CN108863123B - 利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,涉及水泥生产技术领域。本发明以石灰石、高铝矾土和铝灰为原料,混合后经球磨机粉磨形成铝酸盐水泥生料,再将混合均匀的铝酸盐水泥生料放入煅烧窑中进行煅烧,煅烧温度控制在1380℃‑1440℃之间,煅烧时间控制在25min‑35min之间,煅烧完成经冷却机快速冷却制得铝酸盐水泥熟料。本发明所制得的铝酸盐水泥熟料经磨细制备的铝酸盐水泥满足GB/T 201‑2015《铝酸盐水泥》CA50级铝酸盐水泥要求,不仅降低了铝酸盐水泥的生产成本,还实现了资源综合利用。

Description

利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺
技术领域
本发明涉及水泥制备工艺技术领域,更具体地说涉及一种利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺。
背景技术
铝酸盐水泥是特种水泥的重要组成部分,具有快凝、快硬、早强、高强等特点,同时其耐侵蚀性能、耐高温性能和抗热震性能更为优异,适用于军事工程抢修、抢建,以及要求早强的特种工程、耐高温/耐火材料工程等。然而铝酸盐水泥的生产制备依赖于优质铝矾土矿。我国铝矾土矿物资源总储存量小,仅占全球储量的3%左右,且多数铝矾土品位较低;其中适用于铝酸盐水泥熟料生产所需的Al2O3≥73.5%的高品位铝矾土矿储量更为有限,且多用于制备金属铝。随着国内高品位铝矾土资源的不断消耗,铝矾土价格快速上升,如何降低铝酸盐水泥的生产成本,使其优异性能能够得到更好的应用是至关重要的课题。
铝灰是在一次和二次铝工业中所产生的一种固体废弃物。原生矿石生产铝的过程为一次铝工业,所产生的铝灰定义为一次铝灰,其金属铝含量20%~70%;而从各种废弃物(如一次铝灰、废弃铝制品以及铝制品加工中产生的铝屑、废渣等)中回收铝的过程为二次铝工业,所产生的废弃物定义为二次铝灰,其金属铝含量5%~20%。近几年我国铝生产能力及产量大幅增加,产量已经占世界原铝产量的1/4以上。铝冶炼过程中会产生1%~3%的铝灰,随着铝工业的发展,铝灰的回收和利用已经成为世界性的问题。据估计,国内铝灰年排放量超百万吨,多数直接丢弃或填埋,其含有的直接或间接造成危害的物质对环境产生重大影响。由于铝灰中有金属铝、铝碳化物或氮化物存在,直接添加至水泥或混凝土中,会与碱性物质反应发生引气并产生氨气等难闻气味气体。但其较高的铝含量,可以在硫铝酸盐水泥或铝酸盐水泥中替代铝矾土配制生料,国内已有研究利用铝灰成功制备了硫铝酸盐水泥熟料。
国家知识产权局于2014年7月16日,公开了一件公开号为CN103922622A,名称为“一种利用铝灰生产硫铝酸盐水泥的工艺”的发明专利,该发明专利以铝灰、脱碱赤泥、脱硫石膏和电石渣为原料,混合湿法粉磨,连续搅拌使各类成分在水相中充分混合、反应均化,进行生料成分的测试与校正,使生料浆液经过压滤、烘干所得的固体物质符合氧化物重量份比要求:CaO占43~46份,SiO2占8~12份,Al2O3占25~35份,Fe2O3占5~8份,SO3占7~10份;将烘干后生料煅烧,最后经冷却机快速冷却后即获得硫铝酸盐水泥熟料。
现有技术中利用铝灰制备硫铝酸盐水泥,而硫铝酸盐水泥与铝酸盐水泥的性能不同,原料也不同,硫铝酸盐水泥主要是以硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成的水泥;而铝酸盐水泥是以铝矾土和石灰石为原料,经煅烧制得的以铝酸钙为主要成分、氧化铝含量约50%的熟料;从原料要求中,硫铝酸盐水泥对于铝矾土的品位要求与铝酸盐水泥对于铝矾土的品位要求相比,硫铝酸盐水泥对于铝矾土的品位要求较低,而硫铝酸盐水泥对其碱和硫的含量并没有特殊的限定,但是铝酸盐水泥对于碱和硫的含量有着较高的标准要求,而铝灰本身是属于含碱量较高的原料,因此,如何利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥仍然是目前研究的重点。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足,本申请公开了一种利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,本发明的发明目的在于提供一种利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥熟料的工艺,所制得的铝酸盐水泥熟料经磨细制备的铝酸盐水泥满足GB/T 201-2015《铝酸盐水泥》CA50级铝酸盐水泥要求,不仅降低了铝酸盐水泥的生产成本,还实现了资源综合利用。
为了解决上述现有技术中存在的问题,本申请是通过下述技术方案实现的:
利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:以石灰石、高铝矾土和铝灰为原料,其中,铝灰的重量配比为1%-5.5%;石灰石的重量配比为44%-47%,高铝矾土的重量配比为49%-53%;将石灰石、高铝矾土和铝灰按照上述重量配比称取,混合后采用球磨机粉磨,形成铝酸盐水泥生料;将混合均匀的铝酸盐水泥生料放入煅烧窑中进行煅烧,煅烧温度控制在1380℃-1440℃之间,煅烧时间控制在25min-35min之间,煅烧完成经冷却机快速冷却制得铝酸盐水泥熟料。
所述铝灰的重量配比为3.5%;石灰石的重量配比为45.5%,高铝矾土的重量配比为51%。
所述铝灰的重量配比为5.5%;石灰石的重量配比为45.23%,高铝矾土的重量配比为49.27%。
所述煅烧窑为中空窑。
所述煅烧温度控制在1420℃。
所述将石灰石、高铝矾土和铝灰混合后采用球磨机粉磨,粉磨后细度控制在0.08mm方孔筛筛余小于10%。
将铝酸盐水泥熟料在球磨机中磨细至比表面积400-420m2/kg。
所述铝灰为一级工业铝灰和二级工业铝灰中的一种或者两种的混合。
与现有技术相比,
1、本申请利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺中,参考铝酸盐水泥相图和相关资料,结合标准GB/T201-2015《铝酸盐水泥》规定,铝酸盐水泥熟料的碱度系数适宜控制在0.8-0.9,铝硅比(A/S)>7.5,水泥中碱含量的要求《0.50%。由于所用铝灰中的碱含量偏高,因此其掺入量不能过大,本申请中,控制铝灰的掺入量在1%-5.5%,掺入铝灰后对熟料的早强会有一定的影响,但不影响整体强度的发挥。从抗压强度增进率可以看到,随着铝灰掺入量的提高,其抗压强度增进率增大。参照国家标准,掺入铝灰的试样各项物理性能指标均满足GB/T201-2015《铝酸盐水泥》CA50-Ⅰ要求,而且各龄期的抗压强度富余较多。
2、在本申请中,随着铝灰掺入量增加,可以改善铝酸盐水泥生料的易烧性,促进游离氧化钙的吸收,降低烧成能耗;在率值相当的情况下,铝灰取代高铝矾土制备的熟料会抑制早强矿物CA的形成,使矿物CA2增加;采用铝灰部分替代高铝矾土制备的熟料性能完全满足国家标准GB/T201-2015《铝酸盐水泥》CA50-Ⅰ要求;用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥不仅可以降低铝酸盐水泥生产成本,还可以减少铝灰对环境的污染,实现资源综合利用。
附图说明
图1为1#配比出的生料的TG-DSC分析曲线图;
图2为2#配比出的生料的TG-DSC分析曲线图;
图3为3#配比出的生料的TG-DSC分析曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本申请利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺进行进一步地描述。
实施例1
作为本申请一较佳实施例,参照说明书附图1-3,本实施例公开了:
利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,以石灰石、高铝矾土和铝灰为原料,其中,铝灰的重量配比为1%-5.5%;石灰石的重量配比为44%-47%,高铝矾土的重量配比为49%-53%;将石灰石、高铝矾土和铝灰按照上述重量配比称取,混合后采用球磨机粉磨形成铝酸盐水泥生料,再将混合均匀的铝酸盐水泥生料放入煅烧窑中进行煅烧,煅烧温度控制在1380℃-1440℃之间,煅烧时间控制在25min-35min之间,煅烧完成经冷却机快速冷却制得铝酸盐水泥熟料。
本工艺中所选用的原材料为石灰石、高铝矾土和铝灰,三种原料的化学分析表见表1:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
在本实施例中,选取三种生料配比进行比较,具体生料配比和熟料设计率值如下表2所示:
Figure DEST_PATH_IMAGE004
按照上述生料配比表中的配比,称取各原料,混合后采用球磨机粉磨形成铝酸盐水泥生料,再将混合均匀的铝酸盐水泥生料放入煅烧窑中进行煅烧。
分别将1#、2#、3#配方的原料按比例充分混合均匀后进行粉磨,采用示差扫描量热法(TG-DSC)对生料进行热分析,根据物相的反应变化初步确定煅烧制度。如图1、图2和图3所示,图1表示采用1#配方原料的热分析图,图2表示采用2#配方原料的热分析图;图3表示3#配方原料的热分析图;
从图1、图2和图3可以看出,1#、2#、3#配方的DSC曲线在450~580℃出现有第一个吸热峰并伴随有质量损失,这主要是由于高铝矾土中的水铝石分解并形成了α-Al2O3;在670~900℃出现有第二个很大的吸热峰,同时伴随着质量损失,这主要是由于CaCO3分解引起;在1350~1450℃范围有一个小的放热峰出现,而TG曲线水平无变化,这是由于液相出现并生成新矿物。由TG-DSC分析,初步可确定本实施例所配制的生料烧成温度不低于1350℃。
根据热分析结果,分别选择煅烧温度1380℃、1400℃、1420℃、1430℃进行熟料煅烧。生料和所制备熟料化学分析及根据化学分析计算的矿物组成见表3、表4和表5。1#、2#、3#配方熟料的碱度系数(Am)分别为0.874、0.856、0.866,铝硅比(A/S)分别为9.7、9.8、9.2。
表3为生料的化学分析:
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表4为熟料的化学分析:
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表5为矿物组成(化学成分计算值):
Figure DEST_PATH_IMAGE010
从表4可知,所制备熟料中的K2O、Na2O、SO3含量相比于表3生料中K2O、Na2O、SO3含量理论换算值均有一定降低,这是由于在中空窑高温煅烧过程中,碱组分和SO3发生挥发所致。
按照 GB/T176-2008《水泥化学分析方法》中的甘油-无水乙醇法测试熟料中所含的f-CaO,结果列于表6。
表6为f-CaO含量测试结果:
Figure DEST_PATH_IMAGE012
由表6可见,从整体情况看,随着铝灰掺量增加,游离氧化钙呈下降趋势,尤其是3#配方,整体游离氧化钙均小于0.20%,明显低于其他试样,说明铝灰可以改善铝酸盐水泥生料的易烧性;当煅烧温度在1400~1430℃时,熟料中的f-CaO含量下降很明显,均小于0.35%,说明温度高于1380℃时氧化钙吸收较完全;煅烧温度在1420℃时,1#、2#、3#配方熟料中的f-CaO含量总体比较接近,且均小于0.20%,且随着温度的提升,游离氧化钙变化不明显。
对不同配方的试样采用德国布鲁克的D8 ADVANCE X-射线衍射仪(XRD)进行检测,并按照全峰拟合进行TOPAS定量分析,从分析结果可以看出,在1420℃煅烧的熟料,在碱度系数、铝硅比相当的情况下,掺入铝灰后,早强矿物CA呈下降趋势,CA2的含量则相应上升,但强度矿物总含量差异不大(见表7),说明铝灰的掺入会对早期强度造成一定的影响,但不影响整体强度的发挥。
表7表示1420℃煅烧温度制备熟料的TOPAS定量分析矿物组成:
配方 CA CA<sub>2</sub> C<sub>12</sub>A<sub>7</sub> C<sub>2</sub>AS f-CaO MA CT Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> C<sub>4</sub>AF
1# 47.55 17.65 0.58 26.80 0.03 0.92 4.25 0.13 1.66
2# 37.26 28.01 0.22 27.40 0.09 1.38 4.13 0.00 1.12
3# 36.23 27.09 0.41 28.74 0.03 1.77 4.11 0.00 1.30
将1420℃煅烧得到的铝酸盐水泥熟料在球磨机中磨细至比表面积410±10m2/kg,按GB/T201-2015《铝酸盐水泥》标准测试其物理性能,物理性能试验数据见表8。
表8表示铝酸盐水泥的物理性能数据:
Figure DEST_PATH_IMAGE014
由上述表8可知,掺入铝灰的试样强度低于空白样的强度,如衍射分析结果一样,掺入铝灰后对熟料的早强会有一定的影响,但不影响整体强度的发挥。从抗压强度增进率可以看到,随着铝灰掺入量的提高,其抗压强度增进率增大。参照国家标准,掺入铝灰的试样各项物理性能指标均满足GB/T201-2015《铝酸盐水泥》CA50-Ⅰ要求,而且各龄期的抗压强度富余较多。
实施例2
作为本申请又一较佳实施例,本实施例公开了:
利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:以石灰石、高铝矾土和铝灰为原料,其中,铝灰的重量配比为1%;石灰石的重量配比为47%,高铝矾土的重量配比为52%;将石灰石、高铝矾土和铝灰按照上述重量配比称取,混合后采用球磨机粉磨,形成铝酸盐水泥生料,粉磨后细度控制在0.08mm方孔筛筛余小于10%;将混合均匀的铝酸盐水泥生料放入煅烧窑中进行煅烧,煅烧温度控制在1400℃,煅烧时间控制在30min,煅烧完成经冷却剂快速冷却制得铝酸盐水泥熟料。
实施例3
作为本申请又一较佳实施例,本实施例公开了:
利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:以石灰石、高铝矾土和铝灰为原料,其中,铝灰的重量配比为3%;石灰石的重量配比为44%,高铝矾土的重量配比为53%;将石灰石、高铝矾土和铝灰按照上述重量配比称取,混合后采用球磨机粉磨,形成铝酸盐水泥生料;粉磨后细度控制在0.08mm方孔筛筛余小于10%;将混合均匀的铝酸盐水泥生料放入煅烧窑中进行煅烧,煅烧温度控制在1420℃,煅烧时间控制在25min,煅烧完成经冷却剂快速冷却制得铝酸盐水泥熟料。
实施例4
作为本申请又一较佳实施例,本实施例公开了:
利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:以石灰石、高铝矾土和铝灰为原料,其中,铝灰的重量配比为4%;石灰石的重量配比为47%,高铝矾土的重量配比为49%;将石灰石、高铝矾土和铝灰按照上述重量配比称取,混合后采用球磨机粉磨,形成铝酸盐水泥生料,粉磨后细度控制在0.08mm方孔筛筛余小于10%;将混合均匀的铝酸盐水泥生料放入煅烧窑中进行煅烧,煅烧温度控制在1440℃,煅烧时间控制在35min,煅烧完成经冷却剂快速冷却制得铝酸盐水泥熟料。

Claims (7)

1.利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:以石灰石、高铝矾土和铝灰为原料,其中,铝灰的重量配比为1%-5.5%;石灰石的重量配比为44%-47%,高铝矾土的重量配比为49%-53%;将石灰石、高铝矾土和铝灰按照上述重量配比称取,混合后采用球磨机粉磨,形成铝酸盐水泥生料;将混合均匀的铝酸盐水泥生料放入煅烧窑中进行煅烧,煅烧温度控制在1420℃-1440℃之间,煅烧时间控制在25min-35min之间,煅烧完成经冷却机快速冷却制得铝酸盐水泥熟料;将铝酸盐水泥熟料在球磨机中磨细至比表面积400-420m2/kg。
2.如权利要求1所述的利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:所述铝灰的重量配比为3.5%;石灰石的重量配比为45.5%,高铝矾土的重量配比为51%。
3.如权利要求1所述的利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:所述铝灰的重量配比为5.5%;石灰石的重量配比为45.23%,高铝矾土的重量配比为49.27%。
4.如权利要求1所述的利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:所述煅烧窑为中空窑。
5.如权利要求1所述的利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:所述煅烧温度控制在1420℃。
6.如权利要求1所述的利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:所述将石灰石、高铝矾土和铝灰混合后采用球磨机粉磨,粉磨后细度控制在0.08mm方孔筛筛余小于10%。
7.如权利要求1所述的利用铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥的工艺,其特征在于:所述铝灰为一级工业铝灰和二级工业铝灰中的一种或者两种的混合。
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