CN102603347A - 以页岩为主要原料制备高性能超轻质泡沫陶瓷及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及以页岩为主要原料制备高性能超轻质泡沫陶瓷及方法。本发明化学组份重量百分比为SiO2 50％～70％、Al2O3 10％～20％、CaO+MgO3％～8％、Fe2O3 5％～10％、K2O+Na2O 1.0％～6.0％、ZrO2+SiC+C 1.0％～2.0％，其工艺流程为配料→细粉碎→造粒→过筛→入拼装式耐火浇注料窑具内→刮平→入窑烧成→产品→切割成所需要规格尺寸的制品→检验→包装→入库。本发明解决了过去存在的裂纹扩展影响产品质量，抗折强度、抗压强度不够，以及抗热震破坏能力差等缺陷。本发明在主裂纹作用区产生压应力，阻止裂纹的扩展，从而表现出增韧的效果，引入弥散氧化锆颗粒可使复相材料的抗折强度、抗压强度获得明显提高，也提高了材料抗热震破坏的能力，利用了这些不可再生资源的优化。
Description
技术领域
本发明涉及硅酸铝轻质泡沫陶瓷技术领域，尤其是一种利用我国资源极为广泛的页岩为主要原料制备用于建筑墙体材料保温、节能和防火制品的高性能超轻质泡沫陶瓷技术的制备方法。
背景技术
为尽量减少自然资源的消耗，尽可能对废弃物的再利用和净化、保护生态环境，以确保人类社会的可持续发展，应当严格限止毁田烧砖。为此，建筑墙体材料保温、节能和防火摆上了议事日程。
我国建筑要实现50％～65％的节能率，必须对建筑外墙进行全面的改造。然而，目前我国市场上流行的建筑外保温材料主要是由EPS(模塑聚苯板)、XPS(挤塑聚苯板)和PU(聚氨脂)三种有机材料制成，易老化，其燃烧性能大多为B2级，即使采取了防火构造措施，这类建筑的外保温系统也因整体老化及防火性能欠佳，而存在各种安全隐患。
在本发明之前，目前围绕页岩开发的产品除烧结空心砖、烧结铺路砖等外，在轻质陶瓷方面的主要制品是陶粒及其围绕陶粒所制作的混凝土砌块，对制备陶粒所用页岩原料组成也有一定的要求，制得的制品容重一般大于0.5g/cm3，其制备方法一般采用滚筒离心法、挤压法、振动法等。存在着裂纹扩展影响产品质量，抗折强度、抗压强度不够，以及抗热震破坏能力差等缺陷。
发明内容
本发明的目的：解决现有建筑外保温材料易老化、易燃烧等缺陷，提出一种以页岩为主要原料制备高性能超轻质泡沫陶瓷及其制造方法。
本发明的技术方案是：
一种以页岩为主要原料制备高性能超轻质泡沫陶瓷，其主要技术特征在于化学组份重量百分比为：SiO2 50％～70％、Al2O3 10％～20％、CaO+MgO3％～8％、Fe2O35％～10％、K2O+Na2O 1.0％～6.0％、ZrO2+SiC+C 1.0％～2.0％。
本发明的另一技术方案是：
一种以页岩为主要原料制备高性能超轻质泡沫陶瓷方法，其主要技术特征在于以含SiO2 48％～75％、Al2O38％～25％、Fe2O3 5％～10％、CaO+MgO 3％～12％、K2O+Na2O 1.0％～6.0％的页岩为主要原料，其工艺流程如下：
配料→细粉碎(湿法/或干法)→造粒(喷雾干燥造粒/或压滤、干燥、粉碎、造粒/或混合、加水、造粒)→过筛→直接装入拼装式耐火浇注料窑具内→刮平→入窑烧成→采用机械手直接从窑具内取出产品→切割成所需要规格尺寸的制品→检验→包装→入库；
其具体步骤：
(1)将65％～95％的页岩，5％～35％的砂岩、方解石和/或白云石的原生矿物的混合物，0.4％～5.0％的硅酸锆/或锆英砂、碳化硅为主要组成的无机复合烧结强化助剂，破碎，混合，细碎，其万孔筛余控制在≤0.5％；
(2)喷雾造粒/或压滤、干燥、粉碎、造粒/或混合、加水造粒，过筛；
(3)将泥料直接装入拼装式耐火浇注料窑具内，刮平；
(4)连续式窑1050～1220℃烧成，形成高粘度的玻璃相，产生均匀密布的微细闭口气孔，缓慢冷却形成完全烧结的高性能超轻质泡沫陶瓷；
(5)采用机械手将制品直接从拼装式耐火浇注料窑具内取出，切割成所需要的规格尺寸的制品。
进一步的技术方案是对上述的以页岩为主要原料制备高性能超轻质泡沫陶瓷的制造方法，为了能同时制备大小规格不一的产品，窑具方面采取以下相应的措施：
(1)底板视烧成制品承载面尺寸的大小由若干块高铝质或粘土质耐火浇注料拼接而成；
(2)拼装式底板周边上的四根围条亦采用高铝质或粘土质耐火浇注料(必要时根据围条在泥料加热过程中所能承受胀力的大小，在浇注围条时铺设耐热铬镍丝等)，其每根围条的两端采取雌雄结构或插孔或其他方法加以固定，组成四边形模框；
(3)在拼装式耐火浇注料窑具的内腔铺设表面涂有复合耐火材料的玻璃纤维布或毡/或硅酸铝纤维棉毡/或硅酸铝纸。
由于我国页岩资源面广量大，各地的矿源不一，其矿岩中的硅、铝、铁的氧化物和碱土金属、碱金属氧化物含量也有较大的差异。本发明可在适用于化学组成为SiO2 48％～75％、Al2O3 8％～25％、Fe2O3 5％～10％、CaO+MgO 3％～12％、K2O+Na2O 1.0％～6.0％的页岩矿。为了满足本发明所要求的化学组成和性能的要求，采用适量的砂岩、方介石和/或白云石加以调节，其砂岩矿的化学成分为：SiO273.7％、Al2O3 13.2％、Fe2O3 2.2％、CaO+MgO 1.8％、K2O+Na2O 7.5％
本发明的优点和效果就在于在以所述化学组成的页岩为主要原料制备的高性能超轻质泡沫陶瓷中，采用硅酸锆/或锆英砂、碳化硅为主要组成的无机复合烧结强化助剂，使陶瓷基体中有助于形成均匀密布的气孔和稳定的氧化锆粒子，特别在高温烧结冷却过程中生成的亚稳态四方相氧化锆粒子处于束缚状态，在外力作用下产生裂纹，部分束缚力被释放，四方相向单斜相转变并发生膨胀，相变和伴随的体积膨胀过程除消耗能量外，还在主裂纹作用区产生压应力，阻止裂纹的扩展，从而表现出增韧的效果。因此，引入弥散氧化锆颗粒可使复相材料的抗折强度、抗压强度获得明显提高，同时也提高了材料抗热震破坏的能力，这一原理已在重质陶瓷材料中得到了广泛的应用。
本发明的优点还在于充分利用上述化学组成的页岩为主要原料制备泡沫陶瓷的同时，注重利用这些不可再生资源的优化，通过加入硅酸锆/或锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结强化助剂等，在一定的工艺控制下，经破碎、混合、造粒、烧成后，切割成所需规格尺寸和形状的、综合性能优异的制品：容重：0.15～0.18g/cm3，导热系数：0.04～0.08W/(m.k)，抗压强度：0.8～2.0Mpa，抗折强度：0.5～1.5Mpa，防火等级为A级，耐候性、冻融性优良，最大规格尺寸可达长×宽×高为5000mm×4000mm ×320mm。
具体实施方式
本发明的技术思路是：
页岩是一种天然的片状风化石，是一种沉积岩，具有薄页状或薄片层状的节理，主要是由粘土沉积经压力和温度形成的岩石，但其中混杂有石英、长石的碎屑及其他化学物质，属于含水性铝硅酸盐矿物，主要由硅、铝、铁和钙、钠、钾、镁等元素组成。由于各地的矿源不一，其矿岩中的硅、铝、铁的氧化物和碱土金属、碱金属氧化物含量也有较大的差异，有黑色页岩、碳质页岩、油页岩、硅质页岩、铁质页岩、钙质页岩以及混入一定砂质成分的砂质页岩，而较为常见的有黑色页岩、油页岩、紫砂页岩等，它的结构排列决定其具有柔软、润滑和易于破碎的物理性质，其活性主要来源于页岩中的粘土质矿物在煅烧时的热分解过程中产生的活性氧化硅和氧化铝，能够在较低(950～1050℃)的温度下熔融、分解、重组其结构。因其自身特性的不同，社会用途也各不相同。而用于生产烧结砖瓦的页岩对品质要求相对较低，它广泛分布于全国各地的山区、丘陵甚至平原、洼地，储量极其丰富，容易开采，同时也符合我国页岩资源丰富的国情，符合循环经济的理念，符合科学发展观，符合烧结墙体材料的可持续发展，符合合理利用矿产资源和保护耕地的基本国策，符合建设节约型社会，也有利于因地制宜进行农田城市规划和植被绿化。
下面就具体实施进行详细说明。
实施例1：
以含有SiO2 64.2％、Al2O3 19.5％、Fe2O3 7.8％、CaO+MgO 5.4％、K2O+Na2O 2.8％的页岩65％、砂岩25％、方介石10％、锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结强化助剂0.8％，破碎混合，湿法球磨16h，喷雾造粒，将其造粒料直接平铺在内腔铺设表面涂有硅酸铝纤维棉毡的拼装式耐火浇注料窑具内，然后刮平，在燃气隧道窑内1180℃烧成，制成的制品容重：0.18g/cm3，导热系数：0.075W/(m.k)，抗压强度：1.8Mpa，抗折强度：1.2Mpa，表面吸附水＜2％，防火等级为AI级，耐候性、冻融性优良。
实施例2：
以含有SiO2 66.2％、Al2O3 18.3％、Fe2O3 6.9％、CaO+MgO 6.1％、K2O+Na2O 2.4％的页岩76％、砂岩20％、白云石4％、硅酸锆和碳化硅为主要组成的无机复合烧结强化助剂1.0％，破碎混合，湿法球磨20h，压滤、干燥、粉碎、造粒，将其造粒料直接平铺在内腔铺设表面涂有复合耐火材料的玻璃纤维布的拼装式耐火浇注料窑具内，然后刮平，在燃油隧道窑内1 150℃烧成，制成的制品容重：0.16g/cm3，导热系数：0.065W/(m.k)，抗压强度：1.5Mpa，抗折强度：1.0Mpa，表面吸附水＜2％，防火等级为AI级，耐候性、冻融性优良。
实施例3：
以含有SiO2 72.6％、Al2O3 12.7％、Fe2O3 5.7％、CaO+MgO 5.8％、K2O+Na2O 3.2％页岩90％、砂岩5％、方解石5％、硅酸锆和碳化硅为主要组成的无机复合烧结强化助剂1.5％，破碎混合，干法球磨30h，加水造粒，将其造粒料直接平铺在内腔铺设表面涂有复合耐火材料的玻璃纤维毡的拼装式耐火浇注料窑具内，然后刮平，在燃气辊道窑内1 160℃烧成，制成的制品容重：0.15g/cm3，导热系数：0.04W/(m.k)，抗压强度：1.2Mpa，抗折强度：0.8Mpa，表面吸附水＜2％，防火等级为AI级，耐候性、冻融性优良。
本发明的制品可以根据企业设施和制品所需规格尺寸的具体情况分别采取湿法和/或干法细磨(如球磨、气流磨、雷蒙机等)，细度为万孔筛余≤0.5％。
本发明的制品可以根据企业设施和制品所需规格尺寸的具体情况分别在燃气和/或燃油的隧道窑和/或辊道窑中以一定的烧成制度和冷却制度进行烧成，然后按照客户的需求切割成所需要的规格尺寸的制品。。
本发明所制得的制品容重：0.15～0.18g/cm3，导热系数：0.04～0.08W/(m.k)，抗压强度：0.8～2.0Mpa，抗折强度：0.5～1.5Mpa，防火等级为AI级，耐候性、冻融性优良，最大规格尺寸可达长×宽×高为5000mm×4000mm×320mm。
本发明涉及的上述化学组成的页岩为主要原料制备的同时，注重优化这些不可再生资源制备的高性能超轻质泡沫陶瓷，不仅简化了制作工序，提高了制品的品位和综合经济效益，而且制得的制品适用于建筑墙体的保温隔热以及电力、石油、化工、冶炼、交通、轻工与国防工业等行业的热力设备、管道的保温隔热和烟囱内壁、窑炉外壳的保温(冷)工程。
窑具采取以上方法的优点：
(1)窑具在制品的烧制运行过程中相当稳定，能有效地避免了烧成过程中拼装式窑具的移位而造成制品的不规则，从而导致在切割成所需规格尺寸制品的过程中产生过多的边角料，提高了成品率；
(2)不需要拆卸窑具，烧成的制品可以用机械手直接从拼装式窑具内取出进入下一道切割工序，减轻了劳动强度，也避免了在装、拆卸过程中造成的窑具破损；
(3)制品取出后，只要将拼装式窑具内的碎屑等清理干净，然后在拼装式窑具内腔重新铺设表面涂有复合耐火材料的玻璃纤维布或毡/或硅酸铝纤维棉毡/或硅酸铝纸，即可循环备用，简化了操作程序，节省了劳动力。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种以页岩为主要原料制备高性能超轻质泡沫陶瓷，其特征在于化学组份重量百分比为：SiO2 50％～70％、Al2O3 10％～20％、CaO+MgO 3％～8％、Fe2O3 5％～10％、K2O+Na2O 1.0％～6.0％、ZrO2+SiC+C 1.0％～2.0％。
2.根据上述的一种以页岩为主要原料制备高性能超轻质泡沫陶瓷方法，其特征在于以含SiO2 48％～75％、Al2O3 8％～25％、Fe2O3 5％～10％、CaO+MgO 3％～12％、K2O+Na2O 1.0％～6.0％的页岩为主要原料，其工艺流程如下：
配料→细粉碎(湿法/或干法)→造粒(喷雾干燥造粒/或压滤、干燥、粉碎、造粒/或混合、加水、造粒)→过筛→直接装入拼装式耐火浇注料窑具内→刮平→入窑烧成→采用机械手直接从窑具内取出产品→切割成所需要规格尺寸的制品→检验→包装→入库；
其具体步骤：
(1)将65％～95％的页岩，5％～35％的砂岩、方解石和/或白云石的原生矿物的混合物，0.4％～5.0％的硅酸锆/或锆英砂、碳化硅为主要组成的无机复合烧结强化助剂，破碎，混合，细碎，其万孔筛余控制在≤0.5％；
(2)喷雾造粒/或压滤、干燥、粉碎、造粒/或混合、加水造粒，过筛；
(3)将泥料直接装入拼装式耐火浇注料窑具内，刮平；
(4)连续式窑1050～1220℃烧成，形成高粘度的玻璃相，产生均匀密布的微细闭口气孔，缓慢冷却形成完全烧结的高性能超轻质泡沫陶瓷；
(5)采用机械手将制品直接从拼装式耐火浇注料窑具内取出，切割成所需要的规格尺寸的制品。
3.根据权利要求2所述的一种以页岩为主要原料制备高性能超轻质泡沫陶瓷方法，其特征在于步骤(3)所述的拼装式耐火浇注料窑具是指底板视烧成制品承载面尺寸的大小，由若干块高铝质或粘土质耐火浇注料拼接而成，拼装式底板周边上的四根围条亦采用高铝质或粘土质耐火浇注料，其每根围条的两端采取雌雄结构或插孔或其他方法加以固定，组成四边形模框。
4.根据权利要求2所述的一种以页岩为主要原料制备高性能超轻质泡沫陶瓷方法，其特征在于其步骤(3)所述的拼装式耐火浇注料窑具内腔需铺设表面涂有复合耐火材料的玻璃纤维布或毡/或硅酸铝纤维棉毡/或硅酸铝棉纸。
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