本发明属于材料及环保技术领域，特别涉及一种利用二次铝灰制备镁铝尖晶石的方法。
背景技术：
铝灰是电解铝、铸造铝及再生铝生产过程中产生的熔渣经冷却后所得的产物的统称，其主要来源为：(1)熔盐电解过程中阳极更换、出铝、电解槽大修等过程，一般生产1吨电解铝产生30～50kg铝灰；(2)铝铸造过程中铸锭、重熔、锻造、切削加工等工序，平均每1吨铝从加工到应用过程中产生30～40kg铝灰；(3)再生铝生产过程中废铝再生并重新加工制品的回收率约为75～85％，即1吨废铝产生约150～250kg铝灰。
铝灰中一般主要含有铝单质、铝的氧化物、铝的氮化物、氟化盐、氯化盐、其他金属氧化物等，根据来源不同其各自含量有所差别；此外，如电解车间铝灰可能夹带部分电解质成分，熔铸或精炼过程由于精炼剂的使用铝灰含有一定量的氯化物和氟化物；有部分铝灰含有一定量的重金属；因此，如果铝灰不经过回收处理而直接堆积，会污染土壤和地下水资源，铝灰与水反应生成氨气、氢气和甲烷等污染空气、引发火灾，砷和砷化铝等杂质与水发生反应后产生的砷化氢气体，在生产场所中富集后不仅污染空气，还会造成密切接触者的急性砷化氢中毒；2016年6月环保部、国家发展改革委和公安部联合发布的新版《国家危险废物名录》中将有色金属铝冶炼排出的铝灰列为毒性危险废物及易燃性危险废物；因此，铝灰已经到了非处理不可的地步，其紧迫性可谓迫在眉睫。
目前国内外已经对铝灰的回收利用开展较多的研究，一般首先进行铝灰中金属铝的回收，金属铝的回收工艺大致分为炒灰回收法、回转窑处理法等热处理法和重选法、电选法等冷处理法两大类；经过回收金属铝后的铝灰称为二次铝灰，可用于制备纳米氧化铝、油墨用氧化铝、氢氧化铝、硫酸铝、聚合氯化铝、建筑材料、耐火材料、炼钢添加剂等。
镁铝尖晶石由于热稳定性良好、高温下抗碱性熔渣能力强等性质，作为窑砖或浇注料广泛应用于冶金工业窑炉；李晓娜等采用以再生铝厂的铝灰、高铝矾土、电熔镁砂、铁屑和焦炭粉为原料，不进行预处理直接进行高温熔炼法合成富铝镁铝尖晶石(铝灰制备镁铝尖晶石及其在al2o3-mgal2o4耐火材料中的应用，上海交通大学硕士论文，2008)；钟鑫宇等将工业铝灰直接在1300～1500℃下进行煅烧，然后与菱镁矿风化石湿磨，再添加聚乙烯醇半干法成型，在1300～1500℃煅烧制备镁铝尖晶石(低品位菱镁矿与工业铝灰制备镁铝尖晶石，无机盐工业，2012，44(12)，32-35)。
“利用铝灰和镁橄榄石制备硅铁合金和镁铝尖晶石的方法”(cn101429581)将铝灰、镁橄榄石和铁屑直接混合，利用铝灰中的金属铝、氮化铝作为还原剂，高温熔融还原得到硅铁合金和镁铝尖晶石。
“一种电熔镁铝尖晶石复合耐火材料及其生产方法”(cn100450972)将铝灰与碳酸镁、氧化镁中的一种或两种混合，压制成坯，然后电熔制备镁铝尖晶石。
以上工艺铝灰未经过预处理，直接使用，由于铝灰自身成分复杂，导致产物中杂质含量较多，影响最终产品的性能与品质。
“生产电熔镁铝尖晶石的方法”(cn1919739a)利用处理过的铝灰和轻烧镁砂电熔合成镁铝尖晶石，但其铝灰要进行煅烧、酸洗等预处理，工艺复杂，且需要其加入铁屑、碳素材料作为还原剂。而且由于杂质的带入产物需要进行破碎磁选，工艺流程长。
技术实现要素：
针对现有以铝灰为原料制备镁铝尖晶石工艺中铝灰不经过预处理、需要加入添加剂、产品杂质多、性能差等问题，本发明提出一种利用二次铝灰制备镁铝尖晶石的方法,以二次铝灰为原料，经脱氮预处理后，与氧化镁物料制备高品质镁铝尖晶石，实现铝灰综合利用，减少环境污染的同时，得到品质高、经济性好的镁铝尖晶石产品。
本发明的方法按以下步骤进行：
1、准备二次铝灰作为原料；所述的二次铝灰为铝灰利用熔铸过程产生的铝灰经提铝后形成的二次铝灰，主要成分按质量百分比含al0～10％，al2o330～60％，aln5～30％，mgo0～20％，其余为杂质；
2、将二次铝灰在900～1200℃煅烧1～3h，冷却至常温后球磨至粒径≤106μm，制成二次铝灰细粉料；
3、将二次铝灰细粉料加入水中，二次铝灰细粉料与水的固液比为40～200g/l；然后在温度50～98℃和搅拌条件下，施加超声波进行水浸，使二次铝灰细粉料中的氮化铝发生水解反应；水浸过程中产生的碱性气体氨气被排出，当碱性气体不再产生时，水浸结束获得水浸物料；
4、将水浸物料过滤分离出浸出渣，经洗涤后烘干去除水分，然后与含氧化镁物料混合磨细至粒度≤150目，制成混合粉料；混合粉料中氧化铝与氧化镁的摩尔比为1:1；
5、将混合物料压制成球团，压制压力为50～250mpa；
6、将球团采用高温烧结或电弧炉熔炼制成镁铝尖晶石；所述的高温烧结的温度为1600～1700℃，时间为2～4小时；所述的电弧炉熔炼的时间为2～4小时。
上述的含氧化镁物料为轻烧氧化镁，或者为氢氧化镁煅烧制成的氧化镁，粒径≤106μm。
上述方法中，步骤2的搅拌速度为500～3000r/min，超声波频率20～200khz。
上述的轻烧氧化镁为煅烧菱镁石或水镁石制成，上述的氢氧化镁是以水氯镁石为原料制成。
上述方法中，进行水浸时将反应体系通过密闭管路与反应槽连通，反应槽内装有盐酸；水浸产生的碱性气体氨气与盐酸反应生成氯化铵。
上述的镁铝尖晶石按质量百分比含al2o370.3～71.5％，mgo27.1～27.9％，体积密度为3.25～3.42g/cm3。
本发明的方法有以下特点：
(1)通过煅烧将二次铝灰中残留的单质铝有效转化为氧化铝，通过加热搅拌超声水浸能够使铝灰中的氮化铝进行快速水解转化为氢氧化铝，反应速度快，同时使铝灰中的氮转化为氨气排出与盐酸生成氯化铵实现回收利用，且使铝灰中的可溶杂质进入液相，实现二次铝灰中的进一步除杂；
(2)通过二次铝灰预处理后得到的浸出渣中物相较为稳定均一，杂质少，氧化铝含量高；以该浸出渣为原料制备的镁铝尖晶石纯度高、杂质含量少。
附图说明
图1为本发明实施例中的利用二次铝灰制备镁铝尖晶石的方法工艺流程图；
图2为本发明实施例1中的镁铝尖晶石的xrd图。
具体实施方式
本发明实施例中进行水浸时将反应体系通过密闭管路与反应槽连通，反应槽内装有质量浓度10～20％的盐酸；水浸产生的碱性气体氨气与盐酸反应生成氯化铵。
本发明实施例中检测是否有氨气产生是采用在线式氨气检测仪进行在线检测。
本发明实施例中的轻烧氧化镁为煅烧菱镁石或水镁石制成，纯度≥95％，氢氧化镁是以水氯镁石为原料制成，纯度≥95％。
本发明实施例采用的二次铝灰的杂质的重量百分比≤10％。
下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述说明，本发明保护范围并不限于所述内容。
实施例1
流程如图1所示；
准备二次铝灰作为原料；所述的二次铝灰为铝灰利用熔铸过程提铝后形成的二次铝灰，主要成分按质量百分比含al6％，al2o359.5％，aln26％，mgo6％，杂质3.5％；
将二次铝灰在1000℃煅烧2h，冷却至常温后球磨至粒径≤106μm，制成二次铝灰细粉料；
将二次铝灰细粉料加入水中，二次铝灰细粉料与水的固液比为100g/l；然后在温度90℃和搅拌条件下，施加超声波进行水浸，使二次铝灰细粉料中的氮化铝发生水解反应；水浸过程中产生的碱性气体氨气被排出，当碱性气体不再产生时，水浸结束获得水浸物料；其中搅拌速度为700r/min，超声波频率50khz；
将水浸物料过滤分离出浸出渣，经洗涤后烘干去除水分，然后与粒径≤106μm的轻烧氧化镁混合磨细至粒度≤150目，制成混合粉料；混合粉料中的氧化铝与氧化镁的摩尔比为1:1；
将混合物料压制成球团，压制压力为200mpa；
将球团采用高温烧结制成镁铝尖晶石；高温烧结的温度为1600℃，时间为2小时；
镁铝尖晶石按质量百分比含al2o370.5％，mgo27.6％，体积密度为3.25g/cm3；xrd检测结果如图2所示。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)二次铝灰，主要成分按质量百分比含al10％，al2o360％，aln22％，mgo6％，杂质2％；
(2)水浸时搅拌速度为800r/min，超声波频率100khz；浸出渣洗涤烘干后与氢氧化镁煅烧制成的氧化镁(粒径≤106μm)混合磨细；
(3)高温烧结的温度为1700℃，时间为4小时；
镁铝尖晶石按质量百分比含al2o370.3％，mgo27.9％，体积密度为3.29g/cm3。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)二次铝灰，主要成分按质量百分比含al2o355％，aln12％，mgo20％，杂质3％；
(2)将球团采用电弧炉熔炼(温度超过1700℃)制成镁铝尖晶石；电弧炉熔炼的时间为2小时；
镁铝尖晶石按质量百分比含al2o371.5％，mgo27.1％，体积密度为3.42g/cm3。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)二次铝灰，主要成分按质量百分比含al10％，al2o330％，aln30％，mgo20％，杂质10％；
(2)在900℃煅烧3h；
(3)二次铝灰细粉料与水的固液比为40g/l；在温度50℃和搅拌条件下，施加超声波进行水浸，搅拌速度为3000r/min，超声波频率20khz；
(4)制团压力为250mpa；
(5)高温烧结的温度为1650℃，时间为3小时；
镁铝尖晶石按质量百分比含al2o371.2％，mgo27.5％，体积密度为3.33g/cm3。
实施例5
方法同实施例1，不同点在于：
(1)二次铝灰，主要成分按质量百分比含al10％，al2o345％，aln25％，mgo18％，杂质2％；
(2)在1200℃煅烧1h；
(3)二次铝灰细粉料与水的固液比为200g/l；在温度98℃和搅拌条件下，施加超声波进行水浸，搅拌速度为500r/min，超声波频率200khz；
(4)制团压力为50mpa；
(5)将球团采用电弧炉熔炼制成镁铝尖晶石，时间为4小时；
镁铝尖晶石按质量百分比含al2o370.9％，mgo27.4％，体积密度为3.38g/cm3。