一种钛基铝酸盐水泥及其制备方法
阅读说明：本技术 一种钛基铝酸盐水泥及其制备方法 (Titanium-based aluminate cement and preparation method thereof ) 是由 张康康 马淑龙 苏玉柱 赵春燕 陈茂峰 曹望 李燕京 高长贺 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种钛基铝酸盐水泥及其制备方法。该钛基铝酸盐水泥的原料包括钛铁渣和石灰石,所述钛铁渣和所述石灰石的重量比为53～63：37～47。本发明提供的钛基铝酸盐水泥能实现钛铁渣的大规模高值化利用,并缓解铝矾土资源紧张的难题,减少生产过程中的碳排放,助力推动碳达峰。本发明所制备的铝酸盐水泥还具有较普通铝酸盐水泥更优的力学性能和更高的耐温性能。(The invention provides titanium-based aluminate cement and a preparation method thereof. The titanium-based aluminate cement comprises raw materials of titanium-iron slag and limestone, wherein the weight ratio of the titanium-iron slag to the limestone is 53-63: 37 to 47. The titanium-based aluminate cement provided by the invention can realize large-scale high-value utilization of the titanium-iron slag, relieve the problem of bauxite resource shortage, reduce carbon emission in the production process and boost the carbon to reach the peak. The aluminate cement prepared by the invention also has better mechanical property and higher temperature resistance than the ordinary aluminate cement.)
技术领域
本发明涉及铝酸盐水泥材料的技术领域，尤其涉及一种钛基铝酸盐水泥及其制备方法。
背景技术
钛铁合金是生产电子、航空航天、军工产品等的重要原料，随着钛铁合金产业的发展，钛铁渣的量也越来越多，进而导致大量占地堆存，环境污染严重，因此迫切需要对钛铁渣的大规模高值化利用进行探索研究。
普通铝酸盐水泥的生产是选用天然铝矾土和石灰石配制成生料，经回转窑高温煅烧成熟料，再经粉磨制成铝酸盐水泥，而由于铝产品生产，市场上对于铝矾土的需求量极大，相对有限的铝矾土资源更主要的应用方向为氧化铝及金属铝的生产，能够应用于铝酸盐水泥方向的优质铝矾土资源非常有限，另外钛铁渣中含有约10％的氧化钙，这种非碳酸钙的钙源，在烧成过程中不会排出二氧化碳，因此能够减少生产过程中的碳排放，助力推动碳达峰。
发明内容
本发明提供一种钛基铝酸盐水泥及其制备方法，以实现钛铁渣的大规模高值化利用，并缓解铝矾土资源紧张的难题。该铝酸盐水泥还具有较普通铝酸盐水泥更优的力学性能和更高的耐温性能。
本发明首先提供一种钛基铝酸盐水泥，所述钛基铝酸盐水泥的原料包括钛铁渣和石灰石，所述钛铁渣和所述石灰石的重量比为53～63：37～47。
本发明发现，钛铁渣中的氧化铝含量较高(能达到70％以上)，氧化硅和氧化铁含量很低，替代铝矾土作为铝酸盐水泥的铝源，通过钛铁渣和石灰石制备铝酸盐水泥，既解决了钛铁渣堆存和污染的问题，又缓解了优质铝矾土资源紧张的问题，具有积极的社会效益和显著的经济效益，另外钛铁渣中含有约10％的氧化钙，这种非碳酸钙的钙源，在烧成过程中不会排出二氧化碳，因此能够减少生产过程中的碳排放，助力推动碳达峰；而且该利用上述钛铁渣及石灰石制备的铝酸盐水泥还具有较普通铝酸盐水泥更优的力学性能和更高的耐温性能。
根据本发明提供的钛基铝酸盐水泥，所述钛铁渣的指标要求包括：Al2O3>60％，TiO2<16％，CaO＜20％，MgO<2％，SiO2<1％，Fe2O3<1％，K2O与Na2O的和<0.5％，烧失量<1％。
根据本发明提供的钛基铝酸盐水泥，所述石灰石原料的指标要求包括：Al2O3<5％，TiO2<1％，CaO>50％，MgO<2.5％，SiO2<5％，Fe2O3<2％，K2O与Na2O的和<0.6％，烧失量40％～45％。
所述钛基铝酸盐水泥的原料按重量份计包括：
钛铁渣 53～63份
石灰石 37～47份
本发明中，所述钛基铝酸盐水泥的矿相组成包括：一铝酸钙、二铝酸钙、钛酸钙、铝方柱石、铁酸二钙、镁铝尖晶石和七铝酸十二钙，按质量份优选为：一铝酸钙35％～60％，二铝酸钙10％～35％，钛酸钙10％～15％，铝方柱石、铁酸二钙、镁铝尖晶石和七铝酸十二钙之和10％～25％。
本发明中，采用含钛复合相材料与石灰石的原料制备一种以一铝酸钙、二铝酸钙和钛酸钙为主要矿相的钛基铝酸钙水泥。石灰石是一种以碳酸钙为主要成分的建筑材料和工业原料。钛铁渣是在钛铁合金的冶炼过程中产生的工业固废渣，这种渣的产生量相当大，在炉外冶炼法生产钛铁合金过程中，钛铁合金与钛铁渣的比例一般在1:1左右，钛铁渣是一种含有钛铝酸钙、六铝酸钙、二铝酸钙及钛酸钙等多种矿相的高熔点复合相材料。
本发明还提供所述钛基铝酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：将所述钛基铝酸盐水泥的原料按配比配料、粉磨，得到水泥生料，将所述水泥生料进行烧成，得到熟料，将所述熟料进行急冷和二次粉磨。
根据本发明提供的所述钛基铝酸盐水泥的制备方法，所述配料过程中，Am(铝酸盐碱度系数)为0.75～0.95；优选地，Am(铝酸盐碱度系数)为0.80～0.90；更优选，Am(铝酸盐碱度系数)为0.85～0.88。
根据本发明提供的所述钛基铝酸盐水泥的制备方法，所述粉磨过程中，所述钛铁渣和所述石灰石分别粉磨后混合或者混合共磨；优选的，所述钛铁渣和所述石灰石粉磨至细度≤200目。
根据本发明提供的所述钛基铝酸盐水泥的制备方法，所述烧成的升温制度包括：室温至300℃，升温时间为40～60min；300℃至1000℃，升温时间为80～120min；1000℃至1200℃，升温时间为30～50min；1200℃至1340℃，升温时间为60～80min；在1340℃维持25～35min。
根据本发明提供的所述钛基铝酸盐水泥的制备方法，将所述熟料通过风冷方式进行急冷。
根据本发明提供的所述钛基铝酸盐水泥的制备方法，二次粉磨的熟料细度为325目筛余<20％。
根据本发明提供的优选实施方式，所述钛基铝酸盐水泥的制备包括以下步骤：
1)选择适用的原料，包含钛铁渣和石灰石；所述钛铁渣的主要化学指标要求包括：Al2O3>60％，TiO2<16％，CaO＜20％，MgO<2％，SiO2<1％，Fe2O3<1％，K2O与Na2O的和<0.5％，烧失量<1％；所述石灰石原料的主要化学指标要求包括：Al2O3<5％，TiO2<1％，CaO>50％，MgO<2.5％，SiO2<5％，Fe2O3<2％，K2O与Na2O的和<0.6％，烧失量40％～45％。
2)根据钛铁渣与石灰石的化学组成，按Am＝0.75～0.95计算原料中钛铁渣与石灰石的配比，按配比将所述钛铁渣与所述石灰石粉磨后混合，或者混合共磨，磨至细度达到200目以下，制得水泥生料；
3)将所述水泥生料按照升温制度烧成，制得熟料；
所述烧成的升温制度为：由室温至300℃，升温时间为40～60min；由300℃至1000℃，升温时间为80～120min；由1000℃至1200℃，升温时间为30～50min；由1200℃至1340℃，升温时间为60～80min；在1340℃维持25～35min；
4)烧成之后，对熟料进行风冷急冷；
5)将急冷后的熟料在粉磨机进行二次粉磨，粉磨至熟料细度达到325目筛余<20％，制成钛基铝酸盐水泥。
本发明的有益效果至少在于：本发明提供的钛基铝酸盐水泥能实现钛铁渣的大规模高值化利用，并缓解铝矾土资源紧张的难题，对于节约铝矾土资源，减少生产过程中的碳排放，助力推动碳达峰，实现冶金固废钛铁渣的高值利用具有重要的意义。本发明所制备的铝酸盐水泥还具有较普通铝酸盐水泥更优的力学性能和更高的耐温性能，耐温性优于普通铝酸盐水泥，能够更好地作为结合剂用于耐火浇注料中。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
本发明中，Am是指铝酸盐碱度系数，表示Al2O3被CaO饱和的程度，公式如下：
实施例1
本实施例提供一种钛基铝酸盐水泥，其原料及制备包括：
1、原材料准备，选择的钛铁渣与石灰石化学组成如表1所示。
表1实施例1中原料化学组成
将钛铁渣与石灰石分别粉磨至200目。
2、原材料配制，按Am＝0.80计算配料组成，经计算确定将粉磨后的原料按下列重量份配制：
钛铁渣 60.3份
石灰石 39.7份
上述物料的质量百分比之和为100％。
3、按上述质量百分比将钛铁渣与石灰石原料混合，得混合料；
4、将上述混合料按烧成制度进行烧成，得熟料；
具体升温制度如表2所示：
表2实施例1升温制度
升温区间
升温时间/分钟
室温～300℃
50
300℃～1000℃
100
1000℃～1200℃
40
1200℃～1340℃
75
1340℃～1340℃
30
5、将烧成后的熟料进行风冷急冷；
6、将急冷后的熟料进行二次粉磨，粉磨至细度为325目筛余<20％。
上述实施例的性能指标如表3所示。在本公开中，凝结时间以GB/T 201-2015附录A标准测量、抗折强度与耐压强度按GB/T17671-1999标准测量、化学成分以GB/T 205-2008标准测量、矿相组成通过XRD全谱拟合进行定量分析、耐火度以GB/T 7322-2007标准测量。
表3实施例1性能指标
实施例2
本实施例提供一种钛基铝酸盐水泥，其原料及制备包括：
1、原材料准备，选择的钛铁渣与石灰石化学组成如下表所示。
表4实施例2中原料化学组成
将钛铁渣与石灰石粉磨至200目。
2、原材料配制，按Am＝0.85计算配料组成，经计算确定将粉磨后的原料按下列重量份配制：
钛铁渣 59.0份
石灰石 41.0份
上述物料的质量百分比之和为100％。
3、按上述质量百分比将钛铁渣与石灰石原料混合，得混合料；
4、将上述混合料按烧成制度进行烧成，得熟料；
具体升温制度如表5所示：
表5实施例2升温制度
升温区间
升温时间/分钟
室温～300℃
50
300℃～1000℃
100
1000℃～1200℃
40
1200℃～1340℃
75
1340℃～1340℃
30
5、将烧成后的熟料进行风冷急冷；
6、将急冷后的熟料进行二次粉磨，粉磨至细度为325目筛余<20％。
上述实施例的性能指标如表6所示。在本发明中，凝结时间以GB/T 201-2015附录A标准测量、抗折强度与耐压强度按GB/T 17671-1999标准测量、化学成分以GB/T 205-2008标准测量、矿相组成通过XRD全谱拟合进行定量分析、耐火度以GB/T 7322-2007标准测量。
表6实施例2性能指标
对比例1
本对比例提供一种不使用钛铁渣的钛基铝酸盐水泥，其原料及制备包括：
1、原材料准备，选择铝矾土与石灰石化学组成如下表所示。
表7对比例1中原料化学组成
将铝矾土与石灰石粉磨至200目。
2、原材料配制，按Am＝0.85计算配料组成，经计算确定将粉磨后的原料按下列重量份配制：
铝矾土 54.0份
石灰石 46.0份
上述物料的质量百分比之和为100％。
3、按上述质量百分比将铝矾土与石灰石混合，得混合料；
4、将上述混合料按烧成制度进行烧成，得熟料；
具体升温制度如表8所示：
表8对比例1升温制度
5、将烧成后的熟料进行风冷急冷；
6、将急冷后的熟料进行二次粉磨，粉磨至细度为325目筛余<20％。
上述对比例1的性能指标如表9所示。凝结时间以GB/T 201-2015附录A标准测量、抗折强度与耐压强度按GB/T 17671-1999标准测量、化学成分以GB/T 205-2008标准测量、矿相组成通过XRD全谱拟合进行定量分析、耐火度以GB/T 7322-2007标准测量。
表9对比例1性能指标
对比例2
本对比例提供一种Am＝0.70的钛基铝酸盐水泥，其原料及制备包括：
1、原材料准备，选择的钛铁渣与石灰石化学组成如下表所示。
表10对比例2中原料化学组成
将钛铁渣与石灰石粉磨至200目。
2、原材料配制，按Am＝0.70计算配料组成，经计算确定将粉磨后的原料按下列重量份配制：
钛铁渣 63.2份
石灰石 36.8份
上述物料的质量百分比之和为100％。
3、按上述质量百分比将钛铁渣与石灰石原料混合，得混合料；
4、将上述混合料按烧成制度进行烧成，得熟料；
具体升温制度如表11所示：
表11对比例2升温制度
升温区间
升温时间/分钟
室温～300℃
50
300℃～1000℃
100
1000℃～1200℃
40
1200℃～1340℃
75
1340℃～1340℃
30
5、将烧成后的熟料进行风冷急冷；
6、将急冷后的熟料进行二次粉磨，粉磨至细度为325目筛余<20％。
上述对比例2的性能指标如表12所示。在本发明中，凝结时间以GB/T 201-2015附录A标准测量、抗折强度与耐压强度按GB/T 17671-1999标准测量、化学成分以GB/T 205-2008标准测量、矿相组成通过XRD全谱拟合进行定量分析、耐火度以GB/T 7322-2007标准测量。
表12对比例2性能指标
本发明使用冶金固废钛铁渣制备的钛基铝酸盐水泥的强度较普通铝酸盐水泥强度更高，耐温性也优于普通铝酸盐水泥，能够作为结合剂用于耐火浇注料中。本发明对于节约铝矾土资源，减少生产过程中的碳排放，助力推动碳达峰，实现冶金固废钛铁渣的高值利用具有重要的意义。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
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