CN102718547A

CN102718547A - 发泡陶瓷材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102718547A
Application number: CN2012101908950A
Authority: CN
Inventors: 刘永锋; 刘开琪; 王秉军; 赵宏伟; 丁钰
Original assignee: New Metallurgy Hi Tech Group Co Ltd; China Iron and Steel Research Institute Group
Current assignee: New Metallurgy Hi Tech Group Co Ltd
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: CN102718547B

Abstract

本发明公开了一种发泡陶瓷材料及其制备方法。该制备发泡陶瓷材料的方法，将由尾矿、长石、发泡剂、发泡调节剂、助熔剂组成的配料进行破碎、成型和烧制膨化，尾矿是二氧化硅含量在60wt％以上的铁矿尾矿、石英尾矿、蓝晶石尾矿、铝矾土尾矿中的至少一种。根据本发明的制备发泡陶瓷材料的方法可以使用尾矿制备发泡陶瓷材料，使尾矿得到高附加值的利用。此外，所制备的发泡陶瓷材料具有优异的性能，如密度小、强度高、吸水率低、热导率低、不燃烧、寿命长等。

Description

发泡陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于无机材料领域，具体地讲，涉及一种用于建筑保温的发泡陶瓷材料以及制造发泡陶瓷材料的方法。

背景技术

近年来，由建筑保温材料导致的火灾频发，造成严重的人员伤亡和财产损失。《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》中规定：民用建筑外保温材料的燃烧性能宜为A级，且不应低于B2级。目前，市场上的A级防火保温材料主要有岩棉、玻璃棉、泡沫玻璃、发泡水泥、闭孔珍珠岩等。岩棉、玻璃棉含有大量无机纤维，严重影响环境及人体健康，且易吸水、易收缩；虽然泡沫玻璃密度小、隔热性能好，但是强度低、抗冲击性差、抗水渗透性差；发泡水泥、闭孔珍珠岩吸水率大、强度低、易开裂，且导热系数受生产工艺影响较大，不易控制。

此外，在我国尾矿因得不到规模化的有效利用而长期大量堆积，导致大面积占用农田、破坏植被、污染地下水、破坏环境等，严重影响了国民经济的可持续发展及资源的有效利用。因此，如何实现这些尾矿的规模化及高附加值利用已受到全社会的广泛关注。在部分尾矿中，如铁矿尾矿、石英尾矿、蓝晶石尾矿、铝矾土尾矿等，二氧化硅含量较高(SiO₂＞60％)，目前处理这些尾矿的主要方式为填埋、铺路及尾矿制砖等的低附加值利用。虽然已对上述尾矿进行了有价元素回收、陶瓷材料、玻璃、微晶玻璃等高附加值利用的研究，但尚不能规模化。

以抛光瓷渣、废陶瓷碎片、废淤泥、工业废渣、石英、粘土等为主要原料生产发泡陶瓷的技术已有较多报道，但尚未公开采用尾矿，尤其采用高二氧化硅含量的尾矿为主要原料制备发泡陶瓷材料的技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种使用尾矿制备发泡陶瓷材料的方法以及由该方法制备的发泡陶瓷材料。

根据本发明的一方面，提供了一种制备发泡陶瓷材料的方法。该方法将由尾矿、长石、发泡剂、发泡调节剂、助熔剂组成的配料进行破碎、成型和烧制膨化，尾矿是二氧化硅含量在60wt％以上的铁矿尾矿、石英尾矿、蓝晶石尾矿、铝矾土尾矿中的至少一种。

根据本发明的实施例，配料可以包括65-85wt％的尾矿、10-30wt％的长石、1-4wt％的发泡剂、0.05-2wt％的发泡调节剂和3-10wt％的助熔剂。

根据本发明的实施例，在破碎步骤中，可以将配料的粒度破碎至250目以上。

根据本发明的实施例，在烧制膨化步骤中，膨化温度可以为1080-1300℃。其中，在烧制膨化步骤中，在750℃之前的升温速率可以为7-10℃/min，在750℃至1000℃之间的升温速率可以为5-7℃/min，在1000℃至膨化温度之间的升温速率可以为3-4℃/min，在膨化温度可以保温30-60min。

根据本发明的实施例，长石可以是钾长石、钠长石和钙长石中的至少一种。

根据本发明的实施例，发泡剂可以是煤粉、焦粉、碳化硅和碳酸钙中的至少一种。

根据本发明的实施例，发泡调节剂可以是硼酸、硼酐、氧化铁、氧化铝和氧化硅中的至少一种。

根据本发明的实施例，助熔剂可以是碳酸钠、氟化钙、磷酸钠中的至少一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种发泡陶瓷材料，该发泡陶瓷材料采用上述的方法制备。

根据本发明的制备发泡陶瓷材料的方法可以使用尾矿制备发泡陶瓷材料，使尾矿得到高附加值的利用。此外，所制备的发泡陶瓷材料具有优异的性能，如密度小、强度高、吸水率低、热导率低、不燃烧、寿命长等。

具体实施方式

下面将参照具体实施例来详细地描述本发明的制备发泡陶瓷材料的方法以及由该方法制备的发泡陶瓷材料。

根据本发明的制备发泡陶瓷材料的方法使用尾矿作为主要原料来制备发泡陶瓷材料，从而使尾矿得到高附加值的利用。这里，作为制备发泡陶瓷材料主要原料的尾矿可以是二氧化硅含量在60wt％以上的铁矿尾矿、石英尾矿、蓝晶石尾矿、铝矾土尾矿中的至少一种。具体地讲，可以将由上述尾矿、长石、发泡剂、发泡调节剂、助熔剂组成的配料进行破碎、成型和烧制膨化来制备发泡陶瓷材料。根据本发明的示例性实施例，所使用的配料可以包括65-85wt％的尾矿、10-30wt％的长石、1-4wt％的发泡剂、0.05-2wt％的发泡调节剂和3-10wt％的助熔剂。

根据本发明的示例性实施例，长石可以是钾长石、钠长石和钙长石中的至少一种；发泡剂可以是煤粉、焦粉、碳化硅和碳酸钙中的至少一种；发泡调节剂可以是硼酸、硼酐、氧化铁、氧化铝和氧化硅中的至少一种；助熔剂可以是碳酸钠、氟化钙、磷酸钠中的至少一种。然而，所使用的长石、发泡剂、发泡调节剂和助熔剂不限于以上所列各项。

根据本发明的示例性实施例，在制备发泡陶瓷材料的过程中可以首先将上述配料进行破碎。具体地讲，可以将上述配料用球磨机进行破碎(例如，球磨5-10小时)，然后过250目筛，取筛下配料，从而得到粒度在250目以上的配料。这里，可以在球磨之前用破碎机对配料进行破碎，使大块配料变小，从而便于用球磨机进行球磨。

接下来，可以对经破碎后的配料进行成型。具体地讲，例如，可以在碳化硅/刚玉组合模具中干式震动或捣打至密实。

最后，将粉体连同模具一起放入加热炉中烧制，使粉体膨化形成发泡陶瓷。根据本发明的示例性实施例，膨化温度可以为1080-1300℃。这里，烧制膨化可以在电加热炉中进行。

下面将详细描述根据本发明示例性实施例的对配料进行烧制膨化的过程，即，升温至膨化温度的升温过程。

具体地讲，在烧制过程中，在750℃之前的升温速率可以为7-10℃/min，以在配料粉体的表面尽早地形成烧结保护层，避免发泡剂在低温下的氧化消耗。

在750℃至1000℃之间的升温速率可以为5-7℃/min。这是因为在此阶段，少量熔体开始形成，粉体开始烧结收缩，所以升温速率不宜过快，否则会因烧结体收缩不均匀而导致内部形成孔洞或裂纹。

在1000℃至膨化温度之间的升温速率可以为3-4℃/min。在此阶段，粉体中开始出现较多的熔体，使得烧结体具有一定的可塑性，同时，发泡剂和发泡调节剂开始相互作用而生成气体。由于熔体粘度较高，生成的气体无法排出，所以开始在原位形成气泡，且随着温度和压力的升高气泡尺寸逐渐变大。此阶段为封闭气孔结构形成阶段，因此，需严格控制升温速率以均匀传热，使气泡稳步长大。

在膨化温度保温30-60分钟。此阶段为稳定气泡阶段，当烧结温度、熔体粘度、气体压力三者达到动态平衡时，气泡开始稳定。

最后经快速退火，使气孔结构得以固定，最终形成封闭气孔结构的发泡陶瓷。

根据上述方法制备的发泡陶瓷材料可以具有0.2-0.7g/cm³的体积密度、0.2-5mm的气孔尺寸、0.056-0.088W/(m·K)的热导率、7-18MPa的耐压强度。此外，根据上述方法制备的发泡陶瓷材料的98％以上的气孔为封闭孔，发泡陶瓷材料的体积吸收率小于0.5％。

实施例一

将由57.8wt％的铁矿尾矿、18wt％的石英尾矿、17wt％的钾长石、1.2wt％的煤粉、3wt％的硼酸、3wt％的磷酸钠组成的配料破碎混合，其中，铁矿尾矿中二氧化硅含量为62wt％，石英尾矿中二氧化硅含量为95wt％。将得到的配料球磨8小时后过250目筛，将筛下料在组合模具中人工捣打至密实进行成型，然后，将成型的配料烧制膨化，最后进行快速退火而制得发泡陶瓷材料。其中，在烧制膨化步骤中，在750℃之前的升温速率为8℃/min，在750℃至1000℃之间的升温速率为5℃/min，在1000℃至1180℃之间的升温速率为3℃/min，在1180℃保温30分钟。在经检测，发泡陶瓷材料的气孔尺寸为1-3mm；体积密度为0.52g/cm³，热导率为0.088W/(m·K)，抗压强度为17.2MPa，体积吸水率为0.45％。

实施例二

将由50wt％的铁矿尾矿、20wt％的石英尾矿、5wt％的铝矾土尾矿、20wt％的钠长石、1.5wt％的碳化硅、2wt％的硼酸和1.5wt％的碳酸钠组成的配料破碎混合，其中，铁矿尾矿中二氧化硅含量为68wt％，石英尾矿中二氧化硅含量为93wt％，铝矾土尾矿中二氧化硅含量为63wt％。将得到的配料球磨8小时后过250目筛，将筛下料在组合模具中机械震动1.5分钟进行成型，然后，将成型的配料烧制膨化，最后进行快速退火而制得发泡陶瓷材料。其中，在烧制膨化步骤中，在750℃之前的升温速率为7℃/min，在750℃至1000℃之间的升温速率为5℃/min，在1000℃至1225℃之间的升温速率为4℃/min，在1225℃保温45分钟。经检测，发泡陶瓷材料的气孔尺寸为3-5mm，体积密度为0.45g/cm³，热导率为0.073W/(m·K)，抗压强度为15.6MPa，体积吸水率为0.48％。

实施例三

将由53wt％的铁矿尾矿、11wt％的石英尾矿、8wt％的蓝晶石尾矿、21.7wt％的钾长石、2wt％的焦粉、0.3wt％的氧化铁、2wt％的氟化钙、2wt％的磷酸钠组成的配料进行破碎混合，其中，铁矿尾矿中二氧化硅含量为72wt％，石英尾矿中二氧化硅含量为94wt％，蓝晶石尾矿中二氧化硅含量为68wt％。将得到的配料球磨8小时后过250目筛，将筛下料在组合模具中人工捣打至密实进行成型，然后，经成型的配料烧制膨化，最后进行快速退火而制得发泡陶瓷材料。其中，在烧制膨化步骤中，在750℃之前的升温速率为9℃/min，在750℃至1000℃之间的升温速率为6℃/min，在1000℃至1230℃之间的升温速率为3℃/min，在1230℃保温60分钟。经检测，发泡陶瓷材料的气孔尺寸为0.2-0.4mm，体积密度为0.35g/cm³，热导率为0.065W/(m·K)，抗压强度为10MPa，体积吸水率为0.45％。

实施例四

将由55wt％的铁矿尾矿、20wt％的石英尾矿、15wt％的钾长石、0.3wt％的碳酸钙、2.4wt％的碳化硅、0.3wt％的氧化铁、1wt％的硼酸、1wt％的氟化钙、2wt％的碳酸钠、3wt％的磷酸钠组成的配料破碎混合，其中，铁矿尾矿中二氧化硅含量为75wt％，石英尾矿中二氧化硅含量为95wt％。将得到的配料球磨8小时后过250目筛，将筛下料在组合模具中机械震动1.5分钟以进行成型，然后，将成型的配料烧制膨化，最后进行快速退火而制得发泡陶瓷材料。其中，在烧制膨化步骤中，在750℃之前的升温速率为10℃/min，在750℃至1000℃之间的升温速率为7℃/min，在1000℃至1225℃之间的升温速率为4℃/min，在1225℃保温60分钟。经检测，发泡陶瓷材料的气孔尺寸为0.2-0.4mm，体积密度为0.22g/cm³，热导率为0.056W/(m·K)，抗压强度为7MPa，体积吸水率为0.46％。

根据本发明的以上实施例的描述可以看出，根据本发明实施例的方法制备发泡陶瓷材料具有优异的性能，如密度小、强度高、吸水率低、热导率低、不燃烧、寿命长等。

虽然已结合示例性实施例的内容描述了本发明，但将理解的是，本发明不限于公开的实施例，而是相反，意图覆盖包括在权利要求及其等同物的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims

1.一种制备发泡陶瓷材料的方法，其特征在于，将由尾矿、长石、发泡剂、发泡调节剂、助熔剂组成的配料进行破碎、成型和烧制膨化，尾矿是二氧化硅含量在60wt％以上的铁矿尾矿、石英尾矿、蓝晶石尾矿、铝矾土尾矿中的至少一种。

2.如权利要求1所述的制备发泡陶瓷材料的方法，其特征在于，配料包括65-85wt％的尾矿、10-30wt％的长石、1-4wt％的发泡剂、0.05-2wt％的发泡调节剂和3-10wt％的助熔剂。

3.如权利要求1所述的制备发泡陶瓷材料的方法，其特征在于，在破碎步骤中，将配料的粒度破碎至250目以上。

4.如权利要求1所述的制备发泡陶瓷材料的方法，其特征在于，在烧制膨化步骤中，膨化温度为1080-1300℃。

5.如权利要求4所述的制备发泡陶瓷材料的方法，其特征在于，在烧制膨化步骤中，在750℃之前的升温速率为7-10℃/min，在750℃至1000℃之间的升温速率为5-7℃/min，在1000℃至膨化温度之间的升温速率为3-4℃/min，在膨化温度保温30-60min。

6.如权利要求1所述的制备发泡陶瓷材料的方法，其特征在于，长石是钾长石、钠长石和钙长石中的至少一种。

7.如权利要求1所述的制备发泡陶瓷材料的方法，其特征在于，发泡剂是煤粉、焦粉、碳化硅和碳酸钙中的至少一种。

8.如权利要求1所述的制备发泡陶瓷材料的方法，其特征在于，发泡调节剂是硼酸、硼酐、氧化铁、氧化铝和氧化硅中的至少一种。

9.如权利要求1所述的制备发泡陶瓷材料的方法，其特征在于，助熔剂是碳酸钠、氟化钙、磷酸钠中的至少一种。

10.一种发泡陶瓷材料，所述发泡陶瓷材料采用如权利要求1所述的方法制备。