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铜渣尾矿制备空心陶瓷微球及其表征 ① 张胜全1,2, 何亮亮1,2, 王 胜1,2, 王 冰1,2, 蔺有祥1,2, 王子仁1,2 (1.兰州理工大学 材料科学与工程学院,甘肃 兰州 730050; 2.省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃 兰州 730050) 摘 要 以铜渣尾矿为原料,利用火焰喷枪熔射法制备空心陶瓷微球,研究了淬熄距离对陶瓷微球形貌与性能的影响。 结果表明, 淬熄距离为 400 mm 时,制成的微球粒径分布均匀,直径 15~30 μm,经破碎确认为空心球。 成球机理是铜渣尾矿粉末受热逐渐熔化 过程中,发气物质产生气体并合并,当高温液滴喷射进入水中快速冷却凝固时,液滴中气体无法逸出,从而形成空心陶瓷微球。 关键词 火焰喷枪熔射法; 淬熄距离; 空心陶瓷微球; 资源再利用; 铜渣尾矿 中图分类号 TD982文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.05.030 文章编号 0253-6099(2020)05-0120-04 Preparation and Characterization of Hollow Ceramic Microspheres Using Copper Slag Tailings ZHANG Sheng⁃quan1,2, HE Liang⁃liang1,2, WANG Sheng1,2, WANG Bing1,2, LIN You⁃xiang1,2, WANG Zi⁃ren1,2 (1.School of Materials Science and Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu, China; 2.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non⁃Ferrous Metals, Lanzhou 730050, Gansu, China) Abstract With copper slag tailings as raw materials, hollow ceramic microspheres were prepared by using thermal spraying techniques with a flame gun. The effect of quenching distance on the morphology and properties of ceramic microspheres was explored. The results show that when the quenching distance is 400 mm, the prepared microspheres are 15~30 μm in diameter with a uniform particle size distribution, and confirmed to be hollow spheres after crushing. The mechanism for microsphere preparation is that gaseous materials generate gas, which aggregates during the gradual melting process of powdered copper slag tailings. When high⁃temperature droplets are sprayed into the water, the gas in the droplets cannot escape after the quick cooling and solidification, thus hollow ceramic microspheres are formed. Key words thermal spraying with a flame gun; quenching distance; hollow ceramic microspheres; reuse of resources; copper slag tailings 铜渣的回收利用[1-3]与安全安置受到国内外的关 注,当前对铜渣的主要处理方法是堆放,这不仅造成资 源浪费,而且污染环境。 空心微球[4-6]是一种新型微 米级功能材料,具有颗粒细小、中空、质量轻、比表面积 大等优点,具有广泛应用前景[7],因此国内外都对其 进行了大量研究[8]。 目前制备空心微球的方法有溶 胶⁃凝胶法[9]、 水热法[10]、 模板法[11]、 成珠炉喷 射 法[12]、火焰喷枪熔射法[13-14]。 本文采用火焰喷枪熔 射法,以铜渣尾矿为原料制备空心陶瓷微球达到资 源利用的目的,研究了不同淬熄距离对空心陶瓷微 球形貌及结构的影响,同时研究了空心陶瓷微球的磁 性能。 1 实 验 1.1 实验原料 以某公司经过浮选铜后的铜渣尾矿为原料,其主 要成分见表 1。 渣中残留少量水分、浮选药剂。 表 1 铜渣尾矿化学成分(质量分数) / % SiO2Al2O3 CaOFeOCZnOS其他 28.15.02.746.810.83.41.341.86 1.2 实验方法 用球磨机将铜渣尾矿研磨制成粉末,筛选出粒径 ①收稿日期 2020-04-23 基金项目 甘肃省工业绿色低碳转型升级研究课题(GGLD⁃2019⁃45;GGLD⁃2019⁃46) 作者简介 张胜全(1961-),男,陕西富平人,硕士,高级工程师,主要研究方向为二次资源再利用及冶金节能。 通讯作者 何亮亮(1994-),男,甘肃甘谷人,硕士研究生,主要从事二次资源再利用研究。 第 40 卷第 5 期 2020 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №5 October 2020 50~70 μm 的固体粉末颗粒,用火焰喷枪熔射喷入水 中使其快速冷凝,淬熄距离分别为 200,300,400 mm,用 真空抽滤法对粉末进行分离得到空心陶瓷微球。 火焰 喷枪使用的气体为氧气与乙炔,氧气压力为 0.7 MPa,乙 炔压力为 0.1 MPa,温度约为 2 500 ℃。 1.3 表 征 使用 Mastesizar2000 型激光粒度分析仪进行粒度 分析;采用 LZ⁃Ⅲ炉渣熔化特性测试仪测试熔点;采用 FIEDLER 3i1MSC 型红外测温仪测定在熔射过程中火 焰的温度;采用 JSM⁃7000F 型扫描电子显微镜和 Quanta450FEG 型场发射扫描电子显微镜(SEM)对铜 渣尾矿及空心微球进行形貌分析;采用 D/ max⁃2004 型 X 射线衍射仪分析铜渣尾矿及空心微球的物相;采 用 7304 型振动样品磁强机(VSM)对铜渣尾矿及空心 微球进行磁性分析。 2 实验结果与讨论 2.1 铜渣尾矿分析 2.1.1 熔化特性 铜渣尾矿的熔化特性如图 1 所示。 从图 1 可知, 铜渣尾矿的开始熔化温度为 1 406 ℃,半球点温度为 1 420 ℃,流动温度为 1 440 ℃。 在实验中以半球点的 温度作为物体的软熔温度,因此铜渣尾矿粉末的软熔 温度为 1 420 ℃。 图 1 铜渣尾矿粉末的熔点测试图像 (a) 原样; (b) 软化温度(1 406 ℃); (c) 半球点温度(1 420 ℃); (d) 流动温度(1 440 ℃) 2.1.2 粒度分布 实验前将铜渣尾矿粉末在数控超声波洗涤器中振 荡分散 5 min,粒度测试时以蒸馏水为分散剂,铜渣尾 矿粒度分析结果如图 2 所示。 由图 2 可见,铜渣尾矿 粉末的平均粒度为 10.1 μm。 粒度/μm 8 6 4 2 0 0.1110100100010000 体积/ 图 2 铜渣尾矿粉末粒度分布 2.1.3 XRD 分析 图 3 为铜渣尾矿的 XRD 图谱,可以看出铜渣尾矿 主要物相为 Fe2SiO4、Fe3O4,含有少量的 SiO2,铜渣尾 矿的衍射峰较强,峰比较尖锐,说明铜渣尾矿的结晶度 较高。 20305070104060 2 / θ Fe2SiO4 Fe3O4 SiO2▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 图 3 铜渣尾矿粉末 XRD 图谱 2.2 淬熄距离对空心微球形貌的影响 图 4 为不同淬熄距离熔射产物的 SEM 图片。 由 图 4 可以看出, 淬熄距离 200 mm 时,熔射产物表面有 部分开始熔融,出现了球形颗粒,大部分为不规则块状 颗粒;淬熄距离 300 mm 时,熔射产物由不规则颗粒和 微球组成,仍有部分颗粒未熔化,球的数量增加;淬熄 距离 400 mm 时,绝大多数熔射产物为粒径分布均匀 的微球。 可以看出,在淬熄距离为 400 mm 时获得综 合性能良好的陶瓷微球。 淬熄距离 200 mm 时,由于淬熄距离较短,铜渣尾 矿粉末在火焰场的受热时间过短,表面温升不高,粉末 在火焰中飞行过程中不能完全成为熔融态就进入水 中,只有少部分熔化成球,粉末基本上保持了原来的状 态。 淬熄距离 300 mm 时,粉末颗粒受热时间变长,使 大量颗粒表面开始融化,处于表层的发气物质产生 的气体有一部分冲破熔融的表面进入水中,在颗粒 表面形成了较多的近似球坑,而成为球状的几乎是较 121第 5 期张胜全等 铜渣尾矿制备空心陶瓷微球及其表征 图 4 不同淬熄距离时空心陶瓷微球的形貌 (a) 200 mm; (b) 300 mm; (c) 400 mm 小的颗粒。 淬熄距离 400 mm 时,粉末颗粒受热时间 延长,颗粒由表及里完全变成熔融状态,以球状进入水 中成为完整的球,得到表面光滑、分散很好的熔射 产物。 淬熄距离 400 mm 时不规则空心陶瓷微球的形貌 如图 5 所示。 随着火焰高温加热,类球体完全融化为 液态,在表面张力的作用下形成球,同时由于内部产生 的气体来不及逸出,在喷射进入冷却介质时瞬间凝固 形成中空球状结构,但在熔射过程中也会产生一些不 规则形状的微球。 图 5 淬熄距离为 400 mm 时不规则空心陶瓷微球的形貌 (a) 表面开孔的微球; (b) 多孔微球; (c) 碗状微球; (d) 破碎微球 2.3 空心陶瓷微球形貌及性能分析 2.3.1 粒度分析 淬熄距离 400 mm 时制备的空心陶瓷微球的粒度 分布如图 6 所示。 由图 6 可见,空心陶瓷微球平均粒 度为 27.6 μm,与铜渣尾矿的粒度相比,空心陶瓷微球 的粒度变大。 这可能是由于微球内部的发气物质产生 气体导致球体膨胀,体积变大;粉末熔化后在火焰场飞 行过程中碰撞且自发融合在一起,融合后液滴的表面 积减少使自由能下降导致粒度变大。 粒度/μm 8 6 4 2 0 0.1110100100010000 体积/ 图 6 空心陶瓷微球粒度分布图 2.3.2 EDS 及 XRD 分析 为了研究空心陶瓷微球的组成成分及元素分布, 对其进行能谱分析(EDS),结果如图 7 所示。 由图 7 可见,淬熄距离 400 mm 时空心陶瓷微球中氧元素与 铁元素的含量较多,分别为 42.4%和 36.6%。 图 7 空心陶瓷微球 SEM 和 EDS 分析结果 图 8 为淬熄距离 400 mm 时空心陶瓷微球的 XRD 图谱。 由图 8 可知,空心微球主要由 Fe3O4和 SiO2组 成,而其中未标明的杂峰可能为未反应完全的杂质相。 与铜渣尾矿的物相相比,衍射峰分布弥散,只有 2 种物 相的衍射峰比较明显,说明空心陶瓷微球的结晶性变 差,这是因为在高温熔融状态下物质进入水中时,非晶 物质变多。 2.3.3 空心微球的磁性能分析 淬熄距离 400 mm 时铜渣尾矿粉末和空心陶瓷微 球的 VSM 分析图谱如图 9 所示。在室温下,铜渣尾矿 221矿 冶 工 程第 40 卷 30154560 2 / θ Fe3O4 SiO2 ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 图 8 空心陶瓷微球的 XRD 图谱 磁场范围/kA m-1 10 5 0 -5 -10 -800-1200-40004008001200 磁化强度/emu g-1 磁场范围/kA m-1 15 10 5 0 -5 -10 -15 -800-1200-40004008001200 磁化强度/emu g-1 a b 图 9 铜渣尾矿及空心陶瓷微球的 VSM 图谱 (a) 铜渣尾矿; (b) 空心微球 的饱和磁化强度为 10.31 emu/ g,而空心陶瓷微球的饱 和磁化强度为13.53 emu/ g。 当铜渣尾矿粉末转变为 空心陶瓷微球时,Fe3O4含量增加,导致磁性增强。 从 图 9 可以看出,在室温下起始磁化曲线与退磁曲线基 本上重合,没有磁滞环出现,并且矫顽力趋近于 0,呈 近似超顺磁性。 2.4 成球机理 铜渣尾矿粉末在加热过程中由表面向内部熔化, 当表面处于熔融状态时,在表面张力的作用下趋于球 状。 粉末在火焰中所处位置不同,导致受热程度不同, 当淬熄距离为 400 mm 时粉末基本熔化,所以最终形 成的熔射产物几乎是球状,只有少数为不规则形状。 铜渣尾矿粉末在火焰场中可能发生以下反应 2C + O2■■2CO(1) C + O2■■CO2(2) Fe3O4+ CO■■CO2+ 3FeO(3) FeO + C■■Fe + CO(4) FeO + CO■■Fe + CO2(5) 反应产生了 CO2、CO 气体,在熔融物质中形成了 气泡,随着气泡增大、数量增加,当气泡压力大于外面 熔滴的压力时,球体会膨胀;此外随着气泡增加,气泡 也会合并,当遇到冷却介质时会形成空心微球。 图 10 为空心微球形成的模拟图。 首先熔融颗粒在飞行过程 中由于物质加热产生的气体在颗粒内聚集,然后气体 从颗粒表面微孔释放,从而形成空心结构。 熔化产 生气泡 气泡增多 气泡长大 气泡合并 释放气体 空心微球气泡聚集于颗粒内部熔融液滴不规则颗粒 图 10 空心陶瓷微球形成的模拟图 3 结 论 1) 以铜渣尾矿为原料,用火焰喷枪熔射法制备空 心陶瓷微球,当淬熄距离控制在 400 mm 时,空心陶瓷 微球结构较好,粒径在微米范围内,主要由 Fe3O4和 SiO2组成。 2) 高温下铜渣尾矿颗粒熔融,在表面张力的作用 下形成小液滴,同时铜渣中的发气物质产生气体,当液 滴喷射进入水中快速凝固时,液滴内的气体无法逸出, 从而得到具有中空结构的陶瓷微球。 3) 铜渣尾矿、空心微球的饱和磁化强度分别为 10.31 和 13.53 emu/ g,表明空心微球的磁性增强。 参考文献 [1] 姚春玲,刘振楠,滕 瑜,等. 铜渣资源综合利用及展望[J]. 矿 冶, 2019,28(2)77-81. 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