CN109160743B - 一种高强耐火岩棉及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高强耐火岩棉及其制备方法，该岩棉包括钒钛磁铁矿废石，还包括矿渣和白云石或矿渣和石灰石。其中钒钛磁铁矿废石的质量分数为48％～75％，矿渣的质量分数为15％～34％，白云石或石灰石的质量分数为8％～18％，原料的质量百分比之和为100％。制备过程为：将各原料在熔制炉中熔融；熔体导入离心机成纤；压棉处理，形成板毡；将板毡送入固化炉中进行固化成型；修整、包装形成制品。本发明制备的岩棉的单丝纤维抗拉强度为1900～2000MPa，岩棉制品力学性能明显改善。化学耐久性显著提高，同时纤维受热后发生断裂现象的起始温度由650℃提高至1000℃左右。本发明的钒钛磁铁矿废石岩棉纤维生产过程中熔化性温度降低100℃～200℃，节能效果明显。

Description

一种高强耐火岩棉及制备方法

技术领域

本发明属于建筑节能材料和资源循环再利用领域，具体涉及一种高强耐火岩棉及其制备方法。

背景技术

随着我国外墙外保温技术的推广应用，外围护结构保温材料市场呈现出繁荣的发展态势，2015年伴随着《建筑防火设计规范》的颁布实施，有机保温材料被限制使用，岩棉保温板迎来了巨大的市场机遇。新建生产线在全国全面铺开，产能急剧上升，据中国绝热节能材料协会统计：截至2017年底，全国岩棉产能已达到400万吨，而且还在持续增加之中。随着岩棉板生产规模不断扩大，岩棉生产主要原料—玄武岩、辉绿岩等天然资源需求量日益增加。伴随着我国不断提升环境治理力度，开采天然资源受到了严格的限值和监管，大批没有合法手续的各类矿山被关闭。目前，岩棉生产企业存在玄武岩、辉绿岩等进货渠道不畅、来源不透明不合法、资源因限制开采而发生短缺现象，严重制约了岩棉行业的正常发展和产业技术进步。在这一背景下，寻找岩棉生产原料的替代品，已刻不容缓。

铁矿废石堆场通常地处山区，因山大沟深，土地资源稀缺，工业固体废弃物只能采取截沟筑坝集中排放，客观形成了企业生产经营成本高，汛期废石堆场安全压力大的工作局面。很多铁矿废石堆场超期或超负荷使用，甚至违规操作，存在极大安全隐患，对周边地区人民财产和生命安全造成严重威胁。可见，加强对铁矿废石等废弃物循环利用技术研究已刻不容缓。实施铁尾矿综合利用，解决潜在安全问题，是经济发展、社会发展的必然选择。

国内外研究人员已经成功将铁矿废石制备成粗细骨料，用于生产预拌砂浆和混凝土等建筑材料。这种方式尽管能解决规模化利用问题，但产品附加值较低。目前采用铁尾矿制备岩棉制品已有诸多研究报道。如，中国专利申请号为CN 102583996的申请文件公开了利用铁矿尾矿制造岩棉的方法。它将铁矿尾矿细粉加入水泥后压缩成型并干燥，制成料块，送入冲天炉后制备岩棉制品。但是该专利没有公开制备细节，同时由于冲天炉对料块强度有较高要求，所以必须保证料块中的水泥用量，该专利公开信息没有提出水泥用量数据，无法判断料块强度是否满足冲天炉要求；同时，如果掺入水泥，必然改变料块化学成分，显著影响岩棉制品的酸度系数。又如，中国专利申请号为CN 105314897 A公开了一种利用铁尾矿调整高炉渣粘度系数的方法。该专利是将满足一定化学成分的铁尾矿及高炉渣进行混合熔融，使得混合渣的酸度系数及粘度系数满足一定范围的要求。但该专利主要将铁尾矿掺入高炉矿渣后形成混合渣，然后再利用钼坩埚高温熔融后测试其高温粘度。所涉及的范围仅局限于实验室工作，与本专利关注的岩棉制品制备过程及方法相去甚远。

为此，本发明人提出使用钒钛磁铁矿废石来制备岩棉板，以为绿色建筑发展做出贡献。

发明内容

针对现有技术的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种高强耐火岩棉及其制备方法，利用钒钛磁铁矿废石作为主要原料，获得一种强度及耐火性等综合性能更好的岩棉制品，满足了当前绿色建筑对新型建筑材料迫切需要。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种高强耐火岩棉，包括钒钛磁铁矿废石、矿渣、白云石或石灰石。

进一步的，各原料的质量分数为：钒钛磁铁矿废石为48％～75％，矿渣为15％～34％，白云石或石灰石为8％～18％，原料的质量百分比之和为100％。

进一步的，各原料的质量分数为：钒钛磁铁矿废石10％，矿渣15％，白云石75％。

进一步的，所述的钒钛磁铁矿废石中各化学组成所占质量分数为：SiO₂为42.9％；Al₂O₃为12.66％；CaO为9.71％；MgO为5.38％；TiO₂为4.24％；TFe₂O₃为16.88％；Na₂O为4.82％；

所述的矿渣中各化学组成所占质量分数为：SiO₂为33.95％；Al₂O₃为13.49％；CaO为36.69％；MgO为7.92％；TiO₂为4.24％；TFe₂O₃为16.88％；Na₂O为1.59％；K₂O为0.71％；

所述的白云石中各化学组成所占质量分数为：SiO₂为4.54％；CaO为30.36％；MgO为21.44％；Na₂O为0.81％。

进一步的，所述的炉渣为炼铁矿渣冷却后得到块状废渣或其他经火法冶金工艺排出的有色废渣的一种。

本发明还给出一种高强耐火岩棉的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将钒钛磁铁矿废石、高炉矿渣和白云石或石灰石粉碎，然后按照质量分数混合；

步骤2：将粉碎后的混合料在熔炉中加热熔化，并保证炉内环境为氧化气氛；

步骤3：将步骤2得到的熔体通过离心方法甩成纤维状，然后在纤维表面喷洒粘结剂，再将纤维状岩棉叠加形成多层折叠结构的毡；

步骤4：将所述的多层毡进行打褶压制，在固化炉中进行固化成型，即可得到高强耐火岩棉。

进一步的，所述的混合料的熔融温度为1180℃～1280℃。

进一步的，所述的步骤3中，在纤维成型过程中存在未成纤的渣球，利用纤维与渣球的速度差将为成纤的渣球分离出去，然后采用空气雾化或多点喷射的方式将粘结剂喷洒到纤维表面。

进一步的，所述的钒钛磁铁矿废石的粒径为80～120mm，矿渣的粒径为80～120mm，白云石或石灰石的粒径为60～80mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)强度高：传统的玄武岩等作为原料制备的岩棉的单丝纤维抗拉抗拉强度为800～1200Mpa，而本发明制备的岩棉的单丝纤维抗拉强度为1900～2000MPa，岩棉制品力学性能明显改善。这是因为本发明的钒钛磁铁矿废石制备的岩棉纤维平均长度由传统的20～30mm增加到50～60mm，增加了60％左右；纤维平均细度由5～10μm降低到3μm～4μm左右，提高了岩棉纤维长径比，使得单丝钒钛磁铁矿废石岩棉纤维更加柔软，岩棉板的力学性能更为优异。

(2)耐火性好：钒钛磁铁矿废石制备的岩棉纤维中组成元素Fe的价态主要为三价，约占70％～80％，显著高于普通岩棉(Fe³⁺约占2～5％左右)，钒钛磁铁矿废石岩棉纤维玻璃体的网络结构更为致密，化学耐久性显著提高，同时纤维受热后发生断裂现象的起始温度由650℃提高至1000℃左右。

(3)保温隔热性好：将钒钛磁铁矿废石岩棉板表观密度控制在140kg/m³左右时，导热系数可控制在0.037W/m.K以下，优于《建筑外墙外保温用岩棉制品》GB25975-2010对岩棉板导热系数的限值要求，使得本发明的岩棉板保温隔热性能显著增加。

(4)节能：生产相同酸度系数的岩棉纤维，本发明的钒钛磁铁矿废石岩棉纤维生产过程中熔化性温度降低100℃～200℃，节能效果明显。

(5)化学耐久性高：本发明的钒钛磁铁矿废石生产岩棉纤维时，纤维中约含有2％～4％左右的TiO₂，纤维及制品的化学耐久性显著提高。

(6)废物利用率高：本发明的岩棉制备中几乎可以100％的使用了钒钛磁铁矿废石，提高了废物利用率，节约了成本。

以下结合具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明的岩棉的制备原料包括：钒钛磁铁矿废石、矿渣和白云石或石灰石。各原料的质量分数为：钒钛磁铁矿废石为30～100％，矿渣为0～50％，白云石或石灰石为0～20％，原料的质量百分比之和为100％。

炉渣为高炉炼铁矿渣缓慢冷却后得到块状废渣或其他经火法冶金工艺排出的有色废渣的一种。

本发明的钒钛磁铁矿废石中各组成的质量分数分别为：Fe₂O₃为10％～18％；SiO₂为35％～45％；Al₂O₃为9％～15％；MgO为6％～9％；CaO为8％～13％；TiO₂为2～4％；Na₂O和K₂O之和为3％～7％，且钒钛磁铁矿废石的酸度系数(即(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃))为1.8～4之间。

矿渣中各组成的质量分数分别为：Al₂O₃为10～15％；SiO₂为30～45％；MgO为6～9％；CaO为34～38％。

白云石中各组成的质量分数分别为：CaO为25～35％；MgO为20～25％；SiO₂为0％～5％；石灰石主要化学成分如下：CaO为50～60％；SiO₂为0％～5％。

优选的，当钒钛磁铁矿废石中SiO₂为42.9％；Al₂O₃为12.66％；CaO为9.71％；MgO为5.38％；TiO₂为4.24％；TFe₂O₃为16.88％；Na₂O为4.82％；矿渣中SiO₂为33.95％；Al₂O₃为13.49％；CaO为36.69％；MgO为7.92％；TiO₂为4.24％；TFe₂O₃为16.88％；Na₂O为1.59％；K₂O为0.71％；白云石中SiO₂为4.54％；CaO为30.36％；MgO为21.44％；Na₂O为0.81％时。

各原料的质量百分比为白云石10％；矿渣15％；钒钛磁铁矿废石75％，且钒钛磁铁矿废石的酸度系数为2.38。此时制备的岩棉板的单丝纤维抗拉强度为2115MPa，单丝纤维受热断裂温度为1000℃。

本发明还给出了上述岩棉的制备方法，具体为：

步骤1：根据熔化炉的需要，将钒钛磁铁矿废石、高炉矿渣和白云石或石灰石粉碎至所需粒径；以本发明中的钒钛磁铁矿废石、白云石或石灰石、矿渣为原料，焦炭(天然气、重油或电)为燃料。各原料按配比称量混合；

步骤2：将粉碎后的混合料在熔炉中加热熔化，融化温度为1180℃～1280℃；在熔化过程中保证炉内环境为氧化气氛，具体可通过降低铺料厚度和充入氧气的方式强化炉内供氧条件。这样可使得形成的熔体组成元素Fe为三价价态，起到玻璃体网络形成元素的作用。

步骤3：将步骤2得到的熔体由熔制炉虹吸口流出，经活动流槽被导入离心机成纤。在纤维成型过程中存在未成纤的渣球，利用纤维与渣球的速度差将为成纤的渣球分离出去，然后采用空气雾化或多点喷射的方式将粘结剂喷洒到纤维表面。纤维在集棉机的负压风抽吸作用下均匀被吸附到高速运行的集棉带上，形成很薄的初棉层。一次毡经过渡输送机送入摆锤机，形成多层折叠结构形式的二次毡；

步骤4：将二次毡通过打褶机和加压机，对二次毡进行纵向压缩，改变纤维分布结构，从而提高产品强度。然后在固化炉中进行固化成型，即可得到高强耐火岩棉板。再经过修整和包装即可得到岩棉制品。

优选的，钒钛磁铁矿废石的粒径为80～120mm，矿渣的粒径为80～120mm，白云石或石灰石的粒径为60～80mm。

本发明的熔炼设备可选焦炭冲天炉、燃气冲天炉、燃油冲天炉或电弧炉的一种。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1

先将钒钛磁铁矿废石、矿渣和白云石制备成焦炭冲天炉所需粒径，即钒钛磁铁矿废石粒径为80～120mm，矿渣粒径为80～120mm，白云石粒径为60～80mm，备用。各原料的组成为：白云石13.5％；矿渣30％；钒钛磁铁矿废石56.5％，酸度系数为1.8。

其中，钒钛磁铁矿废石化学成分如下：SiO₂ 42.9％；Al₂O₃ 12.66％；CaO 9.71％；MgO 5.38％；TiO₂ 4.24％；TFe₂O₃16.88％；Na₂O 4.82％。

矿渣化学成分如下：SiO₂ 33.95％；Al₂O₃ 13.49％；CaO 36.69％；MgO 7.92％；TiO₂ 4.24％；TFe₂O₃ 16.88％；Na₂O 1.59％；K₂O 0.71％。

白云石化学成分如下：SiO₂ 4.54％；CaO 30.36％；MgO 21.44％；Na₂O 0.81％。

将粉碎后的混合料在熔炉中加热熔化，熔融温度为1180℃，在融化过程中保证炉内环境为氧化气氛，将熔体由熔制炉虹吸口流出，经活动流槽被导入离心机成纤。在纤维成型过程中，采用空气雾化和多点喷射的方式，将粘结剂均匀施加在纤维表面。纤维在集棉机的负压风抽吸作用下均匀被吸附到高速运行的集棉带上，形成很薄的初棉层。一次毡经过渡输送机送入摆锤机，形成多层折叠结构形式的二次毡；将二次毡通过打褶机和加压机，对二次毡进行纵向压缩，改变纤维分布结构，从而提高产品强度。然后在固化炉中进行固化成型，具体的固化温度为230℃下保温8h，即可得到高强耐火岩棉板。再经过修整和包装即可得到岩棉制品。

本实施例制备的岩棉板的性能测试结果如表1和表2所示。

实施例2

本实施例与实施例1的区别是：各原料的质量分数为：白云石为18％；矿渣34％；钒钛磁铁矿废石48％，酸度系数为1.6。

本实施例制备的岩棉板的性能测试结果如表1。

实施例3

本实施例与实施例1的区别是：各原料的质量分数为：白云石为9％；矿渣26％；钒钛磁铁矿废石65％，酸度系数为2.0。

本实施例制备的岩棉板的性能测试结果如表1。

实施例4

本实施例与实施例1的区别是：各原料的质量分数为：白云石8％；矿渣25％；钒钛磁铁矿废石67％，酸度系数为2.1。

本实施例制备的岩棉板的性能测试结果如表1。

实施例5

本实施例与实施例1的区别是：各原料的质量分数为：白云石10％；矿渣15％；钒钛磁铁矿废石75％，酸度系数为2.38。

本实施例制备的岩棉板的性能测试结果如表1。

对比例1

本对比例与实施例1的区别是：将钒钛磁铁矿废石替换为玄武岩，各原料的质量分数为：白云石15％；矿渣40％；玄武岩45％。

本对比例制备的岩棉板的性能测试结果如表1和表2所示。

对比例2

本对比例与实施例1的区别是：采用钒钛磁铁矿石原矿替代铁矿废石作为原料。由于钒钛磁铁矿石原矿的TFe含量超过30％，经试验发现熔体成纤性能较差，纤维平均长度在10mm以下，渣球含量过大，甚至超过20％，难以岩棉制品的质量要求。

以下给出上述实施例和对比例的性能测试结果。

表1实施例1～5与对比例的岩棉板的性能测试结果

名称	熔化性温度(℃)	抗拉强度(MPa)	单纤维受热断裂温度(℃)
				实施例1	1180	1975	890
实施例2	1250	1821	935
				实施例3	1205	2010	910
实施例4	1198	1965	960
				实施例5	1220	2115	1000
对比例1	1350	890	710

表2实施例1制备的岩棉和对比例的岩棉纤维测试结果

由以上测试结果可以得出：本发明的制备的岩棉纤维长度更细、更长，说明纤维本身的性能较玄武岩岩棉纤维更优异；酸度系数可以做到更高，酸度系数越高，岩棉纤维的耐久性约好，另外，本发明的岩棉中的二氧化钛进一步增加了纤维耐久性。

Claims (3)

1.一种高强耐火岩棉，其特征在于，该岩棉包括钒钛磁铁矿废石、矿渣、白云石；

各原料的质量分数为：钒钛磁铁矿废石为48％～75％，矿渣为15％～34％，白云石为8％～18％，原料的质量百分比之和为100％；

所述的高强耐火岩棉的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将钒钛磁铁矿废石、高炉矿渣和白云石粉碎，然后按照质量分数混合；

步骤2：将粉碎后的混合料在熔炉中加热熔化，并保证炉内环境为氧化气氛；所述的混合料的熔融温度为1180℃～1280℃；

步骤3：将步骤2得到的熔体通过离心方法甩成纤维状，然后在纤维表面喷洒粘结剂，再将纤维状岩棉叠加形成多层折叠结构的毡；

步骤4：将所述的多层毡进行打褶压制，在固化炉中进行固化成型，即可得到高强耐火岩棉；

所述步骤3中，在纤维成型过程中存在未成纤的渣球，利用纤维与渣球的速度差将未成纤的渣球分离出去，然后采用空气雾化或多点喷射的方式将粘结剂喷洒到纤维表面；

所述的钒钛磁铁矿废石的粒径为80～120mm，矿渣的粒径为80～120mm，白云石的粒径为60～80mm。

2.如权利要求1所述的高强耐火岩棉，其特征在于，所述的矿渣为炼铁矿渣冷却后得到块状废渣或其他经火法冶金工艺排出的有色废渣的一种。

3.权利要求1至2任意一项所述的高强耐火岩棉的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：将钒钛磁铁矿废石、高炉矿渣和白云石粉碎，然后按照质量分数混合；

步骤2：将粉碎后的混合料在熔炉中加热熔化，并保证炉内环境为氧化气氛；所述的混合料的熔融温度为1180℃～1280℃；

步骤3：将步骤2得到的熔体通过离心方法甩成纤维状，然后在纤维表面喷洒粘结剂，再将纤维状岩棉叠加形成多层折叠结构的毡；

步骤4：将所述的多层毡进行打褶压制，在固化炉中进行固化成型，即可得到高强耐火岩棉；

所述步骤3中，在纤维成型过程中存在未成纤的渣球，利用纤维与渣球的速度差将未成纤的渣球分离出去，然后采用空气雾化或多点喷射的方式将粘结剂喷洒到纤维表面；

所述的钒钛磁铁矿废石的粒径为80～120mm，矿渣的粒径为80～120mm，白云石的粒径为60～80mm。