利用镍冶炼炉渣和生物质废料制备高强度人造板材的方法
阅读说明：本技术 利用镍冶炼炉渣和生物质废料制备高强度人造板材的方法 (Method for preparing high-strength artificial board by using nickel smelting furnace slag and biomass waste ) 是由 李智 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于固废资源化利用技术领域,公开了一种利用镍冶炼炉渣和生物质废料制备高强度人造板材的方法。将镍冶炼炉渣与生物质废料颗粒加入到调质炉内进行熔炼,将熔炼产出的铁分离,剩余物料经冷却粉碎,得到熔炼渣；将所得熔炼渣与固体颗粒填充料和粘合剂按照配比混合,然后经布料、压制成型、固化,得到所述高强度人造板材。本发明方法能够将生物质废料、镍冶炼炉渣均得到有效回收利用,同时回收得到有价铁元素,一举三得。所得人造板材在未添加天然骨料的情况下,可以达到与人造石英石板材相当或更优的应用性能。具有显著的经济效益和环保效益。(The invention belongs to the technical field of solid waste resource utilization, and discloses a method for preparing a high-strength artificial board by using nickel smelting furnace slag and biomass waste. Adding nickel smelting furnace slag and biomass waste particles into a tempering furnace for smelting, separating iron produced by smelting, and cooling and crushing the rest materials to obtain smelting slag; and mixing the obtained smelting slag, the solid particle filler and the adhesive according to a ratio, and then distributing, pressing, forming and curing to obtain the high-strength artificial board. The method can effectively recycle the biomass waste and the nickel smelting furnace slag, and simultaneously recycle valuable iron elements, thereby achieving three purposes. The obtained artificial board can achieve the application performance equivalent to or better than that of the artificial quartz stone board under the condition of not adding natural aggregate. Has obvious economic benefit and environmental protection benefit.)
技术领域
本发明属于固废资源化利用技术领域，具体涉及一种利用镍冶炼炉渣和生物质废料制备高强度人造板材的方法。
背景技术
有色金属冶炼生产中，会产生大量的的冶炼炉渣、选矿尾渣。其冶炼炉渣通常采用堆存的方法处理，堆存的冶炼炉渣中含有铁、镍、铜和钴等金属，具有很高的回收价值。目前，国内很多企业都存在对冶炼废渣的管理粗放、环境污染严重以及资源消耗和浪费较大等问题。没有实现资源的有效回收和综合利用。
镍冶炼的原料一般含氧化镁较高，由于酸性炉渣对镍的熔解度低，渣中的氧化铁含量越高对硫化镍的熔解度越大，因此，一般镍冶炼炉渣都含大量的二氧化硅、氧化镁等有用原料。目前，镍冶炼炉渣一般采取堆存的方法进行处理，都未再充分利用，不仅占地多，严重的污染周边的环境，而且浪费了大量的资源。如果能够对镍冶炼炉渣进行处理再利用起来，不仅能够改善环境，而且能够节约大量资源，提高经济效益。
天然石材作为建筑材料的重要部分，因为其色彩多样化，开发容易，自古以来一直被人广泛使用。但是随着其开采量的过度增加，开采利用率低等原因，天然石材的开采逐步受到限制，特别是欧洲国家，已经禁止了天然石材的开采。而且每个矿产区的产品，其花色，品种都是独一的，更增加了其使用上的难度。人们一直在寻找其替代品。随着经济的发展，建筑装饰材料日新月异，合成板材作为一种新型的装饰材料得到很大的发展机遇。
人造石板材一般采用非天然的混合物制成，如将碎石、水泥、玻璃珠、铝石粉等无机材料在有机树脂的黏合作用下制成。如专利CN106810110A公开了一种人造石英石板材原料使用该原料制备人造石英石的方法，包括步骤：1)将10～60重量份的石英砂、10～30重量份的贝壳、10～30重量份的碎玻璃、6～10重量份的不饱和树脂、0.2～0.7重量份的色浆，混合后搅拌均匀；2)将上述混合好的原料均匀平铺在模板上；3)将模板在-0.12～-0.06MPa下压制成型；4)将成型后的板材在80～120℃下固化0.8～2.5小时；5)将上述固化后的板材进行脱模，堆放冷却后，即可得到人造石英石板材。专利CN 109400004 A公开了一种人造石板材，由原料经混合、压制及固化而成。所述原料包括主料和辅料，所述主料按重量比例包括混合玻璃料83％～92％、树脂8％～17％；所述辅料包括偶联剂和固化剂。上述人造石板材虽然具有良好的成型特性和强度，但需采用天然的石英砂或是成本较高的玻璃料作为主要制备原料，目前采用镍冶炼炉渣制备人造合成石板材的方法鲜有报道。
生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，其具有可再生性、低污染性、广泛分布性、资源丰富和碳中性特点。生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素(简称木质素)、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。生物质能是可再生能源的重要组成部分，生物质能的高效开发利用，对解决能源、生态环境问题将起到十分积极的作用。专利CN 106830812 A公开了了一种轻质隔热人造板材，由水泥、粉煤灰、玻璃微珠、乳胶粉、纤维素醚、生物质复合材料等混合制备而成。主要以水泥，粉煤灰主要的胶凝材料，并添加乳胶粉作为辅助胶凝材料，有效结合有机和无机胶凝材料的特点，增强了板材强度。另外添加了玻璃微珠以及生物质复合材料，有效利用了农业废弃物，大大降低了板材的重量，而且具备了较好的隔热，隔音效果。目前，将生物质原料与镍冶炼炉渣的处理与资源化利用进行结合，用于制备高强度人造板材的技术还未有相应的报道。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种利用镍冶炼炉渣和生物质废料制备高强度人造板材的方法。本发明方法以生物质废料颗粒作为镍冶炼炉渣熔炼的还原剂提取其中的铁元素回收，经熔炼过程高温热解形成焦炭，所得熔炼渣与固体颗粒填充料和粘合剂经混合、压制、固化得到人造石板材。本发明方法能够将生物质废料、镍冶炼炉渣均得到有效回收利用，同时回收得到有价铁元素，一举三得，具有显著的经济效益和环保效益。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的高强度人造板材。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种利用镍冶炼炉渣和生物质废料制备高强度人造板材的方法，包括如下制备步骤：
(1)将镍冶炼炉渣与生物质废料颗粒加入到调质炉内进行熔炼，将熔炼产出的铁分离，剩余物料经冷却粉碎，得到熔炼渣；
(2)将步骤(1)所得熔炼渣与固体颗粒填充料和粘合剂按照配比混合，形成混合料；
(3)将步骤(2)所得混合料在模具中布料，然后送入压制设备中进行压制成型，固化，得到所述高强度人造板材。
进一步地，步骤(1)中所述镍冶炼炉渣包含的主要化学成分及其重量百分含量为FeO3％～9％、SiO242％～55％、MgO 3％～16％、CaO 5％～25％、Al2O32％～8％。
进一步地，步骤(1)中所述镍冶炼炉渣与生物质废料颗粒加入的质量比为1:(0.5～2)。
进一步地，步骤(1)中所述生物质废料包括农田秸秆、果壳、木屑、树枝、脱水畜禽粪便、脱水污泥中的至少一种，生物质废料颗粒的粒径为0.1～10mm。
进一步地，步骤(1)中所述调质炉内进行熔炼的温度为1250～1300℃。
进一步地，步骤(1)中所述粉碎后的熔炼渣粒径为0.1～5mm。
进一步地，步骤(2)中所述固体颗粒填充料选择为硅岩、黏土、贝壳粉、粉煤灰、水泥、碎陶瓷、云母粉、碎玻璃、金属碎屑、炭化物、橡胶粉、木屑和颜料中的至少一种。
进一步地，步骤(2)中所述固体颗粒填充料的粒径为0.01～0.1mm。
进一步地，步骤(2)中所述粘合剂包括不饱和树脂、亚克力树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯、环氧树脂、大豆基树脂、橡胶树脂和水泥中的至少一种。
进一步地，步骤(2)中所述各原料的重量百分含量配比为：熔炼渣30％～70％，固体颗粒填充料15％～55％，粘合剂8％～15％。
进一步地，步骤(3)中所述压制成型采用抽真空和振动压制，真空压力为-0.05～-0.1MPa。
进一步地，步骤(3)中所述固化的温度为60～120℃，固化时间为20～80min。
一种高强度人造板材，通过上述方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明可以对镍冶炼炉渣进行处理和充分再利用，克服了现有技术镍冶炼炉渣堆存处理的缺陷。
(2)本发明可以对生物质废料进行处理和充分再利用，克服了现有技术生物质废料堆存处理或焚烧处理的缺陷。
(3)本发明以生物质废料的还原作用提取镍冶炼炉渣中的有价金属铁，具有显著的经济效益和环保效益。
(4)本发明所用生物质废料经熔炼过程高温热解及还原反应后的焦炭具有多孔结构，与熔炼渣结合牢固，能够显著提高熔炼渣在固体颗粒填充料和粘合剂中的分散性，增强熔炼渣与固体颗粒填充料和粘合剂之间的结合力，显著增强人造板材的强度和形变稳定性，所得人造板材具有轻质高强的特点。
(5)本发明的高强度人造板材可以在完全不加入天然骨料的情况下，达到与人造石英石板材相当或更优的应用性能。减少对天然石材的开采，并为镍冶炼矿渣的处理提供了有效的解决方案。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种利用镍冶炼炉渣和生物质废料制备高强度人造板材的方法，包括如下制备步骤：
(1)将镍冶炼炉渣(国内某镍冶炼厂的冶炼炉渣，其中含有FeO 7.92％、SiO254.31％、MgO 9.78％、CaO 13.20％、Al2O33.08％)与生物质废料农田棉杆经粉碎后的颗粒(粒径为5mm左右)加入到调质炉内进行熔炼，熔炼在无氧或缺氧条件下进行，镍冶炼炉渣与农田棉杆颗粒的质量比为1:1，熔炼的温度控制为1280～1300℃，将熔炼产出的铁分离，剩余物料经冷却粉碎至粒径为0.5mm左右，得到熔炼渣。
(2)将步骤(1)所得熔炼渣与固体颗粒填充料(粒径为0.1mm左右的碎玻璃粉、碎陶瓷粉和无机颜料的混合物)和粘合剂(亚克力树脂)按照熔炼渣50％，固体颗粒填充料40％，粘合剂10％的配比混合，形成混合料。
(3)将步骤(2)所得混合料在模具中布料，然后送入压制设备中进行压制成型，在压制过程中对混合料进行抽真空和振动压制，所述压制的真空压力控制为-0.090～-0.095MPa，直至成块成型，对成块成型的混合料加热至90～100℃固化60min，得到所述高强度人造板材。
实施例2
本实施例的一种利用镍冶炼炉渣和生物质废料制备高强度人造板材的方法，包括如下制备步骤：
(1)将镍冶炼炉渣(国内某镍冶炼厂的冶炼炉渣，其中含有FeO 7.92％、SiO254.31％、MgO 9.78％、CaO 13.20％、Al2O33.08％)与生物质废料树枝经粉碎后的颗粒(粒径为10mm左右)加入到调质炉内进行熔炼，熔炼在无氧或缺氧条件下进行，镍冶炼炉渣与树枝颗粒的质量比为1:0.5，熔炼的温度控制为1250～1270℃，将熔炼产出的铁分离，剩余物料经冷却粉碎至粒径为5mm左右，得到熔炼渣。
(2)将步骤(1)所得熔炼渣与固体颗粒填充料(粒径为0.01mm左右的贝壳粉、粉煤灰、硅酸盐水泥和无机颜料的混合物)和粘合剂(环氧树脂)按照熔炼渣30％，固体颗粒填充料55％，粘合剂15％的配比混合，形成混合料。
(3)将步骤(2)所得混合料在模具中布料，然后送入压制设备中进行压制成型，在压制过程中对混合料进行抽真空和振动压制，所述压制的真空压力控制为-0.090～-0.095MPa，直至成块成型，对成块成型的混合料加热至80～100℃固化60min，得到所述高强度人造板材。
实施例3
本实施例的一种利用镍冶炼炉渣和生物质废料制备高强度人造板材的方法，包括如下制备步骤：
(1)将镍冶炼炉渣(国内某镍冶炼厂的冶炼炉渣，其中含有FeO 7.92％、SiO254.31％、MgO 9.78％、CaO 13.20％、Al2O33.08％)与生物质废料脱水污泥(粒径为0.1mm左右)加入到调质炉内进行熔炼，熔炼在无氧或缺氧条件下进行，镍冶炼炉渣与脱水污泥的质量比为1:2，熔炼的温度控制为1260～1280℃，将熔炼产出的铁分离，剩余物料经冷却粉碎至粒径为1mm左右，得到熔炼渣。
(2)将步骤(1)所得熔炼渣与固体颗粒填充料(粒径为0.05mm左右的碎玻璃粉、粉煤灰、硅酸盐水泥和无机颜料的混合物)和粘合剂(不饱和树脂)按照熔炼渣70％，固体颗粒填充料22％，粘合剂8％的配比混合，形成混合料。
(3)将步骤(2)所得混合料在模具中布料，然后送入压制设备中进行压制成型，在压制过程中对混合料进行抽真空和振动压制，所述压制的真空压力控制为-0.090～-0.095MPa，直至成块成型，对成块成型的混合料加热至100～110℃固化45min，得到所述高强度人造板材。
对比例1
本对比例与实施例1相比，直接将镍冶炼炉渣与固体颗粒填充料及粘合剂制备人造板材，具体制备步骤如下：
(1)将镍冶炼炉渣(国内某镍冶炼厂的冶炼炉渣，其中含有FeO 7.92％、SiO254.31％、MgO 9.78％、CaO 13.20％、Al2O33.08％)经粉碎至粒径为0.5mm左右，然后与固体颗粒填充料(粒径为0.1mm左右的碎玻璃粉、碎陶瓷粉和无机颜料的混合物)和粘合剂(亚克力树脂)按照镍冶炼炉渣50％，固体颗粒填充料40％，粘合剂10％的配比混合，形成混合料。
(2)将步骤(1)所得混合料在模具中布料，然后送入压制设备中进行压制成型，在压制过程中对混合料进行抽真空和振动压制，所述压制的真空压力控制为-0.090～-0.095MPa，直至成块成型，对成块成型的混合料加热至90～100℃固化60min，得到所述人造板材。
将以上实施例及对比例所得人造板材按照JC/T 908-2013标准进行强度(弯曲强度和压缩强度)、耐热变形性能(线性热膨胀系数)检测，并以人造石英石板材(商业产品，由天然石英、色料和树脂经压制、固化制备)作为比较，其结果如下表1所示。
表1
弯曲强度/MPa
压缩强度/MPa
线性热膨胀系数/(×10<sup>-5</sup>/℃)
实施例1
27.2
154
1.78
实施例2
29.7
138
2.04
实施例3
28.4
146
1.37
对比例1
22.6
117
2.66
人造石英石
28.1
139
2.93
通过表1结果可以明显看出，本发明的人造板材在未添加天然骨料的情况下，可以达到与人造石英石板材相当或更优的应用性能。特别是线性热膨胀系数显著降低，说明板材的受热形变量更小，耐热稳定性更好。通过与对比例1的比较可以看出，直接以镍冶炼炉渣在未添加天然骨料的情况下所得人造板材在强度方面相比人造石英石较差。上述结果表明本发明采用生物质废料与镍冶炼炉渣经混合熔炼后的熔炼渣能够显著提高与固体颗粒填充料和粘合剂之间的结合力，从而增强人造板材的强度。生物质废料经熔炼高温热解后的产物有利于提高板材的耐热形变稳定性。本发明方法可减少对天然石材的开采，并为镍冶炼矿渣的资源回收利用提供了一种可行的方法。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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