TWI399355B

TWI399355B - Method for manufacturing secondary aluminum slag

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Publication number: TWI399355B
Application number: TW98114697A
Authority: TW
Original assignee: Univ Cheng Shiu
Priority date: 2009-05-04
Filing date: 2009-05-04
Publication date: 2013-06-21
Also published as: TW201040125A

Description

二次鋁渣骨材的製造方法

本發明是有關於一種二次鋁渣骨材的製造方法，特別是指一種將廢棄二次鋁渣製成冷結型骨材之鋁渣骨材的製造方法。

在煉鋁及熔化純鋁錠或鋁合金廢料時，部份鋁和其他的金屬，氧化成氧化物，浮在鋁液的表面，就成為浮渣；氧化的原因很多，除空氣接觸外，原料中的水份和有機物，也是重要的因素，它們在鋁液中生成氣泡，其中的水蒸氣，可以把鋁氧化造成浮渣。

浮渣中可能含有高達80%的鋁，現在的鋁製造業要求浮渣儘快冷卻以降低氧化的程度，減少生成更多的浮渣並降低鋁的損失，因此現在有惰性氣體浮渣冷卻器，經冷卻處理過的浮渣，再以各式回轉爐處理，儘可能回收鋁金屬。

隨著環保意識高漲，以及製程副產物一二次鋁渣的產量顯有逐年增加等現象，二次鋁渣的妥善處置是已成為相當重要的環境問題，故有關於二次鋁渣處置與再利用的研究日益增加。

一般來說，二次鋁渣經浸水、晾曬、乾燥等處理後，仍必須依二次鋁渣特性加以評估、選用適當的最終處置方式，常見的有：熱處理(如熱解焚化、熔融燒結)、固化後衛生掩埋、農業再利用...等，藉以方能達到二次鋁渣穩定無害化與資源化之目標。

其中，衛生掩埋法雖為最傳統、最普遍，也最經濟的二次鋁渣最終處置方式，然而受限於掩埋場址之已趨飽和，以及場址處易衍生滲出液、惡臭、病媒源散佈，與有毒物質外漏...等環境污染問題，此法已多受禁制而有漸遭淘汰之趨勢。

另外以兩段式間接加熱反應法處理二次鋁渣，使鋁渣先和水反應生成氫氧化鋁，並經1100~1200℃煆燒後再以1650℃以上燒結，可製成緻密度甚高的氧化鋁骨材，經加入燒注耐火材料中，亦證實可得到相當良好的耐火性質，預期未來可取代鋁土礦及燒結氧化鋁耐火骨材。

此外在一貫作業鋼廠可能的資源化應用途徑，在經過實驗室感應熔解爐的試驗，與中鋼煉鋼廠使用尾渣超過300噸的現場試驗，結果皆證實二次鋁渣可取代進口螢石，促進脫硫效果。目前已使用於鐵水脫硫製程，並已推廣使用於轉爐煉鋼製程。

也有一些專利前案是針對二次鋁渣予以進行回收安定化處理，例如我國公告第215075號發明專利案是靜電分選機來循環富集過篩後的二次鋁渣粉末，我國公告第233312號發明專利案則是將二次鋁渣與水餵入球磨機中，以使二次鋁渣中的氮化鋁與碳化鋁分別與水反應，而生成氨氣與甲烷，以達安定化處理的目標。

以上各種方式，雖能對二次鋁渣予以回收再利用，但是效率仍有不足之處，特別是針對二次鋁渣中的氮化鋁與碳化鋁，若如公告第233312號發明專利案所載，單純地只以與水進行化學反應，欠缺第二道脫除手續，則二次鋁渣中的金屬鋁品位仍會不易提高。

因此，本發明之目的，即在提供一種二次鋁渣骨材的製造方法，能夠有效脫除二次鋁渣中的氮化鋁與碳化鋁，達到極佳的二次鋁渣減量化、無毒化與資源化成效。

於是，本發明二次鋁渣骨材的製造方法，依序包含一氨氣釋放步驟、一安定化步驟、一研磨步驟，及一成型步驟。

首先進行該氨氣釋放步驟，將二次鋁渣沉浸於水中，以使二次鋁渣中的氮化鋁與水接觸而進行化學反應，並進而釋出能溶解於水中的氨氣，此時，再從水中取出二次鋁渣進行乾燥作業；接著進行該安定化步驟，將經過乾燥作業後的二次鋁渣中加入磷酸，其磷酸濃度在20%～80%之間，以使二次鋁渣中的氮化鋁與碳化鋁，能與磷酸反應而產出安定的磷酸鋁；再進行該研磨步驟，將經過該安定化步驟的二次鋁渣予以研磨成粉末；然後進行該成型步驟，將經過該研磨步驟的二次鋁渣粉末與膠結料加水混拌成土團，再經煉製成土坯，再將土坯進行造粒，以成型得球狀骨材。

本發明之功效在於，除了先將二次鋁渣加入水，以使其氮化鋁反應而釋出氨氣，另外還會再加入磷酸來使其氮化鋁與碳化鋁反應而產出安定的磷酸鋁，因此，二次鋁渣中的氮化鋁與碳化鋁能夠有效脫除，以使二次鋁渣中的金屬鋁品位明顯提升，而有助於後續成型出高品質的球狀骨材。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，本發明之二次鋁渣骨材的製造方法1的較佳實施例，依序包含一氨氣釋放步驟11、一安定化步驟12、一研磨步驟13、一成型步驟14，及一浸水養治步驟15。

首先進行該氨氣釋放步驟11，將二次鋁渣沉浸於水中，以使二次鋁渣中的氮化鋁與水接觸而進行化學反應，並進而釋出能溶解於水中的氨氣，以去除惡臭公害，此時，再從水中取出二次鋁渣進行曝曬、晾乾等乾燥作業。

接著進行該安定化步驟12，將經過乾燥作業後的二次鋁渣中加入磷酸，其磷酸濃度在20%～80%之間，以使二次鋁渣中的氮化鋁與碳化鋁，能與磷酸反應而產出安定的磷酸鋁，以去除膨脹公害；其反應式如下所述：

AlN＋H ₃ PO ₄ →AlPO ₄ ＋NH ₃ ↑

Al ₄ C ₃ ＋4H ₃ PO ₄ →4AlPO ₄ ＋3CH ₄

這些安定的磷酸鋁便可以透過自然沉澱，而與二次鋁渣明顯區分出來，以便於二次鋁渣中的純鋁濃度能夠再得到提高純化的效果。

接著，再進行該研磨步驟13，將經過該安定化步驟12的二次鋁渣先予烘乾，然後再予以研磨成粉末，接著再利用100#網目的篩網進行過篩處理。

然後進行該成型步驟14，將經過該研磨步驟13的二次鋁渣粉末與膠結料加水混拌成土團，再依序經煉土、抽真空、擠壓與射出處理來煉製成土坏，再將土坏進行搓揉、造粒，以製得粒徑大小不一的球狀鋁渣骨材。

而且於該成型步驟14中，是依據預定配比用量以將二次鋁渣粉末(Aluminum Dust，以下簡稱AD)與膠結料加水混拌；其中，該膠結料是選自於下列物：水泥(cement，以下簡稱C)、飛灰(fly ash，以下簡稱F)、水淬爐石粉(slag，以下簡稱S)，以及此等之組合，而飛灰與水淬爐石粉便是最常用的波索蘭材料(pozzolanic materials)，通常是用以置換所使用之水泥量，亦即，於混拌時，可以只用水泥作為膠結料，或是以飛灰、水淬爐石粉來取代調整水泥用量；所以本發明對於鋁渣粉末(AD)、水泥(C)、飛灰(F)與水淬爐石粉(S)間的重量配比為33%~50%：5%~67%：17%~28%：17%~51%，且加水量與膠結料的重量比值為0.7。

換言之，本發明可以是有多種混拌方式，如下所述：1.鋁渣粉末(AD)與水泥(C)兩者以鋁渣粉末(AD)為33%~50%：水泥(C)為50%~67%的方式加以混拌；2.鋁渣粉末(AD)、水泥(C)與飛灰(F)三者以鋁渣粉末(AD)為43%~44%：水泥(C)為28%~40%：飛灰(F)為17%~28%的方式加以混拌； 3.鋁渣粉末(AD)、水泥(C)與水淬爐石粉(S)三者以鋁渣粉末(AD)為43%~50%：水泥(C)5%~40%：水淬爐石粉(S)為17%~51%的方式加以混拌；及4.鋁渣粉末(AD)、水泥(C)、飛灰(F)與水淬爐石粉(S)四者以鋁渣粉末(AD)為33%~50%：水泥(C)為5%~67%：飛灰(F)為17%~28%：水淬爐石粉(S)為17%~51%的方式加以混拌。

然後，進行該浸水養治步驟15，是將經過該成型步驟14所製得的球狀鋁渣骨材進一步進行浸水養治，以強化骨材的工程特性(如單壓強度)，當然，骨材的工程特性會隨著浸水養治時間增加而增加。

本發明將就以下實驗例來作進一步說明，但應瞭解的是，各實驗例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

<實驗例>

如上表所列，本發明共採用10種不同重量配比的二次鋁渣粉末(AD)與膠結料(C、S、F)的混拌方式來進行實驗，而且每個實驗例的浸水養治時間皆為28天。

如圖2~11所示，則分別對應於實驗例1~10所製得之之球狀鋁渣骨材的晶相結構，可知各實驗例都能產生有助於強化骨材工程特性之結構，例如刺球狀C-S-H膠體(見方框處)、角粒狀晶體(見菱形框處)、中空球狀晶體(見矩框處)，或是六角形片狀氫氧化鈣晶體(Ca(OH)₂ ，簡稱CH)(見橢圓框處)，故實驗例1~10所製成之鋁渣骨材皆能呈現良好的工程品質特性與無毒穩定性(請參見附表1、附表2及附表3所示)，故前述鋁渣骨材能予以檢驗、級配，而供作為多功能再生混凝土(MRC)、一般混凝土，或道路基底層材料...等之粗細骨材。

歸納上述，本發明之二次鋁渣骨材的製造方法1，主要是利用浸水、晾曬、安定化處理、曬乾、研磨成通過100#粉末、和波索蘭材料混拌、煉土、造粒與浸水養治等處理過程，以將二次鋁渣製成工程品質特性佳且無毒化之冷結型球狀骨材。

更特別的是，本發明除了先將二次鋁渣加入水，以使其氮化鋁反應而釋出氨氣，另外還會再加入磷酸來使其氮化鋁與碳化鋁反應而產出安定的磷酸鋁，因此，二次鋁渣中的氮化鋁與碳化鋁能夠有效脫除，以使二次鋁渣中的金屬鋁品位明顯提升，而有助於後續成型出高品質的球狀骨材，本發明整體確實能達到極佳的鋁渣減量化、穩定化與資源化成效，尤其能獲取極高的經濟效益，有效達到二次鋁渣減量化、穩定化與資源化之目的，所以確實可達到本發明之功效。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧二次鋁渣骨材的製造方法

11‧‧‧氨氣釋放步驟

12‧‧‧安定化步驟

13‧‧‧研磨步驟

14‧‧‧成型步驟

15‧‧‧浸水養治步驟

圖1是一步驟流程圖，說明本發明二次鋁渣骨材的製造方法的較佳實施例；及圖2~11是一晶相圖，說明應用本發明鋁渣骨材的製造方法，以10種不同重量配比的實驗例，所分別製成之鋁渣骨材的晶相結構。

1．．．二次鋁渣骨材的製造方法

11．．．氨氣釋放步驟

12．．．安定化步驟

13．．．研磨步驟

14．．．成型步驟

15．．．浸水養治步驟

Claims

一種二次鋁渣骨材的製造方法，依序包含下列步驟：一氨氣釋放步驟，將二次鋁渣沉浸於水中，以使二次鋁渣中的氮化鋁與水接觸而進行化學反應，並進而釋出能溶解於水中的氨氣，此時，再從水中取出二次鋁渣進行乾燥作業；一安定化步驟，將經過乾燥作業後的二次鋁渣中加入磷酸，其磷酸濃度在20%~80%之間，以使二次鋁渣中的氮化鋁與碳化鋁，能與磷酸反應而產出安定的磷酸鋁；一研磨步驟，將經過該安定化步驟的二次鋁渣予以研磨成粉末；及一成型步驟，將經過該研磨步驟的二次鋁渣粉末與膠結料加水混拌成土團，再經煉製成土坏，再將土坏進行造粒，以成型得球狀骨材。
依據申請專利範圍第1項所述二次鋁渣骨材的製造方法，更包含一接續於該成型步驟之後的浸水養治步驟，是將球狀骨材予以浸水養治。
依據申請專利範圍第2項所述二次鋁渣骨材的製造方法，其中，於該成型步驟中所使用的膠結料，是包括有水泥。
依據申請專利範圍第3項所述二次鋁渣骨材的製造方法，其中，於該成型步驟中，二次鋁渣粉末(AD)與膠結料中的水泥(C)，兩原料之間的重量配比二次鋁渣粉末(AD) 為33%~50%：水泥(C)為50%~67%。
依據申請專利範圍第2項所述二次鋁渣骨材的製造方法，其中，於該成型步驟中所使用的膠結料，是包括有水泥以及飛灰。
依據申請專利範圍第5項所述二次鋁渣骨材的製造方法，其中，於該成型步驟中，二次鋁渣粉末(AD)與膠結料中的水泥(C)與飛灰(F)，各原料之間的重量配比二次鋁渣粉末(AD)為43%~44%：水泥(C)為28%~40%：飛灰(F)為17%~28%。
依據申請專利範圍第2項所述二次鋁渣骨材的製造方法，其中，於該成型步驟中所使用的膠結料，是包括有水泥以及水淬爐石粉。
依據申請專利範圍第7項所述二次鋁渣骨材的製造方法，其中，於該成型步驟中，二次鋁渣粉末(AD)與膠結料中的水泥(C)與水淬爐石粉(S)，各原料之間的重量配比二次鋁渣粉末(AD)為43%~50%：水泥(C)為5%~40%：水淬爐石粉(S)為17%~51%。
依據申請專利範圍第2項所述二次鋁渣骨材的製造方法，其中，於該成型步驟中所使用的膠結料，是包括有水泥、飛灰，以及水淬爐石粉。
依據申請專利範圍第9項所述二次鋁渣骨材的製造方法，其中，於該成型步驟中，二次鋁渣粉末(AD)與膠結料中的水泥(C)、飛灰(F)與水淬爐石粉(S)，各原料之間的重量配比二次鋁渣粉末(AD)為33%~50%：水泥(C)為5 %~67%：飛灰(F)為17%~28%：水淬爐石粉(S)為17%~51%。
依據申請專利範圍第1至10項中任一項所述二次鋁渣骨材的製造方法，其中，於該成型步驟中所使用的加水量與膠結料的重量比值為0.7。
依據申請專利範圍第10項所述二次鋁渣骨材的製造方法，其中，於該成型步驟中，土團是依序經煉土、抽真空、擠壓與射出處理，而製成土坏。