利用钒铁渣制作耐火原料的可行性研究报告
随着我国工业经济的快速发展,特别是冶金工业的快速发展,耐火材料的消耗量越来越大,我国已成为世界上耐火材料生产和消费的第一大国,年产耐火材料2800万t以上。
目前,我国耐火资源的特点是:资源量多,储量、基础储量少;经济可利用性差或经济意义未确定的资源储量多,经济可利用的资源储量少;控制和推断的资源储量多,探明的资源储量少。因此,在合理利用耐火资源,努力延缓耐火资源服务年限的同时,还应该充分利用其它一些可用作耐火材料的二次资源,这样才能使耐火材料工业可持续发展。
钒铁废渣(下称钒铁渣)是钒铁生产的副产品,近年来,随着钒钛磁铁矿资源综合利用力度的加大,攀钢的钒铁产量逐年增加,钒铁渣的产生量也随之增加。目前,每年产生的钒铁渣量在1.5万t以上,如能为其找出一条好的利用途径,既可解决环境保护方面的问题,又可为企业带来可观的经济效益。笔者对用钒铁渣制作人工合成耐火原料的研究情况作一介绍。
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钒铁渣特性
1.1外观
钒铁渣的整体外观见图1,渣饼直径约为1900mm,厚度约为300~450mm。外层为棕黄色的镁砂层,厚度约为40mm,主要是从罐衬上粘下来的;紧接镁砂层的是变质层,颜色由棕黄逐步变黑,厚度约为20mm;内部为黑色的钒铁渣。上部与空气接触,看起来有较多气孔,比较疏松,下部与钒铁接触,结晶情况比较好,显得较为致密。为便于区分,将其分为4个部分,见图1(c)。
图1 钒铁渣饼形貌
1.2化学成分
钒铁渣饼不同部位样品的化学成分检验结果见表1。可以看出,1#样的化学成分主要以MgO为主,2#、3#、4#样的化学成分主要以Al2O3和MgO为主,但比例有所不同。几种样中Fe2O3、S、P、MFe及TV的含量都比较小,不会对材料的高温性能产生太大影响。
表1钒铁渣饼不同部位化学成分
1.3物理性能
钒铁渣饼不同部位样品与普通耐火材料物理性能检验结果见表2。首先分析耐火度,耐火度是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔融和软化的性能。耐火度的意义不同于熔点,熔点是纯物质的结晶相与其液相处于平衡状态下的温度。由于耐火材料一般是由多种矿物组成的多相固体混合物,其熔融是在一定的范围内进行的。耐火度是判定材料能否作为耐火材料使用的重要依据。国际标准化组织规定,耐火度达到1500益以上的无机非金属材料即为耐火材料[3]。就耐火度而言,几个样品的耐火度均大于1790益,可用作较高使用温度下的耐火材料。强度也是很重要的指标,与普通耐火材料(高铝废砖、焦宝石、硅石)相比,1#、2#样的强度比较高,而3#、4#样的强度指标不是很理想。1#、2#、3#、4#样的体积密度和吸水率指标属正常水平。
表2钒铁渣饼不同部位耐火材料物理性能
钒铁渣饼的1#部位可作为降级的MgO质耐火原料分开加以利用;2#部位属过渡层,化学成分与3#、4#差别比较大,内部结构与化学成分也不均匀,SiO2与Fe2O3的含量相对比较高,高温下会有更多的低熔点相生成,不能利用,需剥离;3#部位的化学成分作为耐火材料而言比较理想,其耐火度高,强度也高,结构与化学成分均匀,但最大的问题是结构比较疏松,如与高温液体接触会发生渗透或穿透现象,不能利用,需剥离;4#部位的化学成分与3#差不多,耐火度高,结构与化学成分均匀,也比较致密,但强度不是很理想。综上所述,如钒铁渣饼直接作为耐火原料加以利用,分离难度高、成本大,可利用的部分少,能利用的部分加入量比较少,利用后的效果也不理想。因此,用钒铁渣饼制作人工合成耐火原料成为研究的方向。
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耐火原料的制备
用钒铁渣饼制作人工合成耐火原料的总体技术思路是:将渣饼整体破碎,与助烧结材料共磨,获得成分均匀的粉体,然后成形,经高温烧成制得人工合成耐火原料。这样,钒铁渣饼就可以全部得到利用。
实验室试验的条件为:将所用原料全部粉磨成小于46滋m(320目)的细粉,按设计配方以相同操作规程配料、混料、成形(试样尺寸为覫50mm伊50mm)、干燥,按设计方案用箱式电炉烧成。
2.1助烧结材料的选择
2.1.1助烧结材料种类
前期的研究结果表明,如全部用钒铁渣则其很难烧结。加入一部分耐火原料作为助烧结材料成为考虑的方向,首先使用的助烧结材料是以Al2O3或MgO为主成分的两类耐火原料,按比例配入,成形后分别在1550、1600、1650益下烧成4h,观察其烧结情况,检测强度及体积密度,结果见表3。
表3 试样烧结情况对比
由表3可以看出,钒铁渣中加入以Al2O3为主成分的助烧结材料在试验温度下很难达到烧结,而加入以MgO为主成分的助烧结材料在试验温度下的烧结情况良好。
2.1.2MgO引入方式
确定在钒铁渣中加入MgO后,对MgO的加入方式进行了选择,分别选用了97电熔镁砂、烧结镁砂、轻烧镁粉和菱镁矿等进行对比试验,其化学成分见表4。
表4 镁质原料的化学成分
根据此前的结果,选择有效MgO的加入量为15%进行试验,将试样在1600益下进行4h的烧成,检测试样的体积密度,以此来衡量合成原料的烧结情况,结果见图2。
图2 镁质原料对体积密度的影响
由图2可以看出,不同的镁质原料对钒铁渣的体积密度有较大的影响,使用97电熔镁砂的体积密度最小;烧结镁砂中由于含有一定的SiO2,烧结情况比电熔镁砂好一些;而使用轻烧镁粉和菱镁矿时样品的体积密度要高得多,这是由于轻烧镁粉中的MgO有一定的活性,与钒铁渣的反应能力更强一些,而使用菱镁矿的是原位生成轻烧MgO,活性更高,反应能力更强。因此选用菱镁矿作为合成原料的MgO来源。
2.2合成材料成分设计
由MgO-Al2O3-CaO三元系相图可以看出,在钒铁渣系统中要得到高耐火度的物质,化学成分需避开其液相区,MgO含量应大于18%;通过与MgO-Al2O3-SiO2和CaO-Al2O3-SiO2等三元系相图的比对研究，根据目前所得出的一些结论,初步拟定了人工合成耐火原料的化学成分、物理性能指标范围和主要物相组成(见表5)。
表5 合成材料设计
2.3菱镁矿的确定
在实验室,选择了两种不同的菱镁矿,将其粉磨后按一定比例加入到磨好的钒铁渣细粉中,混合均匀后成形,然后高温烧成,试验结果见表6。从样品的体积密度、气孔率和耐压强度的检测结果来看,使用菱镁矿1的效果更好一些。
表6 两种菱镁矿的使用结果对比
2.4菱镁矿加入量的确定
菱镁矿的加入量对人工合成耐火原料的性能影响较大。在实验室,对菱镁矿1不同加入量进行了大量的试验工作,典型的检测结果见表7。结果表明,随着菱镁矿加入量的增加,试样的体积密度增加,气孔率降低,耐压强度有一定的提高。在加入量为35%时,各项指标均达到最优。这说明菱镁矿能有效地促进刚玉渣的烧结,并改善人工合成耐火原料的性能。但随着菱镁矿加入量增加,刚玉渣的加入量就会减少,就不能更多地利用刚玉渣。另外,菱镁矿在烧成过程中的质量损失比较大,势必会增加原材料的加工处理成本,综合考虑,其加入量不宜超过35%。
表7 菱镁矿加入量对产品性能的影响
2.5烧成温度的确定
在原料制作方面,烧成温度是一个很关键的因素。在实验室,考察了不同烧成温度对人工合成耐火原料性能的影响情况,结果见表8。
表8 烧成温度对产品性能的影响
从表8可以看出,随着烧成温度的提高(由1550℃提高到1580℃),试样的体积密度由3.068g/cm3提高到3.075g/cm3,气孔率由2.025%降低到0.775%,强度由165.95MPa提高到257.90MPa,这说明烧成温度的提高能使复合材料的各项性能指标向好的方向发展。但如果超过一定温度后(由1580℃提高到1620℃),其性能指标有变差的趋势,较佳的烧成温度为1580℃。
2.6合成原料的性能指标
在实验室试验的基础上,进行了30t工业性试验,采用隧道窑烧成,试验结果见表9和图3,结果令人满意。
表9 产品主要理化性能指标
图3人工合成耐火原料成品
2.7应用
将工业性试验得到的耐火原料按要求破碎制成规格料,分别加入现有的耐火产品中,如:替代高铝矾土加入脱硫喷枪耐火浇注料中,替代烧成铝镁尖晶石加入钢包用铝镁碳砖中。结果表明:浇注料及砖的物理性能指标与原来的相当,使用寿命也相当,说明此人工合成耐火原料完全可替代高铝矾土、烧成尖晶石等耐火原料。相信随着应用研究工作的不断开展,此原料的应用范围会大大扩展,使用量会不断增加,从根本上解决钒铁渣的利用问题,并带来可观的经济效益和社会效益。
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结 论
1)由于钒铁渣饼各部位的化学成分不同,结构致密程度不同,强度不同且均比较低,可直接用作耐火原料的部分比较少,分离难度大,利用率低,不能有效减少对环境的污染。
2)用钒铁渣制作耐火原料的生产技术具有渣的利用率高(不需分离)、破碎工艺简单、烧成坯的成形容易、烧成温度低的特点,总体制作成本较低。
3)采用共磨均化工艺制作出的耐火原料其结构均匀,理化性能稳定,耐火度大于1790℃,体积密度大于3.0g/cm3,强度高,是一种比较理想的人工合成耐火原料。
4)人工合成耐火原料制作过程中钒铁渣的加入量可达到70%左右,为该工业渣提供了一个使用量大、附加值高的利用途径。