以磷渣—磷尾礦為主要原料的保溫板研制

向 興，薛 俊,2，曾 維，曹 宏,2

（1.武漢工程大學(xué)材料學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074)

1 引言

磷渣是電爐法制取黃磷時的副產(chǎn)品，磷尾礦是磷礦石浮選產(chǎn)生的廢棄物。每年都有大量磷渣和磷尾礦產(chǎn)生，它們的堆放不僅占用土地且由于其中含有氟、磷等元素，對環(huán)境構(gòu)成潛在危害[1]。目前，磷渣主要用于水泥工業(yè)，可替代螢石作礦化劑來煅燒水泥熟料。也可作水泥摻合料，制備低熟料磷渣水泥和無熟料水泥。李東旭等[1]研究表明，磷渣摻量為50%～70%時，添加外加劑(無水硫酸鈉，燒石膏等)可生產(chǎn)425#和525#磷渣水泥。張定斌等[2]利用磷尾礦，加入硅石粉，碳質(zhì)還原劑，粘合劑，釉漿等制備高濃度磷酸和建筑用磚。曹建新等[3]用磷渣替代部分粘土或頁巖制備出磷渣燒結(jié)磚，燒成溫度可降低100℃。XU等[4]用磷渣替代硅灰石資源制備硅灰石玻璃陶瓷。LI等[5]采用沉淀法由磷渣制備白炭黑。建筑節(jié)能現(xiàn)已廣受人們關(guān)注，保溫板以其保溫隔熱性能優(yōu)良受到人們的青睞。保溫板主要分為有機(jī)保溫板和無機(jī)保溫板。有機(jī)保溫板密度很輕，且導(dǎo)熱系數(shù)很低，但可燃，一旦發(fā)生火災(zāi)，釋放的有毒氣體可能使人窒息。無機(jī)保溫板因不可燃而成功克服了這一問題。陳光劍等[6]用聚苯乙烯制備出容重0.6g/cm3、導(dǎo)熱系數(shù)0.08W/(m·K)、抗壓強(qiáng)度0.64MPa的保溫板。石巖等[7]用硫鋁酸鹽水泥，以雙氧水發(fā)泡制得容重0.68g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)0.092W/(m·K)，抗壓強(qiáng)度2.65MPa的保溫板。但用磷渣，磷尾礦這些廢棄物來制備保溫板的研究尚少。本文大量利用磷尾礦作為摻合料，加入磷渣，生石灰，膨脹珍珠巖，水泥等制備保溫板。

2 試驗(yàn)

2.1 原料

磷渣取自云南晉寧黃磷廠，其化學(xué)成分分析結(jié)果(表1)表明，磷渣的主要成分為SiO2、CaO，且磷渣呈玻璃態(tài)。在此作為具有火山灰活性的硅質(zhì)和鈣質(zhì)原料，使用時將其球磨至比表面積為418m2/kg左右，以提高其火山灰活性。

表1 磷渣主要化學(xué)成分(%)

磷尾礦來自云南磷化集團(tuán)，為單一反浮選尾礦。從磷尾礦的XRD分析結(jié)果(圖1)表明：磷尾礦主要物相組成為白云石、磷灰石和少量石英。在此只能作為惰性摻合料使用，使用時過0.3mm篩。

圖1 磷尾礦XRD圖譜

表2 試驗(yàn)配方設(shè)計

圖2 保溫板制備及檢測流程

其他原料：生石灰，市購，活性氧化鈣≥60%；水泥，市購，P·O 42.5(華新水泥股份有限公司生產(chǎn))；無水硫酸鈉，市購(湖北宜化集團(tuán)生產(chǎn))；膨脹珍珠巖，市購，粒徑1～2mm。

2.2 試驗(yàn)方案

保溫板的主要性能指標(biāo)為：抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度，容重，導(dǎo)熱系數(shù)。影響這些性能的主要因素包括磷渣與生石灰之比、水灰比、磷尾礦含量、水泥含量、膨脹珍珠巖含量、養(yǎng)護(hù)制度。其中，養(yǎng)護(hù)制度采用工業(yè)養(yǎng)護(hù)制度，即174.5℃下養(yǎng)護(hù)8h。膨脹珍珠巖含量初定為10%，無水硫酸鈉定為總量的0.5%[8]，其余因素對保溫板性能的影響，設(shè)計試驗(yàn)方案如表2所示。

2.3 試驗(yàn)步驟

保溫板的制備及檢測步驟如圖2所示。

(1)稱量并混合。將磷尾礦，磷渣，生石灰，無水硫酸鈉，膨脹珍珠巖，水分別稱量后于攪拌機(jī)內(nèi)攪拌5min。

(2)陳化。將攪拌好的混合料密封儲存，室溫陳化24h。

(3)混合料的再拌合。將陳化好的混合料取出，加入水泥和剩余的水，于攪拌機(jī)內(nèi)攪拌。

(4)振壓成型。將配合料倒入模具中，再放入鐵塊，于振動臺上振動15s后脫模。

(5)養(yǎng)護(hù)。先在60℃下預(yù)養(yǎng)6h，再于174.5℃下蒸壓養(yǎng)8h，冷卻至室溫后取出保溫板在105℃下烘干24h。

(6)性能測試。對保溫板進(jìn)行尺寸測量，容重計算，抗折、抗壓強(qiáng)度測試及導(dǎo)熱系數(shù)測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 配方對保溫板性能的影響

磷渣與生石灰比對保溫板抗折強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)果列于表3。

表3 磷渣與石灰不同質(zhì)量比試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，保溫板抗折強(qiáng)度隨磷渣與石灰比的增加而先升高再降低。這是因?yàn)榛钚匝趸}和二氧化硅的比例不同，最后生成的水化產(chǎn)物種類不同，隨著石灰相對含量的減少，生成的水化物從高堿性到低堿性，而低堿性水化物強(qiáng)度相對較高，但若石灰太少，會有過多的二氧化硅沒反應(yīng)，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

水灰比對成型的影響試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同水灰比試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以得出成型隨水灰比的增加而先容易后變難。這是因?yàn)樗诔尚瓦^程中起到粘結(jié)粉料的作用，過少則粉料間無法粘結(jié)。水分過多，在施加一定壓力時，會有水分溢出，使外部粉料與模具內(nèi)表面粘結(jié)而難以脫模。

磷尾礦摻量及水泥含量對容重、強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3～6。

圖3 各配方保溫板容重

圖4 各配方保溫板抗折強(qiáng)度

圖5 各配方保溫板抗壓強(qiáng)度

圖6 各配方保溫板導(dǎo)熱系數(shù)

從圖3～6可以看出，隨著水泥含量的增加，容重和導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫板抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度也增加。這是因?yàn)橄嗤|(zhì)量下，水泥水化產(chǎn)物比磷渣和石灰生成的水化產(chǎn)物，具有較高強(qiáng)度，但容重、導(dǎo)熱系數(shù)又偏大的緣故。隨著磷尾礦含量的增加，容重變小，強(qiáng)度也變小，導(dǎo)熱系數(shù)變大。這是因?yàn)榱孜驳V沒有活性，是作為填充料加入，過多會導(dǎo)致強(qiáng)度降低，且其導(dǎo)熱系數(shù)較大。

3.2 保溫板的物相分析

磷尾礦60%，水泥3%保溫板的XRD圖譜如圖7。從圖7中可以看出，最后得到的保溫板中，有大量的托勃莫來石(Ca5Si6O16(OH)2)生成，托勃莫來石屬低堿性水化硅酸鈣，有較高的強(qiáng)度。同時還有CaMg(CO3)2，Ca5(PO4)3F，是磷尾礦的主要成分，這是因?yàn)榱孜驳V沒有活性，不參與反應(yīng)，故磷尾礦加入過多，會導(dǎo)致強(qiáng)度降低，另外還有未反應(yīng)完的SiO2。

圖7 磷尾礦60%、水泥3%保溫板的XRD圖譜

4 結(jié)論

通過上述研究可得到結(jié)論如下：

(1)在174.5℃下保溫8h、膨脹珍珠巖含量為10%前提下，磷尾礦摻量為60%、水泥含量為3%、磷渣∶生石灰(質(zhì)量比)=4∶1、水灰比為0.24時為最佳配比。

(2)最佳配比下保溫板的容重為1.49g/cm3、抗折強(qiáng)度為3.56MPa、抗壓強(qiáng)度為12.5MPa、導(dǎo)熱系數(shù)為0.143W/(m·K)。

(3)最佳配方下所制得的保溫板，主要成分是托勃莫來石。

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