CN103553569B - 以煤矸石和粉煤灰提铝残渣为主要原料的瓷质砖及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以煤矸石和粉煤灰提铝残渣为主要原料的瓷质砖及其制法。本发明的瓷质砖的原料包括以下组分：煤矸石20wt%～30wt%，粉煤灰提铝残渣20wt%～30wt%，高岭土5wt%～15wt%，长石35wt%～40wt%，石英0～5wt%，滑石1wt%～3wt%；上述重量百分比以瓷质砖的原料的总重量为基准。本发明的瓷质砖的吸水率小于0.5wt%，断裂模数大于35MPa，符合GB/T4100-2006质量要求。本发明将煤矸石和粉煤灰提铝残渣这些固体废弃物加以科学利用，实现了废物资源化，同时扩大了瓷质砖生产的原料来源。
Description
技术领域
本发明涉及一种瓷质砖及其制备方法，尤其涉及一种以煤矸石和粉煤灰提铝残渣为主要原料的瓷质砖及其制法。
背景技术
瓷质砖是一类高档建筑装饰用陶瓷材料，也被称为玻化砖、瓷化砖、同质砖等。国家标准《陶瓷砖》（GB/T4100-2006）“附录G（规范性附录）干压陶瓷砖（E≤0.5wt%）BⅠa类—瓷质砖”规定，瓷质砖的吸水率要小于0.5wt%，断裂模数要大于35MPa。瓷质砖结构致密，材质坚硬，不变形，不变色，具有很好的耐磨性和色彩经久不褪等特点。瓷质砖的吸水率低，具有良好的抗冻性、耐急冷急热性和抗龟裂性，对气候环境的适应范围很广。瓷质砖的机械强度高，物化性能稳定，耐酸碱、耐化学侵蚀性好。
瓷质砖的传统生产原料主要有粘土、长石、石英等三类原料。粘土原料的主要化学成分为SiO2、Al2O3，长石的主要化学成分为K2O、Na2O、Al2O3、SiO2，石英的主要化学成分为SiO2。这些原料按一定配方称量、配合之后形成混合料，其主要化学成分为SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、MgO。例如，申请号为200410027608.X的中国专利申请公开了一种瓷质砖，它是在主要组份为长石、粘土的瓷质砖坯体的配方中加入磷酸盐，其磷酸盐的重量百分比为15-60wt%。，从而获得具有高白、低放射性、而又具半透明性质的玉质特点的瓷质砖。
瓷质砖的生产原料仍然有拓展的可能性。例如，申请号为02139300.1的中国专利申请公开了一种建筑用瓷质陶瓷及其制备方法。该瓷质陶瓷由粉煤灰、超细高岭土、长石组成；各组分所占原料总重量的质量百分比分别为：粉煤灰60～70wt%、超细高岭土25～40wt%、长石0～10wt%。但是，该中国专利申请依然无法将粉煤灰的使用价值最大化。
煤矸石是成煤物质与其他沉积物质在长期的地质反应中生成的可燃性矿石，其主要化学成分为Al2O3和SiO2，主要矿物成分为高岭石，并有一定量的碳和少量硫及其它元素的化合物。随着煤炭开采量的迅速提高，煤矸石的排出量也随之增加。这些煤矸石占据了大量农田，浪费了土地资源。同时，煤矸石还对大气、水体造成了严重的环境污染，危害着附近居民的健康。因此，对煤矸石加以科学利用，变废为宝，化害为益，有着十分重要的现实意义。
粉煤灰是火力发电厂采用煤炭燃烧发电后排出的粉末状固体废物，其主成分为Al2O3和SiO2。粉煤灰的资源化途径较多，既可用于建筑原材料，生产水泥、混凝土、砌砖等，也可用作化工原料，用于提取Al2O3。粉煤灰提取Al2O3技术是国家近期重点发展的一项粉煤灰高附加值资源化技术。粉煤灰提取Al2O3的工艺主要有酸法、碱法及酸碱混合法。然而，不管采用何种工艺，粉煤灰在提取Al2O3后，仍然会残余大量的以SiO2为主要成分的残渣，即“粉煤灰提铝残渣”。这些残渣的排放会占据大量土地，浪费了土地资源；还对大气、水体造成了严重的环境污染，危害着附近居民的健康。因此，进一步扩大粉煤灰提铝残渣的资源化途径，对该残渣加以科学利用，变废为宝，化害为益，有着十分重要的现实意义。
目前，尚没有将煤矸石与粉煤灰提铝残渣相结合进行综合利用的相关报道。
发明内容
本发明旨在拓展煤矸石和粉煤灰提铝残渣的用途，提供其用于制备瓷质砖的制备方法。
本发明的一个目的在于提供一种以煤矸石和粉煤灰提铝残渣为主要原料的瓷质砖，该瓷质砖满足国家标准要求。
本发明的另一个目的在于提供一种以煤矸石和粉煤灰提铝残渣为主要原料的瓷质砖的制备方法，从而有效采用固体废弃物，实现了废物资源化，消除环境污染。
本发明提供了一种瓷质砖，所述瓷质砖的原料包括以下组分：煤矸石，粉煤灰提铝残渣，高岭土，长石，石英，和滑石。优选地，所述的瓷质砖原料由以下组分组成：煤矸石，粉煤灰提铝残渣，高岭土，长石，石英，和滑石。
根据本发明的一个实施方式，瓷质砖的原料包括以下组分：
煤矸石20wt%～30wt%，
粉煤灰提铝残渣20wt%～30wt%，
高岭土5wt%～15wt%，
长石35wt%～40wt%，
石英0～5wt%，
滑石1wt%～3wt%；
上述重量百分比以瓷质砖的原料的总重量为基准。
在本发明中，煤矸石用量可以为20wt%～30wt%，优选为22wt%～25wt%，更优选为23wt%～24wt%（该重量百分比以瓷质砖的原料的总重量为基准；下文提及的原料的各个组分的重量百分比也是以瓷质砖的原料的总重量为基准，除非特别声明）。
在本发明中，粉煤灰提铝残渣用量可以为20wt%～30wt%，优选为22wt%～25wt%，更优选为23wt%～24wt%。
在本发明中，所述的粉煤灰提铝残渣是指粉煤灰提取氧化铝之后形成的残渣。粉煤灰提铝残渣是本领域所已知的，可以通过常规方法获得。例如，可以通过CN102153117A、CN101870489A、CN102145904A等方法获得粉煤灰提铝残渣。
在本发明中，高岭土的用量可以为5wt%～15wt%，优选为6wt%～10wt%，更优选为7wt%～9wt%。
在本发明中，长石的用量可以为35wt%～40wt%，优选为37wt%～39wt%，更优选为37.5wt%～38.0wt%。
在本发明中，石英的用量可以为0～5wt%，优选为1wt%～3wt%，更优选为1.5wt%～2.0wt%。
在本发明中，滑石的用量可以为1wt%～3wt%，优选为2wt%～2.5wt%；更优选为2.1wt%～2.3wt%。
在本发明中，所述煤矸石的化学组成范围并没有特别限制。作为优选，所述煤矸石的化学组成范围按照质量百分比计为：SiO240.2wt%～55.0wt%，Al2O330.0wt%～40.0wt%，Fe2O30.3wt%～1.5wt%，TiO20.1wt%～1.0wt%，CaO 0.05wt%～1.0wt%，MgO 0.05wt%～0.5wt%，K2O 0.1wt%～0.5wt%，Na2O 0.05wt%～0.3wt%；以上重量百分比以煤矸石的总重量为基准。作为更优选，所述煤矸石的化学组成范围按照质量百分比计为：SiO241.0wt%～50.0wt%，Al2O333.0wt%～38.5wt%，Fe2O30.4wt%～1.05wt%，TiO20.3wt%～0.8wt%，CaO 0.2wt%～0.8wt%，MgO 0.1wt%～0.3wt%，K2O 0.2wt%～0.4wt%，Na2O0.1wt%～0.2wt%；以上重量百分比以煤矸石的总重量为基准。
在本发明中，所述煤矸石的烧失量的没有特别限制。作为优选，所述煤矸石的烧失量可以为8.0wt%～15.0wt%，优选为10.0wt%～14.9wt%，更优选为13.0wt%～14.5wt%。在本发明中，烧失量（缩写为LOI）表示将在105～110℃烘干的原料在1000～1100℃灼烧后失去的重量百分比。
在本发明中，所述粉煤灰提铝残渣的化学组成并没有特别限制。作为优选，所述粉煤灰提铝残渣的化学组成按照重量百分比计为：SiO246.7wt%～55.0wt%，Al2O321.7wt%～30.0wt%，Fe2O30.3wt%～1.5wt%，TiO20.5wt%～4.0wt%，CaO 0.5wt%～1.5wt%，MgO 0.1wt%～0.5wt%，K2O 0.1wt%～0.5wt%，Na2O 0.05wt%～0.3wt%；以上重量百分比以粉煤灰提铝残渣的总重量为基准。作为更优选，所述粉煤灰提铝残渣的化学组成按照重量百分比计为：SiO247.0wt%～53.0wt%，Al2O323.07wt%～29.0wt%，Fe2O30.5wt%～1.0wt%，TiO21.0wt%～3.7wt%，CaO 1.0wt%～1.2wt%，MgO 0.15wt%～0.3wt%，K2O 0.2wt%～0.3wt%，Na2O 0.06wt%～0.1wt%；以上重量百分比以粉煤灰提铝残渣的总重量为基准。
在本发明中，所述粉煤灰提铝残渣的烧失量并没有特别限制。作为优选，所述粉煤灰提铝残渣的烧失量为6.7wt%～15.0wt%。作为更优选，所述粉煤灰提铝残渣的烧失量为8.0wt%～14.5wt%，更优选为10.0wt%～13.5wt%。
在本发明中，所述瓷质砖的原料还可以包括其他组分，例如颜料（例如氧化铁），磷酸盐等。
在本发明中，所述瓷质砖满足国家标准GB/T4100-2006，即吸水率小于0.5wt%，断裂模数大于35MPa。优选地，所述瓷质砖的吸水率为0.1wt%～0.3wt%，断裂模数为36～45MPa。
本发明也提供上述瓷质砖的制备方法，其包括如下步骤：
（1）提供原料：按照上述瓷质砖的原料的重量百分比提供各个组分；
（2）制浆：将上述组分倒入球磨罐中，加入原料总重量0.4～0.8倍的水，湿法球磨制得浆料；
（3）造粒：将浆料喷雾进入干燥塔内，干燥塔温度为350～700℃，干燥喷雾状的浆料以形成粒状的粉料；
（4）陈腐：将上述粉料置于料仓中，存放1天以上；
（5）压坯：在20～60MPa的压力下，采用自动压砖机将陈腐后的粉料压制成生坯；
（6）干燥：在200～400℃下采用干燥窑将生坯烘干为干坯；
（7）烧结：在1150～1230℃下采用辊道窑将干坯烧结，冷却，制得瓷质砖。
在本发明中制备方法中，步骤（1）为提供原料的步骤。各个组分的称取方式以及称取顺序并没有特别限制。
在本发明中制备方法中，步骤（2）采用湿法球磨将各个组分制得浆料。各个组分的添加顺序并没有特别限制。优选地，将粉煤灰提铝残渣，高岭土，长石，石英和滑石依次加入球磨机中，然后加入水进行球磨。其中，水的用量优选为原料总重量的0.5～0.6倍。
在本发明中制备方法中，步骤（3）采用喷雾干燥法获得粉料。具体地，将浆料喷雾并进入干燥塔内，干燥后得到粒状的粉料。干燥塔温度优选为500～550℃。干燥塔可以使用本领域常规使用的那些干燥塔。这里不再赘述。
在本发明中制备方法中，步骤（4）为陈腐步骤，在料仓中进行。粉料在料仓中的存放时间优选为1～2天。
在本发明中制备方法中，步骤（5）采用自动压砖机将陈腐后的粉料压制成生坯。压力优选为30～40MPa。自动压砖机可以使用本领域常规使用的那些压砖机。
在本发明中制备方法中，步骤（6）采用干燥窑将生坯烘干为干坯。烘干温度优选为250～300℃。干燥窑机可以使用本领域常规使用的那些。
在本发明中制备方法中，步骤（7）采用辊道窑将干坯烧结，烧结温度优选为1180～1210℃。辊道窑可以使用本领域常规使用的那些。这里不再赘述。
本发明通过合理地调节制备瓷质砖原料的各个组分及其用量，从而实现了由煤矸石和粉煤灰提铝残渣制备瓷质砖。本发明以煤矸石和粉煤灰提铝残渣为主要原料制备的瓷质砖，吸水率小于0.5wt%，断裂模数大于35MPa，符合国家标准《陶瓷砖》（GB/T4100-2006）“附录G（规范性附录）干压陶瓷砖（E≤0.5wt%）BIa类—瓷质砖”的质量要求。
此外，本发明将煤矸石和粉煤灰提铝残渣这些固体废弃物加以科学利用，实现了废物资源化，消除了煤矸石和粉煤灰提铝残渣的环境污染，具有深远的资源和环保意义。
再有，本发明扩大了瓷质砖生产的原料来源，降低了原料成本，从而增加瓷质砖的市场竞争力。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
首先描述瓷质砖的性能测试方法。
吸水率的测定：
依据国家标准GB/T3810.3-2006《陶瓷砖试验方法第3部分:吸水率、显气孔率、表观相对密度和容重的测定》进行瓷质砖吸水率的测定。
断裂模数的测定:
依据国家标准GB/T3810.4-200《陶瓷砖试验方法第4部分:断裂模数和破坏强度的测定》进行瓷质砖断裂模数的测定。
然后描述以下实施例中所用原料的化学组成以及性质，详见表1。计量单位以质量百分比计（wt%）。
表1原料的化学组成以及性质
实施例1～3：
实施例1～3采用以下具体工艺步骤制备瓷质砖：
（1）提供原料：按表2所述配比称取粉煤灰提铝残渣、高岭土、长石、石英、滑石备用（上述原料总重量为100Kg）；
（2）制浆：将备用的粉煤灰提铝残渣、高岭土、长石、石英和滑石倒入球磨罐中，加入原料总重量0.55倍的水，湿法球磨制得浆料；
（3）造粒：采用喷雾干燥塔，将浆料喷雾进入干燥塔内，干燥塔温度为550℃，喷雾状浆料被干燥形成粒状的粉料；
（4）陈腐：将粉料置于料仓中，存放2天；
（5）压坯：采用自动压砖机，在40MPa的压力下，将粉料压制成瓷质砖生坯；
（6）干燥：采用干燥窑，在250℃下烘干生坯为干坯；
（7）烧结：采用辊道窑，在1200℃下将干坯烧结，冷却后，制得瓷质砖。
表2原料配比
实施例1～3所制得的瓷质砖的性能指标如表3所示：
表3瓷质砖的性能指标
Claims (9)
1.一种瓷质砖，其特征在于，所述瓷质砖的原料包括以下组分：
煤矸石20wt％～30wt％，
粉煤灰提铝残渣20wt％～30wt％，
高岭土5wt％～15wt％，
长石35wt％～40wt％，
石英0～5wt％，和
滑石1wt％～3wt％；
上述重量百分比以瓷质砖的原料的总重量为基准；
其中，所述粉煤灰提铝残渣的化学组成按照重量百分比计为：SiO246.7wt％～55.0wt％，Al2O3 21.7wt％～30.0wt％，Fe2O3 0.3wt％～1.5wt％，TiO2 0.5wt％～4.0wt％，CaO 0.5wt％～1.5wt％，MgO 0.1wt％～0.5wt％，K2O 0.1wt％～0.5wt％，Na2O 0.05wt％～0.3wt％；以上重量百分比以粉煤灰提铝残渣的总重量为基准。
2.根据权利要求1所述的瓷质砖，其特征在于，所述瓷质砖的原料包括以下组分：
煤矸石22wt％～25wt％，
粉煤灰提铝残渣22wt％～25wt％，
高岭土6wt％～10wt％，
长石37wt％～39wt％，
石英1wt％～3wt％，和
滑石2wt％～2.5wt％；
上述重量百分比以瓷质砖的原料的总重量为基准。
3.根据权利要求1或2所述的瓷质砖，其特征在于，
所述煤矸石的化学组成范围按照质量百分比计为：SiO2 40.2wt％～55.0wt％，Al2O3 30.0wt％～40.0wt％，Fe2O3 0.3wt％～1.5wt％，TiO20.1wt％～1.0wt％，CaO 0.05wt％～1.0wt％，MgO 0.05wt％～0.5wt％，K2O 0.1wt％～0.5wt％，Na2O 0.05wt％～0.3wt％；以上重量百分比以煤矸石的总重量为基准。
4.根据权利要求3所述的瓷质砖，其特征在于，所述煤矸石的烧失量为8.0wt％～15.0wt％。
5.根据权利要求1或2所述的瓷质砖，其特征在于，所述粉煤灰提铝残渣的烧失量为6.7wt％～15.0wt％。
6.根据权利要求1或2所述的瓷质砖，其特征在于，所述粉煤灰提铝残渣的化学组成按照重量百分比计为：SiO2 47.0wt％～53.0wt％，Al2O323.07wt％～29.0wt％，Fe2O3 0.5wt％～1.0wt％，TiO2 1.0wt％～3.7wt％，CaO 1.0wt％～1.2wt％，MgO 0.15wt％～0.3wt％，K2O 0.2wt％～0.3wt％，Na2O 0.06wt％～0.1wt％；以上重量百分比以粉煤灰提铝残渣的总重量为基准。
7.根据权利要求6所述的瓷质砖，其特征在于，所述粉煤灰提铝残渣的烧失量为10.0wt％～13.5wt％。
8.根据权利要求1所述的瓷质砖，其特征在于，所述瓷质砖的吸水率为0.1wt％～0.3wt％，断裂模数为36～45MPa。
9.根据权利要求1所述的瓷质砖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)提供原料：按照权利要求1所述的瓷质砖的原料的重量百分比提供各个组分；
(2)制浆：将上述组分倒入球磨罐中，加入原料总重量0.4～0.8倍的水，湿法球磨制得浆料；
(3)造粒：将浆料喷雾进入干燥塔内，干燥塔温度为350～700℃，干燥喷雾状的浆料以形成粒状的粉料；
(4)陈腐：将上述粉料置于料仓中，存放1天以上；
(5)压坯：在20～60MPa的压力下，采用自动压砖机将陈腐后的粉料压制成生坯；
(6)干燥：在200～400℃下采用干燥窑将生坯烘干为干坯；
(7)烧结：在1150～1230℃下采用辊道窑将干坯烧结，冷却，制得瓷质砖。
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