綜合利用煤矸石制備發(fā)泡陶瓷板材技術(shù)的研究

楊國輝

一、研究背景及意義

眾所周知，礦產(chǎn)資源開發(fā)在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著極其重要的作用，伴隨著煤炭資源的開發(fā)與利用，引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，其中煤矸石就是一種重要的污染源。人類正遭受著煤矸石堆放、自燃等所帶來的空氣、水體以及土壤污染等問題。盡管煤矸石的綜合利用已經(jīng)引起我國政府相關(guān)部門和學(xué)者的關(guān)注，遺憾的是其綜合利用率與要求還相差甚遠(yuǎn)。加快煤矸石的應(yīng)用研究，對(duì)促進(jìn)我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)具有重要的意義[1] 。

發(fā)泡陶瓷為閉孔型多孔陶瓷材料，即氣孔四周存在固體壁面。歐洲、日本、美國有大量的閉孔陶瓷專利和文獻(xiàn)出現(xiàn)[2-3]，國內(nèi)針對(duì)這一領(lǐng)域也有相應(yīng)研究。高孔隙的發(fā)泡陶瓷，導(dǎo)熱系數(shù)低，阻燃、耐久以及隔音性能好，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、建筑等領(lǐng)域[4] ，還具有隔熱保溫、輕質(zhì)、高強(qiáng)、可加工性好，施工方便等優(yōu)點(diǎn)。

冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司開采歷史悠久，煤矸石堆存量也十分巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，峰峰集團(tuán)目前煤矸石堆存量達(dá)到4000萬噸以上，隨著煤炭的生產(chǎn)，每年新增煤矸石約300萬噸。因此在分析煤矸石化學(xué)成分組成特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及已有研究成果，通過深入試驗(yàn)研究，在利用峰峰集團(tuán)煤矸石制備發(fā)泡陶瓷技術(shù)方面取得突破，是公司循環(huán)經(jīng)濟(jì)延伸的有力探索。

二、煤矸石發(fā)泡陶瓷配比方案設(shè)計(jì)

燒成發(fā)泡陶瓷時(shí)，坯料中玻璃質(zhì)原料熔融產(chǎn)生大量液相的溫度區(qū)間需與發(fā)泡劑產(chǎn)生氣體的溫度區(qū)間相協(xié)調(diào)，同時(shí)液相粘度與放氣速率相匹配，燒成后發(fā)泡陶瓷性能又能滿足要求，故配方的設(shè)計(jì)需要遵循一定化學(xué)組成原則。其中Al2O3含量的增加不僅提高液相粘度和液相表面張力，而且促進(jìn)晶相的產(chǎn)生，一方面，利于氣泡的穩(wěn)定，提高材料力學(xué)性能，另一方面，氣泡核難以形成和長大，同時(shí)又提高燒成溫度，故其不宜過高;SiO2含量的增加，液相可獲得較高的粘度和較低的表面張力，利于燒制孔徑均勻且細(xì)小的發(fā)泡陶瓷，但提高燒成溫度，所以其含量不宜過高;Na2O和K2O雖具有優(yōu)良的助熔作用，促進(jìn)玻璃相的生成，但不利于析晶，影響材料力學(xué)性能。

本次以峰峰集團(tuán)煤矸石為主要原料，結(jié)合其他單位研究成果及生產(chǎn)實(shí)際，適當(dāng)添加石英砂、鈉長石、拋光泥、發(fā)泡劑、助熔劑、穩(wěn)泡劑及其他輔助材料。

由于峰峰集團(tuán)煤田面積比較大，煤種較多，各生產(chǎn)礦井所產(chǎn)生的煤矸石在化學(xué)成分上也有所不同。通過現(xiàn)場取樣進(jìn)行化學(xué)分析，最終選擇五礦自燃紅矸石作為本次研究的原料。其化學(xué)成分見表1。

石英砂和鈉長石選擇當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的SiO2含量>97%的石英砂和Na2O含量8%左右的鈉長石，拋光泥為當(dāng)?shù)卮纱u生產(chǎn)企業(yè)廢料，發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑及其他輔料來自北京。

根據(jù)相關(guān)研究并結(jié)合其他單位生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)各種原料成分分析檢測的基礎(chǔ)上，確定配比設(shè)計(jì)方案為：

煤矸石70～85%，石英砂10～40%，鈉長石10～40%，拋光泥0～15%，助融劑0～5%，發(fā)泡劑1～10%，穩(wěn)泡劑0～3%，其他輔助材料0～2%。

三、試驗(yàn)工藝選擇

試驗(yàn)采用粉末坯體發(fā)泡工藝制備發(fā)泡陶瓷，具體工藝步驟如下：

原料準(zhǔn)備：將塊狀煤矸石粉碎后干燥至恒重。

發(fā)泡陶瓷坯料制備：按上述確定的發(fā)泡陶瓷設(shè)計(jì)方案進(jìn)行配比，準(zhǔn)確稱重各原料，并置于試驗(yàn)用球磨機(jī)中混合粉磨制備。

發(fā)泡陶瓷燒成：將制得的粉料直接置于鋪有氧化鋁纖維紙的拼接式耐火模具中，按一定升溫制度完成燒結(jié)過程，然后隨爐冷卻。

成品加工及性能測試。

在試驗(yàn)過程積累不同配比情況下燒成溫度曲線，為生產(chǎn)線放大試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

四、試驗(yàn)過程及分析

在確定的配比設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室共設(shè)計(jì)9組配比，燒成溫度設(shè)定為1140℃～1160℃，產(chǎn)品密度設(shè)定為400～500kg/m3。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

1#：燒成溫度為1160℃，所制試樣發(fā)泡程度略大，試樣切割斷面觀察，其表層呈棕黃色，發(fā)泡不均勻。

2#：燒成溫度為1140℃，所制試樣表面呈鐵紅色，表皮有裂縫，切割斷面氣孔不均勻。

3#：燒成溫度為1150℃，所制試樣表面呈棕紅色，表皮無裂縫，切割斷面有黑心，上層發(fā)泡較大且不均勻，下層基本沒有發(fā)泡。

4#：燒成溫度為1140℃，所制試樣表觀較好，切割斷面氣孔較小，且基本均勻。

5#：燒成溫度為1150℃，所制試樣發(fā)泡到設(shè)計(jì)厚度，表面中間有較大裂紋。

6#：燒成溫度為1140℃，所制試樣發(fā)泡均勻，效果較佳。

7#：燒成溫度為1150℃，所制試樣表觀接近1#試樣，切割斷面氣泡不均勻。

8#：燒成溫度為1150℃，所制試樣效果不佳。

9#：燒成溫度為1155℃，所制試樣效果尚可，表皮無裂縫，切割斷面發(fā)泡較均勻;

通過對(duì)比分析，確定按4#、6#、9#配比繼續(xù)進(jìn)行重復(fù)再現(xiàn)性試驗(yàn)，4#配比燒成溫度設(shè)定為1140℃和1155℃，試驗(yàn)在1140℃時(shí)再現(xiàn)性較好;6#配比燒成溫度設(shè)定為1140℃，試驗(yàn)再現(xiàn)性較好;9#配比試驗(yàn)再現(xiàn)性差。故分別選取4#、6#在生產(chǎn)線進(jìn)行放大性試生產(chǎn)。

考慮到生產(chǎn)線設(shè)備溫度損失，將燒成溫度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，分別設(shè)定為1170℃、1175℃、1180℃，發(fā)泡厚度設(shè)定為80mm。為了節(jié)省能耗，兩個(gè)配比物料在不同溫度下交叉進(jìn)行試驗(yàn)。

通過對(duì)所生產(chǎn)試樣進(jìn)行對(duì)比，4#配比在1170℃時(shí)，樣品表觀及斷面均能達(dá)到要求，試驗(yàn)室檢測產(chǎn)品密度為450kg/m3，吸水率為0.2%，抗壓強(qiáng)度為7.9MPa，燃燒性能為A1級(jí)，抗沖擊性能、抗彎承載、軟化系數(shù)、干燥收縮值、吊掛力、抗凍性等性能均能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。4#配方配比見表2。

五、結(jié)論

通過一系列的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1、峰峰集團(tuán)煤矸石能夠作為主要原料制備發(fā)泡陶瓷新型建材產(chǎn)品，添加量達(dá)到75%，為峰峰集團(tuán)煤矸石綜合利用拓寬了途徑。

2、發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)過程中，配比方案和生產(chǎn)工藝控制同等重要。在實(shí)際生產(chǎn)操作過程中除了物料合理配比外，一定要遵守嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉大年.煤矸石的綜合利用.序（一）

[2] 張留生，邱永斌 ?高溫發(fā)泡陶瓷及其應(yīng)用[J].保溫材料與建筑節(jié)能，2005（5）：58-59

[3] 焦萬方，朱廣燕.發(fā)泡陶瓷的研究進(jìn)展[J].陶瓷，2007（8）：09-11

（作者單位：冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司電業(yè)分公司）