摘 要：本文以煤矸石等作為主要原料，通過超微細(xì)化、發(fā)泡控制、溫度場調(diào)控、多層燒成的技術(shù)手段，低能耗、低成本制備發(fā)泡陶瓷建筑墻體材料，實(shí)現(xiàn)了煤矸石固廢資源化利用(在原料中的摻入比例≥70%)及煤矸石的潛熱利用(提供燒成過程40%以上的熱能)，為煤矸石的無害化、資源化利用提供了一條重要出路的同時解決多孔陶瓷生產(chǎn)成本高的瓶頸，并開發(fā)了具備優(yōu)異保溫性能(導(dǎo)熱系數(shù)≤0.10W/m·℃)和力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度≥4.2MPa)的新型綠色自保溫墻體材料，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。
關(guān)鍵詞：煤矸石;多孔發(fā)泡陶瓷;煤基固廢;多層燒成
《江蘇陶瓷》(雙月刊)創(chuàng)刊于1963年，由江蘇省陶瓷研究所有限公司、無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院主辦。本刊是陶瓷工業(yè)刊物。介紹陶瓷工業(yè)生產(chǎn)中的成功經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)外陶瓷先進(jìn)技術(shù)和最新的成果，報道國內(nèi)外陶瓷工業(yè)動態(tài)和有關(guān)信。
1 前 言
發(fā)泡陶瓷是一種具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱、防火阻燃(A1級)、防水抗凍、隔音、耐老化等優(yōu)異性能的保溫材料。傳統(tǒng)多孔陶瓷、蜂窩陶瓷、開口多孔陶瓷的制備方法主要是泥漿發(fā)泡法、有機(jī)泡沫浸漬法、溶膠凝膠法，其均是在低溫下利用各種方法成型多孔素坯，再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)形成如多孔碳化硅陶瓷、多孔氧化鋁陶瓷等多孔陶瓷基體。然而作為應(yīng)用于建筑保溫阻燃領(lǐng)域的閉孔發(fā)泡陶瓷，其用量大、價格低的市場現(xiàn)狀使得上述效率低、投資大、產(chǎn)出小的制備工藝難以在此材料制備中得到運(yùn)用。因此，在這一背景下，利用高溫發(fā)泡劑產(chǎn)生多孔體的高溫發(fā)泡法得到了深入研究。且在節(jié)約原料成本中，大摻量利用固體廢棄物生產(chǎn)泡沫陶瓷技術(shù)的研究也得到了廣泛開展。
煤矸石是煤炭生產(chǎn)和洗選加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，[1]其源于成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石，[2]是我國目前排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一，可適用于制備發(fā)泡陶瓷。[3]
本文結(jié)合山西省煤基固廢堆存量巨大的現(xiàn)實(shí)情況，開發(fā)以煤矸石等作為主要原料(配合料中使用量超過70%)，通過超微細(xì)化、發(fā)泡控制、溫度場調(diào)控、多層燒成等技術(shù)手段，低能耗、低成本制備發(fā)泡陶瓷建筑墻體材料。[4]目前，我國平均每年要建20億平方米左右的新建筑，建筑單位面積采暖費(fèi)用是氣候條件相近發(fā)達(dá)國家的2～3倍，因此建筑節(jié)能意義重大。
2 實(shí) 驗(yàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)原材料
實(shí)驗(yàn)以煤矸石為主要原料，輔助添加廢瓷粉，外摻加以Fe2O3、CaO、MgO復(fù)合而成的助熔劑、以硫酸鹽、碳酸鹽、SiC復(fù)合而成的發(fā)泡劑配制而成的發(fā)泡陶瓷原料。
其中煤矸石70%～80%、廢瓷粉15%～25%、廢玻璃粉5%～10%組成基體配方，外摻助熔劑1%～1.5%，發(fā)泡劑0.8%～1.2%。文獻(xiàn)表明，發(fā)泡陶瓷適宜化學(xué)成分組成見表1。
2.1.1 煤矸石
實(shí)驗(yàn)所用煤矸石來自山西省，其化學(xué)成分組成及物相組成見表2，熱值為2000～3000kJ/kg，編號1#煤矸石來自朔州，編號2#煤矸石來自長治。從表2可知，因產(chǎn)地不同，其化學(xué)成分略有波動，但變化不大。煤矸石均為黏土巖質(zhì)，1#號煤矸石主要礦物組成為高嶺石，以及少量的石英，2#號煤矸石主要礦物組成為高嶺石，以及少量的石英和云母，且1#煤矸石Al2O3/SiO2比值為0.56，表明鋁含量高，硅含量低;2#號煤矸石Al2O3/SiO2比值為0.45，表明硅、鋁含量適中，與其礦物組成相一致。與此同時，1#號煤矸石燒失量為23.78%，2#號煤矸石燒失量為18.76%，燒失量均較高，除Al2O3和SiO2、Fe2O3外，1#、2#號煤矸石其它化學(xué)成分均相近。
2.1.2 廢瓷粉、廢玻璃粉
實(shí)驗(yàn)所用的廢瓷粉、廢玻璃粉，皆為山西省內(nèi)陶瓷廠廢瓷、廢玻璃(鈉鈣玻璃)，其化學(xué)成分見表3。
2.1.3 發(fā)泡劑、助熔劑
發(fā)泡陶瓷的發(fā)泡機(jī)理關(guān)鍵在于發(fā)泡劑產(chǎn)生氣體時坯體已有適量的液相產(chǎn)生，發(fā)泡劑產(chǎn)氣速率與液相粘度、表面張力的匹配度決定著燒成試樣的性能及工藝控制的難易程度。在一定燒成溫度范圍內(nèi)，發(fā)泡陶瓷坯料的化學(xué)成分組成不僅影響發(fā)泡劑產(chǎn)生氣體的速率，而且影響液相含量。發(fā)泡劑以硫酸鹽、碳酸鹽、SiC復(fù)合而成。
2.2 生產(chǎn)工藝
破碎-球磨-過篩-鋪裝-燒窯-冷卻-切割
2.2.1 原料配合
將煤矸石、廢玻璃、廢陶瓷等原料用顎式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，為使原料充分混合，將破碎的原料過篩網(wǎng)，尺寸控制在10mm以內(nèi)，這樣進(jìn)入干法球磨機(jī)中時會充分混合均勻，其中煤矸石70%～80%、廢瓷粉15%～25%、廢玻璃粉5%～10%組成基體配方，外摻助熔劑1%～1.5%，發(fā)泡劑0.8%～1.2%。
2.2.2 球磨
采用干法制粉，將調(diào)配好的原料裝入干法球磨罐中，料球比為1：2.5。干法球磨要嚴(yán)格控制其球磨時間，球石為氧化鋁球，球磨時間不可過長，以免將氧化鋁球中的Al2O3帶入過多而引起成分的改變;干法球磨會使罐內(nèi)溫度上升，持續(xù)溫度較高也會使原料的某些成分發(fā)生變化。為保證粉體的均勻性、粒徑分布和顆粒形狀，以分散助磨劑消除超細(xì)顆粒間的靜電團(tuán)聚，提高粉料混合均勻性。
2.2.3 過篩鋪料
球磨好的粉料，待球磨罐體表溫度降至室溫，打開球磨罐蓋口，將粉料過振動篩，篩網(wǎng)為150目，孔徑為0.097mm。過篩后的粉料，不可積壓過厚，不可強(qiáng)迫壓實(shí)，自然堆積，轉(zhuǎn)移至窯車處，并均勻地鋪灑在窯車內(nèi)。窯車上有三層軌道，由碳化硅管、碳化硅板、氧化鋁擋板搭建而成，每層軌道內(nèi)，在鋪灑粉料之前鋪設(shè)一層保溫棉紙，以防止發(fā)泡陶瓷粘黏在軌道上。
2.2.4 燒窯
發(fā)泡陶瓷傳統(tǒng)燒成工藝采用單層隧道窯，燃料為天然氣，每立方米成品燒成能耗約65m3天然氣。根據(jù)本文所用煤矸石化學(xué)成分組成(表2)及發(fā)泡陶瓷適宜化學(xué)成分組成(表1)，經(jīng)計(jì)算煤矸石理論摻量約70wt%～80wt%，則坯料中由煤矸石帶入的熱值約1500～2400kJ/kg，燒成每立方米成品可提供380～600MJ(發(fā)泡陶瓷表觀密度以300kg/m3計(jì)算)熱能，可節(jié)約天然氣10～15m3，即煤矸石可提供熱量的1/6～1/3，故以煤矸石為原料燒制發(fā)泡陶瓷對能源的節(jié)約、環(huán)境的改善、廢棄物高附加值利用具有顯著意義。
粉料堆積狀態(tài)下的助燃空氣，在搭建多層軌道窯爐時，便預(yù)留了窯頭窯尾通風(fēng)孔，窯爐兩側(cè)的通風(fēng)口，大孔主要用于通風(fēng)，從而加速煤矸石中的碳燃燒、消除黑心，提高整體發(fā)泡的均勻性和力學(xué)性能。
考察煤矸石殘余碳在不同溫度下的燃燒速度，隨著煤矸石含量越來越少，后期升溫速度要逐漸減緩，坯體宏觀大孔為煤矸石殘余碳的燃燒提供了氣流通道，更好地將煤矸石充分燃燒，防止發(fā)泡陶瓷出現(xiàn)黑心等缺陷。
保溫時間對發(fā)泡陶瓷孔結(jié)構(gòu)和抗壓強(qiáng)度影響顯著，且發(fā)泡過程是一個循序漸進(jìn)的過程，保溫30min坯體難以發(fā)泡均勻，保溫時間過長對發(fā)泡過程無益，合理的保溫時間為60～120min。
2.2.5 冷卻
發(fā)泡陶瓷在經(jīng)過發(fā)泡過程后，厚度達(dá)到300mm以上，而多孔陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)低、傳熱慢，冷卻過程中要控制得當(dāng)，否則會造成制品的內(nèi)外溫差過大而產(chǎn)生無法消除的熱應(yīng)力，造成制品開裂。因此在降溫過程中，在900℃、500℃、200℃三個溫度階段都要延緩冷卻速度，坯體宏觀大孔為煤矸石殘余碳的冷卻提供了氣流通道，加快了發(fā)泡陶瓷的冷卻過程。
2.3 各工藝參數(shù)
2.3.1 配料及球磨工藝
原料入磨細(xì)度：≤10mm;
粉料和球的比例：料：球=1：2.5;
球磨時間：4h;
粉料細(xì)度：0.05%～0.1%(萬孔篩余)。
2.3.2 過篩及鋪裝工藝
粉料過150目篩;
窯爐內(nèi)部有三層軌道，每層2.5m×0.9m，第一層層間距0.6m，第二層層間距0.4m，第三層層間距0.35m;
鋪料尺寸為2.2m×0.8m×0.07m。
2.3.3 燒成及冷卻工藝
最高燒成溫度：1150℃;
燒成周期：12～14h;
燒成曲線：室溫至150℃升溫速度為4℃/min;在150℃下保溫30min;150℃至600℃升溫速度為5℃/min，在600℃下保溫60min;600℃至1150℃升溫速度為7℃/min;在1150℃下保溫120min，煅燒結(jié)束后按2℃/min的速度冷卻;
保溫時間：1.5～2 h;
發(fā)泡比例：2.5～2.6倍;
冷卻時間：20h。
2.3.4 性能指標(biāo)
抗壓強(qiáng)度：≥4.2MPa;
體積密度：≤0.5g/cm3;
導(dǎo)熱系數(shù)：≤0.10W/m·℃;
吸水率：≤5%。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本實(shí)驗(yàn)針對煤矸石的特點(diǎn)，結(jié)合山西省煤矸石大量積存的現(xiàn)狀，研究開發(fā)了獨(dú)特的多孔陶瓷配方體系，同時提出以微孔與大孔相結(jié)合的多孔陶瓷基多孔自保溫砌塊技術(shù)方案，通過坯體宏觀大孔為煤矸石殘余碳的燃燒及冷卻提供氣流通道，實(shí)現(xiàn)煤矸石中殘余碳快速燃盡，消除碳對高溫?zé)Y(jié)與發(fā)泡過程不利的影響，并為多孔陶瓷的燒成過程提供足夠的熱量。
本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了煤矸石固廢資源化利用(在原料中的摻入比例≥70%)及煤矸石的潛熱利用(提供燒成過程40%以上的熱能)，為煤矸石的無害化、資源化利用提供了一條重要出路的同時解決多孔陶瓷生產(chǎn)成本高的瓶頸，并開發(fā)了具備優(yōu)異保溫性能(導(dǎo)熱系數(shù)≤0.10W/m·℃)和力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度≥4.2MPa)的新型綠色自保溫墻體材料，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。
4 結(jié) 論
利用煤矸石制備多孔陶瓷自保溫墻體材料實(shí)驗(yàn)取得了良好的效果，通過超微細(xì)化，發(fā)泡控制、溫度場調(diào)控、多層燒成的技術(shù)手段，低能耗、低成本制備發(fā)泡陶瓷建筑墻體材料。其成果如果能夠得到推廣應(yīng)用，對于利用山西省煤矸石資源的特殊優(yōu)勢，開發(fā)具有創(chuàng)新意識和節(jié)能環(huán)保的新產(chǎn)品;引導(dǎo)山西省陶瓷產(chǎn)業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新，為山西省陶瓷產(chǎn)業(yè)探索創(chuàng)新發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的途徑;解決企業(yè)生產(chǎn)原料短缺的現(xiàn)狀，大幅度降低生產(chǎn)成本，減少能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益等諸多方面都具有積極意義。
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文章名稱：煤矸石制備多孔發(fā)泡陶瓷基多孔自保溫砌塊的研究
