本文關(guān)鍵詞：自然冷卻黃磷爐渣制備微晶玻璃過(guò)程調(diào)控及元素行為研究

  更多相關(guān)文章： 自然冷卻黃磷爐渣 晶核劑 析晶動(dòng)力學(xué) 元素轉(zhuǎn)化 溫度場(chǎng)

【摘要】：黃磷是重要的化工原料,用途十分廣泛。它的生產(chǎn)具有較強(qiáng)的區(qū)域特性,主要集中于云南、貴州、四川和湖北四省。而黃磷爐渣是熱法生產(chǎn)黃磷過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品,黃磷爐渣的堆存不僅占用大量土地資源而且還對(duì)周邊環(huán)境造成污染。針對(duì)黃磷爐渣開(kāi)展資源化利用研究,既可以解決環(huán)境污染問(wèn)題,也有利于黃磷產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前對(duì)黃磷爐渣的資源化研究主要是針對(duì)水淬黃磷爐渣用作水泥、混凝土的摻合料等,利用價(jià)值較低。為充分利用黃磷生產(chǎn)過(guò)程中排出的高溫爐渣,并對(duì)其進(jìn)行高值化利用。本研究以自然冷卻態(tài)黃磷爐渣為研究對(duì)象,首先采用熔融法通過(guò)添加輔料制備出性能優(yōu)異的高附加值微晶玻璃,利用熱力學(xué)軟件Factsage 6.4對(duì)其加熱過(guò)程中不同元素的存在形態(tài)進(jìn)行研究;考察了不同晶核劑、不同用渣量和不同助熔劑對(duì)自然冷卻態(tài)黃磷爐渣微晶玻璃的影響;其次探討了不同燒結(jié)因素(溫度、壓力和時(shí)間)對(duì)燒結(jié)法制備出的微晶玻璃的影響;最后采用有限元方法建立微晶玻璃制備過(guò)程中微晶化的熱傳導(dǎo)模型確定核化過(guò)程、晶化過(guò)程的最佳升溫速率,并對(duì)熔融黃磷爐渣制備微晶玻璃工藝進(jìn)行了初步能耗分析。結(jié)果表明,在自然冷卻態(tài)黃磷爐渣CaO-Al2O3-SiO2體系中當(dāng)加入K2O和Na2O時(shí),體系中熔融相出現(xiàn)的溫度較低,而MnO2和Fe2O3的加入會(huì)促進(jìn)含F(xiàn)礦物的分解。對(duì)含Ca、Al、Si和含As、F、S、P污染元素在不同溫度下的物相分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度升高到 450℃時(shí),SiO2和Ca3Al2Si3O12開(kāi)始向 CaSiO3和 CaAl2Si2O8轉(zhuǎn)變。在 950℃時(shí),出現(xiàn)熔融態(tài)渣相 CaO(slag)、Al2O3(slag)和 SiO2(slag)。在 1100～1150℃之間時(shí),向熔融態(tài)CaO(slag)、Al2O3(slag)和SiO2(slag)轉(zhuǎn)變的速率最大;且含Al物相在1150℃時(shí)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)。體系中S遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程主要由固相CaSO4分解為氣相SO2和S03;P則從氟磷灰石(Ca10(PO4)6F2)向磷酸鈣(Ca3(PO4)2)轉(zhuǎn)變;低溫下,F元素以固態(tài)CaF2和氟磷灰石(Ca10(PO4)6F2)存在,隨著溫度的升高逐漸向液態(tài)CaF2和MgF2渣相轉(zhuǎn)變且伴隨著少量氣相SiF4生成;As的存在形態(tài)從砷酸鈣(Ca3(AsO4)2)向氣相AsFa和液態(tài)As2O3渣相轉(zhuǎn)變,其中以AsF3為主。通過(guò)TiO2、Fe2O3、MnO2、P2O5和CaF25種晶核劑對(duì)自然冷卻渣微晶玻璃的析晶規(guī)律研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)不添加任何晶核劑時(shí)可得到鈣薔薇輝石類(lèi)(Ca(Mn2+,Ca)Si2O6)和含鐵硅灰石類(lèi)固溶體((Ca,Fe)SiO3)的微晶玻璃;當(dāng)外加Fe2O3的量為2%時(shí),可得到性能良好的淡黃色微晶玻璃;當(dāng)添加8wt%含量的MnO2時(shí),可得到紫色微晶玻璃;當(dāng)P2O5 添加量為 4wt%時(shí),可得到主晶相為 CaSiO3(Wollastonite-2M)、CaSiO3(Wollastonite-1A)和Ca5(PO4)3F的微晶玻璃;當(dāng)CaF2的添加量為4wt%時(shí),可得到主晶相為 CaSiO3(Wollastonite-2M)、CaSiO3(Wollastonite-1A)和 CaF2 晶粒結(jié)構(gòu)致密的微晶玻璃。對(duì)不同輔料體系進(jìn)行了相關(guān)研究分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)K2O-SiO2-Al2O3輔料直接添加到熱態(tài)黃磷爐渣高溫混熔后制備出的CaO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃要優(yōu)于其它輔料的加入,且降低了熔融溫度。采用均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)燒結(jié)法制備的微晶玻璃進(jìn)行了對(duì)比分析,當(dāng)燒結(jié)溫度為1000℃、壓力為12MPa和時(shí)間為30min時(shí),樣品中的結(jié)晶度最高。溫度對(duì)燒結(jié)法制備出微晶玻璃的結(jié)晶度、比表面積、孔容和平均孔徑的影響最大。借用有限元方法分析發(fā)現(xiàn)從室溫加熱到核化溫度階段(25～790℃)的加熱升溫速率應(yīng)控制在2～4℃/min;從核化溫度加熱到晶化溫度階段(790～1080℃)的加熱升溫速率應(yīng)控制在2℃/min以下,在此條件下得到的微晶玻璃樣品性能最佳。
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TQ171.733
，

本文編號(hào)：1262925