CN113880463B - 一种射频等离子技术生产磷酸镁水泥用氧化镁的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合采用气流粉碎‑射频等离子技术制备磷酸镁水泥用重烧氧化镁的方法。将菱镁矿、赤泥、氧化硼混合配料，先经气流粉碎得到超细粉体，再经射频等离子高温处理，获得无需再次粉磨的低活性呈球形的氧化镁。本发明通过复合少量氧化硼显著降低氧化镁的活性，相比传统的提高温度来降低氧化镁活性的方法，具有明显的低碳技术优势，且满足磷酸镁水泥对低活性重烧氧化镁的需要。

Description

一种射频等离子技术生产磷酸镁水泥用氧化镁的方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种联合采用气流粉碎-射频等离子技术制备磷酸镁水泥用重烧氧化镁的方法。

背景技术

磷酸镁水泥主要由重烧氧化镁、磷酸盐组分、缓凝剂组分组成，其中重烧氧化镁和磷酸盐占比通常在85%-95%之间。可能的磷酸盐类型为磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠等，其中的一种或两种复合都是可行的，所配制的磷酸镁水泥强度发展与磷酸盐种类有一定的关系。缓凝组分通常是硼砂、硼酸或以硼砂为主要组分的复合缓凝剂。磷酸盐和硼砂都是化学工业原料，价格较高；一定煅烧温度和活性要求使得氧化镁制备也是高能耗的。尤其是氧化镁，一般来说菱镁矿在850℃即可脱水形成氧化镁，而用于磷酸镁水泥的氧化镁其烧成温度需要到1600℃，达到“死烧”状态以降低氧化镁的活性。考虑到氧化镁在磷酸镁水泥中占比高达75%，从源头上降低氧化镁的制备成本可显著降低磷酸镁水泥的总成本。

含硼物质如硼砂、硼酸等，是磷酸镁水泥重要的缓凝组分，虽然少量但不可或缺。关于硼砂的作用机理主要是吸附在氧化镁颗粒表面、形成镁硼电子对，以延缓鸟粪石的快速沉积。实际上，行业内在调控磷酸镁水泥性能需要调整硼砂掺量时，往往是按照氧化镁的质量来进行调整的。因此，一定程度上可以认为，硼主要与氧化镁存在相互作用相互依存的关系。目前硼砂主要是在磷酸镁水泥配制过程中引入的，这和氧化镁的烧成是两个完全不同的阶段。

菱镁矿煅烧制备氧化镁，一些生产工艺采用传统沸腾炉，煤粉燃烧后的灼烧会影响氧化镁的组成；也有采用工业电炉烧制电熔镁砂，通常烧成温度在1500-1600℃。等离子燃烧技术是指采用直流空气等离子体作为点火源，实现窑炉的冷态启动不用一滴油的无油点火的燃烧技术，目前在熟料烧成技术的应用主要集中在煤粉点火，已被证实具有明显的低碳优势与比较高的运行效率。

通常重烧氧化镁的颗粒形貌呈不规则块状，一般而言，规则形貌如球形颗粒比不规则颗粒有着比较低的需水量；简而言之，重烧氧化镁通过颗粒整形，磷酸镁水泥的需水量将进一步降低。目前磷酸镁水泥重烧氧化镁的烧成过程并没有对颗粒形貌进行主动的干预。

由上述分析可知，重烧氧化镁的烧成能耗是制约磷酸镁水泥可持续发展的重要因素。较高的烧成温度才能使氧化镁获得较低的活性，低活性氧化镁才能满足磷酸镁水泥可施工性的要求，因此温度与活性是氧化镁低成本制备的矛盾所在。以较低的温度获得低活性的氧化镁，同时氧化镁呈规则的颗粒形貌，这是本领域技术人员所追求的关键技术，也是磷酸镁水泥可持续发展所迫切需要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种联合采用气流粉碎-射频等离子技术制备磷酸镁水泥用重烧氧化镁的方法，在较低温度下降低氧化镁的活性，同时在烧成过程中对氧化镁的颗粒形貌整形，为磷酸镁水泥提供一种低活性、颗粒形貌规则的氧化镁，赋予磷酸镁水泥良好的流变性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明联合气流粉碎与射频等离子系统用于磷酸镁水泥的氧化镁制备，包括两个主要步骤，首先将混合均匀的90-95重量份菱镁矿、5-10重量份赤泥、0.5-2重量份氧化硼经气流粉碎得到超细粉体；再经射频等离子系统进行等离子煅烧处理，获得低活性、球形化的重烧氧化镁。

进一步，所述气流粉碎是通过一种气流粉碎分级机实现的，其主要的运行参数为：压缩空气流量5~15 L/min、装机功率5~30kW、生产能力10~150 kg/h、出料粒径范围2~50μm。

进一步，用于氧化镁制备的射频等离子系统的核心组件有射频等离子体发生器与冷却供气系统，等离子发生器实现了物料与热场的快速接触，使物料瞬间获得高温；冷却供气系统将高温烧成的氧化镁快速冷却，由于表面张力的作用形成规则的球形颗粒。其他组件主要有射频等离子体电源、供气送粉系统、反应室与收集室、真空抽气系统、电气控制及测量系统。进一步，所述射频等离子体的运行参数为：等离子燃烧器焰心温度1200~1500℃，频率3.5 ~5.0MHz，功率30~200 kW，工作气体为高纯氮气或空气。

进一步，由于物料的烧成和冷却都经高速气体的输运，避免了传统静态烧结的物料结粒成团的问题。经过射频等离子系统处理的氧化镁无需再次粉磨，满足磷酸镁水泥用氧化镁的粒径范围需要。

联合气流粉碎与射频等离子系统，实现流程上的无缝衔接，经气流粉碎得到的超细粉体在出气气流的输运下直接进入射频等离子进料口，且超细粉体的载气输运气流即为等离子的工作气体一部分，提高了生产效率，降低了能耗。

进一步，气流粉碎处理得到的超细粉体的粒径范围在5~50μm之间。超细粉体与等离子球形化的烧成氧化镁的粒径范围存在一定的联系，等离子燃烧系统的出料粒径范围是气流粉碎出料粒径范围的1.0~2.0倍，这与物料生料中赤泥和氧化硼的占比有关。

进一步优选的，氧化硼的掺量在0.5%-2%；氧化硼的液滴在氧化镁表面形成一定的刻蚀并形成少量硼酸镁矿物，以达到降低氧化镁活性的目的。

进一步，在配料过程中引入少量赤泥，一方面赤泥中含有的碱金属氧化物可以促进氧化镁球形化提高球形率，另一方面消纳部分赤泥以降低赤泥堆存带来的环境危害。

进一步优选的，经射频等离子系统处理的烧成氧化镁球形率范围可调，在50%~95%之间。

进一步优选的，烧成氧化镁的纯度可调，需要高纯氧化镁时可尽量降低赤泥的配入量；实际上，经过等离子处理后赤泥物相发生改变，形成惰性的矿物，对磷酸镁水泥的水化硬化物影响不大。

进一步优选的，参照中华人民共和国黑色冶金行业标准《轻烧氧化镁化学活性测定方法》测定了低活性氧化镁的柠檬酸活性，显色反应时间在5~20分钟可调。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明提出的联合气流粉碎机与射频等离子系统制备磷酸镁水泥用氧化镁，工艺流程简单，能耗降低明显。该方法将原材料初次粉磨与烧成形成一体化工艺流程，烧成后无需再次粉磨，即“一磨一烧”制备粒径范围满足要求的氧化镁，突破了传统重烧氧化镁需要“两磨一烧”的工艺。本发明提出的射频等离子系统在烧成氧化镁时还对颗粒进行整形，获得规则的球形颗粒，有利于降低氧化镁的需水量，提高磷酸镁水泥的流动度。

（2）本发明采用少量氧化硼复合菱镁矿一起制备氧化镁，首先，0.5-2份的氧化硼就可以显著降低氧化镁的活性，效果显著。从能耗当量上来看，0.5-2份氧化硼相当于200℃左右的能耗，也即0.5-2份氧化硼、1350℃等离子处理得到氧化镁活性与传统窑炉1600℃烧成氧化镁是一致的。再者，磷酸镁水泥的配制过程通常还需要引入适量硼砂，考虑到烧成过程引入的氧化硼或多或少能起到一定的缓凝作用，后续配制过程中可减少硼砂的掺量。换言之，将部分含硼物质（氧化硼、硼砂）在磷酸镁水泥中的作用时机，由配制过程引入调整到烧成过程，降低了氧化镁的制备能耗，总的含硼物质含量并没有明显增加，工艺上的改变具有明显的有益效果。

（3）在氧化镁的制备过程中还引入了少量赤泥，充分利用赤泥中的碱金属在高温烧成过程中形成的液相以提高氧化镁的球形度。引入的赤泥经射频等离子系统与氧化镁形成惰性矿物，对磷酸镁水泥的水泥水化硬化无影响。消纳部分赤泥有利于缓解赤泥建材资源化的压力，节能且环保。再者赤泥的引入量可调节，对应的烧成氧化镁的纯度也相应可调节，这一弹性调整有利于磷酸镁水泥性能的调整。

附图说明

图1为联合气流粉碎-射频等离子系统的装置示意图，其中A为气流粉碎部分，具体组成为：①供气系统，②进料系统，③气流粉碎系统；B为射频等离子系统部分，④物料载气管道，⑤等离子发生器，⑥电源系统，⑦冷却供气系统，⑧样品收集系统。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

本发明所用原材料均可通过市售购买途径获得。

实施例1

一种联合采用气流粉碎-射频等离子系统制备磷酸镁水泥用氧化镁的方法，具体包括以下步骤：

（1）生料的制备：将95份菱镁矿、4份赤泥、1份氧化硼称量待用并预先混匀。

（2）气流粉碎处理：将上述预先混匀的生料，投入气流粉碎设备，气流粉碎机的主要运行参数为：压缩空气流量5L/min、装机功率20kW、生产能力50 kg/h、出料粒径5~50μm。

（3）射频等离子高温处理，射频等离子系统由以下部分组成：射频等离子体炬、射频等离子体电源、供气送粉系统、反应室与收集室及支架、真空抽气系统、电气控制及测量系统、冷却系统。射频等离子发生室的运行参数为：功率100kW、频率3.0 MHz、工作气体为空气、等离子燃烧器焰芯温度为1400~1500℃。其中射频等离子的进料系统直接与气流粉碎机的出气系统相连。

（4）在冷却收集室收集烧成的氧化镁。

实施例2

一种联合采用气流粉碎-射频等离子系统制备磷酸镁水泥用氧化镁的方法，具体包括以下步骤：

（1）生料的制备：将92.5份菱镁矿、6份赤泥、1.5份氧化硼称量待用并预先混匀。

（2）气流粉碎处理：将上述预先混匀的混合物粉末，投入气流粉碎设备，气流粉碎机的主要运行参数为：压缩空气流量10L/min、装机功率60kW、生产能力130kg/h、进料粒径不大于5mm、出料粒径2-25μm、运载气流为氮气。

（3）射频等离子高温处理，射频等离子系统由以下几个部分组成：射频等离子体炬、射频等离子体电源、供气送粉系统、反应室与收集室及支架、真空抽气系统、电气控制及测量系统、冷水机组。射频等离子发生室的运行参数为：功率180kW、频率3.5MHz、工作气体为氮气、等离子燃烧器焰芯温度为1300~1400℃。其中射频等离子的进料系统直接与气流粉碎机的出气系统相连。

（4）在供气冷却系统收集烧成的氧化镁。

实施例3

一种联合采用气流粉碎-射频等离子系统制备磷酸镁水泥用氧化镁的方法，具体包括以下步骤：

（1）生料的制备：将99份菱镁矿、1份氧化硼称量待用并预先混匀。

（2）气流粉碎处理：将上述预先混匀的生料，投入气流粉碎设备，气流粉碎机的主要运行参数为：压缩空气流量5 L/min、装机功率50kW、生产能力100 kg/h、进料粒径不大于2mm、出料粒径5~50μm、运载气流为压缩空气。

（3）物料经气流粉碎机处理后进入射频等离子的进料系统，在等离子发生器的高温火焰下瞬间升温使菱镁矿分解、冷却系统的快速冷却使得氧化镁部分颗粒呈球形，氧化硼使烧成氧化镁活性显著降低。射频等离子发生器的运行参数为：功率150kW、频率3.2MHz、等离子燃烧器焰芯温度为1400~1500℃。

（4）样品收集，在冷却收集室收集烧成高纯氧化镁。

对比例1

选取购买的市售重烧氧化镁作为对比例。

性能测试：

参照中华人民共和国黑色冶金行业标准《轻烧氧化镁化学活性测定方法》，测试了实施例1-3和对比例1氧化镁的柠檬酸活性。具体步骤为：配制浓度为0.02mol/L的柠檬酸溶液，加入一定量酚酞指示剂，置于磁力搅拌器上，MgO粉末与溶液质量比固定，定速（600r/min）搅拌，记录溶液变红的时间即显色时间，以此表征MgO活性。

采用激光粒度仪测试了无需粉磨的氧化镁的粒径范围，采用水泥细度测定仪测试了氧化镁的勃氏比表面积，采用颗粒动态图像分析仪测试了氧化镁的球形率。

实施例1-3和对比例1的柠檬酸活性、勃氏比表面积、球形率和粒径范围如下表所示：

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种联合采用气流粉碎-射频等离子技术制备磷酸镁水泥用重烧氧化镁的方法，其特征在于：包括以下步骤，首先将混合均匀的菱镁矿、赤泥和氧化硼经气流粉碎得到超细粉体，再经射频等离子系统进行等离子煅烧处理，获得无需再次粉磨的低活性呈球形的氧化镁；

原料按重量份数计，菱镁矿90~95份、赤泥5~10份、氧化硼0.5~2份。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：气流粉碎技术参数为：压缩空气流量5~15L/min，装机功率5~30kW，生产能力10~150 kg/h，出料粒径5~50μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：射频等离子技术参数为：等离子燃烧器焰心温度1200~1500℃、频率3.5~5.0MHz、功率30~200 kW、工作气体为高纯氮气或空气。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：超细粉体的细度为5~50μm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：氧化镁的球形率为50~95%。

6.一种如权利要求1所述的方法制得的氧化镁，其特征在于：所述的氧化镁的柠檬酸反应时间为5~20min。

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