利用拋光廢渣生產(chǎn)新型防火保溫建筑材料的研究

吳學(xué)坤

摘 要：以拋光廢渣為主要原料生產(chǎn)一種新型防火保溫建筑材料——發(fā)泡陶瓷材料，配方組分均為固體廢棄物，通過物料配方的優(yōu)化和產(chǎn)品燒成工藝等關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化，極大程度地降低了發(fā)泡陶瓷建材的制造成本，也提高該產(chǎn)業(yè)利用固體廢棄物的處理能力。同時，科學(xué)設(shè)計窯爐退火工藝，提高其換熱效率，降低生產(chǎn)能源損耗。

關(guān)鍵詞：拋光廢渣；綠色建材；防火保溫建筑材料；發(fā)泡陶瓷

1 前 言

建筑瓷磚行業(yè)排放的拋光廢渣，屬于粉體狀態(tài)，其粒度在1～30μm，堆積排放過程中極易在大氣環(huán)境中擴(kuò)散，對大氣PM10和PM2.5指標(biāo)有極嚴(yán)重的影響，而且其化學(xué)組成十分復(fù)雜，既含有陶瓷類的無機(jī)粉體物料，還含有大量的有機(jī)物質(zhì)，使得這類工業(yè)廢渣的綜合利用非常困難，由于成分中瘠性組分較多，既不能作為橡膠、塑料等有機(jī)產(chǎn)品的填料使用，也不適合作為陶瓷、冶金等行業(yè)的配合料使用。如何大規(guī)模的將這類工業(yè)廢料資源化利用來研制相關(guān)產(chǎn)品，已成為陶瓷產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展過程中的一大難題。

2發(fā)泡陶瓷材料的優(yōu)勢分析

我國自2000年以后陸續(xù)推出建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，并要求各省逐步推行建筑節(jié)能。建筑外墻保溫材料以苯板、擠塑板、酚醛板、聚氨酯等有機(jī)保溫材料為主，這些有機(jī)保溫材料易燃，安全隱患大。2009年，國家相繼推出建筑外墻保溫材料防火規(guī)定，要求高層建筑和人員密集型場所外墻必須使用防火保溫材料。巖棉板、發(fā)泡水泥和珍珠巖板等常規(guī)無機(jī)保溫材料防火性能較好，但強(qiáng)度低，不抗凍，無法適應(yīng)東北地區(qū)惡劣氣候條件要求，存在脫落隱患。近幾年，建筑外墻保溫層脫落砸人、砸車事故屢有發(fā)生。

發(fā)泡陶瓷材料具有防火、抗凍、耐老化等特性，是新型防火建筑外墻保溫材料中唯一的抗凍材料，成功經(jīng)受住了多年嚴(yán)酷氣候條件檢驗，被譽為東北地區(qū)與建筑物同壽命的外墻保溫材料。

與建筑保溫領(lǐng)域相比，發(fā)泡陶瓷作為墻體材料使用則更具革命性。傳統(tǒng)的墻材，如GRC條板、硅酸鈣復(fù)合墻、水泥空心墻等因含水或具有吸水性，墻材性能在使用過程中會逐漸衰減。而發(fā)泡陶瓷墻材是經(jīng)1200℃高溫?zé)贫?，材料性能不會衰減，且具有良好的機(jī)械加工性能，是唯一一種能夠滿足裝配式建筑加工塑形要求的墻體材料。本文重點根據(jù)拋光廢渣原料特性，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)時將原料處理工藝由“干法”轉(zhuǎn)為“濕法球磨噴霧造粒”，以提高配方物料穩(wěn)定性，以及優(yōu)化產(chǎn)品燒成工藝制度，確保在窯爐內(nèi)寬達(dá)4.2m隧道窯爐中獲得發(fā)泡良好、性能穩(wěn)定的發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品進(jìn)行研究。通過技術(shù)創(chuàng)新，采用拋光廢渣及相關(guān)工業(yè)助劑為原料，使得拋光廢渣摻量高達(dá)80%～90%。

3產(chǎn)品工藝流程和技術(shù)特點

新型發(fā)泡陶瓷防火保溫建材生產(chǎn)工藝流程簡述：拋光磚生產(chǎn)企業(yè)排放的拋光廢渣和各類輔助原料在原料堆放場暫存后，將工業(yè)廢渣連同其他輔助原料以一定比例稱量后在原料處理車間分別進(jìn)行球磨、噴霧造粒處理，然后將處理后的配方物料輸送至裝模平臺進(jìn)行布料工序，完成裝模后將窯車依次進(jìn)入隧道窯中進(jìn)行1200～1250℃高溫?zé)桑?jīng)過退火工序后將毛坯產(chǎn)品送入機(jī)加工車間進(jìn)行打磨、切割處理，機(jī)加工后的產(chǎn)品經(jīng)質(zhì)檢、包裝后入成品庫貯存待售，設(shè)置質(zhì)檢室，對原料及產(chǎn)品進(jìn)行理化檢驗，以保證產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。

新型發(fā)泡陶瓷防火保溫建材的技術(shù)特點主要有：

（1）材料導(dǎo)熱系數(shù)低，內(nèi)部為閉孔結(jié)構(gòu)，無熱橋?？赏ㄟ^調(diào)整材料使用厚度滿足我國不同地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）尺寸設(shè)計合理，符合現(xiàn)行建筑模數(shù)，可以單獨砌筑成墻，解決了建筑保溫墻體的整體性和耐候性，使墻體保溫系統(tǒng)的使用壽命與建筑物的使用壽命一致。

（3）塊形設(shè)計符合施工習(xí)慣，重量輕，強(qiáng)度高，有效地減輕了勞動強(qiáng)度，提高施工工效。

4關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)及優(yōu)化

4.1物料配方的開發(fā)及優(yōu)化

本文通過技術(shù)創(chuàng)新，采用陶瓷拋光廢渣為主要原料，輔以少量助熔劑、發(fā)泡劑和廉價礦物組分，通過精細(xì)陶瓷的配料手段及高溫?zé)Y(jié)工藝，使廢渣在高溫熔融狀態(tài)下，發(fā)生劇烈的固熔反應(yīng)，晶體空間結(jié)構(gòu)重新搭建，使廢渣完全改變原有物理形體，以元素的身份重新融入到新產(chǎn)品中，可獲得高品質(zhì)發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品，廢渣利用率高達(dá)60%～90%。材料制備過程中可以通過調(diào)整助熔劑、發(fā)泡劑的種類和摻入量，人為控制晶體生長過程，獲得預(yù)期性能的新型防火保溫建材系列產(chǎn)品。

此外，把小試、中試階段原料處理所用的干法處理方式調(diào)整為濕法球磨處理工藝，之后對配方物料料漿進(jìn)行噴霧造粒處理，大大改善配方物料的均一性和穩(wěn)定性。

4.2物料配方穩(wěn)定性的優(yōu)化

物料配方的穩(wěn)定性主要包括同一廠家供應(yīng)拋光廢渣的大生產(chǎn)運行的配方穩(wěn)定性、不同廠家供應(yīng)拋光廢渣原料在大生產(chǎn)運行的配方穩(wěn)定性。對進(jìn)廠每個批次的拋光廢渣均要抽樣做成分分析，根據(jù)各廠家拋光廢渣的成分組成的不同，有針對性的調(diào)整配方中添加發(fā)泡劑、助熔劑的比例，使不同廠家拋光廢渣在同等生產(chǎn)條件下達(dá)到合格產(chǎn)品的性能指標(biāo)，避免生產(chǎn)運行條件因為原料不同而頻繁調(diào)整生產(chǎn)運行參數(shù)，確保生產(chǎn)設(shè)備運行的穩(wěn)定，進(jìn)而保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

4.3產(chǎn)品燒成工藝的開發(fā)及優(yōu)化

本文所用技術(shù)為利用拋光廢渣制備的發(fā)泡陶瓷防火保溫材料，在物料配方確定的基礎(chǔ)上，燒成工藝的控制決定了目標(biāo)產(chǎn)品的性能好壞和成品率的高低。通過合理選取產(chǎn)品在隧道窯爐中的最高燒成溫度、嚴(yán)格控制高溫段保溫時間，使產(chǎn)品的發(fā)泡尺寸大小、孔壁的厚度得到精準(zhǔn)控制，從而得到高閉孔率、氣孔尺寸均勻、容重一致的目標(biāo)產(chǎn)品，可以使產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)控制在0.06 w/（m.k）左右，產(chǎn)品性能指標(biāo)實現(xiàn)穩(wěn)定可控，進(jìn)而保證產(chǎn)品的成品率達(dá)到98%以上的指標(biāo)。

4.3.1發(fā)泡段高溫?zé)蓽囟瓤刂?/p>

發(fā)泡段高溫?zé)蓽囟瓤刂剖顷P(guān)鍵工藝控制點之一，在配方物料穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，燒成溫度的控制直接決定了產(chǎn)品的發(fā)泡性能，燒成溫度的高低和保溫時間的長短決定了產(chǎn)品發(fā)泡的尺寸穩(wěn)定性，溫度過高會造成產(chǎn)品內(nèi)部溢出孔增多甚至形成連通孔，溫度較低會導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)泡尺寸較小、產(chǎn)品的容重增加、導(dǎo)熱系數(shù)過高。

因此，在示范線燒成工藝調(diào)整前期，對燒成溫度的控制至關(guān)重要，需要根據(jù)燒成后制品的情況及時調(diào)整發(fā)泡段燒成曲線，使試制產(chǎn)品的發(fā)泡性能得到穩(wěn)定控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

4.3.2退火段溫度控制

退火段溫度控制直接影響了燒成產(chǎn)品的成品率和力學(xué)性能，物料配方經(jīng)過發(fā)泡段高溫?zé)珊螽a(chǎn)品外觀和內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，退火段的作用是燒成產(chǎn)品逐漸降溫、消除材料內(nèi)部溫度差，從而獲得性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。

退火段降溫速率過快會造成產(chǎn)品表面和內(nèi)部溫度差過大，極易造成制品內(nèi)部產(chǎn)生微裂痕，制品的力學(xué)性能會較差且制品出窯后容易炸裂，導(dǎo)致產(chǎn)品成品率低、增加生產(chǎn)成本；退火段降溫速率過慢會增加能耗、增加生產(chǎn)成本。

通過試驗參數(shù)的積累，本文試制產(chǎn)品的出窯溫度不能高于100℃，在示范線退火段溫度控制中首先要控制出窯溫度達(dá)標(biāo)，然后考察不同退火速率下獲得產(chǎn)品的力學(xué)性能，從而確定最優(yōu)的退火曲線。

4.4產(chǎn)品性能的穩(wěn)定

新型綠色保溫建材性能的穩(wěn)定決定于發(fā)泡尺寸的均勻程度、產(chǎn)品厚度的穩(wěn)定度、產(chǎn)品表觀形態(tài)的均一度。

4.4.1發(fā)泡尺寸的均勻程度

試制產(chǎn)品的發(fā)泡尺寸均勻程度決定于物料配方的穩(wěn)定性、發(fā)泡段高溫?zé)蓽囟鹊目刂?，做好物料配方的?yōu)化改進(jìn)和發(fā)泡段溫度的精準(zhǔn)控制便可獲得發(fā)泡尺寸均勻的產(chǎn)品。

4.4.2產(chǎn)品厚度和表觀形態(tài)的均一度

產(chǎn)品厚度的穩(wěn)定度決定了產(chǎn)品進(jìn)行切割后的成品率，產(chǎn)品厚度穩(wěn)定度越高，產(chǎn)品切割后的廢料就越少，且有利于提高產(chǎn)品切割效率、降低生產(chǎn)成本。產(chǎn)品厚度的穩(wěn)定性同樣決定于物料配方的穩(wěn)定性、發(fā)泡段高溫?zé)蓽囟鹊目刂?，還決定于模具中的布料量穩(wěn)定性，優(yōu)化物料配方、精準(zhǔn)控制發(fā)泡段溫度、嚴(yán)格管控布料量的統(tǒng)一，是獲得穩(wěn)定度高的產(chǎn)品的關(guān)鍵控制點。產(chǎn)品表觀形態(tài)主要受氣孔尺寸均勻程度、有無連通孔、制品顏色影響，須對生產(chǎn)過程中的物料配方、發(fā)泡溫度進(jìn)行合理控制。

4.4.3力學(xué)性能穩(wěn)定性

產(chǎn)品力學(xué)性能的穩(wěn)定性決定于物料配方、燒成工藝的控制，須針對拋光廢渣原料情況進(jìn)行燒成工藝的控制，嚴(yán)格控制退火段溫度，做好這幾個關(guān)鍵點的控制，以獲得力學(xué)性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。

5 創(chuàng)新分析與討論

5.1發(fā)泡陶瓷保溫材料配方創(chuàng)新

本文將拋光廢渣作為主要原料使用，通過采集各地產(chǎn)生的各類固體廢棄物，合理調(diào)配各類固體廢棄物，充分發(fā)揮各自的理化性能特點，有效控制發(fā)泡陶瓷保溫幫在燒成過程中玻璃液相的粘度和表面張力，使產(chǎn)品的發(fā)泡尺寸大小、孔壁的厚度得到精準(zhǔn)控制，從而得到高閉孔率、氣孔尺寸均勻、容重一致的目標(biāo)產(chǎn)品，克服了拋光廢渣由于本身高溫黏度較低、不易發(fā)泡而使其利用率低于30%的技術(shù)瓶頸，通過優(yōu)化配方將拋光廢渣等固體廢棄物的利用率達(dá)到100%，實現(xiàn)發(fā)泡陶瓷配方全部為固體廢棄物的目標(biāo)，并使產(chǎn)品的成品率達(dá)到98%以上。

5.2燒成工藝技術(shù)創(chuàng)新

本文采用陶瓷拋光廢渣為主要原料，輔以特制高溫助熔劑、發(fā)泡劑，通過合理調(diào)控發(fā)泡陶瓷配方及高溫?zé)Y(jié)工藝，使發(fā)泡陶瓷玻璃液相在高溫熔融狀態(tài)下，具有一定的粘度和表面張力，并且玻璃液相隨燒成溫度的變化不發(fā)生顯著變化，進(jìn)而擴(kuò)大發(fā)泡陶瓷的燒成溫度范圍，提高成本率，降低制造成本。

5.3設(shè)備節(jié)能措施創(chuàng)新

根據(jù)輕質(zhì)發(fā)泡陶瓷防火保溫建材生產(chǎn)所用設(shè)備的工藝特性，對燒成工段隧道窯爐的退火工藝進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計，改造退火段換熱裝置，提高了換熱效率，改變了傳統(tǒng)隧道窯爐的冷風(fēng)直接補償進(jìn)窯爐內(nèi)部方式，提高了產(chǎn)品的成品率。

本文通過技術(shù)創(chuàng)新，采用多種工業(yè)廢渣及少量催化劑為原料，通過精細(xì)陶瓷的配料手段及高溫?zé)Y(jié)工藝，使廢渣在高溫熔融狀態(tài)下，發(fā)生劇烈的固熔反應(yīng)，晶體空間結(jié)構(gòu)重新搭建，從而使廢渣完全摒棄原有物理形體，而是以元素的身份，重新融入到新產(chǎn)品中。因此，獲得了高品質(zhì)的產(chǎn)品，廢渣利用率高達(dá)60～90%。材料制備過程中通過人為控制晶體生長過程和熔體發(fā)泡過程，獲得預(yù)期性能的新型防火保溫建材系列產(chǎn)品。

6結(jié)論

發(fā)泡陶瓷建材產(chǎn)品防火、保溫性能優(yōu)異，能夠適應(yīng)東北地區(qū)寒熱交替的惡劣自然環(huán)境，用于建筑外墻保溫領(lǐng)域，能夠解決傳統(tǒng)建筑保溫材料存在的火災(zāi)隱患和使用壽命與建筑使用年限不匹配的問題，有利于推動國家建筑外墻保溫防火及節(jié)能政策的落實。此外，產(chǎn)品的耐腐蝕性能、力學(xué)性能優(yōu)異，非常適合于火力發(fā)電廠濕法脫硫煙囪的煙道防腐工程，也可作為裝配式建筑隔墻材料使用，市場前景廣闊。

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