CN110218100A - 一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低密度高强度的空心陶瓷微球的制备，该空心陶瓷微球是由镍铁冶炼高温熔渣制备的，渣中含有40‑50%二氧化硅、20‑30%氧化镁、4‑8%氧化亚铁、10‑14%氧化钙、2‑6%三氧化二铝3‑8%二氧化碳及铁、钙的硫化物及少量磷化物,锰、镍、钠、钾等的氧化物。本发明以其为主要原料，在出渣时，经调整熔渣温度，将具有改善粘度、形核作用的发气剂，在压缩空气的作用下，通过拉瓦尔喷嘴形成的超音速气流，将添加剂和镍铁冶炼高温熔渣通过喷枪喷出，得到粒径12‑30um的空心陶瓷微球。本发明工艺简单、高效、节能的方法，充分利用镍铁冶炼的高温熔渣，制备高强度低密度空心陶瓷微球的方法。
Description
技术领域
本发明属于冶金资源再利用及无机非金属功能材料技术领域，具体涉及一种镍铁冶炼熔渣制备空心陶瓷微球的方法。
技术背景
我国红土矿冶炼镍铁年产量将达到很高，在冶炼过程中同时也会产生大量的镍铁冶炼渣，目前采用熔渣水淬后堆存或少量用于生产水泥。大量堆存会对环境产生很大的污染，另一方面熔融渣中存在大量热量，这样会造成能源很大的浪费，增加碳排放。利用高温熔渣生产高价值的产品对于消除污染、减少碳排放、提高经济效益是目前应该解决的问题。空心陶瓷微球是一种具有空心的无机非金属球体，具有颗粒微细、中空、质轻、耐高温等优点。空心微球因表面积大、低密度、易于分散、形貌可控等优点, 广泛应用于污水净化、催化剂、催化剂的载体、纳米反应器、磁性物质沉积后可作为吸波材料；也可以作为优良的无机填料，以其作为塑料、橡胶的填充料，可起到质轻、耐磨、隔热等作用；由于空心微球孔隙率高，具备良好的化学性能和隔热保温性能，因此在污水净化、催化剂、功能材料的载体、保温应运方面有广泛的前景。但目前生产空心陶瓷微球基本上使用经预处理的物料进行吹制的。在利用高温镍铁冶炼熔渣方面也做了大量工作，其中申请的专利有CN201110233948、CN201510531186、CN201610213920、CN201710103662、CN201711263690、CN201711057276、CN201810155378、CN201710823202、CN201810156911、CN201810058981、CN201711499672、CN201711326806、CN201811021042、CN201811217173、CN201811304591等，它们分别在水泥、微晶玻璃、矿渣棉、粒状棉、焊条、多孔陶瓷、地质聚合石、耐火材料、超细矿渣粉、建筑材料等，大多数是在常温状态下进行加工生产的，仅有少量是在高温熔融状态进行的，造成很大的浪费。
在陶瓷空心微球方面，国内申请的专利有200810138749.7、2011201110145156.5、201510061293.5等；其在制备微球时需要配料、熔化、水淬等工序，制备陶瓷空心微球需要在1500-1600℃的温度下重新熔化原料，能源消耗较高，微球粒径变化范围大，不同粒径的微球强度、密度差异较大，所以该方法制得的陶瓷空心微球在实际应用中性能有所欠缺。
上述专利从制备原理和制备技术上进行了大量的探索研究，取得了一定的进展，但这些制备方法不同程度存在以下问题：1.高温熔渣利用少，能源浪费严重，回收和利用较少。2.大部分产品在制备时要消耗大量的能量，使生产成本增加，但产品附加值较低。3.作为制备空心微球的原料需要重熔或固态处理，制备时需要研磨，能耗高，制备成本高。4.喷吹时需要消耗燃料，把原料颗粒局部或全部重新熔化，需要二次加热，能耗高，增加碳排放量，对环境产生污染。5.原料在磨制时，要达到一致的粒度比较困难，微球的粒径差较大。
一般制备空心微球配料中所加的原料需熔炼成熔融状态，配料时加入的发气的物质在熔制过程中发生分解，造成成分不稳定，吹制会导致发气物质分布不均匀，影响球的空心结构及形状，空心球的生成率低；同时消耗大量热量，增加碳排放和污染环境。利用镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球，利用其中的热量，将节省大量的能源，降低生产成本，减少能耗，解决冶炼对环境的污染问题，实现可持续发展的循环经济提供技术支持，并可创造可观的经济效益。因此，研发一种镍铁冶炼高温熔渣高效利用，制备高强度低密度的空心陶瓷球，从节能、减少污染、发展绿色环保冶金成为迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明针对上述已有技术的不足，提供一种利用高效节能利用镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法。
本发明是一种镍铁冶炼熔渣制备空心陶瓷微球的方法，其步骤为：
（1）以镍铁冶炼熔渣为原料，在熔渣出炉后调整温度；
（2）用超音速气流将含有降低粘度、作为异质核心、具有发气作用的添加剂与熔渣一起喷出；
（3）喷枪喷嘴为单孔拉瓦尔喷嘴，使压缩空气转变为超音速气流；
（4）用旋涡分离器将空心陶瓷微球、实心陶瓷微球、微细的其它金属氧化物分离；
（5）在喷枪喷出后利用余热回收装置，将喷出的陶瓷微球冷却。
发明的有益之处是：1.本发明利用镍铁冶炼废渣将污染物转化为高附加值产品，有利于减少环境污染，生产工艺简化。2.本发明采用的原料镍铁冶炼高温熔渣，其优点在于镍铁冶炼过程对熔渣进行了充分的加热混合反应，成分均匀，温度高，减少了二次熔炼、磨细原料、喷吹所消耗的能量，减少碳排放。3.本发明所使用的高温熔融原料，采用添加外来物质的方法使其形成空心陶瓷球，同时熔渣中的多种金属的硫化物、磷化物与氧及其它物质反应作为内生气体形成空心陶瓷球的气源。4.镍铁冶炼高温熔渣中因还原产生的气体会残留在熔渣中，有利于空心陶瓷微球的形成，5.本发明通过固定加热调整、控制温度，确保喷吹时熔渣温度波动小。6.喷枪喷嘴使用单孔拉瓦尔喷嘴，使喷枪出口气体达到超音速以上。7.本发明利用镍铁冶炼高温熔渣，工艺流程短，能量消耗少，效率高，易于就近规模化处理。8.非空心陶瓷微球主要以非晶形态存在，有利于在水泥中应用。
附图说明
图1为本发明制备磁性空心陶瓷微球的工艺流程图；图2为制得磁性空心陶瓷微球的SEM图。
具体实施方式
一种镍铁冶炼熔渣制备空心陶瓷微球的方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）以镍铁冶炼熔渣为原料，在熔渣出炉后调整温度；
（2）用压缩空气通过单孔拉瓦尔喷嘴，使压缩空气转变为超音速气流；
（3）用超音速气流将含有降低粘度、作为异质核心、具有发气作用的添加剂与熔渣一起喷出；
（4）用旋涡分离器将空心陶瓷微球、实心陶瓷微球、微细的其它金属氧化物分离；
（5）在喷枪喷出口利用余热回收装置，将喷出的陶瓷微球冷却。
其中步骤（1）镍铁冶炼高温熔渣中包含SiO2、MgO、FeO、CaO、Al2O3及Fe、Ca的少量硫化物、磷化物。渣中含有40-50%SiO2、20-30%MgO、4-8%FeO、10-14%CaO、2-6%Al2O3、3-8%（CO2+CO）及Fe、Ca的硫化物及少量磷化物，锰、镍、钠、钾等的氧化物；用电弧炉或反射炉调整温度。
其中步骤（2）所用压缩空气的压力为0.8-1.0MPa，每吨熔渣供气量70-100Nm3。
其中步骤（3）的具有形核、改善粘度、产生气体的添加剂包含菱铁矿、褐铁矿及它们的混合物，其中菱铁矿含有35-45% FeCO3及其它物质；褐铁矿含有Fe2O3-nH2O，含40-57%Fe2O3及其它物质；添加剂菱铁矿、褐铁矿按10:1-1:10不同比例混合研磨或单独研磨；研磨后粒径在10-50um，添加剂供给量是熔渣量的0-10%。
其中步骤（4）喷吹得到的空心陶瓷微球、实心陶瓷微球、细尘用旋涡分离器分离；实心陶瓷微球、细尘用于其它用途加以利用。
其中步骤（5）在冷却喷吹物的同时对余热回收利用。
下面用实施例进一步展开本发明。
实施例1：
1)调整熔渣温度到1450℃；
2)添加剂中褐铁矿和菱铁矿的比例为1:1，经混磨粒径10 um，添加剂供给量是熔渣量的1%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为0.8MPa，每吨熔渣供气量70Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的60%以上，球外径为12-20um，空心微球壁厚0.5-0.9um。
实施例2：
1)调整熔渣温度到1460℃；
2)添加剂中褐铁矿和和褐铁矿的比例为1:3，经混磨粒径20um，添加剂供给量是熔渣量的5%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为0.9MPa，每吨熔渣供气量80Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的60%，球的外径为13-25um，空心微球壁厚0.5-1um。
实施例3：
1)调整熔渣温度到1480℃；
2)添加剂中褐铁矿和菱铁矿的比例为1:5，经混磨粒径30um，添加剂供给量是熔渣量的10%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为1.0MPa，每吨熔渣供气量90Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的60%，球的外径为21-30um，空心微球壁厚0.6-1um。
实施例4：
1)调整熔渣温度到1490℃；
2)添加剂中褐铁矿和菱铁矿的比例为1:7，经混磨粒径40um，添加剂供给量是熔渣量的7%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为0.8MPa，每吨熔渣供气量100Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的60%，球的外径为18-30um，空心微球壁厚0.5-0.9um。
实施例5：
1)调整熔渣温度到1500℃；
2)添加剂中褐铁矿和菱铁矿的比例为1:10，经混磨粒径50um，添加剂供给量是熔渣量的9%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为0.9MPa，每吨熔渣供气量90Nm3；
4) 经冷却器冷却，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的60%，球的外径为12-25um，空心微球壁厚0.6-1um。
实施例6：
1)调整熔渣温度到1495℃；
2)添加剂中褐铁矿和菱铁矿的比例为1:10，经混磨粒径45um，添加剂供给量是熔渣量的8%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为1.0MPa，每吨熔渣供气量80Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的60%，球的外径为18-30um，空心微球壁厚0.5-0.8um。
实施例7：
1)调整熔渣温度到1485℃；
2)添加剂中褐铁矿和菱铁矿的比例为10:1，经混磨粒径25um，添加剂供给量是熔渣量的9%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为0.9MPa，每吨熔渣供气量70Nm3；
4) 经冷却器冷却，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的60%，球的外径为21-30um，空心微球壁厚0.5-0.9um。
实施例8：
1)调整熔渣温度到1475℃；
2)添加剂中褐铁矿和菱铁矿的比例为5:1，经混磨粒径25um，添加剂供给量是熔渣量的10%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为0.8MPa每吨熔渣供气量80Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的60%，球的外径为19-30um，空心微球壁厚0.7-1um。
实施例9：
1)调整熔渣温度到1465℃；
2)添加剂中褐铁矿和菱铁矿的比例为2:1，经混磨粒径15um，添加剂供给量是熔渣量的5%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为0.9MPa，每吨熔渣供气量90Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的70%，球的外径为15-25um，空心微球壁厚0.6-1um。
实施例10：
1)调整熔渣温度到1450℃；
2)添加剂菱铁矿经研磨粒径20um，添加剂供给量是熔渣量的1%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为1.0MPa，每吨熔渣供气量100Nm3；
4) 经冷却器冷却，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的80%，球的外径为18-28um，空心微球壁厚0.8-1um。
实施例11：
1)调整熔渣温度到1500℃；
2)添加剂菱铁矿经研磨粒径35um，添加剂供给量是熔渣量的5%；
3) 通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为0.8MPa，每吨熔渣供气量100Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的70%，球的外径为25-30um，空心微球壁厚0.6-1um。
实施例12：
1)调整熔渣温度到1500℃；
2)添加剂褐铁矿经研磨粒径40um，添加剂供给量是熔渣量的1%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹压力为0.8MPa，每吨熔渣供气量80Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的65%，球的外径为18-30um，空心微球壁厚0.7-1um。
实施例13：
1)调整熔渣温度到1450℃；
2)添加剂褐铁矿经研磨粒径30um，添加剂供给量是熔渣量的5%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹压力为0.9MPa，每吨熔渣供气量70Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的70%，球的外径为15-25um，空心微球壁厚0.5-0.9um。
实施例14：
1)调整熔渣温度到1480℃；
2)添加剂褐铁矿经研磨粒径20um，添加剂供给量是熔渣量的10%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹压力为0.8MPa，每吨熔渣供气量70Nm3；
4) 经冷却器冷却，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的60%，球的外径为12-25um，空心微球壁厚0.6-1um。
实施例15：
1)调整熔渣温度到1490℃；
2)添加剂菱铁矿经研磨粒径10um，添加剂供给量是熔渣量的10%；
3)通过喷枪喷吹添加剂及熔渣，喷吹添加剂及熔渣的气体为压缩空气，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，压力为0.9MPa，每吨熔渣供气量80Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的65%，球的外径为20-30um，空心微球壁厚0.5-1um。
实施例16：
1)调整熔渣温度达到1500℃；
2) 不加添加剂；
3)通过喷枪喷吹熔渣，使用拉瓦尔喷嘴喷吹，喷吹气体为压缩空气，压力为1.0MPa，每吨熔渣供气量70Nm3；
4) 经冷却器冷却，回收余热，旋涡分离器将实心、空心陶瓷微球及细尘分离；
所得空心陶瓷微球占熔渣量及添加剂总量的60%，球的外径在15-30um，壁厚0.5-1um。
Claims (11)
1.一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）以镍铁冶炼高温熔渣为原料，在镍铁冶炼高温熔渣出炉后调整温度；
（2）超音速气流将具有降低粘度、作为异质核心、产生气体作用的添加剂与熔渣一起喷出，添加剂粒径10-50um，添加剂是菱铁矿、褐铁矿的混合物或单一物，菱铁矿、褐铁矿按10:1-1:10不同比例混合研磨或单独研磨，供给量是熔渣量的0-10%；
（3）产生超音速气流的压缩空气压力0.8-1.0MPa，每吨熔渣供气量70-100Nm3；
（4）喷吹使用的喷嘴为拉瓦尔喷嘴，使喷枪出口气体达到超音速；
（5）在喷枪喷出口通过余热利用装置，将喷出的陶瓷微球冷却；
（6）用旋涡分离器将空心陶瓷微球、实心陶瓷微球、微细的其它金属氧化物分离。
2.根据权利要求1所述的一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，其特征在于所述所冶炼镍铁熔渣包含SiO2、MgO、FeO、CaO、Al2O3及少量Fe、Ca的硫化物、磷化物。
3.根据权利要求1所述的一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，其特征在于所述镍铁冶炼熔渣中含有40-50%SiO2、20-30%MgO、4-8%FeO、10-14%CaO、2-6%Al2O3 、3-8%CO2及少量Fe、Ca的硫化物、磷化物，锰、镍、钠、钾等的氧化物。
4.根据权利要求1所述的一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，其特征在于形核、改善粘度、产生气体的添加剂包含菱铁矿、褐铁矿的混合物，其中含有SiO2、MgO、CaO、Al2O3、FeO、K2O+Na2O等，菱铁矿含35-45% FeCO3及其它物质；褐铁矿成分Fe2O3-nH2O，含40-57% Fe2O3及其它物质。
5.根据权利要求1所述的一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，其特征在于添加剂两种原料配合比例在10:1-1:10之间变化或单独加入，经研磨后粉末的粒径在10-50um，添加剂供给量是渣量的0-10%，添加剂由菱铁矿与褐铁矿混合研磨或单独研磨。
6.根据权利要求1所述的一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，熔渣温度达到1450-1500℃时，用超音速气流喷吹。
7.根据权利要求1所述的一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，熔渣温度调整、控制使用电弧炉或反射炉。
8.根据权利要求1所述的一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，其特征在于喷枪喷吹的压缩空气压力为0.8-1.0MPa，每吨熔渣供气量70-100Nm3。
9.根据权利要求1所述的一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，其特征在于喷枪喷嘴使用单孔拉瓦尔喷嘴，喷吹气体速度达到超音速以上。
10.根据权利要求1所述的一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，空心陶瓷微球、实心陶瓷微球、细尘用旋涡分离器分离。
11.根据权利要求1所述的一种镍铁冶炼高温熔渣制备空心陶瓷微球的方法，回收的余热、实心陶瓷微球、细尘用于其它用途加以利用。
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