CN104446628A

CN104446628A - 一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法

Info

Publication number: CN104446628A
Application number: CN201410768125.9A
Authority: CN
Inventors: 周明凯; 王怀德; 彭丽芬
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Shanxi Honghou Building Materials Technology Development Co., Ltd.
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-12-12
Also published as: CN104446628B

Abstract

本发明公开了一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法，以煤矸石、助熔剂和发泡剂为原料，并通过粉磨、均化、造粒、高温烧结、发泡等过程，制备轻质、高强保温隔热墙体材料。本发明涉及的煤矸石掺入量大，并利用煤矸石中的残余碳充分燃烧产生的热量，使煤矸石引入的热量基本可满足烧成要求，节约燃料并大幅度降低生产成本。本发明制得的保温墙体材料具有轻质、高强的特点，其体积密度为250～600kg/m³，抗压强度为3.0～11.0MPa，导热系数为0.08～0.13W/(m·k)，是一种集保温、防水、防火、耐腐蚀和抗老化性能的新型隔热保温墙体材料，切割成砌块可以用作自保温墙体材料，切割成条板可用作轻质隔墙板。

Description

一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法。

背景技术

煤矸石是煤伴生废石，在掘进、开采和洗煤过程中排出的固体废弃物，是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，且具有一定的热值。我国年排放量6亿吨，目前已累计堆放50多亿吨，成为我国排放量最大的工业固体废弃物之一。煤矸石排放堆积不仅造成资源浪费、占用土地，且存在一定的环境污染等隐患。根据有关资料报道，国外一些国家对煤矸石的利用已达90％以上，而我国现阶段对煤矸石的利用率仅30％左右，主要用于发电，提取各种铝制化合物，建筑用砖等方面，虽然这些应用实现了煤矸石的部分资源化利用，但是利用率低，甚至会造成二次污染。

目前我国外墙一般采用蒸压加气混凝土砌块外加保温层的墙体结构，该墙体结构层次复杂，多次施工，墙体整体性差。常用的蒸压加气混凝土砌块存在吸水率高、抗冻性能差、强度低、导热系数较高等不足，外墙保温层采用的聚苯板等有机材料存在防火性能差、易老化、使用寿命短等缺陷。而内墙常用的水泥类轻质隔墙则存在易收缩开裂的问题；现有的发泡陶瓷保温板烧成温度窄(对烧结温度控制要求高)、且需采用湿法粉磨，喷雾干燥，隧道窑单层烧制等高能耗工艺，导致生产成本高市场竞争差。因此，急需开发新型轻质保温墙体材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法，该方法以煤矸石为主要原料，并由煤矸石作为主要燃料制备轻质保温墙体材料，涉及的制备工艺简单、生产成本和能耗低，并可同步实现煤矸石资源化利用，制得的墙体材料具有轻质、高强、防水和隔热等优异性能，可用作自保温墙体及室内隔墙材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法，以煤矸石、助熔剂和发泡剂为原料，各原料所占质量百分比为：煤矸石71～95％，助熔剂4.5～26.5％，发泡剂0.3～2.5％，其制备方法包括以下步骤：

1)原料的制备：按设计配比称取各种原料，装入球磨机球磨、混合，得混合粉料；

2)造粒：将步骤1)中制得的混合粉料进行造粒，制成粒度为0.5～10mm粒状粉料。

3)装模：将步骤2)中制得的粒状粉料装入涂有脱模材料的拼装式耐火材料模具中；

4)将步骤3)中装有混合粉料的耐火模具送入窑炉内，经预热升温、烧结、发泡三个阶段烧制发泡材料，预热升温阶段所需热量由窑炉内的高温烟气提供，当温度升至500～650℃时，煤矸石中残余碳发生燃烧，对混合粉料的烧结和发泡过程提供热量，同时通过窑炉烧成带设置的烧嘴根据需要补充燃料，控制窑炉温度升至发泡温度1150～1220℃，升温速率为2～8℃/min，在发泡温度下保温0.5～2h，得发泡材料；

5)冷却、脱模、切割：将步骤4)中得到的发泡材料在窑炉中冷却至常温，出窑后经脱模，所需的轻质保温墙体材料(自保温砌块或隔墙板)。

根据上述方案，所述煤矸石中Al₂O₃≥15wt％。

根据上述方案，所述助熔剂是为长石、碎玻璃、铁尾矿、白云石、滑石、菱镁矿、纯碱、碳酸钾、萤石、硼砂中的一种或几种按任意配比混合，用于降低烧结温度并改善发泡性能。

根据上述方案，所述发泡剂为碳化硅、三氧化二铁、硫酸钙中的一种或几种按任意配比混合。

根据上述方案，所述高温烟气主要为粉料中煤矸石残余碳燃烧时产生的高温烟气或窑炉烧成带燃烧设备(烧嘴)中燃料燃烧产生的高温烟气。

根据上述方案，粉磨采用干法粉磨或湿法粉磨，粉磨至原料细度≤50μm，粉磨过程中实现各原料的均化。其中干法粉磨制备的粉料可直接装模，为减少粉磨过程中的粉料的团聚提高物料混合的均匀性，可引入一定量的分散剂，分散剂为三乙醇胺、二乙二醇等，掺入量占固体原料质量的0.01～0.03％。

根据上述方案，所述窑炉为隧道窑或辊道窑，窑炉烧成带设置烧嘴，补充气体或液体燃料，并控制和调节烧结、发泡温度。所述燃料为气体燃料或液体燃料，气体燃料为天然气或煤气，液体燃料为轻质柴油或重油。

根据上述方案，所述耐火模具是由一个底板和四个围边条组成，可以根据产品尺寸要求自由组合围边条，组成矩形摸框；脱模材料为氧化铝粉或耐高温棉纸。

根据上述方案，所述高温烧结、发泡所需热量主要利用煤矸石自身的热量，并通过烧嘴补充少量其它燃料调节烧成温度。具体实现过程为：所述混合粉料置于窑炉后经预热、高温烧结、发泡、冷却等过程出窑，其中预热升温阶段所需的热量主要由窑内高温烟气提供，当温度达到煤矸石的残余碳燃烧温度500～650℃时，后续的热升温过程及高温烧结、发泡过程所需的热量主要由煤矸石中残余碳不断得到充分燃烧产生，热量不足部分由窑炉烧成带设置的烧嘴喷入气体或液体燃料进行补充，控制温度升至发泡温度1150～1220℃，且升温速率控制为2～8℃/min，在发泡温度保温0.5～2h，完成烧结、发泡过程。

本发明的有益效果：

(1)本发明以工业固体废弃物煤矸石为主料原料，煤矸石的利用率在71％以上，甚至高达95％，煤矸石利用量大，利用率高，开辟了一种煤矸石高效利用的新途径。不仅实现了废弃物资源化利用，而且节约天然矿产资源，利于环境的保护和改善。

(2)本发明所用原料煤矸石具有一定的热值，可为高温烧结、发泡过程提供部分或全部热量，显著降低补充燃料的使用量，从而节约燃料，大幅度降低生产成本。

(3)本发明采用的干法粉磨、辊道窑烧成工艺，节能约40％，实现了泡沫陶瓷保温材料节能低成本制备。

(4)本发明也可采用的干法粉磨、隧道窑多层架窑煅烧工艺，节能约20％，生产效率可成倍提高。

(5)本发明所制备的墙体材料为经高温烧制而成的无机保温材料，其具有的轻质、高强、导热系数低、不燃和吸水率低等优良性能，可用作自保温墙体材料，解决了传统轻质墙体材料蒸压加气混凝土砌块存在的吸水率高、抗冻性能差、强度低和导热系数高的问题，同时解决了传统有机类外墙保温材料存在的易燃、易老化、使用寿命短等问题，是一种新型的墙体保温材料。

(6)本发明所制备的墙体材料是一种集填充、保温、装饰三位一体的新型绿色外墙材料，可有效保证墙体的整体性，并可减少施工工序，缩短施工周期，降低施工成本。

本发明所制备的墙体材料也可用作轻质隔墙板，具有轻质、隔音和体积稳定性好等优点，且便于安装，表面平整，不需抹砂浆，可降低施工费用。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下的实施例中，制备的轻质保温墙体材料的性能测试方法如下：抗压强度的测试方法参照《泡沫玻璃绝热制品》(JC/T647-2005)；热导率的测试方法参照《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定—防护热板法》(GB/T10294-2008)；容重和吸水率的测试方法参照《多孔陶瓷性能测试方法》(GB/T1966-1996)。

实施例1

一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法，各原料及其所占质量百分比为：煤矸石88％，白云石3.8％，碎玻璃7％，发泡剂1.2％，所述煤矸石为粘土岩矸石，所述发泡剂为碳化硅和硫酸钙的混合物，其中碳化硅和硫酸钙的质量比为1:1，其制备方法包括以下步骤：

1)将称量好的各种原料共同装入球磨机中，进行干法粉磨，为减少粉磨过程中粉料的团聚提高均化效果，按占固体原料质量0.2‰的比例加入三乙醇胺作为分散剂，粉磨至细度≤50μm，得到混合粉料；

2)将所得的混合粉料，通过造粒机制成0.5～10mm的粒状粉料；

3)将所得粒状粉料直接装入涂有氧化铝(脱模材料)的拼装式耐火材料模具中，将表面刮平；

4)将装有粒状粉料的耐火模具送入隧道窑中，粒状粉料首先与窑内的高温烟气进行热交换，温度升至500℃左右时，煤矸石中的残余碳着火燃烧，为后续升温及高温烧结、发泡过程提供热量，热量不足部分通过安装在窑炉内烧成段的天然气烧嘴喷入天然气加以补充，并控制发泡温度和时间，当温度达到1050℃左右时，烧结过程开始，温度达到1175℃时开始发泡，整个升温过程的速率控制在2～8℃/min，在发泡温度1175℃下，保温2.0h，发泡完成，制得发泡材料；

5)保温结束后经冷却、脱模、切割得所述轻质保温墙体材料。

本实施例煤矸石中的残余碳燃烧提供的热量为整个烧成过程所需热量的65％，其余热量通过烧成带的烧嘴喷入天然气进行补充，以控制发泡温度，实现充分烧结和发泡过程，将制得的轻质保温墙体材料按上述标准对材料性能进行测试，测试结果如表1所示。

表1实施例1制得的轻质保温墙体材料的性能

实施例2

一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法，各原料及其所占质量百分比为煤矸石71％，钠长石18％，菱镁矿8.5％，发泡剂2.5％，发泡剂为碳化硅和氧化铁的混合物，其中碳化硅和氧化铁的质量比为0.5:2，其制备方法包括以下步骤：

1)将称量好的各种原料共同装入球磨机中，进行干法粉磨，为减少粉磨过程中粉料的团聚提高均化效果，按占固体原料质量0.3‰的比例加入二乙二醇作为分散剂，粉磨至细度≤50μm，得到混合粉料；

2)将所得的混合粉料，通过造粒机制成0.5～10mm的粒状粉料；将所得粒状粉料直接装入涂有氧化铝(脱模材料)的拼装式耐火材料模具中，将表面刮平；

3)将装有粒状粉料的耐火模具送入辊道窑中，粒状粉料首先与窑内的高温烟气进行热交换，温度升至600℃左右时，煤矸石中的残余碳着火燃烧，为后续升温及高温烧结、发泡过程提供热量，热量不足部分通过安装在窑炉内烧成段的天然气烧嘴喷入天然气加以补充，并控制发泡温度和时间，温度达到1175℃时开始发泡，整个升温过程的速率控制在2～6℃/min，在发泡温度1150℃下，保温1.5h，发泡完成，制得发泡材料；

4)保温结束后经冷却、脱模、切割得所述轻质保温墙体材料。

本实施例煤矸石中的残余碳燃烧提供的热量为整个烧成过程所需热量的80％，其余热量通过烧成带的烧嘴喷入天然气进行补充。将制得的轻质保温墙体材料按上述标准对材料性能进行测试，测试结果如表2所示。

表2实施例2制得的轻质保温墙体材料的性能

实施例3

一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法，各原料组成质量百分比为：煤矸石82％，钾长石6％，铁尾矿4％，菱镁矿6.4％，发泡剂1.6％，所述煤矸石为所述发泡剂为碳化硅与硫酸钙的混合物，其中碳化硅与硫酸钙的质量比为0.6:1，其制备方法包括以下步骤：

3)将装有粒状粉料的耐火模具送入隧道窑中，粒状粉料首先与窑内的高温烟气进行热交换，温度升至600℃左右时，煤矸石中的残余碳着火燃烧，为后续升温及高温烧结、发泡过程提供热量，热量不足部分通过安装在窑炉内烧成段的天然气烧嘴喷入天然气加以补充，并控制发泡温度和时间，温度达到1190℃时开始发泡，整个升温过程的速率控制在2～6℃/min，在发泡温度1190℃下，保温1.1h，发泡完成，制得发泡材料；

本实施例煤矸石中的残余碳燃烧提供的热量为整个烧成过程所需热量的82％，其余热量通过烧成带的烧嘴喷入天然气进行补充。将制得的轻质保温墙体材料按上述标准对材料性能进行测试，测试结果见表3。

表3实施例3制得的轻质保温墙体材料的性能

实施例4

一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法，各原料组成质量百分比为：煤矸石95％，纯碱2，萤石1％，白云石1.7％，发泡剂0.3％，所述发泡剂为碳化硅。

3)将装有粒状粉料的耐火模具送入隧道窑中，首先的高温烟气进行热交换，温度升至600℃左右时，煤矸石中的残余碳着火燃烧，为后续升温及高温烧结、发泡过程提供热量，温度达到1200℃时开始发泡，整个升温过程的速率控制在2～5℃/min，在发泡温度1220℃下，保温0.5h，发泡完成，制得发泡材料；

本实施例煤矸石中的残余碳燃烧提供的热量能满足整个烧成过程所需热量，无需补充天然气等其他燃料。将制得的轻质保温墙体材料按上述标准对材料性能进行测试，测试结果如表2所示。

表4实施例4制得的轻质保温墙体材料的性能

实施例1～4轻质保温墙体材料以煤矸石为主要原料，煤矸石掺入比例高达71～95％，制备过程中充分利用煤矸石的残余碳所提供热量，为高温烧结、发泡过程提供部分或全部热量，从而大幅降低补充燃料成本。制得的材料具有的轻质、高强、导热系数低、不燃、吸水率低等优良性能。与传统轻质墙体材料蒸压加气混凝土砌块相比，在强度、抗冻性、保温、防渗等性能上具有明显优势；与目前普遍采用的有机类外墙高保温材料相比，具有防火、不老化与建筑物同寿命等突出优势；是一种低生产成本的新型墙体保温材料，可用于自保温墙体，室内隔墙等。

发明涉及的各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如温、时间等)的下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims

1.一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法，其特征在于，以煤矸石、助熔剂和发泡剂为原料，各原料所占质量百分比为：煤矸石71～95％，助熔剂4.5～26.5％，发泡剂0.3～2.5％，其制备方法包括以下步骤：

1)原料的制备：按设计配比称取各种原料，装入球磨机粉磨、混合，得混合粉料；

2)造粒：将步骤1)中制得的混合粉料进行造粒得到粒状粉料；

3)装模：将步骤2)中制得的粒状粉料装入耐火材料模具中；

4)烧结、发泡：将步骤3)中装有粒状粉料的耐火模具送入窑炉内，首先通过窑炉内的高温烟气进行预热升温，同时通过窑炉烧成带设置的烧嘴补充燃料，控制窑炉温度升至发泡温度1150～1220℃，升温速率为2～8℃/min，在发泡温度下保温0.5～2h，得发泡材料；

5)冷却、脱模、切割：将步骤4)中得到的发泡材料在窑炉中冷却至常温，出窑后经脱模、切割得轻质保温墙体材料。

2.根据权利要求1所述的制备轻质保温墙体材料的方法，其特征在于，所述煤矸石中Al₂O₃≥15wt％。

3.根据权利要求1所述的制备轻质保温墙体材料的方法，其特征在于，所述助熔剂为长石、碎玻璃、铁尾矿、白云石、滑石、菱镁矿、纯碱、碳酸钾、萤石、硼砂中的一种或几种按任意配比混合。

4.根据权利要求1所述的制备轻质保温墙体材料的方法，其特征在于，所述发泡剂为碳化硅、三氧化二铁、硫酸钙中的一种或几种按任意配比混合。

5.根据权利要求1所述的制备轻质保温墙体材料的方法，其特征在于，粉磨采用干法粉磨，粉磨至原料细度≤50μm。

6.根据权利要求1所述的制备轻质保温墙体材料的方法，其特征在于，造粒后所得粒状粉料的粒度为0.5～10mm。

7.根据权利要求1～6任一项所述的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述窑炉为隧道窑或辊道窑；采用隧道窑时，通过多层架窑方法煅烧。