CN112851121B - 一种硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法 - Google Patents

一种硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于冶炼渣资源化利用及无害化处理技术领域，公开了一种硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法，具体为将包括所述高铁尾渣和所述硅渣的原料混合均匀，对得到的基础配方原料进行加热熔融、浇注、核化、晶化和退火，即得微晶玻璃。通过硅渣与高铁尾渣的协同作用，克服了高铁尾渣中硅含量较低的问题。同时，硅渣的引入，使基础配方原料中FeO的相对含量减少，降低了加热熔融所需的温度，有效减少了能耗。与常规烧结工艺相比，本方法对加热熔融得到的玻璃液直接进行浇注操作，无需水淬和二次球磨处理，不仅节省了能耗，还具有成型方便、快捷等优点，玻璃液平稳地充满铸型，降低了玻璃液中金属液被氧化的风险。

Description

一种硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法
技术领域
本发明属于冶炼渣资源化利用及无害化处理技术领域，具体地，涉及一种硅渣促进高铁尾渣资源化的方法。
背景技术
高铁尾渣主要是锌冶炼企业热态回转窑渣水淬后形成的废渣，由于冶炼过程中无法将所有的有价金属完全提取干净，导致这类尾渣均不同程度的含有一些有价金属。采用传统冶金或化学工艺处理该类尾渣时，因其难以进行很有效的综合回收利用，从而导致大量的尾渣被废弃，同时这些废弃的尾渣还极易造成环境污染。目前高铁尾渣的处理方法主要为用作路基材料或制备免烧砖低质建材，但由于尾渣中通常含有重金属元素，这些重金属元素在淋滤、风化氧化等作用下进入环境中，会对当地的土壤、水体造成严重污染，危害人体健康。与此同时，高铁尾渣也是一种潜在的资源，其中含有的化学成分如FeO、SiO2、CaO、Al2O3等都是建筑材料采用的原材料，所以，合理开发利用高铁尾渣不仅可以解决环境污染，还可以弥补资源的不足。
为此，现有技术公开了一种烟化炉渣协同烧结制备微晶玻璃的方法，该方法以选铁尾渣为主要原料，以烟化炉渣、铅尾矿、硼砂、纳长石、氟化钙、碳酸钡等为助烧剂、调质剂和助溶剂，将破碎和研磨后样品按配方进行混合、高温熔融、水淬操作后获得基础玻璃样品，并将所得基础玻璃进行二次球磨、成型、烧结、晶化等系列操作后得到目标微晶玻璃产品，然而，该方法需要对熔融玻璃液进行低温水淬和二次球磨处理，操作不便，而且能耗损失大，还容易导致玻璃液中金属被氧化的可能。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有的利用铁尾渣制备微晶玻璃存在操作不便及能耗损失大的缺陷，从而提供一种硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法，所述方法为：将包括所述高铁尾渣和所述硅渣的原料混合均匀，对得到的基础配方原料进行加热熔融、浇注、核化、晶化和退火，即得微晶玻璃。
进一步地，所述高铁尾渣为铅冶炼烟化炉渣。
进一步地，所述基础配方原料包括如下重量份的原料：
高铁尾渣45～65份；硅渣18～47份；硼砂3～7份；钠长石0～5份；钾长石0～4份；萤石2～5份；碳酸钡0～4份。
进一步地，所述方法包括如下步骤：
(1)对配方量的原料各组分进行球磨混合，得到所述基础配方原料；
(2)以5～20℃/min的升温速率匀速加热所述基础配方原料至1350～1550℃，随后保温3～6h，形成均一玻璃液；
(3)将所述玻璃液倒入550～650℃的模具中，保温40～90min，得到基础玻璃；
(4)将所述基础玻璃在650～750℃下保温核化1～3h，再在850～950℃下保温晶化2～4h，随后以5～10℃/min的降温速率匀速降温至室温，即得到所述微晶玻璃。
更进一步地，步骤(1)中，在所述球磨混合步骤之前，还包括分别对原料各组分进行烘干、破碎和过筛的步骤。
更进一步地，步骤(2)中，加热所述基础配方原料至1440～1520℃。
更进一步地，所述步骤(2)在调质炉中进行。
更进一步地，步骤(3)中，所述模具为铸钢模具。
本发明还提供了一种根据上述方法制备得到的微晶玻璃。
本发明还提供了上述微晶玻璃在建筑材料领域中的应用。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法，在高铁尾渣中加入硅渣，对得到的基础配方原料进行加热熔融、浇注、核化、晶化和退火，即得到所述微晶玻璃。通过硅渣与高铁尾渣的协同作用，克服了高铁尾渣中硅含量较低不利于制备高性能微晶玻璃的问题。同时，硅渣的引入，使基础配方原料中FeO的相对含量减少，降低了加热熔融所需的温度，有效减少了能耗。与常规烧结工艺相比，本方法对加热熔融得到的玻璃液直接进行浇注操作，无需水淬和二次球磨处理，不仅节省了能耗，还具有成型方便、快捷等优点，玻璃液平稳地充满铸型，降低了玻璃液中金属液被氧化的风险。
2.本发明提供的硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法，所述高铁尾渣为铅冶炼烟化炉渣，其为回转窑水淬渣经选择性磨矿、絮凝剂梯度磁选降锌提铁、回收碳粉等预处理后得到的工业尾渣，与微晶玻璃成分类似，为微晶玻璃的制备提供了重要基础原料。
3.本发明提供的硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法，采用硅渣协同高铁尾渣制备微晶玻璃，利用两种尾渣组分的优劣互补或优势协同，并添加合适的调质剂和尾渣混合制备微晶玻璃，该方法不仅可以大量消纳高铁尾渣和硅渣尾渣，还可以获得低原料成本的高价值、高性能微晶玻璃产品，实现高铁尾渣资源化利用目标，具有显著的环境和经济效益。
4.本发明提供的硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法，对加热熔融、浇注、核化、晶化和退火的条件进一步限定，不仅能有效固化尾渣中的铅、锌、镉等重金属，而且还能获得满足国家标准JC/T 872-2019建筑装饰用微晶玻璃标准要求的微晶玻璃产品。
5.本发明提供的微晶玻璃，具有优异的抗弯强度、硬度及耐酸耐碱性，达到国家标准JC/T 872-2019的要求，符合建筑装饰用微晶玻璃的技术要求。
附图说明
图1为本发明实施例2的微晶玻璃和对比例1的微晶玻璃的重金属沥出浓度随时间的变化图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明所使用的高铁尾渣为为铅冶炼烟化炉渣，其为回转窑水淬渣经选择性磨矿、絮凝剂梯度磁选降锌提铁、回收碳粉等预处理后得到的工业尾渣，硅渣为多晶硅精炼冶炼过程中排放的废渣。本发明以下实施例中所使用的高铁尾渣和硅渣主要组成成分分别见表1和表2。
表1高铁尾渣的主要组成成分(％)
成分 SiO<sub>2</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> K<sub>2</sub>O MgO Na<sub>2</sub>O ZnO 其他
含量％ 34.0632 32.1886 15.9949 5.3723 3.0243 2.2763 2.1952 1.3929 3.4823
表2硅渣的主要组成成分(％)
成分 SiO<sub>2</sub> CaO Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 其他
含量％ 72.5272 15.9451 11.1276 0.1798 0.2203
实施例1
本实施例提供了一种微晶玻璃，其制备方法包括如下步骤：
(1)配料：以高铁尾渣为主要原料，以硅渣为辅助原料，以硼砂、钠长石、萤石为调质剂，将上述原料依次进行烘干、破碎和过筛操作，然后按质量比为45：47：3：3：2称取高铁尾渣、硅渣和硼砂、钠长石、萤石，以保证体系中各组分的重量百分比为：SiO2:35％、FeO:33％、CaO:6％、Al2O3:8％、RO:18％，其中，RO表示ZnO、MnO、MgO、Na2O、B2O3、BaO、Cr2O3、NiO或TiO2(各组分的含量通过荧光组份分析法得出)。
(2)混料：将步骤(1)的原料混合物放入球磨机中进行球磨混合，得到基础配方料。
(3)熔融：将步骤(2)得到的基础配方料放入调质炉中进行熔融处理，熔融温度为1350℃，升温速率为5℃/min，保温3h使得基础玻璃配方原料充分熔融，形成均匀澄清的玻璃液。
(4)浇注：将步骤(3)得到的玻璃液浇注到550℃的铸钢模具中，并保温40min，形成基础玻璃。
(5)核化和晶化：将步骤(4)得到的基础玻璃在650℃下保温核化1h；再在850℃下保温晶化2h。
(6)退火：将步骤(5)得到的产品以5℃/min的降温速率降至室温，即得到所述微晶玻璃。
实施例2
本实施例提供了一种微晶玻璃，其制备方法包括如下步骤：
(1)配料：以高铁尾渣为主要原料，以硅渣为辅助原料，以硼砂、钠长石、萤石、碳酸钡为调质剂，将上述原料依次进行烘干、破碎和过筛操作，然后按质量比为45：40：5：3：5：2称取高铁尾渣、硅渣和硼砂、钠长石、萤石、碳酸钡，以保证体系中各组分的重量百分比为：SiO2:35％、FeO:28％、CaO:7％、Al2O3:7％、RO:23％，其中，RO表示ZnO、MnO、MgO、Na2O、B2O3、BaO、Cr2O3、NiO或TiO2(各组分的含量通过荧光组份分析法得出)。
(2)混料：将步骤(1)的原料混合物放入球磨机中进行球磨混合，得到基础配方料。
(3)熔融：将步骤(2)得到的基础配方料放入调质炉中进行熔融处理，熔融温度为1440℃，升温速率为10℃/min，保温4h使得基础玻璃配方原料充分熔融，形成均匀澄清的玻璃液。
(4)浇注：将步骤(3)得到的玻璃液浇注到600℃的铸钢模具中，并保温60min，形成基础玻璃。
(5)核化和晶化：将步骤(4)得到的基础玻璃在700℃下保温核化1h；再在900℃下保温晶化2h。
(6)退火：将步骤(5)得到的产品以5℃/min的降温速率降至室温，即得到所述微晶玻璃。
实施例3
本实施例提供了一种微晶玻璃，其制备方法包括如下步骤：
(1)配料：以高铁尾渣为主要原料，以硅渣为辅助原料，以硼砂、钠长石、萤石、碳酸钡为调质剂，将上述原料依次进行烘干、破碎和过筛操作，然后按质量比为55：27：5：5：4：4称取高铁尾渣、硅渣和硼砂、钠长石、萤石、碳酸钡，以保证体系中各组分的重量百分比为：SiO2:40％、FeO:25％、CaO:9％、Al2O3:7％、RO:19％，其中，RO表示ZnO、MnO、MgO、Na2O、B2O3、BaO、Cr2O3、NiO或TiO2(各组分的含量通过荧光组份分析法得出)。
(2)混料：将步骤(1)的原料混合物放入球磨机中进行球磨混合，得到基础配方料。
(3)熔融：将步骤(2)得到的基础配方料放入调质炉中进行熔融处理，熔融温度为1450℃，升温速率为10℃/min，保温5h使得基础玻璃配方原料充分熔融，形成均匀澄清的玻璃液。
(4)浇注：将步骤(3)得到的玻璃液浇注到600℃的铸钢模具中，并保温80min，形成基础玻璃。
(5)核化和晶化：将步骤(4)得到的基础玻璃在700℃下保温核化2h；再在900℃下保温晶化4h。
(6)退火：将步骤(5)得到的产品以5℃/min的降温速率降至室温，即得到所述微晶玻璃。
实施例4
本实施例提供了一种微晶玻璃，其制备方法包括如下步骤：
(1)配料：以高铁尾渣为主要原料，以硅渣为辅助原料，以硼砂、钾长石、萤石、碳酸钡为调质剂，将上述原料依次进行烘干、破碎和过筛操作，然后按质量比为55：29：5：4：3：4称取高铁尾渣、硅渣和硼砂、钾长石、萤石、碳酸钡，以保证体系中各组分的重量百分比为：SiO2:40％、FeO:25％、CaO:9％、Al2O3:7％、RO:19％，其中，RO表示ZnO、MnO、MgO、Na2O、B2O3、BaO、Cr2O3、NiO或TiO2(各组分的含量通过荧光组份分析法得出)。
(2)混料：将步骤(1)的原料混合物放入球磨机中进行球磨混合，得到基础配方料。
(3)熔融：将步骤(2)得到的基础配方料放入调质炉中进行熔融处理，熔融温度为1550℃，升温速率为20℃/min，保温5h使得基础玻璃配方原料充分熔融，形成均匀澄清的玻璃液。
(4)浇注：将步骤(3)得到的玻璃液浇注到650℃的铸钢模具中，并保温80min，形成基础玻璃。
(5)核化和晶化：将步骤(4)得到的基础玻璃在700℃下保温核化3h；再在900℃下保温晶化4h。
(6)退火：将步骤(5)得到的产品以10℃/min的降温速率降至室温，即得到所述微晶玻璃。
实施例5
本实施例提供了一种微晶玻璃，其制备方法包括如下步骤：
(1)配料：以高铁尾渣为主要原料，以硅渣为辅助原料，以硼砂、钠长石、钾长石、萤石、碳酸钡为调质剂，将上述原料依次进行烘干、破碎和过筛操作，然后按质量比为65：18：7：2：2：3：3称取高铁尾渣、硅渣和硼砂、钠长石、钾长石、萤石、碳酸钡，以保证体系中各组分的重量百分比为：SiO2:45％、FeO:15％、CaO:10％、Al2O3:6％、RO:24％，其中，RO表示ZnO、MnO、MgO、Na2O、B2O3、BaO、Cr2O3、NiO或TiO2(各组分的含量通过荧光组份分析法得出)。
(2)混料：将步骤(1)的原料混合物放入球磨机中进行球磨混合，得到基础配方料。
(3)熔融：将步骤(2)得到的基础配方料放入调质炉中进行熔融处理，熔融温度为1520℃，升温速率为20℃/min，保温6h使得基础玻璃配方原料充分熔融，形成均匀澄清的玻璃液。
(4)浇注：将步骤(3)得到的玻璃液浇注到650℃的铸钢模具中，并保温90min，形成基础玻璃。
(5)核化和晶化：将步骤(4)得到的基础玻璃在750℃下保温核化3h；再在950℃下保温晶化2h。
(6)退火：将步骤(5)得到的产品以10℃/min的降温速率降至室温，即得到所述微晶玻璃。
对比例1
本对比例提供了一种微晶玻璃，其制备方法包括如下步骤：
(1)配料：以高铁尾渣为主要原料，以硼砂、钠长石、萤石、碳酸钡为调质剂，将上述原料依次进行烘干、破碎和过筛操作，然后按质量比为45：5：3：5：2称取高铁尾渣和硼砂、钠长石、萤石、碳酸钡。
(2)混料：将步骤(1)的原料混合物放入球磨机中进行球磨混合，得到基础配方料。
(3)熔融：将步骤(2)得到的基础配方料放入调质炉中进行熔融处理，熔融温度为1440℃，升温速率为10℃/min，保温4h使得基础玻璃配方原料充分熔融，形成均匀澄清的玻璃液。
(4)浇注：将步骤(3)得到的玻璃液浇注到600℃的铸钢模具中，并保温60min，形成基础玻璃。
(5)核化和晶化：将步骤(4)得到的基础玻璃在700℃下保温核化1h；再在900℃下保温晶化2h。
(6)退火：将步骤(5)得到的产品以5℃/min的降温速率降至室温，即得到所述微晶玻璃。
对比例2
本对比例提供了一种微晶玻璃，其制备方法基本同本发明实施例2，不同之处在于，步骤(3)中，熔融温度为1250℃。
对比例3
本对比例提供了一种微晶玻璃，其制备方法基本同本发明实施例2，不同之处在于，步骤(3)中，熔融温度为1650℃。
实验例1
对本发明实施例1-5以及对比例1-3所得的微晶玻璃材料进行性能测试，其中，密度、抗弯强度和莫氏硬度的试验方法参照GB/T 9966.3-2001，耐酸耐碱性的试验方法参照JC/T 872-2019。测试结果见下表3所示。
Figure BDA0002902190860000111
注：国家标准规定耐酸耐碱性即质量损失率均不大于0.2％且外观无变化。
由上表中的数据对比可知，SiO2的含量以及熔融温度均会影响微晶玻璃材料的性能。对比本发明实施例2和对比例1的测试结果发现，在高铁尾渣中加入特定量的硅渣，不仅可提高微晶玻璃的密度，还有利于提高微晶玻璃的力学性能。
实验例2
对本发明实施例2所得的微晶玻璃材料进行毒性浸出试验，重金属浸出测试方法为：
(1)将本发明实施例2制备得到的微晶玻璃放置在110℃的干燥箱中干燥4h，冷却至室温，研磨成粉末，取21g粉末，并将21g粉末等分成21份，备用；
(2)将适量的醋酸溶液溶于去离子水中，并用1mol/L NaOH调节溶液pH值，使pH在4.95±0.05范围内，制得浸出液；
(3)分别将21份粉末装入21只离心管中，并分别加入20mL浸出液，将得到的21份样品等分成7组(每组样品设置三个平行样)，分别震荡0.25，0.5，1，3，7，14，28天，每个时期结束后将对应的样品取出；
(4)将取出的样品离心处理后取出上清液，过滤，然后检测滤液中重金属的浓度。
同时，设置对比样品为对比例1的微晶玻璃产品，按照上述同样的方法进行毒性浸出试验。
根据试验结果，绘制重金属浓度随时间的变化图，详见图1。由图1可以看出，本发明特定比例的硅渣与高铁尾渣粉末混合后在高温烧结条件下制备得到的微晶玻璃材料，能有效地将高铁尾渣中的微量重金属固化在玻璃晶体的网格中，从而使浸出液中重金属(Pb、Zn和Cr)浓度远低于国家标准GB5085.3-2007规定的阈值，符合微晶玻璃用于建材的环保要求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种硅渣促进高铁尾渣资源化利用的方法，其特征在于，将包括所述高铁尾渣和所述硅渣的原料混合均匀，对得到的基础配方原料进行加热熔融、浇注、核化、晶化和退火，即得微晶玻璃；
所述基础配方原料包括如下重量份的原料：高铁尾渣45~65份；硅渣18~47份；硼砂3~7份；钠长石0~5份；钾长石0~4份；萤石2~5份；碳酸钡0~4份；
所述高铁尾渣为铅冶炼烟化炉渣，所述铅冶炼烟化炉渣为回转窑水淬渣经选择性磨矿、絮凝剂梯度磁选降锌提铁、回收碳粉预处理后得到的工业尾渣；所述硅渣为多晶硅精炼冶炼过程中排放的废渣。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）对配方量的各原料进行球磨混合，得到所述基础配方原料；
（2）以5~20℃/min的升温速率匀速加热所述基础配方原料至1350~1550℃，随后保温3~6h，形成均一玻璃液；
（3）将所述玻璃液倒入550~650℃的模具中，保温40~90min，得到基础玻璃；
（4）将所述基础玻璃在650~750℃下保温核化1~3h，再在850~950℃下保温晶化2~4h，随后以5~10℃/min的降温速率匀速降温至室温，即得到所述微晶玻璃。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，在所述球磨混合步骤之前，还包括分别对原料各组分进行烘干、破碎和过筛的步骤。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，加热所述基础配方原料至1440~1520℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）在调质炉中进行。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述模具为铸钢模具。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的方法制备得到的微晶玻璃。
8.根据权利要求1-6任一所述的方法制备得到的微晶玻璃或权利要求7所述的微晶玻璃在建筑材料领域中的应用。
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