利用煤矸石制取無機(jī)纖維工藝試驗(yàn)的研究

尹 雪

沈陽有色金屬研究院，遼寧 沈陽 110141

煤矸石是一種在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，是我國目前排放量和累計(jì)存放量最大的工業(yè)混合固體廢棄物之一.全國共有1600 多座煤矸石山，累計(jì)存放量已超過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)生二次污染等問題.

本試驗(yàn)以煤矸石為研究對象，通過添加一定量的添加劑，可制造出無機(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機(jī)礦物纖維，最后對無機(jī)礦物纖維制作的建筑保溫材料產(chǎn)品進(jìn)行測試.冶煉過程中產(chǎn)出的副產(chǎn)品由出鐵口放出并鑄錠，同時(shí)對其成份進(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，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)整及熔煉過程比較困難，致使試驗(yàn)時(shí)間長、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，無法達(dá)到制纖要求.這表明，配加單一的添加劑無法使熔渣達(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 開眼過程熔渣狀態(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.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)場見圖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 無機(jī)纖維制造保溫材料

為進(jìn)一步研究煤矸石制取無機(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)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求.因此，利用煤矸石制備礦物無機(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，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求.

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