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CN106167396B - 一种轻质高强发泡陶瓷的制备方法 - Google Patents

一种轻质高强发泡陶瓷的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质高强发泡陶瓷的制备方法，包括以下步骤：该发泡陶瓷由主料、造孔剂和高温发泡剂组成，按质量份数计，主料为钢渣、富镁铁废渣按24～49份、51～76份的配比组成，然后每100份主料外加造孔剂10～25份和高温发泡剂3～9份；混合均匀，成型，得到坯体；将坯体在高温炉内进行烧结，冷却至室温，得到轻质高强发泡陶瓷。

Description

一种轻质高强发泡陶瓷的制备方法
技术领域
本发明属于无机材料制备技术领域，也属于固体废弃物利用技术领域。涉及一种轻质高强发泡陶瓷的制备方法。
背景技术
钢渣等工业废渣是工业生产过程中产生的固体废弃物，其大量堆积有占用土地，和造成大气、水体环境污染等危害，因此对其的资源化利用是一重要课题。由于钢渣等工业废渣具有活性低的局限，利用率较低，只有少数厂能够利用钢渣作矿渣水泥等，目前的方法均无法实现工业废渣的大规模利用。我国是重工业生产大国和能耗大国，钢渣等工业废渣排放量庞大，研究废渣高效与高附加值的资源化技术，对发展我国循环经济、提高冶金资源的使用效率具有重要的社会意义。
随着生活水平的提高和能源危机的日益突出，高温发泡陶瓷材料因具有密度轻、强度高、导热系数低、不燃烧和抗腐蚀的特性，受到广泛关注。但是一般高温发泡陶瓷材料价格昂贵，应用范围较窄，所以选择一种存量较大、成分稳定的原料并制备强度较高的高温发泡陶瓷材料，具有重要的经济和技术价值。
专利(CN 104744070 A)公开了一种粉煤灰轻质隔热发泡陶瓷保温板，以粉煤灰65～85％为主要原料，加入除尘灰、膨润土等，虽其密度有所降低但抗压强度不高，最佳只有3MPa。专利(CN 104671824 A)公开了一种利用煤矸石制备轻质发泡陶瓷保温材料的方法，掺入高达15％的化工原料和矿物原料，原料成本过高，原料需混合4h以上，能耗大。专利(CN102627469 B)公开了一种轻质高强发泡陶瓷板，以动物蛋白发泡反应时间高达7h，制备周期过长。专利(CN101003433A)公开了一种具有隔热保温功能陶瓷砖及其制备方法，其烧成温度为1120～1250℃，烧成时间12～18h，需消耗大量能源。专利(CN 104557103 A)公开了一种轻质陶瓷板，以玻纤集尘灰为助熔剂，该方法虽提高发泡后的比重较小，但玻纤集尘灰含有50％以上的氟化钠，其挥发后污染大气不利于环境保护。
发明内容
发明目的：针对现有产品密度较大，强度不高，且保温性能较差；原材料来源有限，制作设备多，制作工艺复杂，成本高，耗时耗能，并对环境造成污染等不足之处，本发明以钢渣等工业废渣为主要原料，添加生物质粉为造孔剂和高温发泡剂制备发泡陶瓷。本发明不仅可以获得性能佳的发泡陶瓷，而且解决了工业废渣处理难、发泡陶瓷成本高和制备方法复杂的问题。
技术方案：本发明提供了一种轻质高强发泡陶瓷及其制备方法，包括以下步骤：
1)将钢渣、富镁铁废渣、生物质粉和发泡剂混合，按质量份数计，配比为钢渣24～49份、富镁铁废渣51～76份，外加生物质粉10～25份和发泡剂3～9份；
2)将上述称取好的的原料混合均匀，成型，得到坯体；
3)将坯体在高温炉内进行烧结，冷却至室温，得到轻质高强发泡陶瓷。
具体的，本发明所采用的的钢渣化学成分质量组成为：SiO2为13.56～17.65％、MgO为1.59～8.10％、Fe2O3为9.21～21.59％、Al2O3为3.17～5.16％、CaO为29.47～58.21％和K、Na小于3％。所述的钢渣先用颚式破碎机进行粗破碎，再用行星球磨机磨细，过120目筛，得到粉料。
所述的富镁铁废渣为硫铁矿烧渣、镁渣、硅锰渣或电炉还原渣中的一种或两种以上。其中，硫铁矿烧渣中含：MgO为0.18～4.44％、Fe2O3为38.36～83.55％、SiO2为5.75～24.98％；镁渣中含：MgO为5.19～14.04％、Fe2O3为1.04～5.75％、SiO2为20.05～31.49％；硅锰渣中含：MgO为12.77～21.30％、Fe2O3为0.96～1.20％、SiO2为38.10～40.80％；电炉还原渣中含：MgO为5.39～11.5％、Fe2O3为1.5～5.95％、SiO2为20～25.49％。
作为优选，钢渣、镁渣、硫铁矿烧渣的最佳配比为：钢渣36份，镁渣30份，硫铁矿烧渣34份，外加20份稻壳粉、6份二氧化锰。
所述的生物质粉是稻壳、稻秆、玉米秆、麦秆或棉秆，经清洗、烘干、粉磨后得到。作为优选，稻壳为20份。
所述的高温发泡剂是硬石膏、硫酸钠、二氧化锰或碳化硅中的一种或两种以上混合。
所述的成型为，模压成型、注浆或注模成型。其中，模压成型时，在混合好的坯料中加入占坯料总量3～12％的聚乙烯醇(5wt％)溶液，研磨造粒，过120目筛，最后在6～12MPa下成型。注浆或注模成型时，称取好的的原料加32～35％的水(或其他溶剂)研磨形成浆料；再注入石膏模型，脱水成型，再将坯体于150℃以下干燥。
经研究发现采用模压成型的方式有原料的损失小、产品尺寸精度高，重复性好的特点，与另外两种成型方式相比，制的干坯强度高，制品的收缩率小，机械性能较稳定。因此，优选模压成型，跟进一步的，模压成型时，优选加入8％的聚乙烯醇(5wt％)溶液，施加压力为10MPa；注浆或注模成型时，加33％的水研磨形成浆料。
所述的烧结，是于1300～1600℃保温60～150min。
采用本发明所述方法所制得的轻质高强发泡陶瓷材料体积密度为0.30～0.68g/cm3，抗压强度11.87～22.69MPa，吸水率小于3％。
本发明的一个最佳方案是：将钢渣、镁渣、硫铁矿烧渣按质量比36:30:34称量，与20份稻壳粉、6份二氧化锰混合均匀，加入8％的聚乙烯醇(5wt％)溶液，研磨造粒，过120目筛，得到坯料；将坯料在10MPa下模压成型，得到坯体；将坯体烘干后放入装有氧化铝粉的匣钵内，并将匣钵置于高温炉中，升温至1500℃保温120min，得到轻质高强发泡陶瓷。其中，氧化铝粉可重复使用。
有益效果：(1)采用钢渣和其他各种废渣为原料，农业废弃物为造孔剂，主要原料容易获取，基本来自环境固体废弃物，来源广、成本低；是固体废弃物的有效利用，是变废为宝；降低成本，节能环保，减少污染；
(2)很好地利用原料的特性，如生物质粉中有较高含量的K、Na，工业废渣里含有杂质矿物、玻璃相等，无需额外的助熔剂，就可以完成发泡过程；
(3)本发明的发泡陶瓷为多孔结构，密度小且抗压强度高，且隔热保温效果显著，具有较强的节能环保作用。且强度高使用寿命长，防水性能优异。
具体实施方式：
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
实施例1
原料制备：将稻壳清洗，烘干，粉磨，制备成稻壳粉；钢渣用颚式破碎机和行星球磨机磨细，过120目筛，得到粉料；
混料：将钢渣、镁渣、硫铁矿烧渣按质量比36:30:34称量，20份稻壳粉、6份二氧化锰混合均匀，加入8％聚乙烯醇(5wt％)，研磨造粒，过120目筛，得到坯料；
成型：将坯料在10MPa下模压成型，得到坯体；
烧成：将坯体烘干后放入装有氧化铝粉的匣钵内，并将匣钵置于高温炉中，升温至1500℃保温120min，得到轻质高强发泡陶瓷。
性能测试：测得发泡陶瓷材料的体积密度为0.30g/cm3，其抗压强度为21.15MPa，吸水率为1.16％。
实施例2
原料制备：将玉米秆清洗，烘干，粉磨，制备成玉米秆粉；钢渣用颚式破碎机和行星球磨机磨细，过120目筛，得到粉料；
混料：将钢渣、镁渣、硫铁矿烧渣按质量比49:11:40称量，与25份玉米粉、6份碳化硅和3份硫酸钠混合均匀，加入12％聚乙烯醇(5wt％)溶液，研磨造粒，过120目筛，得到坯料；
成型：将坯料在12MPa下模压成型，得到坯体；
烧成：将坯体烘干后放入装有氧化铝粉的匣钵内，并将匣钵置于高温炉中，升温至1600℃保温150min，得到轻质高强发泡陶瓷。
性能测试：测得发泡陶瓷材料的体积密度为0.68g/cm3，其抗压强度为22.69MPa，吸水率为2.14％。
实施例3
原料制备：将棉秆清洗，烘干，粉磨，制备成棉秆粉；钢渣用颚式破碎机和行星球磨机磨细，过120目筛，得到粉料；
混料：将钢渣、硫铁矿烧渣、硅锰渣按质量比24:41:35称量，另称量10份棉秆粉、3份硬石膏，加32％的水研磨形成浆料；
成型：将浆料注入石膏模型，脱水成型，再将坯体于150℃以下干燥。
烧成：将坯体烘干后放入装有氧化铝粉的匣钵内，并将匣钵置于高温炉中，升温至1300℃保温60min，得到轻质高强发泡陶瓷。
性能测试：测得发泡陶瓷材料的体积密度为0.49g/cm3，其抗压强度为11.87MPa，吸水率为2.86％。
实施例4
原料制备：将麦秆清洗，烘干，粉磨，制备成麦秆粉；钢渣用颚式破碎机和行星球磨机磨细，过120目筛，得到粉料；
混料：将钢渣、硫铁矿烧渣、电炉还原渣、镁渣按质量比36:15:13:36称量，另称量20份麦秆粉、5份硫酸钠，加35％的乙醇研磨形成浆料；
成型：将浆料注入石膏模型，脱水成型，再将坯体于150℃以下干燥。
烧成：将坯体烘干后放入装有氧化铝粉的匣钵内，并将匣钵置于高温炉中，升温至1450℃保温90min，得到轻质高强发泡陶瓷。
性能测试：测得发泡陶瓷材料体积密度为0.51g/cm3，其抗压强度为13.42MPa，吸水率为2.47％。
实施例5
原料制备：将稻秆清洗，烘干，粉磨，制备成稻秆粉；钢渣用颚式破碎机和行星球磨机磨细，过120目筛，得到粉料；
混料：将钢渣、镁渣、硫铁矿烧渣按质量比36:30:34称量，与20份稻秆粉，2份碳化硅和5份二氧化锰混合均匀后，加入10％聚乙烯醇(5wt％)溶液，研磨造粒，过120目筛，得到坯料；
成型：将坯料在8MPa下模压成型，得到坯体；
烧成：将坯体烘干后放入装有氧化铝粉的匣钵内，并将匣钵置于高温炉中，升温至1500℃保温90min，得到轻质高强发泡陶瓷。
性能测试：测得发泡陶瓷的体积密度为0.40g/cm3，其抗压强度为20.76MPa，吸水率为1.95％。

Claims (8)

1.一种轻质高强发泡陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)该发泡陶瓷的原料由主料、造孔剂和高温发泡剂组成，按质量份数计，主料为钢渣、富镁铁废渣按24～49份、51～76份的配比组成，然后每100份主料外加造孔剂10～25份和高温发泡剂3～9份；所述的钢渣化学成分质量组成为：SiO2为13.56～17.65％、MgO为1.59～8.10％、Fe2O3为9.21～21.59％、Al2O3为3.17～5.16％、CaO为29.47～58.21％和K、Na小于3％；
2)将称取好的的各原料混合均匀，成型，得到坯体；
3)将坯体在高温炉内进行烧结，冷却至室温，得到轻质高强发泡陶瓷；所制得的轻质高强发泡陶瓷材料体积密度为0.30～0.68g/cm3，抗压强度11.87～22.69MPa，吸水率小于3％。
2.如权利要求1所述的轻质高强发泡陶瓷的制备方法，其特征在于所述的钢渣先用颚式破碎机进行粗破碎，再用行星球磨机磨细，过120目筛，得到钢渣粉体。
3.如权利要求1所述的轻质高强发泡陶瓷的制备方法，其特征在于所述的富镁铁废渣为硫铁矿烧渣、镁渣、硅锰渣或电炉还原渣中的一种或两种以上。
4.如权利要求1所述的轻质高强发泡陶瓷的制备方法，其特征在于所述的造孔剂是生物质粉，是将稻壳、稻秆、玉米秆、麦秆或棉秆，经过清洗、烘干、粉磨后得到。
5.如权利要求1所述的轻质高强发泡陶瓷的制备方法，其特征在于所述的高温发泡剂是硬石膏、硫酸钠、二氧化锰或碳化硅中的一种或两种以上混合。
6.如权利要求1所述的轻质高强发泡陶瓷的制备方法，其特征在于所述的成型为，模压成型、注浆或注模成型。
7.如权利要求6所述的轻质高强发泡陶瓷的制备方法，其特征在于模压成型时，在混合好的坯料中加入3～12％的浓度为5wt％的聚乙烯醇溶液，研磨造粒，过120目筛，最后在8～12MPa下成型。
8.如权利要求1所述的轻质高强发泡陶瓷的制备方法，其特征在于所述的烧结，是于1300～1600℃保温60～150min。
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