CN110950677A - 一种镍铁渣轻质陶粒及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶粒加工技术领域，具体涉及一种以镍铁渣为原料制备的轻质陶粒，并进一步公开其制备工艺。本发明所述镍铁渣陶粒，以镍铁渣为原料，辅以粘结剂、助溶剂、造孔剂、悬浮剂和活性剂的作用，各原料组分之间通过性能的匹配及相互促进，不仅实现了镍铁渣的添加量在80‑95wt％的高比例利用程度，制得的陶粒具有更加轻质的优势，且各添加剂成本较低，大幅度降低生产成本。

Description

一种镍铁渣轻质陶粒及其制备工艺
技术领域
本发明属于陶粒加工技术领域，具体涉及一种以镍铁渣为原料制备的轻质陶粒，并进一步公开其制备工艺。
背景技术
镍铁渣是红土镍矿在冶炼镍铁合金或提炼金属镍过程中产生的工业废渣，随着我国镍铁合金规模逐步扩大，镍铁渣的排放量也逐年增加。据报道，近年来，我国镍铁渣年排放量超过3000万吨，已成为我国继铁渣、钢渣、赤泥之后第四大冶炼渣。目前大规模镍铁渣的处理方法主要为堆砌处理或深海填埋，不仅占用土地、污染环境还给镍铁冶炼的可储蓄发展带来严峻挑战。因此，大力开展镍铁渣再利用的研究对环境保护、资源利用等方面至关重要。
镍铁渣主要是腐殖土型的红土矿在电炉还原熔炼镍铁的过程中得到的，其原料和生产工艺基本相同，所以不同厂家产生电炉镍铁冶炼渣的组成基本相同。镍铁渣中主要含有的硅酸盐、铝酸盐矿物及一定量的铁质矿物，其主要成分是SiO2、MgO和FeO，次要成分是Cr2O3、A12O3、CaO等，属于FeO-MgO-SiO2三元渣系。镍铁渣矿物结构主要以玻璃态为主，XRD结果表明，其主要的矿物组成是2MgO·SiO2、FeOSiO2和MgOSiO2。镍铁渣中可回收有价金属较少、镁含量高而钙含量低，从而导致了镍铁渣存在着活性低、稳定性差、综合利用渠道少、利用成本高的问题。
陶粒，即陶质的颗粒，陶粒的形状和性质因工艺不同而各异。通常它的表面覆有一层坚硬的外壳，这层外壳呈陶质或釉质，具有隔水保气的作用，并且赋予了陶粒较高的强度。由于现有技术中制备陶粒的原料有很多种类型，制得陶粒的品种也很多，并产生了诸多不同颜色的产品。通常情况下，陶粒的外观颜色可因所采用的原料和工艺不同而各异，焙烧陶粒的颜色大多为暗红色、储红色，也有一些特殊品种为灰黄色、灰黑色、灰白色、青灰色等。
陶粒的应用非常广泛，具体可涉及建筑材料、绿化材料、饮用卫生材料、工业过滤材料、耐火保温等领域，且应用领域有不断扩大的趋势。正是由于陶粒具有广泛的应用空间，所以如何以低廉的成本制备出性能优良的陶粒近年来成为本领域研究的热点。如中国专利CN105174914A公开了一种利用冶金废渣作为原料制备陶粒的方法，该方法提出以镍铁渣为原料制备陶粒的方案，其制得陶粒的筒压强度最高可达到6.7MPa，堆积密度达到0.78g/cm3，能够在较低的强度条件下，获得具有较高堆积密度的产品，但该产品中镍铁渣的添加量略低，无法实现对镍铁渣的大规模再利用。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种镍铁渣轻质陶粒，以解决现有技术中镍铁渣工业利用度较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种镍铁渣轻质陶粒，以所述陶粒的制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：
Figure BDA0001811495300000021
所述的镍铁渣轻质陶粒中：
所述镍铁渣的颗粒粒径小于150μm，筛余量≤10％；
所述粘结剂包括硅藻土、蒙脱土、高岭土、膨润土中的一种或多种的混合物；
所述助熔剂包括钠长石、锂长石、透辉石、滑石中的一种或多种的混合物；
所述造孔剂包括膨胀蛭石、秸秆粉、稻壳粉、淀粉、煤粉中的一种或多种的混合物；
所述悬浮剂包括三聚磷酸钠、有机硅酮、C8-10脂肪醇中的一种或多种的混合物；
所述活化剂包括磷酸乙二胺、磷酸丙二胺、二甲苯、氟硅酸钠中的一种或多种的混合物。
本发明还公开了一种制备所述镍铁渣轻质陶粒的方法，包括如下步骤：
(1)取选定量的所述镍铁渣、活化剂和悬浮剂混合，并加水进行机械活化；
(2)将活化后的混合料进行沉降处理，固液分离后收集固体颗粒；
(3)向所述固体颗粒中加入选定量的所述粘结剂、助溶剂和造孔剂混合，并加水进行造粒；
(4)将成型后的颗粒烘干、并进行烧结处理，冷却，即得成品。
所述步骤(1)中，所述机械活化步骤为球磨机活化，并加入陶瓷球作为磨球，活化时间4-8h。
所述步骤(1)中，所述水的加入量为镍铁渣质量的30-50wt％。
所述步骤(3)中，所述水的加入量为物料总量的15-25wt％。
所述步骤(4)中，控制所述烘干步骤的温度为150-400℃，烘干至水量小于10％。
所述步骤(4)中，控制所述烧结步骤的温度为1050-1200℃。
所述制备所述镍铁渣轻质陶粒的方法，还包括将所述沉降步骤中经固液分离后的水通入步骤(1)中进行机械活化，和/或，通入步骤(3)中进行造粒的步骤。
所述制备所述镍铁渣轻质陶粒的方法，还包括将所述冷却步骤中的余热进行回收，并通入所述步骤(4)中进行烘干的步骤。
本发明所述镍铁渣陶粒，以镍铁渣为原料，辅以粘结剂、助溶剂、造孔剂、悬浮剂和活性剂的作用；其中，粘结剂、助熔剂等的加入有效降低了镍铁渣造粒的难度，并降低了烧结温度、大幅度提高了镍铁渣陶粒的筒压强度；造孔剂的加入，有助于制备出更加轻质的镍铁渣陶粒，使得制备过程中不用烧结陶粒至高温融化发泡，有效节约能源；悬浮剂的加入有效提高了球磨的效率，也使原料更加均匀；活化剂的加入进一步提高了镍铁渣的活性，大幅度降低了制备镍铁渣陶粒的物料成本以及烧结成本；各原料组分之间通过性能的匹配及相互促进，不仅实现了镍铁渣的添加量在80-95wt％的高比例利用程度，制得的陶粒具有更加轻质的优势，且各添加剂成本较低，大幅度降低生产成本。
本发明所述镍铁渣陶粒的制备方法中，通过球磨机进行机械活化的方式，在机械活化时，借助机械力作用使颗粒表面和内部产生微裂纹，颗粒表面缺陷化以及活化中心增多，使极性分子或离子更容易进入玻璃体结构的内部空穴中，促进镍铁渣中活性氧化硅和氧化铝的解聚；另外，在机械力作用于镍铁渣最为直观的方法是使颗粒细化、比表面积增大以及提高反应速率，而晶态转变从微观角度来讲，粉磨能促使颗粒原生晶格发生畸形甚至被破坏，切断煤矸石中的Si-O、Al-O键，生成活性高的原子基团和带电荷的断面，提高结构的不规则和缺陷程度，使其反应活性增加；从能量的角度考虑，机械化作用使结晶程度降低，甚至无定形化，增加颗粒的化学能和其化学不稳定性，达到提高活性的目的，从而有效提高镍铁渣的反应活性，有助于促进反应正向进行，使得活化后的颗粒能够在1050-1200℃较低的温度下实现烧结处理，并取得较好的性能优势。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明制备所述镍铁渣轻质陶粒的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例所述镍铁渣轻质陶粒，以所述陶粒的制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：
Figure BDA0001811495300000041
Figure BDA0001811495300000051
如图1所示的工艺流程图，本实施例所述镍铁渣轻质陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)取选定量的所述镍铁渣(粒径小于150μm，筛余量≤10％)、活化剂和悬浮剂混合，并加占镍铁渣质量的30wt％的水，置于球磨机中并加入陶瓷球作为磨球进行机械活化，时间为4h；
(2)将活化后的混合料进行静置沉降处理，经过滤固液分离后收集固体颗粒；分离的水可用于回收加入步骤(1)的机械活化步骤，或用于后续造粒步骤；
(3)向所述固体颗粒中加入选定量的所述粘结剂、助溶剂和造孔剂混合，并加占物料总量15wt％的水进行造粒，球度≥1；所述造粒步骤适用圆盘造粒机或锅形造粒机造成球，粒型系数≤1.5，粒径为1-15mm，烧结发泡后，粒径为1-20mm；
(4)将成型后的颗粒150℃烘干、并于1050℃回转窑内进行烧结处理，随后经自然冷却，即得成品；整个冷却过程中产生的余热可回收并用于烘干步骤之用。
实施例2
本实施例所述镍铁渣轻质陶粒，以所述陶粒的制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：
Figure BDA0001811495300000052
如图1所示的工艺流程图，本实施例所述镍铁渣轻质陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)取选定量的所述镍铁渣(粒径小于150μm，筛余量≤10％)、活化剂和悬浮剂混合，并加占镍铁渣质量的33wt％的水，置于球磨机中并加入陶瓷球作为磨球进行机械活化4h；
(2)将活化后的混合料进行静置沉降处理，经过滤固液分离后收集固体颗粒；分离的水可用于回收加入步骤(1)的机械活化步骤，或用于后续造粒步骤；
(3)向所述固体颗粒中加入选定量的所述粘结剂、助溶剂和造孔剂混合，并加占物料总量18wt％的水进行造粒，球度≥0.8；所述造粒步骤适用圆盘造粒机或锅形造粒机造成球，粒型系数≤1.5，粒径为1-15mm，烧结发泡后，粒径为1-20mm；
(4)将成型后的颗粒烘干180℃、并于1200℃进行烧结处理，随后经自然冷却，即得成品；整个冷却过程中产生的余热可回收并用于烘干步骤之用。
实施例3
本实施例所述镍铁渣轻质陶粒，以所述陶粒的制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：
Figure BDA0001811495300000061
如图1所示的工艺流程图，本实施例所述镍铁渣轻质陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)取选定量的所述镍铁渣(粒径小于150μm，筛余量≤10％)、活化剂和悬浮剂混合，并加占镍铁渣质量的38wt％的水，置于球磨机中并加入陶瓷球作为磨球进行机械活化5h；
(2)将活化后的混合料进行静置沉降处理，经过滤固液分离后收集固体颗粒；分离的水可用于回收加入步骤(1)的机械活化步骤，或用于后续造粒步骤；
(3)向所述固体颗粒中加入选定量的所述粘结剂、助溶剂和造孔剂混合，并加占物料总量20.5wt％的水进行造粒，球度≥0.8；所述造粒步骤适用圆盘造粒机或锅形造粒机造成球，粒型系数≤1.5，粒径为1-15mm，烧结发泡后，粒径为1-20mm；
(4)将成型后的颗粒烘干200℃、并于1100℃进行烧结处理，随后经自然冷却，即得成品；整个冷却过程中产生的余热可回收并用于烘干步骤之用。
实施例4
本实施例所述镍铁渣轻质陶粒，以所述陶粒的制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：
Figure BDA0001811495300000071
如图1所示的工艺流程图，本实施例所述镍铁渣轻质陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)取选定量的所述镍铁渣(粒径小于150μm，筛余量≤10％)、活化剂和悬浮剂混合，并加占镍铁渣质量的41.5wt％的水，置于球磨机中并加入陶瓷球作为磨球进行机械活化5h；
(2)将活化后的混合料进行静置沉降处理，经过滤固液分离后收集固体颗粒；分离的水可用于回收加入步骤(1)的机械活化步骤，或用于后续造粒步骤；
(3)向所述固体颗粒中加入选定量的所述粘结剂、助溶剂和造孔剂混合，并加占物料总量的21.5wt％的水进行造粒，球度≥0.8；所述造粒步骤适用圆盘造粒机或锅形造粒机造成球，粒型系数≤1.5，粒径为1-15mm，烧结发泡后，粒径为1-20mm；
(4)将成型后的颗粒烘干230℃、并于1150℃进行烧结处理，随后经自然冷却，即得成品；整个冷却过程中产生的余热可回收并用于烘干步骤之用。
实施例5
本实施例所述镍铁渣轻质陶粒，以所述陶粒的制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：
Figure BDA0001811495300000081
如图1所示的工艺流程图，本实施例所述镍铁渣轻质陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)取选定量的所述镍铁渣(粒径小于150μm，筛余量≤10％)、活化剂和悬浮剂混合，并加占镍铁渣质量的45.3wt％的水，置于球磨机中并加入陶瓷球作为磨球进行机械活化6h；
(2)将活化后的混合料进行静置沉降处理，经过滤固液分离后收集固体颗粒；分离的水可用于回收加入步骤(1)的机械活化步骤，或用于后续造粒步骤；
(3)向所述固体颗粒中加入选定量的所述粘结剂、助溶剂和造孔剂混合，并加占物料总量的22.8wt％的水进行造粒，球度≥0.8；所述造粒步骤适用圆盘造粒机或锅形造粒机造成球，粒型系数≤1.5，粒径为1-15mm，烧结发泡后，粒径为1-20mm；
(4)将成型后的颗粒烘干260℃、并于1200℃进行烧结处理，随后经自然冷却，即得成品；整个冷却过程中产生的余热可回收并用于烘干步骤之用。
实施例6
本实施例所述镍铁渣轻质陶粒，以所述陶粒的制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：
Figure BDA0001811495300000082
如图1所示的工艺流程图，本实施例所述镍铁渣轻质陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)取选定量的所述镍铁渣(粒径小于150μm，筛余量≤10％)、活化剂和悬浮剂混合，并加占镍铁渣质量的46.8wt％的水，置于球磨机中并加入陶瓷球作为磨球进行机械活化6h；
(2)将活化后的混合料进行静置沉降处理，经过滤固液分离后收集固体颗粒；分离的水可用于回收加入步骤(1)的机械活化步骤，或用于后续造粒步骤；
(3)向所述固体颗粒中加入选定量的所述粘结剂、助溶剂和造孔剂混合，并加占物料总量的23.5wt％的水进行造粒，球度≥0.8；所述造粒步骤适用圆盘造粒机或锅形造粒机造成球，粒型系数≤1.5，粒径为1-15mm，烧结发泡后，粒径为1-20mm；
(4)将成型后的颗粒烘干350℃、并于1100℃进行烧结处理，随后经自然冷却，即得成品；整个冷却过程中产生的余热可回收并用于烘干步骤之用。
实施例7
本实施例所述镍铁渣轻质陶粒，以所述陶粒的制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：
Figure BDA0001811495300000091
如图1所示的工艺流程图，本实施例所述镍铁渣轻质陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)取选定量的所述镍铁渣(粒径小于150μm，筛余量≤10％)、活化剂和悬浮剂混合，并加占镍铁渣质量的50wt％的水，置于球磨机中并加入陶瓷球作为磨球进行机械活化8h；
(2)将活化后的混合料进行静置沉降处理，经过滤固液分离后收集固体颗粒；分离的水可用于回收加入步骤(1)的机械活化步骤，或用于后续造粒步骤；
(3)向所述固体颗粒中加入选定量的所述粘结剂、助溶剂和造孔剂混合，并加占物料总量的25wt％的水进行造粒，球度≥0.8；所述造粒步骤适用圆盘造粒机或锅形造粒机造成球，粒型系数≤1.5，粒径为1-15mm，烧结发泡后，粒径为1-20mm；
(4)将成型后的颗粒烘干400℃、并于1200℃进行烧结处理，随后经自然冷却，即得成品；整个冷却过程中产生的余热可回收并用于烘干步骤之用。
实验例
分别对上述实施例1-5中制得的陶粒的性能进行测试，测试项目包括筒压强度(MPa)、堆积密度(kg/m3)、和吸水率(％)，记录测试结果见下表1。
表1陶粒测试结果
筒压强度/MPa 堆积密度(kg/m<sup>3</sup>) 吸水率/％
实施例1 3.1 328 14.2
实施例2 4.25 396 11.6
实施例3 5.16 452 9.2
实施例4 6.35 567 7.8
实施例5 7.28 683 5.3
从上表结果可见，本发明所述镍铁渣陶粒中对镍铁渣的利用比例可达到80-95wt％，通过各原料配比，不仅实现了在略低的温度下进行烧结，且制得陶粒在较低的筒压强度下具有更优的堆积密度，制得陶粒的性能更优。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种镍铁渣轻质陶粒，其特征在于，以所述陶粒的制备原料总量计，包括如下质量含量的原料组分：
Figure FDA0001811495290000011
2.根据权利要求1所述的镍铁渣轻质陶粒，其特征在于：
所述镍铁渣的颗粒粒径小于150μm，筛余量≤10％；
所述粘结剂包括硅藻土、蒙脱土、高岭土、膨润土中的一种或多种的混合物；
所述助熔剂包括钠长石、锂长石、透辉石、滑石中的一种或多种的混合物；
所述造孔剂包括膨胀蛭石、秸秆粉、稻壳粉、淀粉、煤粉中的一种或多种的混合物；
所述悬浮剂包括三聚磷酸钠、有机硅酮、C8-10脂肪醇中的一种或多种的混合物；
所述活化剂包括磷酸乙二胺、磷酸丙二胺、二甲苯、氟硅酸钠中的一种或多种的混合物。
3.一种制备权利要求1或2所述镍铁渣轻质陶粒的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取选定量的所述镍铁渣、活化剂和悬浮剂混合，并加水进行机械活化；
(2)将活化后的混合料进行沉降处理，固液分离后收集固体颗粒；
(3)向所述固体颗粒中加入选定量的所述粘结剂、助溶剂和造孔剂混合，并加水进行造粒；
(4)将成型后的颗粒烘干、并进行烧结处理，冷却，即得成品。
4.根据权利要求3所述的制备所述镍铁渣轻质陶粒的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述机械活化步骤为球磨机活化，并加入陶瓷球作为磨球。
5.根据权利要求3或4所述的制备所述镍铁渣轻质陶粒的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述水的加入量为镍铁渣质量的30-50wt％。
6.根据权利要求3-5任一项所述的制备所述镍铁渣轻质陶粒的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述水的加入量为物料总量的15-25wt％。
7.根据权利要求3-6任一项所述的制备所述镍铁渣轻质陶粒的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，控制所述烘干步骤的温度150-400℃，烘干至水量小于10％。
8.根据权利要求3-7任一项所述的制备所述镍铁渣轻质陶粒的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，控制所述烧结步骤的温度为1050-1200℃。
9.根据权利要求3-8任一项所述的制备所述镍铁渣轻质陶粒的方法，其特征在于，还包括将所述沉降步骤中经固液分离后的水通入步骤(1)中进行机械活化，和/或，通入步骤(3)中进行造粒的步骤。
10.根据权利要求3-9任一项所述的制备所述镍铁渣轻质陶粒的方法，其特征在于，还包括将所述冷却步骤中的余热进行回收，并通入所述步骤(4)中进行烘干的步骤。
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