铝土矿尾矿制备莫来石基复相耐火材料

发布时间：2018-03-20 07:29

本文选题：铝土矿尾矿　切入点：矿物分析　出处：《北京科技大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：铝土矿是工业生产氧化铝的主要原料,我国目前普遍采用选矿—拜耳法处理常见的中低品位铝土矿石,选矿后会产生相当于原矿质量约20-30%的废弃原料,称为铝土矿选矿尾矿,简称铝土矿尾矿,其一般直接堆积在尾矿库中。尾矿的堆积会造成土壤碱化、水源污染与环境污染；尾矿中含有大量的有价组元,如A1203与Si02等,已有利用尾矿制备高铝水泥、人造石材、铝硅合金、复合吸水材料与微晶玻璃等的研究,但这些研究无法实现尾矿的大规模、高附加值利用的目标。铝土矿尾矿的化学组成主要为A1203与Si02,二者约占尾矿总质量的70%以上,另有少量的Fe2O3、TiO2与K2O等其它化合物,A1203与Si02是工业上生产铝硅酸盐系耐火材料莫来石的主要原料。本文以铝土矿尾矿为原料,通过对尾矿活化焙烧,再盐酸酸浸除杂,最后烧结合成了莫来石基复相耐火材料,整个工艺路线没有任何添加剂,对铝土矿尾矿实现了全部利用与高附加值利用,研究具有重要的理论与实际意义。本文系统研究了铝土矿尾矿的化学成分、矿物组成与元素分布,首次精确定量计算了尾矿的矿物组成,为后续合成提供了必要的数据基础。结果表明：尾矿的主要化学成分为Al2O3、SiO2、K2O、TiO2与Fe203,主要组成矿物一水硬铝石含量为46.22%、伊利石含量为30.00%、高岭石含量为6.05%、石英含量为1.05%、赤铁矿含量为10.80%、锐钛矿的含量为2.57%。根据尾矿的直接酸浸除杂实验结果,提出了尾矿直接盐酸酸浸除杂过程的最佳酸浸条件为：盐酸浓度3mol/L、酸浸时间2h、酸浸温度100℃C、液固比10：1,研究发现酸浸后精矿中Fe203的含量可降低至0.7%,但K20的含量却无法被有效降低,原因为K赋存于伊利石的单元层之间,与单元层具有较强的结合力,很难与低浓度盐酸发生反应。进而提出了尾矿活化焙烧结合盐酸酸浸除杂新工艺,研究了不同焙烧温度对尾矿物相组成及尾矿平均粒径与比表面积等性质的影响。研究发现：尾矿经活化焙烧后,伊利石矿物发生脱羟基反应,其层状结构发生改变,层间K20的化学活性得到有效提高,焙烧后的尾矿在较低盐酸浓度(3mo1/L)条件下酸浸,K20含量即可有效降低。发现700℃C活化焙烧的效果最好,精矿中的Fe203与K20的含量最低,然而进一步提高焙烧温度会导致精矿中Fe203与K20含量不降反升。通过热力学计算发现,高于700℃C的焙烧会导致尾矿中伊利石矿物与赤铁矿物界面处产生液相,阻碍赤铁矿与盐酸发生反应。采用尾矿700℃C焙烧再酸浸除杂后的精矿进行了烧结合成莫来石基复相耐火材料试验,阐明了精矿的烧结机理。结果表明：最佳烧结条件为15000C烧结4h,可制得主晶相为莫来石和刚玉相、莫来石相对含量较高、显微结构良好的莫来石基复相耐火材料。精矿烧结的动力学过程主要包括5个步骤：液相向刚玉相表面的迁移→固-液界面处莫来石相的成核→液相中Al、 Si、 O原子向莫来石晶核表面的迁移与莫来石晶粒的长大→液相向刚玉相内部的渗透,指出反应的停止条件为液相中的Si02浓度不足以满足莫来石晶粒成核及长大的要求。最后通过控制盐酸酸浸过程中的盐酸浓度与液固比,得到了不同Fe203及K20含量的精矿,烧结合成了莫来石基复相材料,测试了不同杂质含量对产物的常温力学性能与高温使用性能的影响。结果表明,当尾矿中Fe203及K20含量均小于2.0%时,材料的晶相含量及荷重软化温度较高；当杂质Fe203含量大于2.0%且大幅增加时,材料的非晶相含量迅速增加,材料的高温性能下降但常温性能上升；影响材料高温使用性能的因素按影响程度高低排序依次为：材料中晶相与非晶相的相对含量、非晶相的粘度以及材料的烧结程度。研究发现只要控制材料中的Fe203及K20的含量均小于2.0%时,可保证材料的荷重软化温度保持在1400℃C以上,达到市售NZ-45耐火砖的标准。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ175.6;TD926.4

【参考文献】