CN110040994A - 一种陶粒砂及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土耐火材料的技术领域，具体涉及一种陶粒砂，其由包括如下重量份的组分加工而成：煤矸石60‑83份，莫来石5‑15份和高岭土10‑25份；还公开了该陶粒砂的加工工艺，将原料破碎后高速混合均匀，逐步升温烧结后，逐步降温冷却，破碎，筛分即得；本发明加工得到的陶粒砂，具有良好的耐火性能和筒压强度，性能优于传统的煤矸石陶粒砂。

Description

一种陶粒砂及其加工工艺

技术领域

本发明涉及混凝土耐火材料的技术领域，具体涉及一种陶粒砂及其加工工艺。

背景技术

陶粒砂，顾名思义，就是陶质的颗粒，较细的称之为砂，又名石油压裂支撑剂，外观特征大部分呈圆形或椭圆形球体。陶粒砂具有密度低、保温隔热、耐火性能好等众多优点。目前陶粒砂是利用粘土、板岩、页岩、粉煤灰、黄土、污泥等多种原料，经过不同的加工工艺制作而成，主要有铝钒土陶粒砂、铝钒土陶粒砂、黏土陶粒砂、页岩陶粒砂、垃圾陶粒砂、污泥陶粒等。目前对采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物——煤矸石，利用较为欠缺。

煤矸石是矿业固体废物的一种，包括洗煤厂的洗矸、煤炭生产中的手选矸、半煤巷和岩巷掘进中排出的煤和岩石以及和煤矸石一起堆放的煤系之外的白矸等的混合物。煤矸石是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，具有低发热值，含碳20％-30％，有些含腐殖酸。现有技术中，已将煤矸石应用于生产矸石水泥、耐火混凝土、耐火砖等建筑材料中，将煤矸石直接应用于加工陶粒砂中的研究较少。

专利申请号为01141408.1的发明专利中公开了煤矸石陶粒及其制备方法，通过将煤矸石粉、粘合剂、添加剂和粉煤灰膨胀固化剂混料、制球、干燥、烧结、筛分得到陶粒，为了保证陶粒的强度、耐火性能及品质，在加工过程中将烧结温度控制的较高，能耗大。专利申请号为200610019343.8的发明专利中公开了一种煤矸石陶粒的制备方法，将煤矸石和长石混合，研细，掺水成球，干燥，逐步加温至900-1150℃烧制后冷却，得到成品陶粒；该专利申请中虽然相对降低了烧结温度，但是成品陶粒的强度及耐火性能有待提高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种陶粒砂，具有耐火性能好且强度高的优点。

本发明的第一个目的通过以下技术方案来实现：

一种陶粒砂，其由包括如下重量份的组分加工而成：煤矸石60-83份，莫来石5-15份和高岭土10-25份。

通过采用上述技术方案，煤矸石的无机成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属，其中Al₂O₃的重量百分含量为16-36％，MgO的重量百分含量为0.44-2.41％，使煤矸石具有较好的耐火性能。莫来石(Aluminum silicate)，别名莫乃石、蓝晶石、富铝红柱石，是一种优质的耐火原料，天然的莫来石晶体为细长的针状且呈放射簇状，莫来石矿被用来生产高温耐火材料；莫来石还可被应用于陶瓷、冶金、铸造、电子等行业，具有耐高温、强度高、导热系数小、节能效果显著等特点。高岭土是一种非金属矿产，是一种以高岭石族粘土矿物为主的粘土和粘土岩，因呈白色而又细腻，又称白云土；其矿物成分主要由高岭石、埃洛石、水云母、伊利石、蒙脱石以及石英、长石等矿物组成；高岭土用途十分广泛，主要用于造纸、陶瓷和耐火材料。本发明将自身具有耐火性能的煤矸石、莫来石和高岭土混合后加工得到陶粒砂，无需通过提高烧结温度而保证陶粒砂的性能，不仅具有良好的耐火性能，而且筒压强度达到一等品要求。

作为优选，其由包括如下重量份的组分加工而成：煤矸石65-75份，莫来石8-12份和高岭土15-20份。

通过采用上述技术方案，通过优化各组分含量，进一步提高陶粒砂的耐火性能及强度。

作为优选，其还包括明矾土1-10份。

通过采用上述技术方案，明矾土，即明矾石的粉末状态，是一种广泛分布的含氢氧根离子的复杂硫酸盐，属三方晶系的硫酸盐矿物，其含有Al₂O₃，可进一步提高陶粒砂的耐火性能。明矾石矿用于水泥工业的历史悠久，其加工得到的水泥机械性能强，利用明矾石及其残渣制取多种性能、多种用途的水泥制品己实现工业化生产。如明矾石膨胀水泥是一种省能源、省资源的抗裂防渗新型水泥；为解决沸石水泥早期强度偏低问题，用明矾石化凝灰岩掺入沸石水泥中，制成双掺水泥，调节了水泥标号，改善水泥性能，提高了水泥质量。目前将明矾石应用于陶粒砂中的研究较少。

作为优选，其由包括如下重量份的组分加工而成：煤矸石65-75份，莫来石8-12份，高岭土15-20份和明矾土2-7份。

通过采用上述技术方案，通过优化各组分含量，进一步提高陶粒砂的耐火性能及强度。

作为优选，所述煤矸石包括如下重量百分含量的化学成分：含碳量≤25％，Al₂O₃≥30％，MgO≥2％，SiO₂≤45％，Fe₂O₃≤8％，CaO≤2％，TiO₂≤3％，K₂O+Na₂O≥2％，杂质总量≤0.2％。

通过采用上述技术方案，控制煤矸石中Al₂O₃和MgO的含量，提高其加工形成的陶粒砂的耐火性能；控制含碳量适中，满足陶粒砂的强度要求；控制并适当提高碱金属的含量，可以降低加工过程中的烧结温度。

作为优选，所述莫来石中含有Al₂O₃ 58-62wt％，Na₂O≤0.3wt％。

通过采用上述技术方案，控制并适当提高碱金属的含量，可以降低加工过程中的烧结温度；本发明中的烧结温度相比于传统的工艺降低了50-150℃。

作为优选，所述高岭土中含有Al₂O₃ 39.3-39.8wt％。

作为优选，所述明矾土中含有Al₂O₃ 36.9-37.1wt％。

通过采用上述技术方案，控制各组分中Al₂O₃的含量，进一步提高陶粒砂的耐火性能。

本发明的第二个目的是提供一种上述陶粒砂的加工工艺，相比于传统的加工方法，节省了烧结时间，降低了烧结温度，加工完成的陶粒砂强度和耐火性能均满足要求。

本发明的第二个目的通过以下技术方案来实现：

一种陶粒砂的加工工艺，其包括如下加工步骤：

(1)将各原料组分破碎，于2000-3000r/min的转速下混合均匀，得到混合料；

(2)将上述混合料于15-25min升温至220-250℃；于20-30min升温至350-500℃，并保持15-25min；于80-100min升温至900-1100℃，并保持30-50min，得到烧结块料；

(3)将上述烧结块料冷却后破碎，筛分，得到陶粒砂。

通过采用上述技术方案，在2000-3000r/min的高速混合下，使各原料之间不是简单的停留在原料表层的机械混合，而是使不同原料之间互穿内部结构，形成稳定且均质的混合料，提高了陶粒砂的结构强度和稳定性；由于混合料均质效果较好，各个局部组成基本一致，相比于传统的加工方法，可以降低烧结时间及烧结温度；通过逐步升温烧结，保证陶粒砂的品质。

作为优选，所述步骤(3)中，于5-10min冷却至600-700℃；于10-15min冷却至400-500℃；于5-10min冷却至10-30℃。

通过采用上述技术方案，通过逐步冷却降温，降低次品的数量，保证陶粒砂的品质。

综上所述，本发明具有如下有益效果：

(1)陶粒砂的原料组成简单，但筒压强度最高达到4.9MPa，制成的混凝土试块抗压强度高达86MPa，并且经过不同温度层次的烧结后抗压强度最低保持在52MPa，耐火性能和抗压强度均优于现有技术的陶粒砂；

(2)控制陶粒砂原料自身的化学成分，并在加工过程中对原料进行高速混合，使烧结温度相比于传统工艺降低了50-150℃，降低了烧结过程的能耗。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的内容进行进一步的说明。

本发明中的各原料选择要求具体为：选择包括如下重量百分含量的化学成分的煤矸石：含碳量≤25％，Al₂O₃≥30％，MgO≥2％，SiO₂≤45％，Fe₂O₃≤8％，CaO≤2％，TiO₂≤3％，K₂O+Na₂O≥2％，杂质总量≤0.2％；选择规格为RS-M60的莫来石，其含有Al₂O₃ 58-62wt％，Na₂O≤0.3wt％；选择含有Al₂O₃ 39.3-39.8wt％的高岭土；选择含有Al₂O₃ 36.9-37.1wt％的明矾石，并用破碎机将其破碎为明矾土。

实施例1

一种陶粒砂，其通过如下加工工艺制得：

(1)称取原料煤矸石60kg、莫来石8kg和高岭土10kg，加入破碎机中破碎成颗粒，并用传送带传送于高速混合机中，于2000r/min的转速下高速混合30min，混合均匀后得到混合料；为了提高混合料的成型效果，在高速混合时按照需要加入原料总量5％的水，保证混合料自然形成球状；

(2)将上述混合料传送于回转窑中，并在回转窑内于15min升温至220℃；于20min升温至350℃，并保持15min；于80min升温至900℃，并保持50min，得到烧结块料；

(3)将上述烧结块料于5min冷却至700℃；于10min冷却至500℃；于5min冷却至30℃后，送至高速造粒机中破碎，用筛网筛分出粒径为20-40目的颗粒，即得到成品陶粒砂。

实施例2

一种陶粒砂，其通过如下加工工艺制得：

(1)称取原料煤矸石60kg、莫来石8kg和高岭土10kg，加入破碎机中破碎成颗粒，并用传送带传送于高速混合机中，于2400r/min的转速下高速混合30min，混合均匀后得到混合料；为了提高混合料的成型效果，在高速混合时按照需要加入原料总量5％的水，保证混合料自然形成球状；

(2)将上述混合料传送于回转窑中，并在回转窑内于20min升温至235℃；于26min升温至430℃，并保持21min；于90min升温至1000℃，并保持30min，得到烧结块料；

(3)将上述烧结块料于8min冷却至660℃；于13min冷却至460℃；于8min冷却至23℃后，送至高速造粒机中破碎，用筛网筛分出粒径为30-50目的颗粒，即得到成品陶粒砂。

实施例3

一种陶粒砂，其通过如下加工工艺制得：

(1)称取原料煤矸石60kg、莫来石8kg和高岭土10kg，加入破碎机中破碎成颗粒，并用传送带传送于高速混合机中，于3000r/min的转速下高速混合24min，混合均匀后得到混合料；为了提高混合料的成型效果，在高速混合时按照需要加入原料总量5％的水，保证混合料自然形成球状；

(2)将上述混合料传送于回转窑中，并在回转窑内于25min升温至250℃；于30min升温至500℃，并保持25min；于100min升温至1050℃，并保持40min，得到烧结块料；

(3)将上述烧结块料于10min冷却至600℃；于15min冷却至400℃；于10min冷却至10℃后，送至高速造粒机中破碎，用筛网筛分出粒径为40-70目的颗粒，即得到成品陶粒砂。

实施例4

一种陶粒砂，其通过如下加工工艺制得：

(1)称取原料煤矸石60kg、莫来石8kg和高岭土10kg，加入破碎机中破碎成颗粒，并用传送带传送于高速混合机中，于3000r/min的转速下高速混合35min，混合均匀后得到混合料；为了提高混合料的成型效果，在高速混合时按照需要加入原料总量5％的水，保证混合料自然形成球状；

(2)将上述混合料传送于回转窑中，并在回转窑内于25min升温至250℃；于30min升温至500℃，并保持25min；于100min升温至1100℃，并保持50min，得到烧结块料；

(3)将上述烧结块料于10min冷却至600℃；于13min冷却至450℃；于7min冷却至26℃后，送至高速造粒机中破碎，用筛网筛分出粒径为70-140目的颗粒，即得到成品陶粒砂。

实施例5-14

实施例5-14的加工方式与实施例3相同，仅原料组成和含量不同，具体见表1中所示。

表1实施例1及实施例5-14的原料组成及含量

对比例1

对比例1与实施例3的区别在于：步骤(1)中将各原料破碎后，在200r/min的转速下混合24min，其余与实施例3一致。

对比例2

对比例2与实施例3的区别在于：步骤(2)中，在回转窑内于25min升温至350℃；于30min升温至550℃，并保持25min；于100min升温至1150℃，并保持40min，得到烧结块料，其余与实施例3一致。

对比例3

对比例3与实施例3的区别在于：步骤(3)中，将烧结块料于10min冷却至650℃；于15min冷却至450℃；于10min冷却至20℃，其余与实施例3一致。

对比例4

对比例4与实施例3的区别在于：步骤(2)中，在回转窑内于25min升温至350℃；于30min升温至550℃，并保持25min；于100min升温至1150℃，并保持40min，得到烧结块料；步骤(3)中，将烧结块料于10min冷却至650℃；于15min冷却至450℃；于10min冷却至20℃，其余与实施例3一致。

对比例5

专利申请号为01141408.1的发明专利中实施例1制备的煤矸石陶粒。

对比例6

专利申请号为200610019343.8的发明专利中实施例8的高强陶粒。

效果例

用GB/T 17431.1-1998及GB/T 17431.1-1998的检测方法和标准对本发明实施例1-14以及对比例1-6的陶粒砂进行性能测试，各项性能均符合标准要求，其中强度检测结果见表2。

表2实施例1-14及对比例1-6陶粒砂的性能检测结果

	密度等级	堆积密度(kg/m<sup>3</sup>)	筒压强度(MPa)
				实施例1	900	840	4.0
实施例2	900	840	4.3
				实施例3	900	830	4.5
实施例4	900	830	4.2
				实施例5	900	820	3.7
实施例6	900	810	3.9
				实施例7	900	810	4.5
实施例8	900	820	4.0
				实施例9	900	830	4.4
实施例10	900	840	4.1
				实施例11	900	820	4.6
实施例12	900	840	4.9
				实施例13	900	830	4.9
实施例14	900	850	4.8
				对比例1	900	870	2.7(不合格)
对比例2	900	900	3.0
				对比例3	900	850	3.0
对比例4	900	890	2.4(不合格)
				对比例5	900	870	3.0
对比例6	900	900	3.0

由表1可知，本发明的陶粒砂在900密度等级内，其达到一等品的筒压强度(3.5MPa)，强度好，堆积密度满足标准要求(810-900kg/m³)。由对比例1的结果可知，本发明加工工艺中，对原料破碎后的高速混合过程，对最终的陶粒砂强度具有重要的影响，若采用普通的低速混合，应用于本发明中的配方及工艺中生产的陶粒砂强度则不合格。由对比例2-4可知，本发明中烧结过程的逐步升温过程，以及冷却过程的逐步冷却，温控对陶粒砂的强度具有较大的影响，若逐步升温及冷却中温控均超出本发明的范围(对比例4)，则会导致陶粒砂的强度达不到要求。由对比例5和对比例6可知，现有技术中的陶粒砂其强度仅达到合格的要求，而本发明中的为一等品，强度更佳。

耐火性能测试

将本发明中实施例13以及对比例1-6的陶粒砂按照如下重量份配比制成100×100mm的试块：水泥394g、水185g、砂571g、陶粒砂1250g，每种陶粒砂制作十二组试块，其中三组试块测试其28天的抗压强度；三组试块养护35天800℃煅烧后，检测其抗压强度；三组试块养护35天1000℃煅烧后，检测其抗压强度；三组试块养护35天1200℃煅烧后，检测其抗压强度；取每种陶粒砂试块三组数据的平均值为最终数据，检测结果见表3所示。

表3不同陶粒砂耐火性能的检测结果

由表3的检测结果可知，本发明的陶粒砂可以达到86MPa的抗压强度，强度高；经过三次不同的煅烧温度后，可耐1200℃的烧结，且抗压强度保持在52MPa，耐火性能好，稳定性高；由对比例5和对比例6可知，本发明的陶粒砂的抗压强度以及耐火性能均优于现有技术中的陶粒砂。由对比例1的结果可知，在加工工艺中原料若不进行高速混合，则会对陶粒砂的耐火性能产生较大的影响，使其抗压强度降低了13MPa，耐火性能下降，并且1200℃烧结后，其抗压强度降低了41MPa，稳定性与耐火性能均低于本发明中的陶粒砂。由对比例2-4可知，本发明加工工艺中的逐步升温和降温过程，对陶粒砂的强度及耐火性能影响较大，并且若升温和降温过程均超出本发明的温度范围内，会导致其强度和耐火性能大大降低。

上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种陶粒砂，其特征在于，其由包括如下重量份的组分加工而成：煤矸石60-83份，莫来石5-15份和高岭土10-25份。

2.根据权利要求1所述的陶粒砂，其特征在于，其由包括如下重量份的组分加工而成：煤矸石65-75份，莫来石8-12份和高岭土15-20份。

3.根据权利要求1所述的陶粒砂，其特征在于：其还包括明矾土1-10份。

4.根据权利要求3所述的陶粒砂，其特征在于，其由包括如下重量份的组分加工而成：煤矸石65-75份，莫来石8-12份，高岭土15-20份和明矾土2-7份。

5.根据权利要求1-4任一项所述的陶粒砂，其特征在于：所述煤矸石包括如下重量百分含量的化学成分：含碳量≤25%，Al₂O₃≥30%，MgO≥2%，SiO₂≤45%，Fe₂O₃≤8%，CaO≤2%，TiO₂≤3%，K₂O+Na₂O≥2%，杂质总量≤0.2%。

6.根据权利要求1-4任一项所述的陶粒砂，其特征在于：所述莫来石中含有Al₂O₃ 58-62wt%，Na₂O≤0.3 wt %。

7.根据权利要求1-4任一项所述的陶粒砂，其特征在于：所述高岭土中含有Al₂O₃ 39.3-39.8wt%。

8.根据权利要求3或4所述的陶粒砂，其特征在于：所述明矾土中含有Al₂O₃ 36.9-37.1wt%。

9.一种权利要求1-4任一项所述的陶粒砂的加工工艺，其特征在于，其包括如下加工步骤：

（1）将各原料组分破碎，于2000-3000r/min的转速下混合均匀，得到混合料；

（2）将上述混合料于15-25min升温至220-250℃；于20-30min升温至350-500℃，并保持15-25min；于80-100min升温至900-1100℃，并保持30-50min，得到烧结块料；

（3）将上述烧结块料冷却后破碎，筛分，得到陶粒砂。

10.根据权利要求9所述的陶粒砂的加工工艺，其特征在于：所述步骤（3）中，于5-10min冷却至600-700℃；于10-15min冷却至400-500℃；于5-10min冷却至10-30℃。