煤矸石綜合利用制備發(fā)泡陶瓷板材技術研究

楊國輝

一、研究背景及意義

礦產資源開發(fā)在我國國民經濟建設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引起我國政府相關部門和學者的關注，遺憾的是其綜合利用率與要求還相差甚遠。加快煤矸石的應用研究，對促進我國循環(huán)經濟發(fā)展，加快建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要的意義[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出現[2-3]，國內針對這一領域也有相應研究。高孔隙的發(fā)泡陶瓷，導熱系數低，阻燃、耐久以及隔音性能好，已經被廣泛應用于環(huán)保、建筑等領域[4]，還具有隔熱保溫、輕質、高強、可加工性好，施工方便等優(yōu)點。

冀中能源峰峰集團有限公司開采歷史悠久，煤矸石堆存量也十分巨大。據統(tǒng)計，峰峰集團目前煤矸石堆存量達到4000萬噸以上，隨著煤炭的生產，每年新增煤矸石約300萬噸。因此在分析煤矸石化學成分組成特點的基礎上，結合相關文獻及已有研究成果，通過深入試驗研究，在利用峰峰集團煤矸石制備發(fā)泡陶瓷技術方面取得突破，是公司循環(huán)經濟延伸的有力探索。

二、煤矸石發(fā)泡陶瓷配比方案設計

燒成發(fā)泡陶瓷時，坯料中玻璃質原料熔融產生大量液相的溫度區(qū)間需與發(fā)泡劑產生氣體的溫度區(qū)間相協(xié)調，同時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，故配方的設計需要遵循一定化學組成原則。其中Al2O3含量的增加不僅提高液相粘度和液相表面張力，而且促進晶相的產生，一方面，利于氣泡的穩(wěn)定，提高材料力學性能，另一方面，氣泡核難以形成和長大，同時又提高燒成溫度，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，促進玻璃相的生成，但不利于析晶，影響材料力學性能。

本次以峰峰集團煤矸石為主要原料，結合其他單位研究成果及生產實際，適當添加石英砂、鈉長石、拋光泥、發(fā)泡劑、助熔劑、穩(wěn)泡劑及其他輔助材料。

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

石英砂和鈉長石選擇當地生產的SiO2含量>97%的石英砂和Na2O含量8%左右的鈉長石，拋光泥為當地瓷磚生產企業(yè)廢料，發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑及其他輔料來自北京。

根據相關研究并結合其他單位生產經驗，在對各種原料成分分析檢測的基礎上，確定配比設計方案為：

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、試驗工藝選擇

試驗采用粉末坯體發(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)泡陶瓷設計方案進行配比，準確稱重各原料，并置于試驗用球磨機中混合粉磨制備。

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過程，然后隨爐冷卻。

成品加工及性能測試。

在試驗過程積累不同配比情況下燒成溫度曲線，為生產線放大試驗做好準備。

四、試驗過程及分析

在確定的配比設計方案基礎上，實驗室共設計9組配比，燒成溫度設定為1140℃～1160℃，產品密度設定為400～500kg/m?。通過實驗室試驗，試驗結果如下：

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)泡到設計厚度，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；

通過對比分析，確定按4#、6#、9#配比繼續(xù)進行重復再現性試驗，4#配比燒成溫度設定為1140℃和1155℃，試驗在1140℃時再現性較好；6#配比燒成溫度設定為1140℃，試驗再現性較好；9#配比試驗再現性差。故分別選取4#、6#在生產線進行放大性試生產。

考慮到生產線設備溫度損失，將燒成溫度進行適當調整，分別設定為1170℃、1175℃、1180℃，發(fā)泡厚度設定為80mm。為了節(jié)省能耗，兩個配比物料在不同溫度下交叉進行試驗。

通過對所生產試樣進行對比，4#配比在1170℃時，樣品表觀及斷面均能達到要求，試驗室檢測產品密度為450kg/m?，吸水率為0.2%，抗壓強度為7.9MPa，燃燒性能為A1級，抗沖擊性能、抗彎承載、軟化系數、干燥收縮值、吊掛力、抗凍性等性能均能滿足國家標準要求。4#配方配比見表2。

五、結論

通過一系列的試驗研究，得出以下結論：

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

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

參考文獻

[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)泡陶瓷的研究進展[J].陶瓷，2007（8）：09-11

（作者單位：冀中能源峰峰集團有限公司電業(yè)分公司）