高碳铬铁渣制备微晶玻璃及其性能的基础研究

发布时间：2017-12-09 04:25

  本文关键词：高碳铬铁渣制备微晶玻璃及其性能的基础研究

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【摘要】：高碳铬铁合金渣是铬铁矿冶炼过程中产生的一种矿物熔体,每生产1吨铬铁合金就产生1-1.7吨左右的废渣,目前我国已累计堆存超过2000万吨,并以每年300万吨的速度增长这些废渣主要以堆存为主。铬渣属于重毒性废弃物,不仅占用大量土地,而且造成严重污染。本论文旨在找出一种清洁、低成本方法大量利用高碳铬铁合金渣。通过磁选富集渣中的有价元素,然后利用高碳铬铁合金渣以及磁选尾渣合成具有一定附加值的微晶玻璃材料。为提高高碳铬铁渣的利用率,本论文首先采用高碳铬铁渣制备微晶玻璃。根据对高碳铬铁渣成分的研究,选择辉石类晶体及霞石为主晶相；通过相图计算,确定制备CaO-MgO-SiO2-Al2O3-Na2O系微晶玻璃,且各组元含量范围为Na2O:7.83%～5.91%、Al2O3:7.31%～11.68%、CaO:12.03%～13.41%、 MgO:13.06%～19.96%.SiO2:37.51%～46.72%。在拟定的原料种类(高碳铬铁渣及废玻璃为主要原料,少量石灰石、纯碱为化学组成调整剂,萤石为助熔剂)的基础上确定了各物料的配比,高碳铬铁渣与废玻璃质量比(R(H/W))为0.60-1.67,高碳铬铁渣利用率达到50%。通过拉曼光谱的研究发现,随着原料中高碳铬铁渣与废玻璃质量比(R(H/W))的减小,基础玻璃中桥氧键的数量减小,体系聚合度降低,进而粘度降低。制备得到的微晶玻璃的XRD表明：高碳铬铁渣成功制备出了辉石霞石复合体系微晶玻璃。随后,通过对高碳铬铁渣基础玻璃动力学研究发现,基础玻璃的稳定性随着R(H/W)值增加而降低。随R(H/W)增大,析晶活化能从253.41减小到183.52 kJ/mol。通过Augis-Bennett方程计算晶体生长指数(n)发现,随着R(H/W)增大,n值增加,最高为5.94；当R(H/W)大于0.78时,基础玻璃样晶均发生体积析晶。通过动力学研究优化了微晶玻璃热处理制度,即最优热处理条件为升温速率为5℃/min,核化温度为627.1℃,晶化温度为820.9℃进而研究了不同R(H/W)值高碳铬铁渣微晶玻璃的微观形貌与机械性能,研究发现：当R(H/W)增加时,微晶玻璃中晶粒尺寸减小,孔隙率缓慢增大,R(H/W)大于1.29时,孔隙率增长趋势骤然变大；且当R(H/W)升高时,微晶玻璃显微硬度随之增加,当R(H/W)=1.67时,达到最大值为9859.78MPa,微晶玻璃抗弯强度先增加后降低,当R(H/W)=1.29时抗弯强度达到最大值为104Mpa。通过对高碳铬铁渣微晶玻璃毒性浸出性能的系统研究发现：常规TCLP检测中,微晶玻璃浸出铬元素最大浓度为0.257mg/L,远低于国际要求固体中铬元素毒性排放标准(5.0 mg/L)。140天长期毒性浸出实验发现,微晶玻璃浸出铬元素含量非常低,维持在0.2 mg/L以下,满足实际应用的要求。在30-2000rpm高强度搅拌与pH为0-14的强酸碱极限条件下,毒性浸出测试发现,铬元素浸出浓度随着搅拌强度的增强而增大,在2000 rpm搅拌强度下达到最大值,总铬浸出量为0.396mg/L；pH越小浸出铬元素含量越大,当pH为0时,最大总铬浸出量为0.413 mg/L。本论文通过磁选分离实验得到高碳铬铁渣中富含磁性物质的精料及非磁性的尾渣,研究不同电场强度、渣粒度对磁选分离的影响规律,研究表明：当电流为3.2A,粒度小于48um时,精料中铬元素富集率达到最大值为13.9%；增加电流强度、颗粒粒度能够提高铬元素的提取率；当电流强度为2.4A,粒度为150um时,铬元素提取率达到最大值,为总铬质量的24.9%,完全达到了磁选精料回炉充当冶炼高碳铬铁合金原料的要求。磁性检测发现,磁选精料饱和磁化强度为76emu/g,有用做磁性材料的潜力。在高碳铬铁渣微晶玻璃的制备及性能研究基础上,本论文继续采用磁选尾料制备微晶玻璃,研究不同尾渣与废玻璃质量比(R(T/W)=0.60-1.67)对微晶玻璃性能的影响。研究发现：当R(T/W)值升高时,微晶玻璃显微硬度随之增加,R(T/W)=1.00达到最大值为9187.89Mpa；而抗弯强度先增加后降低,R(T/W)=1.29时抗弯强度达到最大值为112Mpa,与孔隙率变化趋势一致。TCLP检测发现,当R(T/W)=1.67时,浸出铬元素浓度最大,为0.035mg/L,检测结果远远低于国际固体材料中铬元素排放标准。综上,本论文通过对高碳铬铁渣的磁选分离,所得精料完全可作为高碳铬铁合金冶炼原料返回电炉冶炼,用高碳铬铁渣及磁选尾渣合成的微晶玻璃实现了高碳铬铁渣大批量、低成本、清洁利用,与普通冶金渣基微晶玻璃相比,具有更低的核化及晶化温度、析晶活化能,更高的抗弯强度与显微硬度,且其全铬浸出浓度远远低于国际标准。因此,本论文提出的高碳铬铁渣的处理方法,不但在节能减排和环境保护方面具有重要的理论与实际意义,还为其他重毒性冶金渣的清洁利用提供了新思路。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ171.733

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