利用铝灰和镁橄榄石制备硅铁合金和镁铝尖晶石的方法

摘要

本发明具体涉及一种利用铝灰和镁橄榄石制备镁铝尖晶石和硅铁合金的方法。其技术方案是：将35～60wt％的镁橄榄石与40～65wt％的铝灰混合，外加2～23wt％铁屑，混合后置入电炉中，在2200～2800℃条件下熔融还原，保温1～4小时，自然冷却后经破碎和分离。本发明通过高温熔融还原镁橄榄石，利用铝灰中金属铝、氮化铝作为还原剂，铝热还原镁橄榄石和铝灰中的SiO2和Fe2O3。SiO2和Fe2O3被还原成硅铁合金，Al2O3和MgO生成镁铝尖晶石。本发明具有成本低、污染小、应用范围广、附加值高、工艺简单的特点，达到了镁橄榄石和铝灰的高效综合利用，为铝灰和镁橄榄石资源的再利用提供了良好的方法。

说明书

技术领域

本发明属于废弃物回收利用的技术领域。具体涉及一种利用铝灰和镁橄榄石制备镁铝尖晶石和硅铁合金的方法。

背景技术

我国镁橄榄石储量约30亿吨，镁橄榄石主要集中河南西峡、陕西商南、湖北宜昌和东北等。自然界中的橄榄石常以镁橄榄石(Mg₂SiO₄)和铁橄榄石(Fe₂SiO₄)固溶体的形成存在，橄榄石矿床与其它矿物共生，含有一定量的铬铁矿和镍矿石等以包裹体的形成存在于橄榄石晶体颗粒的裂隙中。一般来说，镁橄榄石的化学组成为主要有MgO、SiO₂、Fe₂O₃，纯镁橄榄石的熔点为1890℃，而铁橄榄石的熔点为1205℃。由于氧化铁的存在，降低了镁橄榄石的高温性能和抗渣性能，限制了镁橄榄石应用。目前，镁橄榄石的应用仅限于铸造砂、冶金辅料、出钢口引流砂、耐火材料修补料和中间包干式捣打料、镁橄榄石轻质材料和建筑材料等方面，应用面较窄，产品的技术附加值较低。在所利用的镁橄榄石资源中，尤其1mm以下的镁橄榄石细粉由于利用范围窄，大量堆积，而无法有效利用，造成了镁资源的大量浪费。

铝灰是电解铝与铝材、铝制品生产过程中会产生大量的废渣铝灰的化学成分主要以Al₂O₃，SiO₂，MgO，Fe₂O₃，Na₂O，CaO和金属铝等为主，还有一些氮化物、氯化物和硫化物等。

铝灰常被作为垃圾遗弃，既污染环境，又需要大量的处置场地，且处理费用高。随着工业进程的发展，铝灰的生成量越来越多，如何综合利用铝灰是一个世界范围的重要课题。

镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)是一种性能优良的耐火原料，是MgO-Al₂O₃二元系统中的一个中间化合物，其熔点为2135℃。制备方法分电熔法和烧结法两种，不论是电熔或烧结镁铝尖晶石的合成，其原料Al₂O₃主要来源于铝矾土或工业氧化铝，MgO来源于轻烧氧化镁或菱镁矿；例如“矾土基电熔高纯尖晶石及其制备方法”(CN1772696)、“合成镁铝尖晶石及其制备方法”(ZL 01115504.3)和合成镁铝尖晶石的方法(ZL88106918.3)等，这些发明中MgO的来源均来源于菱镁矿或菱镁矿轻烧处理后的轻烧氧化镁

“一种电熔镁铝尖晶石及其制造方法”(CN101186321)利用镁橄榄石和铝矾土或工业氧化铝，碳热还原电熔制备镁铝尖晶石，能耗高且易夹碳，而且需额外添加氧化铝。

“一种电熔镁铝尖晶石复合耐火材料及其生产方法”(CN1844051)利用铝灰和碳酸镁、氧化镁制备镁铝尖晶石，其利用的镁资源主要为碳酸镁和氧化镁，其成本较高

“生产电熔镁铝尖晶石的方法”(CN1919739)利用处理过的铝灰和轻烧镁砂电熔合成镁铝尖晶石，但其铝灰要进行煅烧、酸洗等预处理，工艺复杂，且其加入碳素材料作为还原剂，使用的镁原料为轻烧镁砂，成本较高，能耗高。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种成本低、污染小、应用范围广、附加值高、工艺简单的利用铝灰和镁橄榄石制备镁铝尖晶石和硅铁合金的方法。

为完成上述任务，本发明采用的技术方案是：将35～60wt％的镁橄榄石与40～65wt％的铝灰混合，外加2～23wt％铁屑，混合后置入电炉中，在2200～2800℃条件下熔融还原，保温1～4小时，自然冷却后经破碎和分离。

所述的镁橄榄石的主要化学成份是：MgO含量为37～52wt％、SiO₂含量为35～43wt％、Fe₂O₃含量为5～12wt％。

所述的铝灰的主要化学成分是：Al₂O₃为20～60wt％、Al为15～40wt％、AlN为7～15wt％、SiO₂为5～15wt％、MgO为5～15wt％、TiO₂为1～3wt％、Fe₂O₃为2～5％、CaO为2～6wt％、C为1～3wt％。

所述的电炉为电弧炉、感应炉、矿热炉中的一种。

由于采用上述技术方案，本发明通过高温熔融还原镁橄榄石，在高温条件下，利用铝灰中金属铝、氮化铝作为还原剂，铝热还原镁橄榄石和铝灰中的SiO₂和Fe₂O₃。SiO₂和Fe₂O₃被还原成硅铁合金，Al₂O₃和MgO生成镁铝尖晶石，经精炼冷却沉淀，破碎分离得到硅铁合金和镁铝尖晶石。采用铝热还原(铝灰中含有金属铝和氮化铝)，还原过程中放热，节约电耗，工艺简单；所制备的镁铝尖晶石复合材料可作为耐火材料，硅铁合金可做为炼钢的脱氧剂和合金剂，应用范围广，附加值高；原料为铝灰废弃物和资源广泛的镁橄榄石及1mm以下的废弃镁橄榄石细粉，既能节约成本，又能减少废弃物的环境污染，达到了镁橄榄石和铝灰的高效综合利用，为铝灰和镁橄榄石资源的再利用提供了良好的方法。

因此，本发明具有成本低、污染小、应用范围广、附加值高、工艺简单的特点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，仅对本发明作进一步的描述，而不是对本发明保护范围的限制。

实施例1：

一种利用铝灰和镁橄榄石制备硅铁合金和镁铝尖晶石的方法，将40～45wt％的镁橄榄石和55～60wt％铝灰混合，外加2～10wt％铁屑，混合后置于电弧炉中，在2200℃～2300℃条件下熔融还原，保温1～2小时，上层为镁铝尖晶石，下层为硅铁合金，自然冷却后破碎和分离，得到硅铁合金和镁铝尖晶石材料，主要物相为MgAl₂O₄和Al₂O₃。

本实施例中，镁橄榄石的主要化学成分为：MgO为45.61wt％，SiO₂为38.65wt％，Fe₂O₃为10.98wt％，Al₂O₃为1.93％、CaO为0.51％、灼减为2.22％。

铝灰的主要化学成分是：Al₂O₃为38.68wt％、Al为19.70wt％、AlN为7.56、SiO₂为5.65wt％、MgO为9.70wt％、TiO₂为2.1wt％、Fe₂O₃为0.91％、CaO为1.92wt％、Na₂O为1.86，C为1.30wt％，灼减量为9.65wt％。

实施例2：

一种利用铝灰和镁橄榄石制备硅铁合金和镁铝尖晶石的方法，将35～45wt％的镁橄榄石和55～65wt％铝灰，外加5～13wt％铁屑，混合后置于电弧炉中，在2300℃～2500℃条件下熔融还原，保温1～2小时，上层为镁铝尖晶石材料，下层为硅铁合金，自然冷却后破碎和分离，得到硅铁合金和镁铝尖晶石材料。主要物相为MgAl₂O₄和Al₂O₃。

本实施例中，镁橄榄石的化学成分为：MgO为42.29wt％，SiO₂为39.37wt％，Fe₂O₃为9.23wt％，Al₂O3为0.72％、CaO为0.61％、灼减为2.57％。

铝灰的主要化学成分为：Al₂O₃为27.62wt％、Al为25.6wt％、AlN为9.02、SiO₂为10.5wt％、MgO为10.7wt％、TiO₂为2.1wt％、Fe₂O₃为2.2％、CaO为2.4wt％、Na₂O为1.7wt％、C为2.77wt％、灼减量为6.16wt％。

实施例3：

一种利用铝灰和镁橄榄石制备硅铁合金和镁铝尖晶石的方法，将45wt％～50wt％的镁橄榄石和50～55wt％铝灰，外加10～15wt％铁屑，混合后置于感应炉中，在2300℃～2500℃条件下熔融还原，保温2～3小时，上层为镁铝尖晶石材料，下层为硅铁合金，自然冷却后破碎和分离，得到硅铁合金和镁铝尖晶石材料。主要物相为MgAl₂O₄和Al₂O₃。

本实施例中，镁橄榄石的主要化学成分为：MgO为45.29wt％，SiO₂为40.39wt％，Fe₂O₃为7.68wt％，Al₂O₃为0.82％、CaO为0.51％、灼减为3.56％。

铝灰的主要化学成分为：Al₂O₃为46.53wt％、Al为28.38wt％、AlN为14.56、SiO₂为7.72wt％、MgO为5.36wt％、TiO₂为0.58wt％、Fe₂O₃为3.33％、CaO为1.69wt％、Na₂O为1.85wt％、C为2.66wt％、灼减量为-2.61wt％。

实施例4：

一种利用铝灰和镁橄榄石制备硅铁合金和镁铝尖晶石的方法，将50～55wt％的镁橄榄石和45～50wt％铝灰，外加20～23wt％铁屑，混合后置于电弧炉中，在2500℃～2700℃条件下熔融还原，保温2～3小时，上层为镁铝尖晶石材料，下层为硅铁合金，自然冷却后破碎和分离，得到硅铁合金和镁铝尖晶石材料。主要物相为MgAl₂O₄。

本实施例中，镁橄榄石的主要化学成分为：MgO为49.29wt％，SiO₂为38.37wt％，Fe₂O₃为7.96wt％，Al₂O₃为0.62％、CaO为0.51％、灼减为4.06％。

铝灰的主要化学成分为：Al₂O₃为29.76wt％、Al为34.54wt％、AlN为9.52、SiO₂为9.73wt％、MgO为7.55wt％、TiO₂为0.67wt％、Fe₂O₃为2.71％、CaO为1.84wt％、Na₂O为1.85wt％、C为1.83wt％，灼减量为5.75wt％。

实施例5：

一种利用铝灰和镁橄榄石制备硅铁合金和镁铝尖晶石的方法，将55～60wt％的镁橄榄石和40～45wt％铝灰，外加10～17wt％铁屑，混合后置于感应炉中，在2300℃～2400℃条件下熔融还原，保温3～4小时，上层为镁铝尖晶石材料，下层为硅铁合金，自然冷却后破碎和分离，得到硅铁合金和镁铝尖晶石材料。主要物相为MgAl₂O₄和MgO。

本实施例中，镁橄榄石的主要化学成分为：MgO为42.43wt％，SiO₂为38.37wt％，Fe₂O₃为9.87wt％，Al₂O₃为0.83％、CaO为0.51％、灼减为3.16％。

铝灰的主要化学成分为：Al₂O₃为20.68wt％、Al为36.26wt％、AlN为9.56、SiO₂为8.6wt％、MgO为11.7wt％、TiO₂为1.17wt％、Fe₂O₃为1.7％、CaO为2.9wt％、Na₂O为3.2wt％、C为2.34wt％，灼减量为2.65wt％。

实施例6：

一种利用铝灰和镁橄榄石制备硅铁合金和镁铝尖晶石的方法，将35～40wt％的镁橄榄石和60～65wt％铝灰，外加15～20wt％铁屑，混合后置于矿热炉中，在2700℃～2800℃条件下熔融还原，保温3～4小时，上层为镁铝尖晶石材料，下层为硅铁合金，自然冷却后破碎和分离，得到硅铁合金和镁铝尖晶石材料。主要物相为MgAl₂O₄和Al₂O₃。

本实施例中，镁橄榄石的主要化学成分为：MgO为41.43wt％，SiO₂为40.34wt％，Fe₂O₃为10.37wt％，Al₂O₃为1.03％、CaO为0.51％、灼减为2.16％。

铝灰的主要化学成分为：Al₂O₃为24.38wt％、Al为19.17wt％、AlN为13.78、SiO₂为13.35wt％、MgO为11.14wt％、TiO₂为2.11wt％、Fe₂O₃为3.73％、CaO为1.92wt％、Na₂O为2.23wt％、C为1.95wt％，灼减量为2.63wt％。

本具体实施方式在高温条件下，利用铝灰中金属铝、氮化铝作为还原剂，铝热还原镁橄榄石和铝灰中的SiO₂和Fe₂O₃。SiO₂和Fe₂O₃被还原成硅铁合金，Al₂O₃和MgO生成镁铝尖晶石，经精炼冷却沉淀，破碎分离得到硅铁合金和镁铝尖晶石复合材料。采用铝热还原(铝灰中含有金属铝和氮化铝)，还原过程中放热，节约电耗，工艺简单；所制备的镁铝尖晶石可作为耐火材料，硅铁合金可做为炼钢的脱氧剂和合金剂，应用范围广，附加值高；原料为铝灰废弃物和资源广泛的镁橄榄石及1mm以下的废弃镁橄榄石细粉，既能节约成本，又能减少废弃物的环境污染，达到了镁橄榄石和铝灰的高效综合利用，为铝灰和镁橄榄石资源的再利用提供了良好的方法。故本发明具有成本低、污染小、应用范围广、附加值高、工艺简单的特点。