镍冶金废渣制备多孔陶瓷材料的研究

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镍冶金废渣(简称镍渣)是镍铁生产过程中的副产品,随着镍铁行业的发展,镍渣的排放量也逐年增加,并有可能成为继钢渣第二大工业冶金废渣。然而,镍渣中贵金属含量低、胶凝活性弱、稳定性差,限制了镍渣的回收利用,大量的镍渣通过堆积、填埋等方式进行处理,不光占据土地资源,镍渣中重金属元素从镍渣中浸出会污染土壤和地下水,对环境和人类身体健康造成危害。目前,固体废弃物作为原料制备多孔陶瓷成为近年来研究的热点,镍冶金废渣中Si、Mg含量较高,85%以上都以Mg2SiO4和MgSiO3形式存在,是陶瓷原料的良好替代品。因此,使用镍渣作为陶瓷原料不仅可以节约工业成本,而且将固体废物资源再利用,降低了生产成本。以镍冶金废渣作为主要原料,探索了物理发泡法、化学发泡法的成孔技术,利用磁性选别技术对镍渣原料进行除铁处理,采用高温烧结法,成功制备高气孔率、低密度的多孔陶瓷,采用X射线衍射仪、体视显微镜和扫描电子显微镜分析了多孔陶瓷的相组成和孔形貌。主要结果如下:使用物理发泡法制备镍渣多孔陶瓷,以镍渣和粉煤灰为原料,探究了原料配比、烧结温度、发泡剂掺量对试样的体积密度、机械强度和孔结构的影响。通过研究表明:使用EPS为物理造孔剂可制备得到体积密度?200 kg/m3、抗压强度?0.4 MPa,导热系数?0.05 W/(m·K)的多孔陶瓷。烧结温度为1160?C时,样品的晶体结构发生转变,生成镁铝尖晶石,且随着温度的升高,MgAl2O4峰变尖锐,通过扫描电镜得到此时晶体开始生长,大小在2μm左右。此时样品的孔结构较为完整,孔径大小在600700μm左右。当粉煤灰与镍渣质量比为3:7、EPS加入量与浆料质量比为1:10时,得到密度为199.5 kg/m3的轻质多孔陶瓷,此时的抗压强度为0.4 MPa、抗折强度为0.28 MPa、体积收缩率为4.21%、导热系数为0.024 W/(m·K)。研究了化学发泡制备镍渣多孔陶瓷,以镍渣和偏高岭土为原料,探究了原料配比、烧结温度、发泡剂种类、发泡剂掺量对试样性能的影响。结果表明:原料配比、烧结温度和发泡剂对多孔陶瓷发泡情况影响较大,最适合镍渣-偏高岭土多孔陶瓷的化学发泡剂和添加量分别为SiC和0.8 wt%。1100?C烧结时,随着镍渣含量的增加,样品的晶体结构发生转变,镍渣含量为40 wt%时,样品由单一的莫来石相向堇青石、镁橄榄石和顽辉石转变。50 wt%时,莫来石相完全消失,使用体视显微镜可以看出,样品的气孔结构紧凑、大小相近约为1 mm。此时,体积密度为241 kg/m3、抗折强度为0.6 MPa、气孔率为87%。探究了磁性选别对镍渣及镍渣多孔陶瓷性能的影响,使用可调磁场强度(2000-12000 Oe)的辊式磁选机对镍渣进行磁性选别,对非磁性镍渣进行探究。结果表明:磁选不会影响高硅-镁体系镍渣的综合利用,非磁性镍渣的主要晶体结构仍然为镁橄榄石、辉石和顽辉石。由不同磁场强度磁选后非磁性镍渣EDS来看,随着磁场强度的增加,区域内铁元素分布越来越稀疏,磁选可以除去镍渣中存在的机械铁和氧化铁,来降低镍渣粉体密度。球磨60 min镍渣(N2)经过磁选,非磁性粉体密度降低最为明显,降低至2.956 g/cm3。因此,选用N2为原料,在最优配方基础上,制备轻质多孔陶瓷。从多孔陶瓷样品的XRD来看,样品的相组成未因磁选而改变,且随着磁场强度的增加,镁橄榄石峰逐渐增强且变尖锐,此时,样品机械强度、气孔率增加,体积密度降低。显然,磁选可以优化多孔陶瓷的性能,最适宜镍渣的磁选强度为8000-10000 Oe。
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