CN111485063B - 电解铝厂铝灰的高效利用工艺 - Google Patents

电解铝厂铝灰的高效利用工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电解铝厂铝灰的高效利用工艺，将铝灰、废铝灰、分别粉碎、球磨；将铝灰、废铝灰、改性煅烧后的电石渣、硼酸或三氧化二硼1.0～3.0重量份混合均匀，接着压制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料在1300～1500℃下高温烧结20～80min，自然冷却、破碎得到精炼渣。该精炼渣可以用于钢水的精炼，能够脱氧脱硫，对钢水实现显著的净化作用。同时，该精炼渣制作工艺简单，原料大多采用固体废弃物，固体废弃物利用率超高，能够极大解决企业随意排放废弃物及污染问题，提高了固体废弃物和污染物资源再生利用。

Description

电解铝厂铝灰的高效利用工艺
技术领域
本发明属于固废再利用技术领域，具体涉及一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺。
背景技术
铝灰是原铝生产(电解铝)及铝合金熔炼和精炼时的副产物，由于铝灰中含有可溶解的氯化物和碱金属钾和钠的氟化物，以及其中的氮化物遇水水解产生NH3和反应产生的遇水可溶解的NaAlO2；会对环境造成影响，被认为是有毒有害的固体废弃物。而每生产一吨电解铝会形成30-50kg铝灰，铝制品行业每年产生铝灰总量高达100-200万吨。
铝灰成分因产生环节及工艺的不同，具有较明显的差异，主要物相为氧化铝、金属铝、镁铝尖晶石、方镁石、石英、氮化铝、碳化铝及盐溶剂等。铝灰堆积密度0.828～1.118g/cm3，表观密度2.396～2.528g/cm3，浸出液pH为9.03～10.14。
废铝灰，即铝灰/铝渣经过炒灰机炒灰，回收金属铝后剩下的产物即为废铝灰。废铝灰的主要成分为氧化铝和其他杂质。
电石渣是电石渣水解获取乙炔后的以氢氧化钙为主要成分的工业废渣。电石渣作为一种工业固废，长期堆积不仅占用大量土地，而且对土地有严重的侵蚀作用。只有在工艺技术上寻求突破，综合利用，变废为宝，才有利于整个行业的健康发展。
现有技术CN 110283966A公开了一种多功能炼钢用预熔导电渣精炼剂及其制备方法，其炼钢精炼渣的原料包括富含氧化铝物料、富含氧化镁物料和富含氧化钙物料，并指出富含氧化铝物料为电解铝生产过程中产生的铝灰和/或铝渣；所述富含氧化钙物料为电石渣、生石灰粉、造纸白泥、钙粉、石灰窑除尘灰、废弃钙质灰中的任意一种或多种。其制备方法为将富含氧化铝物料、富含氧化钙物料粉碎后在1400-1600℃下熔化、冷却、破碎制备得到精炼剂。富含氧化钙物料中CaO的活性均不够，无法实现高效的脱硫脱氧。在钢水脱氧脱硫的过程中，Al2O3主要用于降低熔渣熔点，提高熔渣的流动性，促进脱硫脱氧；主要起脱硫作用的是CaO。当CaO活性较高时，其微观结构有利于铁水的进入，CaO与铁水的反应面积较大，脱硫效果也就好。但现有技术中采用富含氧化钙物料用于精炼剂的时，基本没有任何处理，其CaO的活性均较差。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提供一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，采用铝灰、废铝灰、硼酸或三氧化二硼、含有高活性CaO的电石渣进行熔炼，制备得到用于钢水脱硫脱氧的精炼剂；该精炼渣可以用于钢水的精炼，能够脱氧脱硫，对钢水实现显著的净化作用。同时，该精炼渣制作工艺简单，原料大多采用固体废弃物，能够极大解决企业随意排放废弃物及污染问题，提高了固体废弃物和污染物资源再生利用。
本发明的技术方案如下：
一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、电石渣分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下；然后球磨至粒度在5mm以下；将铝灰、废铝灰、电石渣混合均匀，压制成粒料；将粒料在1300～1500℃下高温烧结20～80min，自然冷却至室温，破碎至粒度在10～40mm之间，得到精炼渣；精炼渣可以用于钢水的精炼，能够脱氧脱硫，实现对钢水的净化。
CaO是几乎所有精炼渣系中的重要成分，其成本低廉，来源广泛。为了保证炉渣的脱硫能力，渣中必须有足够的自由CaO含量。适当提高渣中的CaO含量与CaO的活性可以提高精炼渣的精炼能力。
Al2O3的作用较为复杂，其本身无脱硫作用，主要的作用是成渣时形成铝酸盐，可以增加炉渣硫容量，提高脱硫效率；同时其能够调节精炼渣的流动性，使精炼渣中的CaO与钢水有着更大的接触面积，改善精炼渣的脱硫能力。
本发明通过将电石渣置于纯二氧化碳的的氛围中，在特定温度、特定煅烧时间煅烧，能够得到结晶单元复杂排列的CaO，确保CaO的活性。
另一技术方案，一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下；然后球磨至粒度在5mm以下；将铝灰、废铝灰、煅烧后的电石渣混合均匀，压制成粒料；将粒料在1300～1500℃下高温烧结20～80min，自然冷却至室温，破碎至粒度在10～40mm之间得到精炼渣；所述煅烧后的电石渣的制备方法为：将电石渣粉碎、球磨，然后在纯二氧化碳的氛围中以5～10℃/min的升温速率升温至700～900℃，在700～900℃下保持0.5～3h，冷却至室温后即得所述煅烧后的电石渣。
进一步的，煅烧后的电石渣后续和铝灰、废铝灰在1300～1500℃下熔融烧结下，会导致煅烧后的电石渣中部分CaO烧结在一起，后续破碎的过程中不易分散崩解，使得精炼渣中CaO与钢水的接触面积变小，难以实现高效的脱硫脱氧。因此，本发明在对电石渣的煅烧过程中添加有改性剂，以得到含有具备良好抗烧结性能CaO的电石渣。
另一技术方案，一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下；然后球磨至粒度在5mm以下；将铝灰、废铝灰、改性煅烧后的电石渣混合均匀，压制成粒料；将粒料在1300～1500℃下高温烧结20～80min，自然冷却至室温，破碎至粒度在10～40mm之间得到精炼渣。
进一步的，本发明在电解铝厂铝灰的高效利用工艺中加入硼酸或三氧化二硼，提高精炼渣在钢水中的流动性，为电石渣中的高活性CaO与钢水提供更大的接触面积，实现更高的硫酸盐转化率。
另一技术方案，一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下；然后球磨至粒度在5mm以下；将铝灰30～50重量份、废铝灰5～15重量份、改性煅烧后的电石渣40～60重量份、硼酸或三氧化二硼1.0～3.0重量份混合均匀，接着压制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料在1300～1500℃下高温烧结20～80min，自然冷却至室温，破碎至粒度在10～40mm之间得到精炼渣。
优选的，所述改性煅烧后的电石渣的制备方法为：将电石渣粉碎、球磨得到电石渣粉，将水30～60重量份、甘油30～60重量份混合搅拌均匀；加入电石渣粉1～3重量份、改性剂0.1～0.6重量份在70～90℃、100～500rpm的条件下搅拌1～3h；然后放入在纯二氧化碳的氛围中以5～10℃/min的升温速率升温至700～900℃，在700～900℃保持0.5～3h，冷却至室温后即得所述改性煅烧后的电石渣。
优选的，所述改性剂为硝酸铝和/或硝酸镁。进一步优选的，所述改性剂为硝酸铝和硝酸镁按质量比(1～3):(1～3)混合而成。
有益效果：
本发明电解铝厂铝灰的高效利用工艺，采用铝灰、废铝灰、硼酸或三氧化二硼、含有高活性CaO的电石渣进行熔炼，制备得到用于钢水脱硫脱氧的精炼剂，该精炼渣可以用于钢水的精炼，能够脱氧脱硫，对钢水实现显著的净化作用。同时，该精炼渣制作工艺简单，原料大多采用固体废弃物，能够极大解决企业随意排放废弃物及污染问题，提高了固体废弃物和污染物资源再生利用。
相比现有技术中将铝灰、电石渣直接混合熔融的方式，本发明将电石渣置于纯二氧化碳的氛围中，在特定温度、特定煅烧时间煅烧，能够得到结晶单元复杂排列的CaO，提高CaO的活性；并在煅烧的过程中添加改性剂，进一步提升其抗烧结性，制备得到的精炼剂对于钢水的脱氧脱硫效率更高。
具体实施方式
本发明实施例中部分物质的具体参数如下：
铝灰，电解铝灰，主要成分为Al 25.58wt％，Al2O3 51.55wt％，MgO 2.1wt％，SiO25.6wt％，CaO 1.2wt％。
废铝灰，Al2O3 82.55wt％，MgO 1.8wt％，SiO2 3.5wt％，CaO 1.6wt％。
电石渣，Ca(OH)2 84.32wt％，Mg(OH)2 1.88wt％，Al2O3 0.5wt％，Fe2O30.96wt％，SiO2 7.90wt％。
对比例1
一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、电石渣分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间；将铝灰40重量份、废铝灰粉10重量份、电石渣粉50重量份在搅拌机中混合均匀，接着用压球机制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料加入到电炉(型号5000KVA，西安机械制造有限公司)中，在1400℃下高温烧结30min，自然冷却至室温，破碎至粒度至30～40mm，得到精炼渣。
实施例1
一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间；将铝灰40重量份、废铝灰粉10重量份、煅烧后的电石渣50重量份在搅拌机中混合均匀，接着用压球机制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料加入到电炉(型号5000KVA，西安机械制造有限公司)中，在1400℃下高温烧结30min，自然冷却至室温，破碎至粒度至30～40mm，得到精炼渣；该精炼渣可以用于钢水的精炼，能够脱氧脱硫，对钢水实现显著的净化作用。同时，该精炼渣制作工艺简单，原料大多采用固体废弃物，能够极大解决企业随意排放废弃物及污染问题，提高了固体废弃物和污染物资源再生利用。
所述煅烧后的电石渣的制备方法为：将电石渣粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间，然后放入石英管式炉中在纯二氧化碳的氛围中以10℃/min的升温速率升温至800℃，在800℃保持1h，冷却至室温后即得所述煅烧后的电石渣。
实施例2
一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间；将铝灰40重量份、废铝灰粉10重量份、改性煅烧后的电石渣50重量份在搅拌机中混合均匀，接着用压球机制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料加入到电炉(型号5000KVA，西安机械制造有限公司)中，在1400℃下高温烧结30min，自然冷却至室温，破碎至粒度至30～40mm，得到精炼渣。
所述改性煅烧后的电石渣的制备方法为：将电石渣粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间，得到电石渣粉，将水50重量份、甘油50重量份混合，在300rpm转速下搅拌20min；加入电石渣粉2重量份、九水合硝酸铝0.3重量份在80℃、300rpm的条件下搅拌2h；然后放入石英管式炉中在纯二氧化碳的氛围中以10℃/min的升温速率升温至800℃，在800℃保持1h，冷却至室温后即得所述改性煅烧后的电石渣。
实施例3
一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间；将铝灰40重量份、废铝灰粉10重量份、改性煅烧后的电石渣50重量份在搅拌机中混合均匀，接着用压球机制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料加入到电炉(型号5000KVA，西安机械制造有限公司)中，在1400℃下高温烧结30min，自然冷却至室温，破碎至粒度至30～40mm，得到精炼渣。
所述改性煅烧后的电石渣的制备方法为：将水50重量份、甘油50重量份混合，在300rpm转速下搅拌20min；加入电石渣2重量份、硝酸镁0.3重量份在80℃、300rpm的条件下搅拌2h；然后放入石英管式炉中在纯二氧化碳的氛围中以10℃/min的升温速率升温至800℃，在800℃保持1h，冷却至室温后即得所述改性煅烧后的电石渣。
实施例4
一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间；将铝灰40重量份、废铝灰粉10重量份、改性煅烧后的电石渣50重量份在搅拌机中混合均匀，接着用压球机制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料加入到电炉(型号5000KVA，西安机械制造有限公司)中，在1400℃下高温烧结30min，自然冷却至室温，破碎至粒度至30～40mm，得到精炼渣。
所述改性煅烧后的电石渣的制备方法为：将水50重量份、甘油50重量份混合，在300rpm转速下搅拌20min；加入电石渣2重量份、九水合硝酸铝0.2重量份、硝酸镁0.1重量份在80℃、300rpm的条件下搅拌2h；然后放入石英管式炉中在纯二氧化碳的氛围中以10℃/min的升温速率升温至800℃，在800℃保持1h，冷却至室温后即得所述改性煅烧后的电石渣。
实施例5
一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间；将铝灰40重量份、废铝灰粉10重量份、改性煅烧后的电石渣50重量份、硼酸1.5重量份在搅拌机中混合均匀，接着用压球机制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料加入到电炉(型号5000KVA，西安机械制造有限公司)中，在1400℃下高温烧结30min，自然冷却至室温，破碎至粒度至30～40mm，得到精炼渣。
所述改性煅烧后的电石渣的制备方法为：将水50重量份、甘油50重量份混合，在300rpm转速下搅拌20min；加入电石渣2重量份、九水合硝酸铝0.2重量份、硝酸镁0.1重量份在80℃、300rpm的条件下搅拌2h；然后放入石英管式炉中在纯二氧化碳的氛围中以10℃/min的升温速率升温至800℃，在800℃保持1h，冷却至室温后即得所述改性煅烧后的电石渣。
实施例6
一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间；将铝灰30重量份、废铝灰粉15重量份、改性煅烧后的电石渣55重量份、硼酸3.0重量份在搅拌机中混合均匀，接着用压球机制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料加入到电炉(型号5000KVA，西安机械制造有限公司)中，在1500℃下高温烧结20min，自然冷却至室温，破碎至粒度至30～40mm，得到精炼渣。
所述改性煅烧后的电石渣的制备方法为：将水30重量份、甘油30重量份混合，在300rpm转速下搅拌20min；加入电石渣1重量份、九水合硝酸铝0.2重量份、硝酸镁0.1重量份在80℃、300rpm的条件下搅拌2h；然后放入石英管式炉中在纯二氧化碳的氛围中以10℃/min的升温速率升温至830℃，在830℃保持1h，冷却至室温后即得所述改性煅烧后的电石渣。
实施例7
一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间；将铝灰50重量份、废铝灰粉5重量份、改性煅烧后的电石渣45重量份、硼酸1.0重量份在搅拌机中混合均匀，接着用压球机制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料加入到电炉(型号5000KVA，西安机械制造有限公司)中，在1300℃下高温烧结50min，自然冷却至室温，破碎至粒度至30～40mm，得到精炼渣。
所述改性煅烧后的电石渣的制备方法为：将水60重量份、甘油60重量份混合，在300rpm转速下搅拌20min；加入电石渣3重量份、九水合硝酸铝0.2重量份、硝酸镁0.1重量份在80℃、300rpm的条件下搅拌2h；然后放入石英管式炉中在纯二氧化碳的氛围中以10℃/min的升温速率升温至700℃，在700℃保持1h，冷却至室温后即得所述改性煅烧后的电石渣。
实施例8
一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下，然后球磨至粒度在4～5mm之间；将铝灰40重量份、废铝灰粉15重量份、改性煅烧后的电石渣45重量份、硼酸2.0重量份在搅拌机中混合均匀，接着用压球机制成直径45～50mm左右的粒料；将粒料加入到电炉(型号5000KVA，西安机械制造有限公司)中，在1451℃下高温烧结23min，自然冷却至室温，破碎至粒度至30～40mm，得到精炼渣。
所述改性煅烧后的电石渣的制备方法为：将水50重量份、甘油50重量份混合，在300rpm转速下搅拌20min；加入电石渣2重量份、九水合硝酸铝0.2重量份、硝酸镁0.1重量份在80℃、300rpm的条件下搅拌2h；然后放入石英管式炉中在纯二氧化碳的氛围中以10℃/min的升温速率升温至835℃，在835℃保持1h，冷却至室温后即得所述改性煅烧后的电石渣。
测试例1
脱硫试验方法如下：
1)试验设备：10kg真空感应炉(型号ZG-0.01)；
2)试验材料：试验模拟普通转炉出钢钢水进行精炼脱硫处理，考虑初始硫含量较为接近，试验选用螺纹钢(HRB400)作为原料；
3)试验步骤：①钢样准备：使用HRB400螺纹钢作为炼钢用料，每次试验用钢量约为5kg；②配渣：每次配精炼渣为试验用钢量的8％，用渣量约为400g；③加料：首先将螺纹钢放置于感应炉内，熔清后首先加入首批精炼渣200g，10min后再加入剩余200g精炼渣，之后继续冶炼10min结束，冷却至室温后将钢样放置于模具中间位置，填充镶样粉，压实。加热、保温5分钟，取出镶好的铁样；将镶好的钢样，用砂纸磨样，将磨好的钢样用抛光剂抛光；将抛光好的钢样进行X射线荧光光谱成分分析，将钢样中的硫与反应前比较，计算出脱硫率。
表1脱硫率
实施例 脱硫率
对比例1 76.9％
实施例1 79.1％
实施例2 85.9％
实施例3 86.4％
实施例4 89.5％
实施例5 92.3％
从表1可以看出，采用特定温度、特定时间对电石渣进行高温煅烧后制备得到的精炼渣的脱硫效果得到了显著的提升。其原因在于，电石渣置于纯二氧化碳的氛围中，在特定温度、特定煅烧时间煅烧，能够得到结晶单元复杂排列的CaO，提高CaO的活性，从而提高硫酸盐的转化率，实现高效脱硫。不仅如此，在电石渣的煅烧过程中，采用改性剂进行改性，也能够显著提高精炼渣的脱硫效果。其原因可能在于：Al及Mg对电石渣在二氧化碳氛围中的高温煅烧改性能够提高电石渣的抗烧结性，能够有效形成直径大于220nm的大孔，提高SO2在电石渣内部的扩散效率，进而实现硫酸盐的转化率，实现精炼渣对钢水的高效脱硫。
测试例2
脱磷试验方法如下：
1)试验设备：XC-500型真空单型真空单辊旋淬甩带机；
2)试验过程：①每个磷铁试样称取15g，将磷铁粉在压样器中压制成型，压制时间为3min(磷铁粉含磷量24.57wt％)；试验分别实施例1～5及对照例1的精炼渣，每份试样称取5g备用。②将5g精炼渣置于试管底部，15g磷铁置于精炼渣上，将试管放入感应熔炼真空室内。③实验器皿为SiO2坩埚，每组实验待铁水熔融后保持10s反应时间，待反应结束后，敲碎SiO2试管进行渣铁分离，分别进行磷含量分析。
表1脱磷率
实施例 脱磷率
对比例1 56.2％
实施例1 60.7％
实施例2 67.4％
实施例3 68.7％
实施例4 76.2％
实施例5 81.2％
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种电解铝厂铝灰的高效利用工艺，其特征在于，包括以下步骤：将铝灰、废铝灰、分别粉碎、球磨；将铝灰30～50重量份、废铝灰5～15重量份、改性煅烧后的电石渣40～60重量份、硼酸或三氧化二硼1.0～3.0重量份混合均匀，接着压制成直径45～50mm的粒料；将粒料在1300～1500℃下高温烧结20～80min，自然冷却、破碎得到精炼渣；
所述改性煅烧后的电石渣的制备方法为：将电石渣粉碎、球磨得到电石渣粉，将水30～60重量份、甘油30～60重量份混合搅拌均匀；加入电石渣粉1～3重量份、改性剂0.1～0.6重量份在70～90℃、100～500rpm的条件下搅拌1～3h；然后放入在纯二氧化碳的氛围中以5～10℃/min的升温速率升温至700～900℃，在700～900℃保持0.5～3h，冷却至室温后即得所述改性煅烧后的电石渣。
2.如权利要求1所述电解铝厂铝灰的高效利用工艺，其特征在于：所述改性剂为硝酸铝和硝酸镁按质量比(1～3):(1～3)混合而成。
3.如权利要求1所述电解铝厂铝灰的高效利用工艺，其特征在于：所述粉碎为粉碎并筛分，确保粒度在20mm以下。
4.如权利要求1所述电解铝厂铝灰的高效利用工艺，其特征在于：所述球磨为球磨至粒度在5mm以下。
5.如权利要求1所述电解铝厂铝灰的高效利用工艺，其特征在于：所述破碎为破碎至粒度在10～40mm之间。
6.一种用于钢水净化的精炼渣，其特征在于：采用如权利要求1～5任一项所述电解铝厂铝灰的高效利用工艺制备得到。
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