CN101671198A - 一种利用固体废弃物合成多孔堇青石—莫来石复相材料的方法 - Google Patents

一种利用固体废弃物合成多孔堇青石—莫来石复相材料的方法 Download PDF

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岳昌盛
郭敏
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王亚丽
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Abstract

本发明一种利用固体废弃物合成多孔堇青石-莫来石复相材料的方法，属于无机非金属材料的合成技术领域。本发明是以煤矸石与废弃耐火材料(废弃镁碳砖、废弃滑板砖)以及木屑造孔剂作为原料，按照质量比煤矸石35～55％、用后镁碳砖3～10％、用后滑板砖10～50％、木屑5～40％进行混合，成型后在空气气氛中，1340℃～1460℃温度下保温2－6h，得到合成烧结坯。本发明合成的多孔堇青石-莫来石复相材料抗折强度达到24.33MPa，显气孔率25.44％，热膨胀系数3.8×10－6K－1，体积密度1.94g/cm3，且显微形貌均匀，具有较好的高温使用性能。不仅解决了固体废弃物大量堆积对环境造成的污染，合成的多孔堇青石-莫来石复相材料可以应用于陶瓷工业窑具材料，而且符合国家倡导的“循环经济”的产业政策。

Description

一种利用固体废弃物合成多孔堇青石-莫来石复相材料的方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料的合成技术领域，特别是用固体废弃物(煤矸石和废弃耐火材料为原料，木屑为造孔剂)常压合成多孔堇青石-莫来石复相陶瓷材料的方法。
背景技术
在采煤过程中，从煤层的顶板和底板部位上，挖掘下来的那些含炭量低，灰份含量超过40％不成煤的炭质页岩，泥质页岩以及在掘进中在炭层周围爆破出来的泥质页岩、砂质页岩和少量的石灰岩，统称为“煤矸石”。煤矸石是我国排放量最大的固体废弃物，是煤炭生产和加工过程中产生的废弃物，排放量相当于煤炭产量的8％～20％，平均约为12％。目前山西省由于开发利用率很低，大量的煤矸石被废弃，并带来了很严重的环境问题。
堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)常作为抗热震材料被广泛应用于一些冷热骤变的环境中，比如匣钵，棚板，热风炉等等。堇青石具有热膨胀系数小、抗热震稳定性好等优点，但堇青石韧性较低、荷重软化点低和合成温度范围窄，限制了其优良性能的发挥。而莫来石高温性能好和机械强度高，但其热膨胀系数大。因此，将堇青石和莫来石进行复合，使两者热膨胀系数失匹配，在两相接口形成微裂纹，使得材料具有优良的抗热震性及较好的高温性能的有效措施之一。
多孔陶瓷是一种经高温烧成、体内具有大量彼此相通或闭合气孔结构的陶瓷材料，是具有低密度、高渗透率、抗腐蚀、耐高温、良好隔热性能、寿命长和易于再生等优点的新型功能材料。多孔陶瓷已被广泛应用于冶金、石油、化工、食品、纺织、环保、能源、生物工程和医学等领域。多孔堇青石-莫来石复相材料因为热震性能好、高温性能优良被广泛应用于棚板、匣钵等专业窑具，在陶瓷工业生产中具有举足轻重的作用。
采用添加造孔剂制备多孔材料是一种常见且工业成熟的制备方法，国内外常采用有机聚合物空心球、淀粉、碳酸钠、碳酸氢钠、石墨以及有机无机混合原料作为添加剂，成本较高。木屑的主要成分为C，为大量存在的固体废弃物。利用木屑作为造孔剂合成多孔堇青石-莫来石复相材料的性能达到工业生产要求，且降低了成本，可以获得良好的经济效益和环保效益。
国内外合成多孔堇青石-莫来石复相材料的研究已见报道，但是完全利用固体废弃物合成多孔堇青石-莫来石复相材料的研究还未见报道，用煤矸石、废弃耐火材料、木屑合成多孔堇青石-莫来石复相材料，不仅解决了固体废弃物大量堆积对环境造成的污染，合成的多孔堇青石-莫来石复相材料可以应用于陶瓷工业，不仅节约了生产成本，同时具有可观的经济效益，也符合国家倡导的“循环经济”的产业政策。
发明内容
本发明的目的在于提供一种完全利用固体废弃物(煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖为原料，木屑为造孔剂)合成多孔堇青石-莫来石复相材料的方法。本发明制备用的原料均为固体废弃物，且都大量堆积废弃，常压烧结合成了多孔堇青石-莫来石复相材料，且各项性能均满足工业生产的需要，有较高的经济价值。
本发明一种利用固体废弃物合成多孔堇青石-莫来石复相材料的方法，所述方法以煤矸石和废弃耐火材料为原料，木屑为造孔剂，所述方法包括如下步骤：
(1)原料准备：将煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖经过磨碎制成细粉，并通过325目的筛；所述的固体废弃物的成分为：煤矸石中C占10％～20％，Al2O3占15％～25％，SiO2占50％～60％，MgO占0.5％～3％，其余为少量的含铁、钙的氧化物；用后镁碳砖中Al2O3占3％～10％，SiO2占2％～10％，MgO占70％～80％，其余为少量的含铁、钙、钾、钛的氧化物；用后滑板砖中Al2O3占85％～95％，SiO2占2％～5％，其余为少量的含镁、铁、钙、钾、钛、钠的氧化物；
(2)混合：控制合成原料中煤矸石、用后镁碳砖和用后滑板砖以及木屑的比例，按照质量比煤矸石35～55％、用后镁碳砖3～10％、用后滑板砖10～50％、木屑5～40％进行混合，根据理论设计值计算所需原料用量，将称量好的煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖和木屑利用球磨机进行混合30min～120min；
(3)成型：将混合后原料添加少量的浓度为0.5mL/10g聚乙烯醇粘结剂，在40MPa的压力下机压成型；
(4)高温烧结：在空气气氛中，温度为1340℃～1460℃，保温时间为2-6h的条件下烧结样坯；
(5)冷却：在空气中自然冷却。
本发明的优点在于：用煤矸石、废弃耐火材料、木屑合成了多孔堇青石-莫来石复相材料，制备的原料为煤矿开采中的固体废弃物煤矸石和钢铁生产中产生的废弃耐火材料以及木器厂的木屑，三者储量都相当的丰富，合成的多孔堇青石-莫来石复相材料(实例3)抗折强度为24.33MPa，显气孔率25.44％，热膨胀系数3.8×10-6K-1，体积密度为1.94g/cm3，且显微形貌均匀，具有较好的高温使用性能。不仅解决了固体废弃物大量堆积对环境造成的污染，合成的多孔堇青石-莫来石复相材料可以应用于陶瓷工业窑具材料，而且符合国家倡导的“循环经济”的产业政策。
附图说明
图1是不同温度合成的多孔堇青石(51％)-莫来石(44％)复相材料(造孔剂20％)的XRD图。
图2是实施例3合成的多孔堇青石-莫来石复相材料的断口SEM照片。
具体实施方式
采用煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖为原料，木屑为造孔剂，其配比如表1所示。在1340℃～1460℃温度常压保温2-6h合成复相材料。对合成试样进行X射线衍射分析和SEM断口分析。
表1合成多孔堇青石-莫来石复相材料的原料配比和合成条件
实施例   煤矸石(mass％)   用后镁碳砖(mass％)   用后滑板砖(mass％)   木屑(mass％)   合成条件(空气气氛)
  1   44.30   3.04   42.66   10   1380℃温度下保温3h
  2   45.96   5.4   28.64   20   1380℃温度下保温3h
  3   45.97   7.08   16.94   30   1380℃温度下保温3h
  4   45.96   5.4   28.64   20   1340℃温度下保温3h
  5   45.96   5.4   28.64   20   1360℃温度下保温3h
  6   45.96   5.4   28.64   20   1420℃温度下保温3h
  7   45.96   5.4   28.64   20   1460℃温度下保温3h
  8   45.96   5.4   28.64   20   1380℃温度下保温2h
  9   45.96   5.4   28.64   20   1380℃温度下保温4h
  10   45.96   5.4   28.64   20   1380℃温度下保温6h
通过实验得到了不同气孔率的多孔堇青石-莫来石复相材料，按照理论设计堇青石(50％)-莫来石(50％)在不同温度下合成材料的X射线衍射结果图1所示，从图中可以看出，从1340℃～1460℃合成材料的主晶相均为堇青石和莫来石，在1380℃时堇青石和莫来石的生成量达到稳定。

Claims (2)

1、一种利用固体废弃物合成多孔堇青石-莫来石复相材料的方法，所述方法以煤矸石和废弃耐火材料为原料，木屑为造孔剂，其特征在于所述方法包括如下步骤：
(1)原料准备：将煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖经过磨碎制成细粉，并通过325目的筛；
(2)混合：控制合成原料中煤矸石、用后镁碳砖和用后滑板砖以及木屑的比例，按照质量比煤矸石35～55％、用后镁碳砖3～10％、用后滑板砖10～50％、木屑5～40％进行混合，根据理论设计值计算所需原料用量，将称量好的煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖和木屑利用球磨机进行混合30min～120min；
(3)成型：将混合后原料添加少量的浓度为0.5mL/10g的聚乙烯醇粘结剂，在40MPa的压力下机压成型；
(4)高温烧结：在空气气氛中，温度为1340℃～1460℃，保温时间为2-6h的条件下烧结样坯；
(5)冷却：在空气中自然冷却。
2、根据权利要求1所述的一种利用固体废弃物合成多孔堇青石-莫来石复相材料的方法，其特征在于：所述煤矸石中C占10％～20％，Al2O3占15％～25％，SiO2占50％～60％，MgO占0.5％～3％，其余为少量的含铁、钙的氧化物；所述用后镁碳砖中Al2O3占3％～10％，SiO2占2％～10％，MgO占70％～80％，其余为少量的含铁、钙、钾、钛的氧化物；所述用后滑板砖中Al2O3占85％～95％，SiO2占2％～5％，其余为少量的含镁、铁、钙、钾、钛、钠的氧化物。
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