電瓷廢料的加工及資源化利用現(xiàn)狀

陳麗芳，陳剛

（1.萍鄉(xiāng)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院， 萍鄉(xiāng) 337055；2.萍鄉(xiāng)市阿爾泰電瓷有限公司， 萍鄉(xiāng) 337244）

1 引言

電瓷是電工陶瓷的簡稱，也稱為瓷絕緣子，是絕緣子中的一種，在電力輸送系統(tǒng)中主要起電氣絕緣和支撐導(dǎo)線的作用，廣泛的應(yīng)用在輸變電線路中[1]。電瓷根據(jù)其使用的電壓等級分為低電壓電瓷（交流1000V 及以下，直流1500V 及以下）和高電壓電瓷（交流1000V 以上，直流1500V 以上），其中高壓電瓷中又有超高壓（交流330kV 和500kV，直流500kV）和特高壓（交流750kV 和1000kV，直流800kV）之分；根據(jù)電瓷材料的組成分為硅質(zhì)瓷和鋁質(zhì)瓷，其中鋁質(zhì)瓷可分為普通鋁質(zhì)瓷和高強度鋁質(zhì)瓷[1-2]。

近年來，我國電力行業(yè)不斷發(fā)展，電瓷仍然是最廣泛使用的絕緣子，隨著電瓷行業(yè)產(chǎn)量的增加，產(chǎn)生的電瓷廢料也會增加，為了實現(xiàn)電瓷行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，將電瓷廢料資源化利用有著重要意義。

2 電瓷廢料

電瓷廢料是電瓷制品經(jīng)高溫?zé)珊笏a(chǎn)生的不合格品以及在儲存、搬運等生產(chǎn)工序中的損壞而造成的廢品[3]，高溫?zé)珊蟮牟缓细衿分饕谴审w開裂、過燒或欠燒、釉面質(zhì)量不合格、力學(xué)性能檢驗以及電氣性能檢驗不達標(biāo)等，在實際生產(chǎn)過程中雖然會通過控制生產(chǎn)工藝參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程來控制產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品良率，但是生產(chǎn)制造過程中出現(xiàn)不合格并需要報廢的產(chǎn)品是無法避免的，因此將電瓷廢料作為原料用于其他產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，這樣既能產(chǎn)生社會效益和經(jīng)濟效應(yīng)，在能夠大量處理電瓷廢料的同時又可以為其他產(chǎn)品生產(chǎn)提供一種新的原料或者材料，從而實現(xiàn)電瓷廢料的資源化利用并發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟創(chuàng)造經(jīng)濟價值。

2.1 電瓷廢料的加工方式

電瓷廢料和大多數(shù)陶瓷一樣是一種硬度較高的材料，但是其抗沖擊能力較差，是種脆性材料，因此通常采用物理機械方法進行破碎，電瓷廢料制備成粉料的主要方法是先將電瓷廢料用顎式破碎機進行粗碎，再用錘式破碎機細(xì)碎，之后用雷蒙磨粗磨，將得到的粉末通過分篩機進行分級，根據(jù)需求選擇100 目、200 目、250 目、300 目或320 目篩網(wǎng)分級，然后除鐵，得到的粉末稱為廢電瓷粉末或者簡稱瓷粉[4]，所制備的瓷粉可作為其他產(chǎn)品生產(chǎn)制造的原料使用。

圖1（a）和（b）分別是普通電瓷廢料和高強電瓷廢料破碎后所得到的粉末掃描電鏡（SEM）形貌照片，同時通過激光粒度法測試出粉末顆粒的粒度D50（中位徑）分別為28μm 和40μm，從圖中可以看出破碎后的電瓷粉末形狀以多角形顆粒狀為主，少量呈現(xiàn)條狀和片狀，高強電瓷廢料由于強度高，破碎難度也更高，在相似破碎條件下，其粉末顆粒粒度也較大些。

圖1 電瓷廢料破碎后的SEM 形貌

2.2 廢電瓷粉的化學(xué)組成

電瓷是由坯體在其表面施釉后進行高溫?zé)啥纬?，因此電瓷廢料的主要化學(xué)成分是由坯料和釉料的成分共同組成。電瓷坯料的主要組成是黏土、熔劑原料（如長石）、石英、高鋁原料或其他礦物原料，由于電瓷坯料中的部分石英和長石類原料等燒成后形成玻璃相，在長期運行后電瓷的強度下降較快，在坯料中提高Al2O3的含量可以引入剛玉晶體，有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，通常電瓷的使用電壓越高鋁含量就越高[1]；電瓷釉料的主要成分一般以長石、石英、滑石和高嶺土等各種礦物原料及化工原料組成，電瓷廢料破碎后，釉料中的二氧化硅等礦物含量會影響電瓷廢料的化學(xué)組成，并且釉料中的組成成分以低熔點物質(zhì)為主。表1 為低壓電瓷和高壓電瓷廢料的主要化學(xué)組成，從表中可以看出，低壓電瓷和高壓電瓷的化學(xué)組成差異較大，尤其是的SiO2和Al2O3的含量，因此在使用電瓷廢料作為生產(chǎn)制造的原料使用時，按照化學(xué)成分需求進行選擇。

表1 電瓷廢料的化學(xué)組成（wt/%)

電瓷廢料雖是電瓷原料經(jīng)過高溫?zé)桑姶蔁蓽囟确秶话闶?150~1350℃）后經(jīng)一定原因造成的廢料，但其在高溫?zé)蓵r仍然發(fā)生了一系列的物理化學(xué)變化，形成的物相有莫來石、石英、方石英、剛玉和玻璃相等[4]，其物相中的莫來石、方石英和剛玉均具有較高的強度、硬度、耐磨性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

2.3 電瓷廢料的工藝性能

電瓷廢料加工成粉末后，硬度高且不具有可塑性，是一種瘠性原料。廢瓷粉作為某些生產(chǎn)制造的原料時，可以調(diào)整配方的可塑性，降低燒成收縮率，但是當(dāng)大量使用造成產(chǎn)品成形性變差甚至是坯體開裂時，考慮添加可塑性原料或者成形劑來改善產(chǎn)品成型性和工藝性能。當(dāng)廢瓷粉用在坯料或者釉料中，考慮到其小于2μm 顆粒很少，漿料的懸浮性和穩(wěn)定性會變差，需配以高可塑性的原料來改善其性能[7-11]。

3 電瓷廢料的資源化利用現(xiàn)狀

3.1 電瓷廢料在電瓷生產(chǎn)中的再利用

3.1.1 電瓷廢料用于電瓷釉料中

電瓷廢料磨成粉末后，作為瓷粉添加到釉料中，可以取代釉料中部分長石、石英及高嶺土的用量[12]，可應(yīng)用于電瓷釉料配方中，將電瓷廢料用于電瓷生產(chǎn)中的再利用是已經(jīng)非常成熟的技術(shù)，某些電瓷廠瓷粉在電瓷釉料的添加量可以達到了5~30%[13]，添加的廢瓷粉在燒成過程中有利于形成較厚的坯釉中間層，提高坯釉適用性，且由于廢瓷粉是經(jīng)過高溫?zé)珊蟮脑?，其化學(xué)活性明顯降低，作為釉料組分，提高了釉料的始熔溫度和擴大了燒成溫度范圍，有利于燒成過程中形成的氣體排出，從而釉面針孔及釉泡數(shù)量能夠明顯減少[12]，達到改善釉面質(zhì)量的作用。

3.1.2 電瓷廢料用于電瓷坯料中

廢瓷的化學(xué)成分和電瓷坯料的化學(xué)成分相近，且廢瓷是經(jīng)過高溫?zé)?，因此添加到坯料中后在燒成工序中不會再分解產(chǎn)生氣體，可改善釉面質(zhì)量[9]，且廢瓷粉在電瓷坯料中起骨架作用，廢瓷中由于含有一定的釉料成分，燒結(jié)溫度比同類坯料低，會降低產(chǎn)品燒成溫度，從而降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。李玉平[4]等將廢棄高鋁電瓷加工成瓷粉，并將其替代高鋁電瓷中的部分鋁礬土，用于電瓷坯料的配方中，得到了工藝性能及瓷性能和原配方接近甚至是更好的新配方，其實驗中添加的瓷粉用量達到了20%。

3.2 電瓷廢料用于生產(chǎn)耐火材料

耐火材料是耐火度不低于1580℃的材料，一般是指由無機非金屬材料構(gòu)成的材料和制品[14]，是高溫技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料，其中應(yīng)用最為普遍的是在各種熱工設(shè)備和高溫容器中，作為抗高溫作用的結(jié)構(gòu)材料和內(nèi)襯，從表1 中看出電瓷廢料主要化學(xué)成分是SiO2和Al2O3，由于經(jīng)過高溫?zé)?，有較高的強度和耐火度，可作為骨料用于耐火材料中[15]。

3.2.1 生產(chǎn)不定形耐火材料

薛海濤等[2]用廢瓷制備不定形耐火材料，包括用電瓷廢料制備耐熱混凝土和高爐基建用噴涂料，在這兩種不定形耐火材料中普通鋁質(zhì)電瓷廢料和高強度鋁質(zhì)電瓷廢料的添加量分別達到了60%和50%，同時所制備出來試塊的理化性能指標(biāo)能夠達到實際工況的使用要求，該方法可節(jié)約大量的礦生耐火材料資源。

3.2.2 生產(chǎn)定形耐火材料（耐火磚）

汪雷等[16]用廢高壓電瓷和黏土為主要原料，鋸末為造孔劑，添加一定量的結(jié)合劑和水，混合均勻后困料、成形，在1400℃燒成，制備出成本低廉的莫來石輕質(zhì)磚。呂振飛等[17]用廢電瓷、鋁礬土熟料細(xì)粉和黏土為原料，以不同硅溶膠結(jié)合劑制備免燒成廢電瓷基耐高溫材料，可用于1100~1300℃的耐高溫材料。

3.3 電瓷廢料在混凝土和水泥中的應(yīng)用

由于陶瓷廢料的物理化學(xué)性質(zhì)與普通混凝土中的骨料相似，同時陶瓷廢料粉磨后具有火山灰質(zhì)混合材料的特性[18]，電瓷廢料是陶瓷廢料中的一種，因此將電瓷廢料破碎后可用做混凝土的骨料[19-20]，粉磨后也可做水泥砂漿的摻和料[21-22]。

3.3.1 電瓷廢料用于混凝土材料中

Campos M A 等[19]將電瓷廢料替代混凝土中的細(xì)骨料（沙子），原料配比是水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水∶添加劑=1∶2∶3∶0.4∶0.0064，采用了電瓷廢料替代細(xì)骨料的比例分別為0%、25%、50%、75%、100%，實驗表明電瓷廢料替代細(xì)骨料沒有影響混凝土的坍落度；當(dāng)樣品在365天后測試抗壓強度，電瓷廢料100%替換混凝土的抗壓強度提高了53%；由于電瓷廢料有更細(xì)的顆粒尺寸和相似的顆粒形貌，電瓷廢料替代普通細(xì)骨料具有更好的徑向壓縮抗拉強度，提高率達到了60%左右。將電瓷廢料作為骨料加入到混凝土中，可以減少城市建筑常用骨料的使用，不僅起到節(jié)約資源的作用，還能創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

3.3.2 電瓷廢料用于水泥砂漿中

Hong-seok Jang 等[21]將研磨后不同粒徑的電瓷廢料粉末加入到水泥基砂漿中，研究了電瓷廢料粉末的粒度和含量對其性能的影響，研磨后的電瓷廢料粒度分別是16μm 和9μm，在水泥中電瓷廢料的添加量分別為0%、3%、5%、10%，配方的混合料中水∶水泥=0.5，水泥∶沙子=1∶2.45，實驗表明添加9μm 電瓷廢料粉末的水泥砂漿和易性比添加16μm 的有所降低；添加5%電瓷廢料的水泥砂漿有最好的抗壓強度；在普通硅酸鹽水泥中加入電瓷廢料粉末可以有效地降低堿硅酸反應(yīng)的體積膨大。

3.4 電瓷廢料用于制備多孔陶瓷

用工業(yè)廢料制備多孔陶瓷，在陶瓷廢料的資源化利用中已經(jīng)開展了很多研究及應(yīng)用，現(xiàn)在也有將電瓷廢料用于制備多孔陶瓷方面的研究[23-28]，張武日[28]采用發(fā)泡法制備廢瓷多孔陶瓷，以廢電瓷粉、鋁礬土、黏土為原料，添加硅溶膠為結(jié)合劑，聚乙烯醇為穩(wěn)泡劑，十六烷基三甲基溴化銨作為發(fā)泡劑，經(jīng)高溫?zé)珊蟮玫綇U電瓷基多孔耐高溫材料，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔隙率高、耐熱等優(yōu)越性能。張東亮等[29]利用球磨后電瓷廢料粉體為主要原料研制透水磚，85%電瓷廢料為主要原料，2%十二烷基磺酸鈉為造孔劑，5%氧化鈣為燒結(jié)助劑，8%高嶺土為結(jié)合劑混合，水料比0.9，濕磨4h 發(fā)泡得到漿料，再注漿成型干燥得到透水磚坯體，經(jīng)過高溫?zé)傻玫酵杆u。徐娜娜[5]將高壓電瓷廢料制備莫來石輕質(zhì)隔熱磚，以達到回收利用電瓷廢料的同時降低輕質(zhì)耐火材料制備成本的目的。

3.5 電瓷廢料的其他用途

為了拓寬電瓷廢料的更廣泛使用并開發(fā)其優(yōu)越性能，國內(nèi)科研工作者們已經(jīng)開展了電瓷廢料的其他用途的研究，如利用電瓷廢料制備陶粒支撐劑[6][30]，原位合成莫來石陶瓷[25]，制備復(fù)合相變儲熱材料[28]，制備輕質(zhì)骨料[18]等，使電瓷廢料得到進一步的開發(fā)利用。

4 電瓷資源化利用的問題及發(fā)展方向

目前電瓷廢料的資源化利用方面取得了一定成績，在電瓷產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)域已經(jīng)有專業(yè)的相關(guān)企業(yè)進行電瓷廢料回收并加工成原料，但是在技術(shù)和應(yīng)用方面仍然存在一些困難和問題，綜合考慮目前電瓷廢料的利用現(xiàn)狀，可從以下幾個方面開展研究：

4.1 電瓷廢料的成分和性能

電瓷由于其瓷體主要成分、釉面成分、產(chǎn)品規(guī)格尺寸等有差異，不同型號電瓷產(chǎn)品造成加工出來的電瓷廢料有一定或較大的成分波動，目前電瓷廢料的回收價格主要是取決于其氧化鋁含量，因此在使用電瓷廢料前需對其成分和性能進行深入了解，為電瓷廢料的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

4.2 電瓷廢料的釉層屏蔽技術(shù)

由于電瓷表面覆蓋的釉層熔融溫度較其坯體更低，將電瓷廢料破碎后再利用高溫?zé)蓵r，其低熔點組分容易發(fā)生液相遷移，降低燒成溫度和劣化其高溫性能，因此電瓷廢料中的低熔點組成限制了其回收利用[17]，通過改良配方如添加高熔點超細(xì)微粉，對電瓷廢料中低熔點組分的進行屏蔽，實現(xiàn)電瓷廢料向高溫材料的應(yīng)用[2]。

4.3 電瓷廢料的加工設(shè)備

電瓷廢料的加工方式一般是粗碎→（中碎）→細(xì)碎→粉磨→篩分→除鐵，然后球磨加工成可用粉料，將電瓷廢料加工成粒度分布窄的大顆?；蛑苽涑?xì)粉體直接用于生產(chǎn)產(chǎn)品鮮有涉及，因此可開發(fā)專用于電瓷廢料的磨粉工藝和設(shè)備，拓寬電瓷廢料的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.4 開發(fā)電瓷廢料的應(yīng)用領(lǐng)域

目前電瓷廢料的主要應(yīng)用領(lǐng)域是在電瓷生產(chǎn)中的再利用和耐火材料中的應(yīng)用，而在耐火材料中應(yīng)用的主要是中低溫耐火材料，因此開發(fā)電瓷廢料的新應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)電瓷廢料高附加值利用將是電瓷廢料綜合利用的一個發(fā)展方向。

4.5 制定相應(yīng)的支持政策

隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，政府相關(guān)部門對電瓷廢料回收再利用的廠家實行一定的優(yōu)惠政策，鼓勵其利用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)區(qū)的電瓷廢料進行第二次開發(fā)，調(diào)動社會資源對環(huán)境保護及資源再利用的積極性，如在2019年3 月，萍鄉(xiāng)市蘆溪縣出臺了《關(guān)于加快電瓷產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展的十條政策》，在政策的第(三十一)條，明確了對年綜合利用電瓷廢棄物10000 噸以上、5000 噸以上的企業(yè)給予10 萬元、5 萬元的獎勵，該政策鼓勵了當(dāng)?shù)仉姶蓮U料回收企業(yè)加入到“變廢為寶”的行動中。同時相關(guān)部門可再采取一定的鼓勵措施和優(yōu)惠政策，鼓勵利用電瓷廢料作為原料大量生產(chǎn)再生產(chǎn)品。

5 結(jié)語

我國是電瓷生產(chǎn)大國，電瓷廢料的循環(huán)再利用具有重大的經(jīng)濟和社會效益，國內(nèi)電瓷廢料的回收利用開始做到了工業(yè)化應(yīng)用并取得了一些成績，但是電瓷廢料的化學(xué)成分差異大，同時受加工工藝技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的限制，若能夠從政策支持、技術(shù)合作、產(chǎn)品開發(fā)、人才投入等開展，對電瓷產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。