利用拋光廢渣生產新型防火保溫建筑材料的研究

吳學坤

摘 要：以拋光廢渣為主要原料生產一種新型防火保溫建筑材料——發泡陶瓷材料，配方組分均為固體廢棄物，通過物料配方的優化和產品燒成工藝等關鍵技術的優化，極大程度地降低了發泡陶瓷建材的制造成本，也提高該產業利用固體廢棄物的處理能力。同時，科學設計窯爐退火工藝，提高其換熱效率，降低生產能源損耗。

關鍵詞：拋光廢渣；綠色建材；防火保溫建筑材料；發泡陶瓷

1 前 言

建筑瓷磚行業排放的拋光廢渣，屬于粉體狀態，其粒度在1～30μm，堆積排放過程中極易在大氣環境中擴散，對大氣PM10和PM2.5指標有極嚴重的影響，而且其化學組成十分復雜，既含有陶瓷類的無機粉體物料，還含有大量的有機物質，使得這類工業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、塑料等有機產品的填料使用，也不適合作為陶瓷、冶金等行業的配合料使用。如何大規模的將這類工業廢料資源化利用來研制相關產品，已成為陶瓷產業集群發展過程中的一大難題。

2發泡陶瓷材料的優勢分析

我國自2000年以后陸續推出建筑節能標準，并要求各省逐步推行建筑節能。建筑外墻保溫材料以苯板、擠塑板、酚醛板、聚氨酯等有機保溫材料為主，這些有機保溫材料易燃，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、發泡水泥和珍珠巖板等常規無機保溫材料防火性能較好，但強度低，不抗凍，無法適應東北地區惡劣氣候條件要求，存在脫落隱患。近幾年，建筑外墻保溫層脫落砸人、砸車事故屢有發生。

發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，成功經受住了多年嚴酷氣候條件檢驗，被譽為東北地區與建筑物同壽命的外墻保溫材料。

與建筑保溫領域相比，發泡陶瓷作為墻體材料使用則更具革命性。傳統的墻材，如GRC條板、硅酸鈣復合墻、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。而發泡陶瓷墻材是經1200℃高溫燒制而成，材料性能不會衰減，且具有良好的機械加工性能，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。本文重點根據拋光廢渣原料特性，在產業化生產時將原料處理工藝由“干法”轉為“濕法球磨噴霧造粒”，以提高配方物料穩定性，以及優化產品燒成工藝制度，確保在窯爐內寬達4.2m隧道窯爐中獲得發泡良好、性能穩定的發泡陶瓷產品進行研究。通過技術創新，采用拋光廢渣及相關工業助劑為原料，使得拋光廢渣摻量高達80%～90%。

3產品工藝流程和技術特點

新型發泡陶瓷防火保溫建材生產工藝流程簡述：拋光磚生產企業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行布料工序，完成裝模后將窯車依次進入隧道窯中進行1200～1250℃高溫燒成，經過退火工序后將毛坯產品送入機加工車間進行打磨、切割處理，機加工后的產品經質檢、包裝后入成品庫貯存待售，設置質檢室，對原料及產品進行理化檢驗，以保證產品質量優良。

新型發泡陶瓷防火保溫建材的技術特點主要有：

（1）材料導熱系數低，內部為閉孔結構，無熱橋。可通過調整材料使用厚度滿足我國不同地區建筑節能設計標準要求。

（2）尺寸設計合理，符合現行建筑模數，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，使墻體保溫系統的使用壽命與建筑物的使用壽命一致。

（3）塊形設計符合施工習慣，重量輕，強度高，有效地減輕了勞動強度，提高施工工效。

4關鍵技術的開發及優化

4.1物料配方的開發及優化

本文通過技術創新，采用陶瓷拋光廢渣為主要原料，輔以少量助熔劑、發泡劑和廉價礦物組分，通過精細陶瓷的配料手段及高溫燒結工藝，使廢渣在高溫熔融狀態下，發生劇烈的固熔反應，晶體空間結構重新搭建，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品中，可獲得高品質發泡陶瓷產品，廢渣利用率高達60%～90%。材料制備過程中可以通過調整助熔劑、發泡劑的種類和摻入量，人為控制晶體生長過程，獲得預期性能的新型防火保溫建材系列產品。

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

4.2物料配方穩定性的優化

物料配方的穩定性主要包括同一廠家供應拋光廢渣的大生產運行的配方穩定性、不同廠家供應拋光廢渣原料在大生產運行的配方穩定性。對進廠每個批次的拋光廢渣均要抽樣做成分分析，根據各廠家拋光廢渣的成分組成的不同，有針對性的調整配方中添加發泡劑、助熔劑的比例，使不同廠家拋光廢渣在同等生產條件下達到合格產品的性能指標，避免生產運行條件因為原料不同而頻繁調整生產運行參數，確保生產設備運行的穩定，進而保證產品質量的穩定。

4.3產品燒成工藝的開發及優化

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

4.3.1發泡段高溫燒成溫度控制

發泡段高溫燒成溫度控制是關鍵工藝控制點之一，在配方物料穩定的基礎上，燒成溫度的控制直接決定了產品的發泡性能，燒成溫度的高低和保溫時間的長短決定了產品發泡的尺寸穩定性，溫度過高會造成產品內部溢出孔增多甚至形成連通孔，溫度較低會導致產品發泡尺寸較小、產品的容重增加、導熱系數過高。

因此，在示范線燒成工藝調整前期，對燒成溫度的控制至關重要，需要根據燒成后制品的情況及時調整發泡段燒成曲線，使試制產品的發泡性能得到穩定控制，保證產品質量的穩定。

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品的成品率和力學性能，物料配方經過發泡段高溫燒成后產品外觀和內部孔結構已經定型，退火段的作用是燒成產品逐漸降溫、消除材料內部溫度差，從而獲得性能穩定的產品。

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

通過試驗參數的積累，本文試制產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標，然后考察不同退火速率下獲得產品的力學性能，從而確定最優的退火曲線。

4.4產品性能的穩定

新型綠色保溫建材性能的穩定決定于發泡尺寸的均勻程度、產品厚度的穩定度、產品表觀形態的均一度。

4.4.1發泡尺寸的均勻程度

試制產品的發泡尺寸均勻程度決定于物料配方的穩定性、發泡段高溫燒成溫度的控制，做好物料配方的優化改進和發泡段溫度的精準控制便可獲得發泡尺寸均勻的產品。

4.4.2產品厚度和表觀形態的均一度

產品厚度的穩定度決定了產品進行切割后的成品率，產品厚度穩定度越高，產品切割后的廢料就越少，且有利于提高產品切割效率、降低生產成本。產品厚度的穩定性同樣決定于物料配方的穩定性、發泡段高溫燒成溫度的控制，還決定于模具中的布料量穩定性，優化物料配方、精準控制發泡段溫度、嚴格管控布料量的統一，是獲得穩定度高的產品的關鍵控制點。產品表觀形態主要受氣孔尺寸均勻程度、有無連通孔、制品顏色影響，須對生產過程中的物料配方、發泡溫度進行合理控制。

4.4.3力學性能穩定性

產品力學性能的穩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行燒成工藝的控制，嚴格控制退火段溫度，做好這幾個關鍵點的控制，以獲得力學性能穩定的產品。

5 創新分析與討論

5.1發泡陶瓷保溫材料配方創新

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

5.2燒成工藝技術創新

本文采用陶瓷拋光廢渣為主要原料，輔以特制高溫助熔劑、發泡劑，通過合理調控發泡陶瓷配方及高溫燒結工藝，使發泡陶瓷玻璃液相在高溫熔融狀態下，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生顯著變化，進而擴大發泡陶瓷的燒成溫度范圍，提高成本率，降低制造成本。

5.3設備節能措施創新

根據輕質發泡陶瓷防火保溫建材生產所用設備的工藝特性，對燒成工段隧道窯爐的退火工藝進行創新性設計，改造退火段換熱裝置，提高了換熱效率，改變了傳統隧道窯爐的冷風直接補償進窯爐內部方式，提高了產品的成品率。

本文通過技術創新，采用多種工業廢渣及少量催化劑為原料，通過精細陶瓷的配料手段及高溫燒結工藝，使廢渣在高溫熔融狀態下，發生劇烈的固熔反應，晶體空間結構重新搭建，從而使廢渣完全摒棄原有物理形體，而是以元素的身份，重新融入到新產品中。因此，獲得了高品質的產品，廢渣利用率高達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泡過程，獲得預期性能的新型防火保溫建材系列產品。

6結論

發泡陶瓷建材產品防火、保溫性能優異，能夠適應東北地區寒熱交替的惡劣自然環境，用于建筑外墻保溫領域，能夠解決傳統建筑保溫材料存在的火災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能政策的落實。此外，產品的耐腐蝕性能、力學性能優異，非常適合于火力發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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