專利名稱：一種非金屬材料硫酸鈣晶須的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)廢棄物的綜合利用，具體涉及非金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是利用轉(zhuǎn)爐渣制備硫酸鈣晶須的方法。
背景技術(shù)：
隨著鋼產(chǎn)量的逐年增加，固體廢棄物逐年增多，轉(zhuǎn)爐渣就是其中的一種，排放量一般為粗鋼產(chǎn)量的10％～15％，因為轉(zhuǎn)爐渣中鈣含量較高，存在粉化現(xiàn)象，制約其應(yīng)用，目前轉(zhuǎn)爐渣的應(yīng)用范圍較窄，且均為低附加值產(chǎn)品，在環(huán)境意識逐漸增強(qiáng)的今天，加強(qiáng)對轉(zhuǎn)爐渣再利用技術(shù)的研究已成為熱點(diǎn)課題。
目前轉(zhuǎn)爐渣的處理技術(shù)主要有一下幾種回收轉(zhuǎn)爐渣中的廢鋼鐵；轉(zhuǎn)爐渣用作燒結(jié)礦熔劑；轉(zhuǎn)爐渣用作煉鋼返回渣；轉(zhuǎn)爐渣用作鐵水預(yù)處理熔劑；利用轉(zhuǎn)爐渣生產(chǎn)水泥；經(jīng)處理后的轉(zhuǎn)爐渣用于鋪路和生產(chǎn)建筑材料；轉(zhuǎn)爐渣用作被污染水域的水質(zhì)凈化劑；用轉(zhuǎn)爐渣生產(chǎn)噴磨料。但上述方法都未達(dá)到對轉(zhuǎn)爐渣的有效的利用。
晶須是指以單晶形式生長的具有一定長徑比形狀類似纖維材料，由于晶須的高度取向結(jié)構(gòu)，不僅使其具有高強(qiáng)度、高模量和高伸長率，而且具有光、電、磁、介電、導(dǎo)電、超導(dǎo)電性能，因而作為高性能復(fù)合材料改型劑，越來越廣泛用于汽車、航空航天、化工、冶金、國防、機(jī)械、電氣、船舶、石油諸多領(lǐng)域，硫酸鈣晶須是指半水或無水硫酸鈣的纖維狀單晶體，是一種性能優(yōu)良、價格低廉的新型功能材料，可用于樹脂、橡膠、涂料、造紙中作增強(qiáng)劑或功能型填料，又可以用于磨擦、保溫及阻燃材料，有著極為廣闊的發(fā)展前景，利用轉(zhuǎn)爐渣制備硫酸鈣晶須，不僅原料來源廣泛，而且可以減少轉(zhuǎn)爐渣對周圍環(huán)境的污染。關(guān)于硫酸鈣晶須的已有技術(shù)，目前制取主要有以下方法首先200410050288.X以石膏為原料制備硫酸鈣晶須采用水熱法制備工藝，它是在堿性條件下合成的，本發(fā)明可在偏酸性、中性或微堿性條件下進(jìn)行合成，制備范圍較寬，在傳統(tǒng)的制備方法中主要有水壓熱法和常壓酸化法兩種方法，水壓熱法是將質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2％的二水石膏懸浮液加到水壓熱器中處理，在飽和蒸汽壓下，二水石膏變?yōu)榧?xì)小針狀的半水石膏，再經(jīng)晶形穩(wěn)定化處理，得到半水硫酸鈣晶須，該方法生產(chǎn)成本高，應(yīng)用受到限制。常壓酸化法是指在一定溫度下，高濃度二水石膏懸浮液在酸性溶液中可以轉(zhuǎn)變成針狀或纖維狀半水硫酸鈣晶須，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，還有環(huán)境污染。
另外以鹵渣為原料制備硫酸鈣晶須，該法以海鹽鹵水經(jīng)石灰乳處理后的鹵渣為原料，控制鹵液pH值為7.6～8.0，過濾，加入工業(yè)廢酸溶解、攪拌，調(diào)節(jié)pH值至2～3，加熱溶液至沸騰。冷卻后即有白色晶體析出，在顯微鏡下觀察為細(xì)長纖維狀，但是實驗步驟繁雜，不易工業(yè)化。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的提供一種非金屬材料硫酸鈣晶須的制備方法，主要利用轉(zhuǎn)爐渣與硫酸混合制取非金屬材料硫酸鈣晶須，以達(dá)到減輕環(huán)境污染、合理利用資源的目的。
本發(fā)明的具體工藝包括(1)酸解以轉(zhuǎn)爐渣為原料和硫酸反應(yīng)，轉(zhuǎn)爐渣粒度為0.04～0.09mm，硫酸濃度為10％～30％，加入量為轉(zhuǎn)爐渣重量的4～7倍，反應(yīng)時間為40～120min；(2)分離將轉(zhuǎn)爐渣和硫酸反應(yīng)后的浸出液過濾、洗滌，得到硫酸鈣；(3)調(diào)漿將得到的硫酸鈣按固液比0.2～0.g的比例與清水混合，用堿(氧化鈣、氧化鎂、碳酸鈣、碳酸鎂、氫氧化鈣或氫氧化鎂)調(diào)整pH值為5～9；(4)高溫結(jié)晶將調(diào)制后的硫酸鈣懸浮液在溫度為120℃～200℃、壓力為0.3～1MPa和攪拌轉(zhuǎn)速控制為50轉(zhuǎn)/min～900轉(zhuǎn)/min條件下，保溫40min～480min，過濾、洗滌；(5)干燥將洗滌后的硫酸鈣晶須在溫度為100℃～150℃的條件下，干燥時間為40min～120min，獲得硫酸鈣晶須。
(6)涂飾將硫酸鈣晶須采用聚乙烯醇和磷酸酯進(jìn)行表面改性、分散，改性劑的用量為0.5％～2％，最終獲得硫酸鈣晶須產(chǎn)品。
其中轉(zhuǎn)爐渣成分及重量百分比為轉(zhuǎn)爐渣成分SiO2CaO MgO Al2O3Fe2O3其他重量百分比6～1442～504～121～621～292～5轉(zhuǎn)爐渣成分中其他為S、P、F和Na。
本發(fā)明方法制備的硫酸鈣晶須密度為2.9g/cm3，松散密度為0.1～0.5g/cm3，長度為10μm～240μm，直徑為50nm～5μm，熔點(diǎn)為1450℃，抗張強(qiáng)度為20GPa，抗張模量為172GPa，折光指數(shù)為1.58，水溶性(22℃)≤0.12％。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)利用鋼鐵冶金廢棄物-轉(zhuǎn)爐渣為原料，有效地解決了轉(zhuǎn)爐渣對周圍環(huán)境的污染；采用高溫結(jié)晶法制備硫酸鈣晶須，工藝流程短，生產(chǎn)成本低。


附圖1是本發(fā)明制備硫酸鈣晶須的工藝流程圖具體實施方式
本發(fā)明一種非金屬材料硫酸鈣晶須的制備方法，具體實施方式
結(jié)合實施例加以詳細(xì)說明。
實施例1選取以粒度為0.074mm的轉(zhuǎn)爐渣40g為原料(轉(zhuǎn)爐渣成分如表1)和10％硫酸240g反應(yīng)，反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)時間為40min；經(jīng)過濾分離，液相用于制備硫酸鐵和硫酸鎂等混合物，固相為含有二氧化硅的硫酸鈣；將硫酸鈣按固液比按5∶1的比例與清水混合，用氧化鈣調(diào)整pH值為5；將調(diào)制后的硫酸鈣懸浮液投放到反應(yīng)釜中，在溫度為120℃、壓力為0.3MPa和攪拌轉(zhuǎn)速控制為50轉(zhuǎn)/min的條件下，保溫480min，過濾、洗滌；將洗滌后的硫酸鈣晶須在溫度為100℃的條件下，保溫時間為120min，獲得硫酸鈣晶須；采用聚乙烯醇將硫酸鈣晶須進(jìn)行表面改性、分散，改性劑的用量為0.5％，最終獲得無水硫酸鈣晶須產(chǎn)品；晶須的長度為10～30μm，直徑為50nm～100nm，其中液相可以制備氧化鐵紅和硫酸鎂產(chǎn)品。
表1轉(zhuǎn)爐渣成分轉(zhuǎn)爐渣成分SiO2CaO MgO Al2O3Fe2O3其他重量百分比10.2448.626.891.6227.235.4其中其他為S、P、F和Na實施例2選取以粒度為0.09mm的轉(zhuǎn)爐渣40g為原料(轉(zhuǎn)爐渣成分如表2)和15％硫酸160g反應(yīng)，反應(yīng)溫度為90℃，反應(yīng)時間為40min；經(jīng)過濾分離，液相用于制備氧化鐵，固相為硫酸鈣，將硫酸鈣按固液比按0.4的比例與清水混合，用氧化鈣調(diào)整pH值為6；將調(diào)制后的硫酸鈣懸浮液投放到反應(yīng)釜中，在溫度為150℃、壓力為0.6MPa和攪拌轉(zhuǎn)速控制為100轉(zhuǎn)/min的條件下，保溫240min，過濾、洗滌；將洗滌后的硫酸鈣晶須在溫度為100℃的條件下，保溫時間為120min，獲得硫酸鈣晶須；采用聚乙烯醇將硫酸鈣晶須進(jìn)行表面改性、分散，改性劑的用量為0.5％，最終獲得無水硫酸鈣晶須產(chǎn)品；晶須的長度為40～90μm，直徑為80nm～160nm。其中液相可以制備氧化鐵紅和硫酸鎂產(chǎn)品，其中液相可以制備氧化鐵紅和硫酸鎂產(chǎn)品。
表2轉(zhuǎn)爐渣成分轉(zhuǎn)爐渣成分SiO2CaO MgO Al2O3Fe2O3其他重量百分比9.5949.738.242.4825.264.7其中其他為S、P、F和Na
實施例3選取以粒度為0.074mm的轉(zhuǎn)爐渣40g為原料(轉(zhuǎn)爐渣成分如表1)和20％硫酸160g反應(yīng)，反應(yīng)溫度為70℃，反應(yīng)時間為40min；經(jīng)過濾分離，液相用于制備氧化鐵，固相為硫酸鈣，將硫酸鈣按固液比按0.6的比例與清水混合，用氧化鈣調(diào)整pH值為7；將調(diào)制后的硫酸鈣懸浮液投放到反應(yīng)釜中，在溫度為190℃、壓力為0.8MPa和攪拌轉(zhuǎn)速控制為200轉(zhuǎn)/min的條件下，保溫300min，過濾、洗滌；將洗滌后的硫酸鈣晶須在溫度為140℃的條件下，保溫時間為60min，獲得硫酸鈣晶須；采用聚乙烯醇將硫酸鈣晶須進(jìn)行表面改性、分散，改性劑的用量為0.5％，最終獲得無水硫酸鈣晶須產(chǎn)品；晶須的長度為80～130μm，直徑為320nm～430nm，其中液相可以制備氧化鐵紅和硫酸鎂產(chǎn)品。
實施例4選取以粒度為0.05mm的轉(zhuǎn)爐渣40g為原料(轉(zhuǎn)爐渣成分如表1)和10％硫酸160g反應(yīng)，反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)時間為60min；經(jīng)過濾分離，液相用于制備氧化鐵，固相為硫酸鈣；將硫酸鈣按固液比按0.5的比例與清水混合，用氧化鎂調(diào)整pH值為8；將調(diào)制后的硫酸鈣懸浮液投放到反應(yīng)釜中，在溫度為120℃、壓力為0.3MPa和攪拌轉(zhuǎn)速控制為400轉(zhuǎn)/min的條件下，保溫120min，過濾、洗滌；將洗滌后的硫酸鈣晶須在溫度為120℃的條件下，保溫時間為80min，獲得硫酸鈣晶須；采用磷酸酯將硫酸鈣晶須進(jìn)行表面改性、分散，改性劑的用量為1％，最終獲得無水硫酸鈣晶須產(chǎn)品；晶須的長度為120～160μm，直徑為1μm～1.5μm，其中液相可以制備氧化鐵紅和硫酸鎂產(chǎn)品。
實施例5選取以粒度為0.04mm的轉(zhuǎn)爐渣40g為原料(轉(zhuǎn)爐渣成分如表2)和10％硫酸240g反應(yīng)，反應(yīng)溫度為90℃，反應(yīng)時間為90min；經(jīng)過濾分離，液相用于制備氧化鐵，固相為硫酸鈣；將硫酸鈣按固液比按0.8的比例與清水混合，用氧化鎂調(diào)整pH值為9；將調(diào)制后的硫酸鈣懸浮液投放到反應(yīng)釜中，在溫度為160℃、壓力為0.7MPa和攪拌轉(zhuǎn)速控制為700轉(zhuǎn)/min的條件下，保溫60min，過濾、洗滌；將洗滌后的硫酸鈣晶須在溫度為140℃的條件下，保溫時間為60min，獲得硫酸鈣晶須；采用磷酸酯將硫酸鈣晶須進(jìn)行表面改性、分散，改性劑的用量為1％，最終獲得無水硫酸鈣晶須產(chǎn)品；晶須的長度為150～220μm，直徑為3μm～4μm，其中液相可以制備氧化鐵紅和硫酸鎂產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種非金屬材料硫酸鈣晶須的制備方法，其特征在于該制備工藝方法包括(1)酸解以轉(zhuǎn)爐渣為原料和硫酸反應(yīng)，轉(zhuǎn)爐渣粒度為0.04～0.09mm，硫酸濃度為10％～30％，加入量為轉(zhuǎn)爐渣重量的4～7倍，反應(yīng)時間為40～120min；(2)分離將轉(zhuǎn)爐渣和硫酸反應(yīng)后的浸出液過濾、洗滌，得到硫酸鈣；(3)調(diào)漿將得到的硫酸鈣按固液比0.2～0.8的比例與清水混合，用堿調(diào)整pH值為5～9；(4)高溫結(jié)晶將調(diào)制后的硫酸鈣懸浮液在溫度為120℃～200℃、壓力為0.3～1MPa和攪拌轉(zhuǎn)速控制為50轉(zhuǎn)/min～900轉(zhuǎn)/min條件下，保溫40min～480min，過濾、洗滌；(5)干燥將洗滌后的硫酸鈣晶須在溫度為100℃～150℃的條件下，干燥時間為40min～120min，獲得硫酸鈣晶須；(6)涂飾將硫酸鈣晶須采用聚乙烯醇和磷酸酯進(jìn)行表面改性、分散，改性劑的用量為0.5％～2％，最終獲得硫酸鈣晶須產(chǎn)品。
2.按權(quán)利要求1所述的非金屬材料硫酸鈣晶須的制備方法，其特征在于調(diào)漿用堿為氧化鈣、氧化鎂、碳酸鈣、碳酸鎂、氫氧化鈣或氫氧化鎂。
3.按權(quán)利要求1所述的非金屬材料硫酸鈣晶須的制備方法，其特征在于所用轉(zhuǎn)爐渣的成分按重量百分比如下SiO2CaO MgO Al2O3Fe2O3其他6～1442～50 4～12 1～6 21～29 2～5其他為S、P、F和Na。
全文摘要
本發(fā)明涉及非金屬材料硫酸鈣晶須的制備方法，該制備方法是以轉(zhuǎn)爐渣為原料，經(jīng)過研磨，硫酸浸出、過濾制成硫酸鈣懸浮溶液，再經(jīng)高溫結(jié)晶法合成、分離、干燥，最終得到硫酸鈣晶須產(chǎn)品，其純度可達(dá)到98％以上。本發(fā)明使用轉(zhuǎn)爐渣為原料，生產(chǎn)成本低，工藝流程短，產(chǎn)品質(zhì)量好。可用作中等強(qiáng)度的填充劑，也可以代替石棉作摩擦材料、建筑材料、保溫材料等，還可部分代替玻璃纖維。
文檔編號C30B7/10GK101029415SQ200710010129
公開日2007年9月5日 申請日期2007年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月23日
發(fā)明者劉承軍, 史培陽, 馮巍, 姜茂發(fā) 申請人:東北大學(xué)