻璃入口和第二成型产物出口。非磁性产物入口与磁选装置300的非磁性产物出口相连。第二原料处理系统400也可以由混料装置、成型装置和烘干装置组合而成，其用于将原料混合、成型并进行烘干。
第二转底炉500包括第二成型产物入口和多孔陶瓷产品出口。第二成型产物入口与第二原料处理系统400的第二成型产物出口相连。
参考图2，本发明还提供了一种制备粒铁和多孔陶瓷的方法，下面描述该方法的具体步骤。
首先将镍渣、硼泥、碳质原料和水玻璃按比例添加至第一原料处理系统100内，经第一原料处理系统100处理后，得到第一成型产物。第一原料处理系统的处理工序包括混料、成型和烘干，由此可以得到水分含量小于2％的第一成型产物。所用镍渣为镍冶炼过程中排放的废弃物，其主要成分的为TFe 35～45wt％，S 0.5～1.0wt％，SiO2 30～35wt％，Al2O3 1～3wt％，MgO 4～8wt％，CaO 1～4wt％，由此，镍渣中含有的30～40％的SiO2、4～8％的MgO可作为后续制备多孔陶瓷的有用成分，从而在实现了SiO2和MgO综合利用的同时，还减少了后续菱镁矿的加入需求，降低了生产成本。硼泥中MgO含量大于40％、SiO2含量大于30％、B2O3含量大于3％，所述硼泥的加入量为镍渣质量的10～30％；由此硼泥可作为助熔剂，促进镍渣中难还原硅酸铁的还原，同时其中的MgO、SiO2等可继续作为制备多孔陶瓷的有用成分，硼泥中的B2O3大部分进入到非磁性产物的尾渣中；硼泥的加入量过低时，不能有效促进多孔陶瓷中空隙的形成，加入量过高时，高温下在成型产品内部流动过高，易形成大量贯通孔而影响多孔陶瓷的性能。碳质原料为无烟煤、烟煤、半焦、焦炭、炭黑、石油焦中的一种或几种，碳质原料的加入量为镍渣质量的10～30％，由此可使镍渣最大程度的还原；碳质原料加入量过低，导致镍渣中铁氧化物还原不完全；加入量过高则增加还原过程的能源消耗和生产成本。水玻璃的用量为1～3％，其模数n为2.6～2.9，由此在第二成型过程中作为优质的粘结剂，其中Na2O和SiO2等进一步作为制备多孔陶瓷的有价成分；水玻璃的用量过低时，第二成型产物的强度差，用量过高时，则会使得第二成型产物水分过高，并会在第二转底炉内进行焙烧过程中发生爆裂。
接下来，将碳质原料、第一成型产物依次布入第一转底炉200内进行还原处理，得到还原产物。碳质原料为无烟煤、烟煤、半焦、焦炭、炭黑、石油焦中一种或几种，碳质原料的粒度为0.5～1mm，碳质原料的用量为第一成型产物质量的5～10％，由此碳质原料可作为粒铁反应的铺底料和多孔陶瓷的成孔剂，可使多孔陶瓷形成0.5～1mm的空隙。第一转底炉200的还原温度为1400～1450℃，还原时间为20～40分钟。
接下来，将还原产物经磁选装置300进行分离，得到粒铁和非磁性产物。所得粒铁产品的铁含量在93％以上，非磁性产物由尾渣和碳质颗粒组成。其中尾渣的铁含量为3～8wt％、MgO含量大于10wt％、SiO2含量大于40wt％、B2O3含量为0.3～0.6wt％，由于硼泥中的B2O3大部分进入到尾渣中，因此B2O3可进一步促进多孔陶瓷的烧制，碳质颗粒为碳质原料经第一转底炉反应后排出的产物，并可进一步作为多孔陶瓷的成孔剂。
接下来，将非磁性产物、菱镁矿和水玻璃按比例添加至第二原料处理系统400，经第二原料处理系统400处理后，得到第二成型产物。其中，第二原料处理工序包括混料、成型和烘干，由此可以得到水分含量小于1％的第二成型产物。菱镁矿的加入量为非磁性产物质量的30～50％，菱镁矿中MgO含量大于45％，菱镁矿粒度小于0.5mm占80～90％。水玻璃的用量为非磁性产物质量的1～3％。成型压力为20～30MPa，由此，第二成型产物在经第二转底炉焙烧处理后，可获得更高的弯曲强度。
之后，将第二成型产物送入第二转底炉500进行焙烧处理，得到多孔陶瓷产品。第二转底炉的焙烧温度为1100～1300℃，焙烧时间为40～60分钟。转底炉内进料区温度为1100～1200℃，焙烧区温度为1200～1300℃，出料区温度为1150～1250℃。由此，碳质颗粒可在进料区即可快速烧失并形成1mm以下的空隙，菱镁矿则在进料区和焙烧区先后完成煅烧、烧结过程，并在煅烧过程中因菱镁矿分解的CO2释放形成0.5mm以下的空隙。其中，粒化渣中的B2O3在高温下在成型产品内部流动，进一步促进了多孔陶瓷中空隙的形成。
最终得到的多孔陶瓷的气孔尺寸为0～1mm、孔隙率为30～60％、弯曲强度在50MPa以上。
下面结合具体实施例来说明本发明的系统和方法。
实施例1
将镍渣、硼泥、焦炭和水玻璃按质量比为100:10:10:1配料，再经第一处理工序进行混匀、成型和烘干后，得到水分为0.1％的第一成型产物。其中，硼泥的MgO含量为44.9％、SiO2含量为30.7％、B2O3含量为3.76％，水玻璃的模数为2.9，镍渣的成分具体见表1。
将焦炭、第一成型产物先后布入第一转底炉内，其中焦炭作为第一转底炉的铺底料，其粒度为0.5mm，其用量为第一成型产物重量的5％，第一转底炉的还原温度为1400℃、还原时间为40分钟，得到还原产物。
还原产物经干式磁选机磁选后，得到粒铁产物和非磁性产物。其中粒铁的铁含量为93.5％，非磁性产物则由尾渣和碳质颗粒组成，尾渣的铁含量为8％、MgO含量为10.5％、SiO2含量为41.2％、B2O3含量为0.6％。
将所得的非磁性产物、菱镁矿和水玻璃按100:30:1的质量比进行混料、成型和烘干，得到抗压强度为20MPa、水分为0.5％的第二成型产物，其中菱镁矿的粒度为-0.5mm占80％，菱镁矿中MgO含量为45.5％。
将第二成型产物布入第二转底炉中进行焙烧，第二转底炉进料区的温度为1100℃，焙烧区温度为1200℃，出料区温度为1150℃，焙烧时间为60min。
最终，得到多孔陶瓷的气孔尺寸约为0.01mm、孔隙率为30％、弯曲强度55MPa。
本发明以镍渣、硼泥等固废为原料生产粒铁和多孔陶瓷。1吨产品成本可降低70.00元，且在产出高附加值铁产品的同时，还可制备得到多孔陶瓷产品，相比采用硼泥为原料时，其弯曲强度提高1倍以上。
表1 镍渣多元素分析(％)
实施例2
将镍渣、硼泥、无烟煤和水玻璃按质量比为100:15:15:2配料，再经第一处理工序进行混匀、成型和烘干后，得到水分为0.5％的第一成型产物。其中，硼泥的MgO含量为43.8％、SiO2含量为31.5％、B2O3含量为3.72％，水玻璃的模数为2.8，镍渣的成分具体见表2。
将无烟煤、第一成型产物先后布入第一转底炉内，其中无烟煤作为第一转底炉的铺底料，其粒度为0.8mm，其用量为第一成型产物重量的6％，第一转底炉的还原温度为1410℃、还原时间为35分钟，得到还原产物。
还原产物经干式磁选机磁选后，得到粒铁产物和非磁性产物。其中粒铁的铁含量为94％，非磁性产物则由尾渣和碳质颗粒组成，尾渣的铁含量为7％、MgO含量为11.2％、SiO2含量为40.8％、B2O3含量为0.5％。
将所得的非磁性产物、菱镁矿和水玻璃按100:40:2的质量比进行混料、成型和烘干，得到抗压强度为20MPa、水分为0.7％的第二成型产物，其中菱镁矿的粒度为-0.5mm占83％，菱镁矿中MgO含量为45.4％。
将第二成型产物布入第二转底炉中进行焙烧，第二转底炉进料区的温度为1150℃，焙烧区温度为1250℃，出料区温度为1200℃，焙烧时间为50min。
最终，得到多孔陶瓷的气孔尺寸约为0.5mm、孔隙率为50％、弯曲强度53MPa。
本发明以镍渣、硼泥等固废为原料生产粒铁和多孔陶瓷。1吨产品成本可降低62.27元，且在产出高附加值铁产品的同时，还可制备得到多孔陶瓷产品，相比采用硼泥为原料时，其孔隙率提高20％、其弯曲强度提高1倍以上。
表2 镍渣多元素分析(％)
成分 TFe FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P Na2O K2O Ni Pb Zn Cu
含量 44.71 47.33 1.04 4.05 33.48 0.93 0.99 0.009 0.83 0.19 0.35 痕迹 0.038 0.21
实施例3
将镍渣、硼泥、半焦和水玻璃按质量比为100:20:20:3配料，再经第一处理工序进行混匀、成型和烘干后，得到水分为1％的第一成型产物。其中，硼泥的MgO含量为43.1％、SiO2含量为32.3％、B2O3含量为3.45％，水玻璃的模数为2.7，镍渣的成分具体见表3。
将半焦、第一成型产物先后布入第一转底炉内，其中半焦作为第一转底炉的铺底料，其粒度为1mm，其用量为第一成型产物重量的8％，第一转底炉的还原温度为1430℃、还原时间为30分钟，得到还原产物。
还原产物经干式磁选机磁选后，得到粒铁产物和非磁性产物。其中粒铁的铁含量为94.5％，非磁性产物则由尾渣和碳质颗粒组成，尾渣的铁含量为5％、MgO含量为11.9％、SiO2含量为40.4％、B2O3含量为0.4％。
将所得的非磁性产物、菱镁矿和水玻璃按100:45:3的质量比进行混料、成型和烘干，得到抗压强度为20MPa、水分为0.8％的第二成型产物，其中菱镁矿的粒度为-0.5mm占88％，菱镁矿中MgO含量为45.2％。
将第二成型产物布入第二转底炉中进行焙烧，第二转底炉进料区的温度为1200℃，焙烧区温度为1300℃，出料区温度为1250℃，焙烧时间为55min。
最终，得到多孔陶瓷的气孔尺寸约为1mm、孔隙率为55％、弯曲强度52MPa。
本发明以镍渣、硼泥等固废为原料生产粒铁和多孔陶瓷。1吨产品成本可降低60.68元，且在产出高附加值铁产品的同时，还可制备得到多孔陶瓷产品，相比采用硼泥为原料时，其孔隙率提高25％、弯曲强度提高1倍以上。
表3 镍渣多元素分析(％)
成分 TFe FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P Na2O K2O Ni Pb Zn Cu
含量 39.78 44.79 1.97 5.65 32.97 1.89 0.73 0.015 1.29 0.26 0.36 痕迹 0.046 0.24
实施例4
将镍渣、硼泥、无烟煤和水玻璃按质量比为100:30:30:3配料，再经第一处理工序进行混匀、成型和烘干后，得到水分为2％的第一成型产物。其中，硼泥的MgO含量为42.5％、SiO2含量为32.9％、B2O3含量为3.39％，水玻璃的模数为2.6，镍渣的成分具体见表4。
将无烟煤、第一成型产物先后布入第一转底炉内，其中无烟煤作为第一转底炉的铺底料，其粒度为1mm，其用量为第一成型产物重量的10％。第一转底炉的还原温度为1450℃、还原时间为20分钟，得到还原产物。
还原产物经干式磁选机磁选后，得到粒铁产物和非磁性产物。其中粒铁的铁含量为95％，非磁性产物则由尾渣和碳质颗粒组成，尾渣的铁含量为3％、MgO含量为12.6％、SiO2含量为40.1％、B2O3含量为0.3％。
将所得的非磁性产物、菱镁矿和水玻璃按100:50:3的质量比进行混料、成型和烘干，得到抗压强度为20MPa、水分为0.5％的第二成型产物，其中菱镁矿的粒度为-0.5mm占90％，菱镁矿中MgO含量为45.1％。
将第二成型产物布入第二转底炉中进行焙烧，第二转底炉进料区的温度为1200℃，焙烧区温度为1300℃，出料区温度为1250℃，焙烧时间为40min。
最终，得到多孔陶瓷的气孔尺寸约为1mm、孔隙率为60％、弯曲强度51MPa。
本发明以镍渣、硼泥等固废为原料生产粒铁和多孔陶瓷。1吨产品成本可降低52.69元，且在产出高附加值铁产品的同时，还可制备得到多孔陶瓷产品，相比采用硼泥为原料时，其孔隙率提高30％、弯曲强度提高近1倍。
表4 熔融镍渣多元素分析(％)
成分 TFe FeO CaO MgO SiO2 Al2O3 S P Na2O K2O Ni Pb Zn Cu
含量 35.21 36.48 3.47 7.96 30.08 2.97 0.53 0.026 1.59 0.74 0.45 痕迹 0.051 0.38
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种镍渣制备粒铁和多孔陶瓷的系统，其特征在于，包括：
第一原料处理系统，所述第一原料处理系统包括镍渣入口、硼泥入口、碳质原料入口、水玻璃入口和第一成型产物出口；
第一转底炉，所述第一转底炉包括第一成型产物入口、碳质原料入口和还原产物出口，所述第一成型产物入口与所述第一原料处理系统的第一成型产物出口相连；
磁选装置，所述磁选装置包括还原产物入口、粒铁出口和非磁性产物出口，所述还原产物入口与所述第一转底炉的还原产物出口相连；
第二原料处理系统，所述第二原料处理系统包括非磁性产物入口、菱镁矿入口、水玻璃入口和第二成型产物出口，所述非磁性产物入口与磁选装置的非磁性产物出口相连；
第二转底炉，所述第二转底炉包括第二成型产物入口和多孔陶瓷产品出口，所述第二成型产物入口与第二原料处理系统的第二成型产物出口相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一原料处理系统和所述第二原料处理系统均包括混料装置、成型装置和烘干装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁选装置为干式磁选装置。
4.一种使用如权利要求1-3任一项所述的系统制备粒铁和多孔陶瓷的方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)将镍渣、硼泥、碳质原料和水玻璃按比例添加至第一原料处理系统，经第一原料处理系统处理后，得到第一成型产物；
2)将碳质原料、第一成型产物依次布入第一转底炉内进行还原处理，得到还原产物；
3)将还原产物经磁选装置进行分离，得到粒铁和非磁性产物；
4)将非磁性产物、菱镁矿和水玻璃按比例添加至第二原料处理系统，经第二原料处理系统处理后，得到第二成型产物；
5)将第二成型产物送入第二转底炉进行焙烧处理，得到多孔陶瓷产品。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述镍渣包括TFe 35～45wt％，S0.5～1.0wt％，SiO2 30～35wt％，Al2O3 1～3wt％，MgO 4～8wt％，CaO 1～4wt％以及余量的杂质。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述硼泥中MgO含量大于40wt％、SiO2含量大于30wt％、B2O3含量大于3wt％。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中，步骤1)中所述碳质原料的加入量为所述镍渣质量的10～30％，硼泥的加入量为镍渣质量的10～30％，水玻璃的用量为镍渣质量的1～3％。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2)中碳质原料的用量为第一成型产物质量的5～10％。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4)中菱镁矿的加入量为非磁性产物质量的30～50％，水玻璃的用量为非磁性产物质量的1～3％。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5)中第二转底炉的焙烧温度为1100～1300℃，焙烧时间为40～60分钟。
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