超细冶金废弃物硅灰的物理分级研究.pdf

第 3 6 卷第 5 期 2 0 1 4年 1 O月 四 川 冶 金 S i c hu a n Me t a l l u r g y Vo I ． 3 6 NO ． 5 0c t ．， 2 0 1 4 文章编号 1 0 0 1 5 1 0 8 2 0 1 4 0 5 --0 0 7 7 --0 7 超 细冶金废弃物硅灰 的物理分级研 究 宋柯成 攀钢冶金材料有限责任公司， 四川 攀枝花 6 1 7 0 0 0 摘要 研究发现， 在没有经过压密处理硅灰的物理分散手段中， 使用超声震荡的效果明显优于机 械搅拌。使用六偏磷酸钠的效果略优于三聚磷酸钠， 使用离心的方法可以做到粒度分级。最终， 我们得到的最佳工艺为 首先在没有经过压密的硅灰中加入质量比 1 1 5的水， 然后按照硅灰质 量的 4 加入 六偏磷酸钠 ， 经过机械搅拌使之均匀， 然后 ， 进行 l O mi n以上的超声震 荡， 最后 以 8 0 0 转／ mi n的速度 离心 2 0 mi n ， 得到的悬浮液 中 2 0 0 n m 以下的二氧化硅颗粒 占5 O ， 4 0 0 n m 以下的二 氧 化硅 颗 粒 占 9 O 。 关键词 纳米二氧化硅 ； 硅灰 ； 分散 ； 分级 中图分类号 T D 9 2 1 文献标识码 A The Ex pl o r a t i o n o f Di s pe r s e Ul t r a f i ne S i 02 Pa r t i c l e s f r o m t he Fu me Pr o d u c e d d u r i n g t he M a nu f a c t u r i n g o f Fe r r o a l l o y S ONG Ke - c h e n g Pa n g a n g M e t a l l u r g i c a l Ma t e r i a l Co ．，Lt d ．，Pa n z h i h u a 6 1 7 0 0 0，S i c h u a n ， Ch i n a Ab s t r a c t Th r o u g h e x p e r i me n t s ，s i l i c a f u me wi t h o u t c o mp a c t i o n i s mo r e s u i t a b l e f o r d i s p e r s i n g r a w ma t e r i a l s ． Th e r e s u l t s o f d i s p e r s a n t s a n d u l t r a s o u n d s h a k i n g a r e mu c h b e t t e r t h a n t h a t o f r a b b l i n g ．W h a f s mo r e ，t h e r e s u l t s o f d i s p e r s a n t s a r e t h e b e s t ．Ho we v e r ，t h e r e a r e n o c o n f l i c t s a - mo n g t h e m．Th e r e f o r e ，t h e y c a n b e u s e d a t t h e s a me t i me ． I n t e r ms o f Tr i me r i c s o d i u m p h o s p h a t e a n d S i x p a r t i a l s o d i u m 。t h e r e s u l t s o f S i x p a r t i a l s o d i u m a r e l i t t l e b e t t e r ，S O p e o p l e c a n s e l e c t t h e t wo wa y s a c c o r d i n g t o e c o n o mi c a l a s p e c t i n a p p l i c a t i o n s ．P a r t i c l e s i z e s y s t e ma t i c s c a n b e r e a l i z e d b y c e n t r i f u g a l me t h o d ． Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o f t h e e x p e r i me n t s ，we c a n c o n c l u d e t h e mo s t s u i t a b l e p r o c e d u r e f i r s t l y，we s h o u l d p o u r a l O t o f wa t e r i n t o s i l i c a f u me ；s e c o n d l y，we a d d S i x p a r t i a l s o d i u m wh o s e ma s s i s 4 o f t h a t o f t h e s i l i c o n f u me i n t o t h e mi x t u r e ；t h i r d l y，a f t e r r a b b l i n g，u l t r a s o u n d s h a k i n g s h o u l d b e t a k e n f o r mo r e t h a n 1 0 mi n；f o u r t h l y，c e n t r i f u g a l me t h o d s h o u l d b e t a k e n a t t h e s p e e d o f 8 0 0 r ／ rai n f o r 2 O mi n ；f i n a l l y ，we c a n g e t 5 0 s i l i c a p a r t i c l e s wh i c h i s s ma l l e r t h a n 2 0 0 n m a n d 9 0 p a r t i c l e s wh i c h i s s ma l l e r t h a n 4 0 0 n m． Ke y wo r d s n a n o - S i O2 p a r t i c l e s ； s i l i c a f u me ； d i s p e r s e ；s y s t e ma t i c s 作者简介 宋柯成， 主要从事耐火材料方面的研究。 四川冶金 第 3 6卷 1 引言 铁合金生产过程中所产生的粉尘其量非常 大， 但是用途并不是很多， 因此， 被视为废弃物。 如果能够探索出减小其粒径或者从其中分离出 小粒径颗粒的方法[ 1 ～， 便可以成为具有多种应 用前景的稀缺原料， 它的价值将会得到极大的 提升， 有效的变废为宝。而现如今， 分散与分级 的理论并不少[ 3] ， 并没有研究者将这些理论应 用到硅灰的处理上。因此， 从物理分散， 分散剂 的选择， 离心方法进行分级操作的可行性方面 探索分散与分级理论在硅灰处理上的应用[ 4] ， 并取得一定的成果。 烟气中大量存在的硅粉是在还原电炉内 生产硅铁和工业硅时， 产生的大量 的挥发性 很强的二氧化硅和硅气体与空气氧化并冷凝 而生成的。硅粉 主要为非晶物相颗粒 ， 绝大 部分是无定形二氧化硅 ， 由球形颗粒或颗粒 球团组成 ， 此外硅粉还具有微细、 密度小， 在 空气中停 留时间长 ， 不易沉降， 比电阻大等特 点[ 5 ] 。其中含有的二氧化硅对人身健康 有严重的危害。二氧化硅的粉尘极细， 比表 面积达到 l O O m ／ g以上 ， 可以悬浮在空气中， 如果人长期吸人含有二氧化硅 的粉尘， 就会 患矽肺 。 同时， 其中含有 的二氧化硅超细颗粒又 是有多种应用前景的稀缺原料。纳米二氧化 硅俗称“ 超微细 白炭黑” [ ] ， 广泛用于各行业 作为添加剂、 催化剂载体 ， 石油化工， 脱色剂 ， 消光剂， 橡胶补强剂 ， 塑料充填剂 ， 油墨增稠 剂， 金属软性磨光剂 ， 绝缘绝热填充剂 ， 高级 日用化妆品填料及喷涂材料、 医药 、 环保等各 种领域[ 1 。它是极其重要的高科技超微细 无机新材料之一 ， 其粒径很小 ， 比表面积大， 表面吸附力强， 表面能大 ， 化学纯度高、 分散 性能好、 热阻、 电阻等方面具有特异的性能， 尤其是它优越的稳定性 、 补强性、 增稠性和触 变性， 在众多学科及领域 内独具特性 ， 有着不 可取代 的作用[ 叫引 。如果能从铁合金生产 过程中所产生 的粉尘 中分离出纳米二 氧化 硅 ， 将具有很高的环保及经济意义。 2 材料和方法 2 ． 1 试验仪 器 超声波清洗仪、 电磁搅拌器、 机械搅拌 器、 离 心 机 、 激 光 粒 度 分 析 仪 Ma s t e r s i z e r 2 0 0 0 、 电子天平、 扫描电镜 、 烧杯 、 研钵 和研 棒、 量筒、 胶头滴管。 2 ． 2 试验原料 不压密硅灰[ 引 ， 三 聚磷酸钠 ， 六偏磷 酸 钠 ， 去离子水， 硅灰的成分见表 1 。 表 1 硅灰化学成分表 9 2 ． 0 3 0 9 1 1 0 8 0 ． 7 0 1 1 1 4 0 ． R 2 ． 3试 验 方案 2 ． 3 ． 1 超声时间对分散效果的影响 将不压密 的硅灰 3 0 g并加入 5 0 0 m l 的 水， 机械搅拌 1 O 分钟并进行不同时间的超声 分散之后进行粒度检测。根据超声时间的不 同分组见表 2 物理分散的效果实验分组 。 表 2 物理分散实验方案 组别 A l A一 2 A一 3 A一 4 A一 5 A一 6 A一7 超声时间 mi n 组别 超声 时间 rai n A 一 8 A一9 A一 1 O A U A一 1 2 A一 1 3 A一 1 4 2 ． 3 ． 2 分散剂对分散效果的影响 采用不压密硅灰作为原料进行该实验 ， 考察三聚磷酸钠和六偏磷酸钠对分散效果的 影响， 具体方案见表 3 。 第 5 期 S i c h u a n Me t a l l u r g y ．7 9． 2 ． 3 ． 3 分散剂用量对分散效果的影响 选用六偏磷酸钠做分散剂 ， 在 5 0 0 ml 烧 杯 中加 人不 压 密 的硅 灰 3 0 ． O g ， 然后 加 人 5 0 0 ml 去离子水 。具体试验方案见表 4 分散 剂的用量探究实验方案。 表 4 分散剂的用量实验方案 组别 六偏磷酸钠 2 ． 3 ． 4 离心操作对粒度分级的影响 选择六偏磷酸钠 ， 原料为不压密硅灰， 具 体试验方案见表 5 ， 考察不压密硅灰的离心 操作对粒度分级操作的影响。 表 5 离心试验 方案 不压密硅灰l O ． O O g 分散剂 水 超声 l O mi n 取上清液静置 2 4 h 取上清液 8 0 0 转 ， l O mi n 取上清液 8 0 0 转 ， l O mi n 取上清液 1 6 0 0转 ， 3 0 mi n 六偏磷酸钠 0 ． 4 0 g l O O ml 取一部分做粒度检测， 其余静置 取沉淀做粒度检测 取沉淀做粒度检测 取沉淀做粒度检测 取沉淀做粒度检测 3 结果讨论 3 ． 1 超声时间对分散效果的影响 图 1显 示 的 是 在 不 同 的 超 声 时 间 1 mi n ,1 4 rai n 下， 未经压密硅 灰的粒度分 布结果 ， 以时间顺序从 l mi n开始 ， 到 1 4 mi n 结束。 四川 冶金 第 3 6卷 图 1 不压密硅灰 1 ～1 4 mi n超声后粒度检测结果 O 2 4 6 8 1 0 1 2 l 4 l 6 超声时间 mi n 1 图 2 不压密硅灰实验组粒度 d o ． 5 一超声时间曲线 从检测结果 如 图 2 可 以看 出 没有经 过压密的硅灰， 一开始粒度为 1 0 ． 0 8 4 ／_t m， 随 着超声时间的变长 ， 粒径减小， 当超声时间为 3 mi n到 4 mi n时 出现急剧下降， 在粒度分布 图上表现为单峰转变为双峰， 然后继续增加 超声时间， 粒径进一步减小， 但是变化速率在 第 1 2 分钟开始有所减缓。 3 ． 2 不 同分散 剂对分散效果 的影响 从图 3可以看 出 ①A组与 D组情况相 似， 上下两层明显分开 ， 上层透明， 下层黑色； ②B组与 E组情况相似 ， 上层为浅灰色 ， 下层 为深灰色， 分层界限明显 ； ③C组与 F组情况 相似 ， 上层浅灰色， 但是 比 B组颜色略深 ， 下 层深灰色， 分层界限并不是十分明显。 颗粒越大， 透光性越差 ， 颜色越深 ， 从这 个方面着手， 则超声粉碎 比机械粉碎的分散 效果好 ； 两层之间界面不明显 ， 呈过渡形态， 说明沉淀速度慢， 二氧化硅 团聚状态呈空心 球 ， 密度 比分散大 的二氧化硅要小 ， 因此 ， 沉 淀速度越慢， 则分散效果越好[ 1 。由此得出 六偏磷酸钠的效果要好于三聚磷酸钠。 3 ． 3 分散 剂 用量对分散效果 的影 响 实验结果 A B 盘一 一 ■盔■■■ - _-_---___ ■ 噬 冒 ■■■- 群 ～ 女 ％ D E F ．．0．． ． ．～ 哮 一 五 JE ■ I__一 ⋯’’一 霸 l 嘲 鲻 霸 ⋯簟 图 3 沉降实验对比 O 8 6 4 2 0 一 g 髓葵 第 5 期 S i c h u a n Me t a l l u r g y 6 5 6。 一 5 5 4 ． 5 4 ． 。 3 ． 5 图4 分散剂不同加入量对粒度的影响 1 2 3 4 5 6 7 分散剂质量百人比 ％ 图 5 分散剂用量实验组粒度 d O ． 5 一超声时间曲线 由图4 、 图 5可以明显看出当分散剂 占原 料质量百分 比为 4 左右时粒度是最小的， 因此， 在此后的实验 中暂定分散剂 占原料质 量百分比为 4 。 3 ． 4 离心操作对分级效果的影响 从实验数据可 以看 出， 离心和静置都可 以达到去除大颗粒峰， 因此可以得出结论， 离 心确实可以达到分级的目的。加水量的多少 直接影响到分级的效果， 加水量多了， 颗粒与 颗粒之间的间距变大， 颗粒之 间的相互影 响 减弱[ 1 5 , 1 6 ] ， 这样 ， 就导致静置和离心时颗粒的 移动更为容易 ， 因此静置相同的时间， 加水量 多的沉淀的比加水量小的沉淀的速度快 。 取沉淀的和离心 出的固体， 干燥之后使 用研钵研成粉末， 然后制成样品， 做扫描电 镜 ， 实验结果见图 6 。 从图中可以看出， 硅灰主要是由小颗粒 构成， 但是颗粒中粒度不 同， 但是大颗粒全部 都是由小颗粒团聚而成的。 表 6 离心 实验 结果 4结 论 粤 用 中 ，应 择 没 有 过 灰 料 ； 机械搅拌 ， 电磁搅拌和超声分散三种分散 1 在从硅灰 中分离超细硅微粉的实际 方法中， 超声分散的分散效果最佳。 8 2 四川冶金 第 3 6 卷 图 6微 观 彤 貌 2 在所选分散剂中， 综合考虑分散效果 和经济效益 ， 选用六偏磷酸钠最佳。并且 ， 六 偏磷酸钠用量应该为原料质量的 4 左右。 3 经过分散操作， 最终得到的大颗粒峰 值在 6 m左右， 小颗粒峰值在 0 ． 2 p ．m左右， 离心操作能够很好地实现粒度分级 ， 去掉大 颗粒峰 ， 而且加 入 的水 量对 离心效果影 响 明显 。 4 综合考虑分散效果、 经济效益和生产 率等因素， 本论文实验确定 的最佳的分离工 艺为 以不经过压密的硅灰为原料， 使用六偏 磷酸钠为分散剂 ， 其加人量为 4 ， 先通过机 械搅拌使之均匀， 再进行 l O mi n 的超声分散， 然后以 8 0 0转／ mi n的速度离心 2 0 mi n ， 最终 得到的悬浮液 中 2 0 0 n m 以下 的二氧化硅颗 粒 占 5 0 ， 4 0 0 n m 以下 的二 氧 化 硅 颗 粒 占 9 0 。 参考文献 [- 1 3 盖国胜， 等． 超细粉碎分级技术[ M] ． 北京 中 国轻工业出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 李凤生， 等． 超 细粉体技术[ M] ． 北京 国防工 业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 3 1 吴其胜， 张少明， 周勇敏， 等． 无机材料机械力 化学研究进展[ J ] ． 材料科学与工程， 2 0 0 1 ， 1 9 [ 4 3 ● [ 5 ] 1 1 3 7 1 4 2 ． 刘大成． 粉体团聚及其解决措施[ J ] ． 中国陶 瓷 ， 2 0 0 0 ， 3 6 6 3 3 3 5 ． 裴重华． 表面处理剂对超细粉碎效果的影响 [ J ] ． 南京理工大学学报， 1 9 9 7 ， 2 1 1 4 5 4 8 ． [ 6 ] 陈俊红等．压密处理对硅灰分散性的影响 [． D B I ．中 国科 技论 文在 线， h t t p ／ ／ ww w ． d o c 8 8 ． c o m／ p --7 9 0 3 9 8 9 1 9 4 6 0 9 ． h t ml [ 7 ]P e d r o J ．S a n c h e z - s o t o ，Ma r i a d e l C a r me n [ 8 1 [ 9 ] [ 1 O ] [ 1 1 1 E l 2 ] J i me n z ， I ． u i s A． P e r e z - Ma q u e d a ． Et a l ， Ef f e c t s o f d r y g r i n d i n g o n t h e s t r u c t u r a l c h a n g e s o f K a o l i n i t e p o w d e r [ J ] ． J ．A m ．C e r a m． S o c ． ， 2 0 0 0 ， 8 3 7 1 6 4 9 1 6 5 7 ． M⋯ I Z h a n g ，G． I ． Di n g， X， Y． J i n g ，X． Q’ Ho u， Pr e p a r a t i o n，mo d i f i c a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f n a n o s c a l S iO 2 [ J ] ．A p p 1 ．S c i．T e c h n o l ， 2 0 0 4， 3 1 6 6 4 6 6 ． X．H． I ． i ，R． S u n ，Z ．J ． Zh a n g ， D a n g 。P r o g r e s s O f p o l y me r ／ i n o r g a n i c n a n o c o m p o s it e s b y c h e m i c a l b o n d s [ J ] ．P r o g ． Na t ．S c i ．， 2 0 0 4 1 4 1 ． Y． C Ke ．Po l y me r - I n o r g a n i c Na n o - Co mp o s i t e s [M ] ． B e i j i n g C h e m i c a l I n d u s t r y Pr e s s ， 2 0 0 2 ． Z ． W ．I i ，Y． F．Z h u ．S u r f a c e - mo d i f i c a t i o n o f S i O 2 n a n o p a r t i c l e s w i t h o l i c a c i d [ J ] ．Ap p 1 ． S u r f ．S c i ． 2 0 0 3 2 1 1 3 1 5 3 2 0 ． S ． M． Wa n g ，Z ． X．Xu，J ．F u ．Te c h n o l o g y o f P r e p a r a t i o n o n Na n o - Ma t e r i a l s [ M1 ．B e i j i n g C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ，2 0 0 2 ． [ 1 3 ] M．G u t ie r r e z ，A ． He n g l e i n ． c o l l o i d s p r o d u c e d s e mi c o n d u c t o r s i n b y d i s s o l u t i o n a c e t o n i t r i le [． J 1 ． i C S ， 1 9 8 9 2 7 2 5 9 2 6 1 ． Qu a n t i z e d o f l a y e r e d Ul t r a s o n 一 [ 1 4 1 M． W． P e t e r s o n ，M． T ．N e n a d o v ic ， T ． R a j h ， R．He r a k，0．I ．Mi c i c ，J ．P．Go r a l ，A．J ． No z i k ． Pr e p a r a t i o n 0 f c o l l o i d a l s e mi c o n d u c 第 5 期 S i c h u a n Me t a l l u r g y 8 3 t o r s o l u t i o n s o f Mo S 2 a n d W S e 2 v i a s o n i c a t i o n [ J ] ． J ． P h y s ． C h e m ． 1 9 8 8 9 2 1 4 0 01 4 0 2 ． E 1 5 ]J ． F ． Mo u l d e r ， W． F ． S t ic k l e ． P ． E ． S o b o l ， K ． D．B o mb e n ．Ha n d b o o k o f X- r a y P h o t o e l e c - t r o n S p e c t r o s c o p y [ M] ． P e r k i n - E l m e r C o r p o - [ 1 6 ] r a t i o n Ph y s i c a l El e c t r o n i c s Di v i s i o n， USA ， 1 9 9 2． Y． Q．Hu o， Y． T． Ya n， X． X． Li u ． Pr e p a r a t i o n a n d t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f mo n 0 d i s p e r s e d n a n o - S i O2 p a r t i c l e s a s a d d i t i v e i n l u b r i c a t i n g o i l [ J ] ． Tr i b o l o g y ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 3 43 8 ． [ 1 7 ]W． M． L i u ． A p p li c a t i o n o f n a n o p a r t i c l e s i n l u b r i c a n t s [ J ] ．T r ib o l o g y ， 2 0 0 3 ， 2 3 4 2 6 5 2 67 ． [ 1 8 ]Z ． J ． Z h a n g ， J ． Z h a n g ， Q． J ． X u e ． S y n t h e s i s a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f a mo l y b d e n u m d i s u l f i d e n a n o c l u s t e r [ J ] ． J ． P h y s ． C h e m． ， 1 9 9 4 9 8 1 2 9 7 3 1 2 9 7 7 ． X． L i e t a 1 ．／Ap p l i e d S u r f a c e S c i e n c e 2 0 6 2 5 2 7 8 5 6 7 8 6 1 7 8 6 l Fi g ． 6 ． Di s t r i b u t i o n o f e l e me n t s o n t h e s u r f a c e o f f r i c t i o n wi t h D N A／ G M0 a S i a n d b F e ． 信息 天津钢管集团 2 5 0机组首次批量生产 T P 1 1 0 S极 限规格套管 近 日， 天津钢管集团轧管一部 2 5 0 机组首次成功批量轧制 T P l l O S 钢级极限规格套管， 拓宽了 机组产品规格 ， 为以后生产 高钢级极限品种积累了丰富的经验。 本次轧制的 ,H9 3 ． 6 8 X9 ． 5 3 ram规格套管， 属于该钢种极限品种， 批量轧制尚属首次。此钢种变形抗力较大， 在轧制过程 中穿孔、 连轧主机 负荷较高， 且易出内表面质量缺陷。针对上述控制要点， 2 5 0机组对穿孔、 连轧主机设备采取特殊控制措施， 并对部分设备冷却水进行控制， 提高毛管穿轧时的温度， 降低穿孔主机负荷； 调整穿孔后台到连轧前台之间设备的运行程序， 减少运输毛管到连轧前台使用时间， 保证毛管在较高温度下进行轧制， 确保轧机负荷处于安全水平。为确保 内表面质 量， 机组 制定了详细的各温控段加热制度和轧制工艺预案， 并进行试生产。在试轧过程中， 各作业区分别组织技术人员全程跟踪产品 质量 ， 收集分析数据， 及时解决导致产品质量波动的各种问题。试制结束后 ， 机组立即召开总结会， 继续完善生产预案。在精 细组织的基础上 ， 2 5 0机 组顺 利批 量轧制 了此规格套管。 来源 四川省金属学会网 高氮钢全氧量和夹杂物控制试验研究 由于具有优异的机械性能和抗腐蚀性能， 高氮钢在过去的几十年中已经被广泛的研究。高氮钢特殊的用途要求其具有较 高的洁净度， 包括夹杂物的尺寸、 数量以及分布。作为脱氧能力较强的脱氧剂， 铝在炼钢工’业生产被广泛的应用。然而， 酸溶 铝以及簇状铝脱氧产物的残留对钢的机械性能是极其有害的。为了解决簇状氧化铝带来的问题 ， 脱氧能力更强的碱土金属元 素， 如钙和镁 ， 常常用来对氧化铝进行改性。而根据已有的方法， 如果想要降低酸溶铝的残余量则只能减少铝的加入量。 中国科学院金属研究所的学者对高氮钢在 2 5 k g中频真空感应炉中的脱氧进行了研究， 试验在 1 8 7 3 K和 0 ． 0 8 MP a氮气保 护下进行。试验 1用铝一锾脱氧剂进行脱氧， 试验 2脱氧剂为铝， 对不同时间点的全氧量和夹杂物进行研究。试验 1的结果 显示， 加入铝后， 钢液中的全氧质量分数为 7 0 7 5 X1 0 ； 加入镁合金后， w 0 进一步降低至2 O 1 O ～。试验 2 加铝量提高 到 2 ． 3 k g ／ t 后， 得到全氧质量分数在 1 O 1 O 以下。扫描分析显示铝、 镁处理后夹杂物中铝、 镁分布在外部， 铬和锰分布在心 部。真空感应炉冶炼结果发现， 钢中的全氧质量分数为 1 2 1 O ～， 夹杂物仍能达到试验 2的水平。 来源 中国联合钢铁网