利用無害化鋁灰合成耐火原料研究

夏 熠 ， 牛文軍 ， 李元峰 ， 馮曉強(qiáng) ， 馮亞剛

(1.河南工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 , 河南 鄭州 450001 ； 2.鄭州經(jīng)緯科技實業(yè)有限公司 ， 河南 鄭州 450002)

鋁(渣)灰來源于鋁冶煉工業(yè)，其礦物組成包括氧化鋁、氮化鋁、金屬鋁，氧化鎂，以及鉀、鈉的氯化物和氟化物等[1]。鋁灰因富含氮化鋁、氟化物、氯化物等，屬于危險固體廢棄物。在我國，龐大的電解鋁產(chǎn)業(yè)催生大量鋁灰鋁渣，且每年按150萬～200萬t的數(shù)量遞增。過去，企業(yè)多采用填埋方式處理，對土壤、地下水、大氣等嚴(yán)重污染。在環(huán)保愈加受到重視的當(dāng)今，鋁灰的無害化處理勢在必行。本實驗室和相關(guān)單位研究了高效提純技術(shù)，可有效去除鋁灰中的有害成分，獲得了高Al2O3和MgO含量的無機(jī)礦物原料[2]。

無害化鋁灰富含氧化鋁和氧化鎂等高熔點物相，可制備多種有價值的材料，如塞隆、氧化鋁等[3-5]。本研究采用無害化鋁灰作為主要原料合成鎂鋁尖晶石和堇青石等耐火原料，并研究了鋁灰基鎂鋁尖晶石在耐火澆注料中的應(yīng)用。

1 實驗

1.1 原料

本實驗所用無害化鋁灰(鄭州經(jīng)緯科技實業(yè)有限公司提供)的化學(xué)組成見表1，可知其主要組分為Al2O3和MgO。此組成特點非常適合用其合成鎂鋁尖晶石；在其中引入硅源也可合成堇青石材料。本研究以無害化鋁灰和輕燒氧化鎂(市售)為原料合成鎂鋁尖晶石；以無害化鋁灰和滑石、硅石粉(均為市售)為原料合成堇青石。所用的輕燒氧化鎂、滑石和硅石的主要化學(xué)組成見表2。

表1 無害化鋁灰的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 所用原料的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 實驗過程

1.2.1鎂鋁尖晶石的合成及應(yīng)用

以無害化處理后的鋁灰和輕燒鎂砂為原料，按照尖晶石理論組成配料，混合均勻后機(jī)壓成型，成型壓力150 MPa。110 ℃烘干24 h取出，進(jìn)行1 650 ℃熱處理，保溫3 h，冷卻后得到合成料(鋁灰基尖晶石)。將鋁灰基尖晶石破碎并磨細(xì)成粉，作為原料制備剛玉-尖晶石澆注料，同時制備含有礬土基尖晶石的剛玉-尖晶石澆注料(二者不同之處在于所用尖晶石的類型不同)，并對比研究其抗渣性。實驗條件如下：澆注法制備成Φ100 mm×100 mm(內(nèi)孔Φ50 mm×60 mm)坩堝，經(jīng)110 ℃干燥24 h處理后，在坩堝內(nèi)部放入粒度<1 mm的鐵渣110 g，經(jīng)1 550 ℃熱處理3 h。坩堝冷卻后，縱向?qū)ΨQ切割成兩半。觀察比較斷面熔渣侵蝕和滲透情況，并以滲透深度除以坩堝底部深度40 mm，取百分?jǐn)?shù)得出滲透指數(shù)。

1.2.2合成堇青石

以無害化處理后的鋁灰、滑石和硅石粉為原料，按照堇青石理論組成進(jìn)行配料，混合均勻后機(jī)壓成型，成型壓力150 MPa。110 ℃烘干24 h取出，進(jìn)行1 380 ℃熱處理，保溫3 h。試樣冷卻后，進(jìn)行物相及顯微結(jié)構(gòu)分析。

1.3 檢測方法

采用阿基米德排水法，利用顯氣孔體密測定儀檢測試樣的顯氣孔率、體積密度和吸水率；利用X射線衍射儀(XRD)分析試樣的礦相組成，所用設(shè)備為德國布魯克Model D8 ADVANCE X-ray衍射儀(Model D8 ADVANCE, BRUKER, Germany)， Cu靶及石墨晶體單色體，管電壓40 kV，管電流35 mA，掃描范圍5°～80°；利用掃描電鏡(SEM)分析試樣的微觀結(jié)構(gòu)及組織形貌等，使用的器材是荷蘭PHILIPS公司生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡(FEI，INSPECT F50)和能量分散型X射線光譜法(EDAX)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎂鋁尖晶石的合成及應(yīng)用研究

2.1.1物相組成及顯微結(jié)構(gòu)分析

合成材料的X射線衍射(XRD)圖譜見圖1。

圖1 合成材料的XRD圖譜

圖1顯示了典型且單一的尖晶石衍射峰，無其他物相的衍射峰。衍射峰型尖銳，顯示生成的尖晶石的結(jié)晶度高。測得其體積密度為3.07 kg/L，氣孔率為1%，吸水率為 0.75%。所合成的鎂鋁尖晶石的顯微結(jié)構(gòu)形貌如圖2所示。

圖2 鋁灰基尖晶石的顯微形貌

由圖2可見，尖晶石晶粒大小較為均勻，相互之間結(jié)合緊密，形成直接結(jié)合。通過能譜分析進(jìn)一步確定晶粒為尖晶石礦物相如圖3所示。

圖3 鋁灰基尖晶石的能譜

2.1.2應(yīng)用研究

添加礬土基尖晶石的剛玉(0#)和添加鋁灰基尖晶石的剛玉(1#)的氣孔率接近，0#為18.5%，1#為17%。經(jīng)過渣蝕實驗后，其坩堝切口截面見圖4。

圖4 坩堝渣蝕后切面的外觀形貌

從坩堝內(nèi)部熔渣含量可以看出，與0#標(biāo)樣相比，1#坩堝試樣內(nèi)部含有熔渣殘量較多，滲透面積更小，底部滲透深度低。經(jīng)過測量計算，其滲透深度為10.2 mm，滲透指數(shù)為25%；而對比樣0#的滲透深度為17.9 mm，滲透指數(shù)為45%。因此，添加鋁灰基鎂鋁尖晶石的剛玉-尖晶石澆注料，有利于提高其抗渣性。究其原因，可歸因于鋁灰基尖晶石具有更高的活性，更容易促進(jìn)試樣燒結(jié)，從而更加致密。

2.2 堇青石的合成

合成材料的X射線衍射分析(XRD)圖譜如圖5所示。

圖5 合成材料的XRD圖譜

圖5顯示了典型的堇青石特征衍射峰。衍射峰型尖銳，顯示生成的堇青石具有很高的結(jié)晶度。測得堇青石的體積密度為1.97 kg/L，顯氣孔率為19%，其局部區(qū)域達(dá)到顯微結(jié)構(gòu)形貌如圖6所示。

圖6 鋁灰基堇青石的顯微形貌

由圖6可見，合成的鋁灰基堇青石結(jié)構(gòu)致密，氣孔分布均勻。能譜分析進(jìn)一步確定材料組成為堇青石相，如圖7所示。

圖7 鋁灰基堇青石的能譜

3 結(jié)論

利用無害化鋁灰可合成致密的鎂鋁尖晶石，其體積密度為3.07 kg/L，氣孔率為1%。鋁灰合成的尖晶石應(yīng)用在剛玉——尖晶石澆注料中，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗渣侵蝕和滲透能力，其原因與鋁灰基尖晶石的高活性有關(guān)。利用無害化鋁灰可合成堇青石，其體積密度為1.97 kg/L，氣孔率為19%。