煤矸石制備多孔發(fā)泡陶瓷基多孔自保溫砌塊的研究

馮榮 王琨 孟凡然 成龍勝 楊尚權

摘 要：本文以煤矸石等作為主要原料，通過超微細化、發(fā)泡控制、溫度場調(diào)控、多層燒成的技術手段，低能耗、低成本制備發(fā)泡陶瓷建筑墻體材料，實現(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（導熱系數(shù)≤0.10W/m·℃）和力學性能（抗壓強度≥4.2MPa）的新型綠色自保溫墻體材料，具有非常顯著的經(jīng)濟社會效益。

關鍵詞：煤矸石;多孔發(fā)泡陶瓷;煤基固廢;多層燒成

1 前 言

發(fā)泡陶瓷是一種具有輕質(zhì)高強、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)過高溫燒結(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。然而作為應用于建筑保溫阻燃領域的閉孔發(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%），通過超微細化、發(fā)泡控制、溫度場調(diào)控、多層燒成等技術手段，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用是氣候條件相近發(fā)達國家的2～3倍，因此建筑節(jié)能意義重大。

2 實 驗

2.1 實驗原材料

實驗以煤矸石為主要原料，輔助添加廢瓷粉，外摻加以Fe2O3、CaO、MgO復合而成的助熔劑、以硫酸鹽、碳酸鹽、SiC復合而成的發(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%。文獻表明，發(fā)泡陶瓷適宜化學成分組成見表1。

2.1.1 煤矸石

實驗所用煤矸石來自山西省，其化學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#號煤矸石其它化學成分均相近。

2.1.2 廢瓷粉、廢玻璃粉

實驗所用的廢瓷粉、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)泡機理關鍵在于發(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進行破碎，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)，這樣進入干法球磨機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顆粒間的靜電團聚，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，不可強迫壓實，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成分組成（表2）及發(fā)泡陶瓷適宜化學成分組成（表1），經(jīng)計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，便預留了窯頭窯尾通風孔，窯爐兩側(cè)的通風口，大孔主要用于通風，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)和抗壓強度影響顯著，且發(fā)泡過程是一個循序漸進的過程，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，厚度達到300mm以上，而多孔陶瓷導熱系數(shù)低、傳熱慢，冷卻過程中要控制得當，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

原料入磨細度：≤10mm;

粉料和球的比例：料：球=1：2.5;

球磨時間：4h;

粉料細度：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

抗壓強度：≥4.2MPa;

體積密度：≤0.5g/cm3;

導熱系數(shù)：≤0.10W/m·℃;

吸水率：≤5%。

3 實驗結(jié)果

本實驗針對煤矸石的特點，結(jié)合山西省煤矸石大量積存的現(xiàn)狀，研究開發(fā)了獨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，實現(xiàn)煤矸石中殘余碳快速燃盡，消除碳對高溫燒結(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。

本實驗實現(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（導熱系數(shù)≤0.10W/m·℃）和力學性能（抗壓強度≥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驗取得了良好的效果，通過超微細化，發(fā)泡控制、溫度場調(diào)控、多層燒成的技術手段，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;引導山西省陶瓷產(chǎn)業(yè)進行產(chǎn)品創(chuàng)新、技術創(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)濟效益等諸多方面都具有積極意義。

參考文獻

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