一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法
阅读说明：本技术 一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法 (Method for preparing lightweight aggregate from magnesium-magnesium slag smelted by silicothermic process ) 是由 朱苗淼 李辉 李妍 仁普亮 孙永民 黄琪 曹静 于 2021-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法,该方法包括：一、将慢冷后的硅热法炼镁镁渣放入球磨机中研磨过筛得到镁渣粉末；二、将镁渣粉末放入造粒机中,对镁渣粉末喷水进行旋转造粒得到镁渣陶粒；三、将镁渣陶粒进行预养护得到预养护镁渣陶粒；四、将预养护镁渣陶粒放入通入热烟气的密闭容器中进行碳化,自然冷却后到碳化镁渣轻集料。本发明以慢冷后的硅热法炼镁镁渣为原料制备镁渣陶粒并依次进行预养护和碳化,使得镁渣陶粒内部生成大量的小孔,降低了碳化镁渣轻集料的密度,并提高二氧化碳气体的扩散效率,缩短碳化时间,实现均匀碳化并提高了碳化程度,增加了碳化镁渣轻集料的强度,得到高强轻质的碳化镁渣轻集料。(The invention discloses a method for preparing lightweight aggregate from magnesium slag produced by silicothermic process, which comprises the following steps: firstly, putting the magnesium slag smelted by the silicothermic method after slow cooling into a ball mill for grinding and sieving to obtain magnesium slag powder; secondly, putting the magnesium slag powder into a granulator, and spraying water to the magnesium slag powder for rotary granulation to obtain magnesium slag ceramsite; thirdly, pre-curing the magnesium slag ceramsite to obtain pre-cured magnesium slag ceramsite; and fourthly, putting the pre-cured magnesium slag ceramsite into a closed container into which hot flue gas is introduced for carbonization, and naturally cooling the carbonized magnesium slag light aggregate. According to the invention, the magnesium slag ceramsite is prepared by taking the magnesium slag smelted by the silicothermic process after slow cooling as a raw material, and is sequentially pre-cured and carbonized, so that a large number of small holes are generated inside the magnesium slag ceramsite, the density of the magnesium carbide slag light aggregate is reduced, the diffusion efficiency of carbon dioxide gas is improved, the carbonization time is shortened, uniform carbonization is realized, the carbonization degree is improved, the strength of the magnesium carbide slag light aggregate is increased, and the high-strength and light magnesium carbide slag light aggregate is obtained.)
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法。
背景技术
随着我国金属镁产业的扩大化，一方面，硅热法炼镁镁渣的产量逐年增长，对环境和人类健康造成一定危害，使得镁渣的资源化再利用迫在眉睫；另一方面，镁产业和其它工业废气中的二氧化碳排放造成了温室效应日趋严重，二氧化碳的捕集与利用也成为目前全世界工业界和科研的重点关注课题，镁渣胶凝材料的碳化在该背景下应运而生。同时，随着我国可持续发展战略的深入进行，骨料作为自然矿石资源变得日益稀缺，其价格也逐渐升高，因此，急需研发天然骨料的替代品。镁渣的易磨性和低廉的价格(仅需运费)使其成为合适的替代品原料之一，然而目前还缺乏相关的报道和发明。
另外，现有的技术还存在一些不可忽视的缺陷限制了镁渣轻集料在实际生产中的应用，如：碳化时间过长造成的低效率，镁渣碳化后的密度超过国家标准中对于轻集料的要求，镁渣前处理如风冷等步骤带来的额外能耗，碳化后续处理的高温高压环境所带来的高能耗，碳化过程对烟气所携带热能的不完全利用等。因此，一种降低镁渣骨料密度同时保证其高强度的方法的提出变得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法。该方法以慢冷后的硅热法炼镁镁渣为原料制备镁渣陶粒，然后依次经预养护和碳化，使得镁渣陶粒内部生成大量的小孔，降低了碳化镁渣轻集料的密度，并提高二氧化碳气体的扩散效率，缩短碳化时间，实现均匀碳化并提高了碳化程度，大幅度增加了碳化镁渣轻集料的强度，得到高强轻质的碳化镁渣轻集料。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将慢冷后的硅热法炼镁镁渣放入球磨机中进行研磨，然后过筛，得到筛下物即镁渣粉末；
步骤二、将步骤一中得到的镁渣粉末放入造粒机中，对镁渣粉末喷水进行旋转造粒，得到镁渣陶粒；所述镁渣陶粒的含水率为16％～20％；
步骤三、将步骤二中得到的镁渣陶粒进行加速水化的预养护，得到预养护镁渣陶粒；
步骤四、将步骤三中得到的预养护镁渣陶粒放入通入热烟气的密闭容器中进行碳化，得到碳化镁渣陶粒，然后取出自然冷却，得到碳化镁渣轻集料；所述热烟气中含有体积浓度为20％以上的二氧化碳。
本发明以慢冷后的硅热法炼镁镁渣为原料，将其研磨后过筛，得到镁渣粉末，然后喷水并旋转造粒得到镁渣陶粒，镁渣粉末与水接触后开始水化反应，通过控制镁渣陶粒的含水量，在保证镁渣陶粒成型的前提下，增大了镁渣陶粒中的孔隙并增加了孔隙率，为后续碳化过程中二氧化碳的进入提供扩散路径，提高了碳化程度，进而有利于提高碳化镁渣轻集料的强度，同时降低了碳化镁渣轻集料的密度；然后将镁渣陶粒进行预养护，即镁渣陶粒继续进行水化反应，使得镁渣陶粒内部生成大量的小孔，进一步降低了碳化镁渣轻集料的密度，而大量的小孔在后续碳化过程中有助于提高二氧化碳气体的扩散效率，缩短碳化时间，实现均匀碳化，提高了碳化程度，大幅度增加了碳化镁渣轻集料的强度，得到高强轻质的碳化镁渣轻集料；同时，本发明先将硅热法炼镁镁渣成型为镁渣陶粒，再进行预养护和碳化，提高了碳化镁渣轻集料的稳定性，扩大了其作为建筑制品的应用范围。
上述的一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法，其特征在于，步骤一中所述过筛采用100目的筛网。该优选的筛网孔径有效去除了硅热法炼镁镁渣中的杂质，提高了筛分效率，增加了镁渣粉末中氧化镁的含量，有利于碳化镁渣轻集料强度的提高。
上述的一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法，其特征在于，步骤一中所述慢冷为自然冷却。
上述的一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法，其特征在于，步骤二中所述旋转造粒的转速为18r/min～22r/min。该优选的转速有利于镁渣粉末旋转成粒，得到镁渣陶粒。
上述的一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法，其特征在于，步骤二中所述镁渣陶粒的粒径为2cm。该粒径的镁渣陶粒在30min左右即可完全碳化，提高了碳化速度；当镁渣陶粒的粒径超过2cm时，通常需要重复碳化才能保证碳化的程度。
上述的一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法，其特征在于，步骤三中所述预养护的温度为20℃～26℃，湿度为50％～90％，时间为3d～28d。该预养护条件易于实现，常规的施工现场或工厂即可达到，无需采用加温设备和加湿设备进行预养护条件的调节，提高了本发明方法的实用性。
上述的一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法，其特征在于，步骤三中所述预养护的温度为30℃～100℃，湿度为50％～90％，时间为3d以内。该预养护条件的温度较高，加速了镁渣陶粒中的水化速度，将预养护的时间减少至3d以内。
上述的一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法，其特征在于，步骤四中所述热烟气中含有二氧化碳，且二氧化碳的体积浓度为20％～25％，所述碳化的温度为130℃～150℃，压力为0.25MPa，时间为30min。该优选的碳化温度下碳化镁渣轻集料的碳化程度最高，且与高温工业废气的温度区间吻合，从而便于直接采用高温工业废气进行碳化，实现了资源的充分利用。
上述的一种硅热法炼镁镁渣制备轻集料的方法，其特征在于，对步骤四中得到的碳化镁渣陶粒依次循环重复步骤三中的预养护工艺、步骤四中的碳化工艺，然后取出自然冷却。通常将碳化镁渣陶粒取出采用酚酞进行显色实验，如酚酞显色后发现碳化镁渣陶粒未完全碳化或者碳化不均匀，则继续循环重复预养护工艺和碳化工艺，直至完全碳化，保证得到高强度的碳化镁轻集料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明以慢冷后的硅热法炼镁镁渣为原料制备镁渣陶粒，然后依次经预养护和碳化，使得镁渣陶粒内部生成大量的小孔，降低了碳化镁渣轻集料的密度，并提高二氧化碳气体的扩散效率，缩短碳化时间，实现均匀碳化并提高了碳化程度，大幅度增加了碳化镁渣轻集料的强度，得到高强轻质的碳化镁渣轻集料，扩大了其作为建筑制品的应用范围。
2、本发明采用慢冷的硅热法炼镁镁渣为原料，无需对硅热法炼镁镁渣加热后进行浇水和风冷的急冷处理，减少了镁渣的预处理工艺步骤，节约了水资源和能源，简化了生产工艺，大幅度提高生产效率并降低生产成本。
3、本发明通过控制镁渣陶粒的含水量结合加水水化预养护和碳化的方式，降低了碳化镁渣轻集料的含水量，并形成大量的小孔，解决了碳化镁渣骨料内部小孔较少、密度大的问题，制备的碳化镁渣轻集料接近GB17431《轻集料及其试验方法》中对于1000g/m3轻集料的密度要求。
4、本发明通过提高碳化温度的方法增加了二氧化碳气体的扩散效率，使其在较低的二氧化碳气体浓度下实现了均匀碳化，大幅度增加了碳化镁渣轻集料的强度，满足了GB17431《轻集料及其试验方法》中对于1000g/m3轻集料的强度要求，同时在现有的工厂热烟气的二氧化碳含量下，制备得到高强轻质的碳化镁渣轻集料，克服了现有技术中利用工业废气(100℃～200℃)需要降温造成的能源浪费。
5、本发明通过提高碳化温度的方法增加了二氧化碳气体的扩散效率，有效缩短了碳化时间，且后续无需进行蒸压，进一步缩短了碳化镁渣轻集料的制备时间，提高了制备效率，降低了条件要求，有利于碳化镁渣轻集料的广泛应用。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图2为本发明实施例2中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图3为本发明实施例3中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图4为本发明实施例4中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图5为本发明实施例5中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图6为本发明实施例6中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图7为本发明实施例7中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图8为本发明实施例8中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图9为本发明实施例9中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图10为本发明实施例10中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图11为本发明实施例11中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图12为本发明实施例12中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
图13为本发明实施例13中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图。
具体实施方式
本发明实施例1～实施例13中的硅热法炼镁镁渣均来源于榆林地区镁厂。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将自然冷却后的硅热法炼镁镁渣放入球磨机中进行研磨，然后过100目筛网，得到筛下物即镁渣粉末；
步骤二、将步骤一中得到的镁渣粉末放入造粒机中，对镁渣粉末喷水进行旋转造粒，得到镁渣陶粒；所述旋转造粒的转速为18r/min～22r/min；所述镁渣陶粒的粒径为2cm，含水率为16％～18％；
步骤三、将步骤二中得到的镁渣陶粒进行加速水化的预养护，得到预养护镁渣陶粒；所述预养护的温度为20℃～26℃，湿度为90％，时间为3d；
步骤四、将步骤三中得到的预养护镁渣陶粒放入通入热烟气的密闭容器中进行碳化，得到碳化镁渣陶粒，然后取出自然冷却，得到碳化镁渣轻集料；所述热烟气中含有二氧化碳，且二氧化碳的体积浓度为100％，所述碳化的温度为130℃～150℃，压力为0.25MPa，时间为30min。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：所述预养护的时间为7d。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：所述预养护的时间为28d。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于：所述镁渣陶粒的含水率为18％～20％。
实施例5
本实施例与实施例4的不同之处在于：所述预养护的时间为7d。
实施例6
本实施例与实施例4的不同之处在于：所述预养护的时间为28d。
实施例7
本实施例与实施例2的不同之处在于：所述预养护的湿度为50％。
实施例8
本实施例与实施例2的不同之处在于：所述预养护的湿度为70％。
实施例9
本实施例与实施例2的不同之处在于：所述热烟气中二氧化碳的体积浓度为50％。
实施例10
本实施例与实施例2的不同之处在于：所述热烟气中二氧化碳的体积浓度为20％，且将步骤四中得到的碳化镁渣陶粒依次循环重复2次步骤三中的预养护工艺、步骤四中的碳化工艺，然后取出自然冷却。
实施例11
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤三中所述预养护的温度为30℃，时间为2d。
实施例12
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤三中所述预养护的温度为100℃，时间为2d。
实施例13
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤三中所述预养护的温度为65℃，时间为2d。
将本发明实施例1～13中得到的碳化镁渣轻集料分别制取样品进行断面酚酞显色实验，利用酚酞试剂遇碱呈现红色的特性，考察碳化程度，结果如图1～图13所示。
图1～图13为本发明实施例1～13中得到的碳化镁渣轻集料的断面酚酞显色实验结果图，本发明实施例1～13中得到的碳化镁渣轻集料均无明显的显色现象，说明本发明方法制备的碳化镁渣轻集料中碳化完全且均匀；从图1～图3和图4～图6分别可以看出，在本发明的含水率条件下，镁渣陶粒均能完全碳化，同时，在相同的含水率条件下，预养护的时间越短，镁渣陶粒越容易碳化均匀，说明预养护的时间短导致镁渣陶粒中生成的大孔较多，从而碳化过程中二氧化碳更容易扩散进入镁渣陶粒实现均匀碳化。
对本发明实施例1～13中得到的碳化镁渣轻集料的堆积密度和筒压强度进行检测，结果如表1所示。
表1
从表1可以看出，将实施例1与实施例4、实施例2与实施例5、实施例3与实施例6分别进行比较可知，在相同预养护的时间下，镁渣陶粒的含水率的提高会降低碳化镁渣轻集料的堆积密度和筒压强度，说明镁渣陶粒的含水率越高，镁渣陶粒中的水化反应越完全，且镁渣陶粒的孔隙中游离水越多，导致碳化过程中二氧化碳的扩散效率降低，碳化程度受到影响，从而碳化镁渣轻集料的堆积密度和筒压强度均降低；将实施例1～实施例3、实施例4～实施例6分别进行比较可知，在相同的镁渣陶粒的含水率下，预养护的时间增加，则碳化镁渣轻集料的堆积密度和筒压强度越高，且均高于GB17431《轻集料及其试验方法》中对于1000g/m3轻集料的筒压强度要求(1.5MPa)，说明随着预养护的时间的增加，镁渣陶粒的水化程度增加，水化过程中生成的氢氧化钙和水化硅酸钙的密度高于氧化钙和硅酸二钙，因此，使得镁渣陶粒的密度增加，经过后续碳化，水化硅酸钙大部分保留，氢氧化钙转变为密度和体积更大的碳酸钙，导致镁渣陶粒中生成的孔进一步减小，从而碳化镁渣轻集料的堆积密度增加，而堆积密度的增加引起强度的增加。
将实施例2与实施例7～8比较可知，在其它条件不变的情况下，适当的下调预养护湿度会降低碳化镁渣轻集料的堆积密度和筒压强度，也说明镁渣陶粒中的水化反应完成度降低，减少了具有强度的氢氧化钙和水化硅酸钙，使得碳化镁渣轻集料的堆积密度和筒压强度降低。
将实施例2与实施例9比较可知，在其它条件不变的情况下，下调碳化步骤中的二氧化碳浓度，会引起反应物二氧化碳的不足，碳化程度受到影响，从而导致镁渣轻集料的堆积密度和筒压强度的降低；将实施例2与实施例10对比可知，在其它条件不变的情况下，下调碳化步骤中的二氧化碳浓度，但重复碳化步骤，在一定程度上补充碳化步骤中二氧化碳浓度，使未碳化反应的镁渣原料进一步碳化，进而提高碳化镁渣轻集料的堆积密度和筒压强度。
将实施例1与实施例11～13比较可知，在其它条件不变的情况下，缩短预养护时间，同时提高预养护温度，在一定程度上促进水化反应进程，达到长时间常温养护的效果，提高镁渣轻集料的堆积密度和筒压强度。
综上，本发明通过调节镁渣陶粒中的含水率和镁渣陶粒预养护的时间，以调节碳化镁渣轻集料的堆积密度和筒压强度，从而得到符合使用要求的碳化镁渣轻集料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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