利用煤矸石制取無(wú)機(jī)纖維工藝試驗(yàn)的研究

尹 雪

沈陽(yáng)有色金屬研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141

煤矸石是一種在成煤過(guò)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，是我國(guó)目前排放量和累計(jì)存放量最大的工業(yè)混合固體廢棄物之一.全國(guó)共有1600 多座煤矸石山，累計(jì)存放量已超過(guò)40 多億噸，它的堆存不僅占用寶貴的土地資源而且造成環(huán)境污染[1-2].煤矸石的主要成份為SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3和C[3-5]，在煤矸石綜合利用方面，以往主要用于工程回填料、煤矸石制磚、制作水泥、煤矸石發(fā)電及提取鋁鹽等，雖然煤矸石綜合利用方法較多，但綜合利用率均不高，其原因主要是處理工藝流程復(fù)雜、成本費(fèi)用高、產(chǎn)品市場(chǎng)占有率受限，以及未能實(shí)現(xiàn)完全利用并產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題.

本試驗(yàn)以煤矸石為研究對(duì)象，通過(guò)添加一定量的添加劑，可制造出無(wú)機(jī)礦物纖維并應(yīng)用于保溫材料中，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)提供了技術(shù)依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為某礦廠煤矸石，添加劑為紅土鎳礦、鐵精粉和石灰，它們的主要組成成分列于表1.

表1原料及添加劑的組成成分

Table1Thecompositionofrawmaterialandadditivew/%

原料SiO2Al2O3CaOMgONiFe固定碳煤矸石61.820.60.950.45-6.810～15紅土鎳礦42.67<2<215.692.013.58-鐵精粉14.700.221.30--60.68-石灰4.77-86.801.58---

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用原始型煤矸石首先經(jīng)50 mm的格篩篩分，以保證試驗(yàn)用料粒度，篩上部分經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎至粒度小于50 mm，與篩下煤矸石合并進(jìn)行干燥，待用.

按建筑保溫材料的成份要求并兼顧冶煉工藝條件將處理過(guò)的煤矸石與添加劑進(jìn)行混配，混配后的試驗(yàn)原料在1000 kVA礦熱電爐中冶煉熔化，高溫熔融渣流入200 kVA保溫電爐中，然后再以一定的勻速流到高速離心制纖機(jī)的轉(zhuǎn)轂上，利用轉(zhuǎn)轂高的線速度和軸向高壓風(fēng)產(chǎn)生的組合外力，將高溫熔融渣制成無(wú)機(jī)礦物纖維，最后對(duì)無(wú)機(jī)礦物纖維制作的建筑保溫材料產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試.冶煉過(guò)程中產(chǎn)出的副產(chǎn)品由出鐵口放出并鑄錠，同時(shí)對(duì)其成份進(jìn)行分析.

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

化渣設(shè)備為礦熱電爐，其功率為1000 kVA、二次電壓為171.6 V、電流為3300 A ；成纖設(shè)備為JLX2.5-300型制纖高速離心機(jī)及JLX180-120型號(hào)負(fù)壓風(fēng)機(jī).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煤矸石熔渣情況分析

本次試驗(yàn)所用煤矸石冶煉渣的主要成分為二氧化硅和三氧化二鋁.根據(jù)煤矸石化驗(yàn)分析成分計(jì)算，SiO2-Al2O3二元系熔渣中SiO2的含量高達(dá)75%左右，熔渣的酸性較大，此時(shí)熔渣的熔點(diǎn)在1750 ℃以上.由熔渣粘度相圖可以得出[6]，當(dāng)Al2O3的含量達(dá)到25%左右時(shí)，SiO2-Al2O3二元系熔渣的粘度在200～300 Pa·s之間，熔渣粘度較大.由此可見(jiàn)，需添加一定量的添加劑，降低煤矸石熔渣的熔點(diǎn)及粘度，以實(shí)現(xiàn)其在電爐中的冶煉及滿(mǎn)足制纖要求.選擇輔助添加劑時(shí)應(yīng)在保證制纖要求的同時(shí)，以煤矸石中碳的有效綜合利用及產(chǎn)出高附加值的副產(chǎn)品為最終目的.

2.2 不調(diào)渣型制纖試驗(yàn)

利用煤矸石進(jìn)行不調(diào)渣型直接冶煉制纖試驗(yàn)，即不加入添加劑，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：(1)只有三根電極底部爐料熔化，電極中心及爐四周爐料不熔化；(2)二次電流基本在1500 A左右，達(dá)不到滿(mǎn)負(fù)荷；(3)熔渣發(fā)紅，溫度低，熔渣粘稠.由試驗(yàn)實(shí)際情況得知，因熔渣熔點(diǎn)高及粘度大，冶煉渣型調(diào)整及熔煉過(guò)程比較困難，致使試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、各種消耗較大，煤矸石直接冶煉的熔渣不能用于直接制造無(wú)機(jī)纖維，需加入添加劑進(jìn)行成分的調(diào)配，以達(dá)到制纖的要求.

2.3 添加石灰制纖試驗(yàn)

由于熔渣的酸性及粘度均較大，需添加堿性添加劑以有效地降低爐渣的熔點(diǎn)，試驗(yàn)選用石灰(CaO)作為添加劑，以降低渣熔點(diǎn)、提高渣的流動(dòng)性.

在相同環(huán)境下，選定添加5%～25%的石灰進(jìn)行調(diào)整渣型制纖試驗(yàn).試樣結(jié)果列于表2.由表2可知：隨著石灰添加量的增大，熔渣的粘度及流動(dòng)性均發(fā)生變化；當(dāng)石灰添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%時(shí)，出爐的熔渣比較粘、流動(dòng)性極差，熔渣狀態(tài)見(jiàn)圖1和圖2；當(dāng)石灰添加量為20%時(shí)，熔渣仍粘稠，但流動(dòng)性有所改善；當(dāng)石灰添加量為25%時(shí)，熔渣又變得粘稠，流動(dòng)性變差，無(wú)法達(dá)到制纖要求.這表明，配加單一的添加劑無(wú)法使熔渣達(dá)到制纖的要求，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定選取石灰添加量為20%.

表2調(diào)整石灰含量制纖數(shù)據(jù)分析

Table2Dataanalysisofadjustingthelimecontentinfiberproduction

序號(hào)含量w/%熔渣狀態(tài)結(jié)果15熔渣很粘,流動(dòng)性很差未成纖215熔渣粘,流動(dòng)性稍許改善未成纖320熔渣粘,流動(dòng)性好轉(zhuǎn)未成纖425熔渣很粘,流動(dòng)性差未成纖

圖1 開(kāi)眼過(guò)程熔渣狀態(tài)圖

圖2 熔渣流到鋼包內(nèi)的狀態(tài)圖

2.4 添加鐵精粉制纖試驗(yàn)

在石灰添加量為20%的前提下，進(jìn)行不同鐵精粉添加量的試驗(yàn)，鐵精粉加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為煤矸石的10%，15%，20%，25%及30%.試驗(yàn)結(jié)果列于表3.由表3可知：隨著鐵精粉添加量的增加，熔渣的粘度及流動(dòng)性均有改善；當(dāng)鐵精粉添加量為25%時(shí)，熔渣粘度有所改善，流動(dòng)性好轉(zhuǎn)，電爐冶煉可正常進(jìn)行，可以制纖；當(dāng)鐵精粉添加量為30%時(shí)，雖然熔渣粘度有所改善、流動(dòng)性好轉(zhuǎn)，但熔化時(shí)間長(zhǎng).所以，適宜的鐵精粉添加量應(yīng)為25%.

表3調(diào)整鐵精粉含量制纖數(shù)據(jù)分析結(jié)果

Table3Dataanalysisofadjustingtheironpowdercontentinfiberproduction

序號(hào)含量w/%熔渣狀態(tài) 結(jié)果110熔渣很粘,流動(dòng)性很差未能制纖215熔渣粘,流動(dòng)性差未能制纖320熔渣粘,流動(dòng)性稍差未能制纖425熔渣粘度改善,流動(dòng)性好轉(zhuǎn)可以制纖530熔渣粘度改善,流動(dòng)性好轉(zhuǎn),但熔化時(shí)間長(zhǎng)可以制纖

在石灰添加量為20%、鐵精粉添加量為25%條件下進(jìn)行制纖試驗(yàn)，爐渣、纖維及生鐵的組成成份分別列于表4和表5，制纖試驗(yàn)工作現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3和圖4.從表4和表5可以看出，試驗(yàn)所得的熔渣成份和生鐵成份均能滿(mǎn)足制纖及煉鋼要求.

圖3 成纖機(jī)制纖狀態(tài)照片

圖4 制纖試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

2.5 添加鎳紅土礦制纖試驗(yàn)

在添加20%石灰條件下，進(jìn)行不同添加量的鎳紅土礦試驗(yàn)，鎳紅土礦加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為煤矸石的40%，60%，80%，100%及120%.試驗(yàn)結(jié)果列于表6.由表6可知，隨著鎳紅土礦添加量的增大，熔渣的粘度及流動(dòng)性有所改善，當(dāng)鎳紅土礦添加量分別為100%和120%時(shí)，電爐冶煉均可正常進(jìn)行，熔渣的粘度及流動(dòng)性變化相差不大.所以，適宜的鎳紅土礦添加量應(yīng)為100%.

表6調(diào)整鎳紅土礦含量制纖數(shù)據(jù)分析結(jié)果

Table6Dataanalysisofadjustingthenickellateriteorecontentinfiberproduction

序號(hào)鎳紅土礦w/%熔渣狀態(tài)結(jié)果140熔渣很粘,流動(dòng)性很差未能制纖260熔渣粘,流動(dòng)性差未能制纖380熔渣粘,流動(dòng)性稍差未能很好制纖4100熔渣粘度改善,流動(dòng)性好轉(zhuǎn)可以制纖5120熔渣粘度改善,流動(dòng)性好轉(zhuǎn)可以制纖

在石灰添加量為20%、鎳紅土礦添加量為100%的條件下進(jìn)行制纖試驗(yàn)，試驗(yàn)爐渣、纖維及鎳鐵合金的成份分別列于表7和表8.由表7和表8可以看出，試驗(yàn)所得的爐渣成份和鎳鐵合金成份均能滿(mǎn)足制纖及冶煉不銹鋼的要求.

表7 爐渣及纖維組成成分Table 7 The composition of slag and fiber w/%

表8 鎳鐵合金組成成分Table8 The composition of ferro-nickel

2.6 無(wú)機(jī)纖維制造保溫材料

為進(jìn)一步研究煤矸石制取無(wú)機(jī)纖維的利用價(jià)值，在小型試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行了制造保溫材料試驗(yàn).

取所制備的無(wú)機(jī)纖維5 kg，經(jīng)清潔處理后加入活性劑硅丙乳液，硅丙乳液活性劑起到增強(qiáng)無(wú)機(jī)纖維表面韌性的作用，在成型溫度為300 ℃條件下，經(jīng)1.5 h成型，制得煤矸石纖維保溫板.本試驗(yàn)獲得的纖維保溫板的密度、導(dǎo)熱值等指標(biāo)均較理想.產(chǎn)品送往上海市建筑材料及構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求.因此，利用煤矸石制備礦物無(wú)機(jī)纖維并應(yīng)用于制造建筑保溫材料，是實(shí)現(xiàn)其綜合利用的有效途徑.

3 結(jié) 論

(1)煤矸石不能在電爐中單獨(dú)冶煉制造無(wú)機(jī)礦物纖維，需添加一定的輔助材料進(jìn)行渣型調(diào)整.

(2)在添加20%石灰和25%的鐵精粉調(diào)整渣型，以及添加20%石灰和100%的鎳紅土礦調(diào)整渣型的條件下，用煤矸石均可制備出無(wú)機(jī)纖維.

(3)將煤矸石制備出的礦物纖維用于制造保溫材料，其保溫性能指標(biāo)較理想，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求.

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