CN110156442A - 使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料及其制备方法，制备方法包括：（1）将熔模铸造废砂破碎、磁选；（2）在行星式球磨机中混合形成浆料；（3）于浆料中加入碳纳米管、聚乙烯醇，超声分散、干燥，然后在温度为450～550℃的条件下热处理得到第一混合料；（4）将第一混合物，粘土和氧化铝粉末于混合机中混合，加入稻壳粉以及铝硅质增孔剂，混合10min，形成第二混合料；（5）将第二混合料造粒制得骨料，得到的骨料生坯于110℃干燥24小时后升温至1450℃高温处理即得轻质耐火骨料成品。本发明可以解决现有技术中的熔模铸造废砂的再生利用问题。

Description

使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐火骨料造技术领域，尤其涉及一种使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料及其制备方法。
背景技术
耐火材料属于一种不可再生资源。传统耐火材料生产厂家通过开采自然矿山资源、破碎、除杂、煅烧、再破碎、筛分等一系列工序来进行生产，浪费极大，而且对生态环境造成相当程度的影响。
与此同时，熔模铸造过程中排除大量的废砂，直接影响铸造生产的能源消耗、环境污染以及铸件的质量、生产效率和成本。而现阶段，国家环保政策的日趋严格，对企业的环境、资源循环利用度提出了越来越高的要求，而现阶段并没有一套铸造工业废砂再利用的成熟方案。因而非常有必要就铸造废砂的再循环利用进行深入挖掘，以促进行业的转型和可持续发展。
发明内容
因此，本发明的目的之一在于提供一种使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料及其制备方法，以解决现有技术中的熔模铸造废砂的再生利用问题。
为达上述目的，本发明提供一种使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
（1）将60～70重量份的熔模铸造废砂破碎为5～10mm，并磁选后再经筛分分选处理；
（2）将经步骤（1）上述处理后的熔模铸造废砂以无水乙醇作为介质，在行星式球磨机中混合3.5～4.5小时，转速为300r/min，形成浆料；
（3）于该浆料中加入5～6重量份的碳纳米管、2～3重量份聚乙烯醇，并在质量浓度为8～10%的乙醇溶液中超声分散1.5～2小时；然后在循环热风条件下干燥，然后在温度为450～550 ℃的条件下热处理3～4小时，得到第一混合料备用；
（4）将第一混合物，9～12重量份的粘土和3～4重量份的氧化铝粉末于混合机中以1800r/min的转速混合20min，加入9～12重量份的稻壳粉以及9～12重量份的铝硅质增孔剂，混合10min，形成第二混合料；
（5）将第二混合料通过圆盘造粒制得骨料，造粒过程中喷洒浓度为3%的聚乙烯醇溶液作为结合剂，得到的骨料生坯于110℃干燥24小时后升温至1450℃高温处理即得轻质耐火骨料成品。
作为可选的技术方案，该铝硅质增孔剂取自粉末灰漂珠、玻化微珠、空心玻璃微珠或闭孔珍珠岩中的一种或几种的组合。
作为可选的技术方案，步骤（5）中的高温处理的升温制度为：室温升到180℃，升温速度为5℃/min，于180℃保温30 min；180～250℃，升温速度为3℃/min，于250℃保温10min; 250～500℃，升温速度为0.5℃/min，于500℃保温30min;500～800℃，升温速度为6℃/min，于800℃保温10min;800～1450℃，升温速度为3℃/min，于1450℃保温3小时。
作为可选的技术方案，该粘土的中位粒度为2.7微米，该氧化铝粉末的中位粒度为74.7微米。
作为可选的技术方案，该熔模铸造废砂的化学成分为：SiO2 43.25%，Al2O3 38%，Fe2O3 0.37%，CaO 0.24%，MgO 0.1%，K2O 0.14%，Na2O 0.1%,TiO2 0.26%。
作为可选的技术方案，该稻壳粉的化学成分包括：SiO2 11.84%，K2O 0.56%。
作为可选的技术方案，该碳纳米管为石墨化羟基多壁碳纳米管，长度为30～50nm。
本发明还提供一种使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料，，该轻质耐火骨料采用如上所述的使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法制备。
与现有技术相比，本发明针对现有的废弃的精密铸造废砂污染环境的问题，通过原料配方的优化，包括物质的组分、粒径的选择，以及通过合适的处理工艺，例如加入烧结工艺等，对精密铸造废砂资源化应用，变废为宝，制备出生产成本较低的耐火材料骨料。从根本上解决了精密铸造废砂堆放、填埋所带来的环境污染问题，使其从原先铸造行业的经济环保包袱成为企业绿色制造的盈利点，促进铸造行业的循环低碳经济化。 另外，由于采用固体废弃物为主要原料，减少了耐火骨料生产对天然矿物的消耗，节约了我国的矿产资源，促进了耐火材料行业的健康发展。而且，制造出来的轻质耐火骨料性能优异。
关于本发明的优点与精神可以藉由以下的发明详述得到进一步的了解。
具体实施方式
本发明提供一种使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将60～70重量份的熔模铸造废砂破碎为5～10mm，并磁选后再经筛分分选处理；其中，本发明中采用的该熔模铸造废砂的化学成分为：SiO2 43.25%，Al2O3 38%，Fe2O30.37%，CaO 0.24%，MgO 0.1%，K2O 0.14%，Na2O 0.1%,TiO2 0.26%；
（2）将经步骤（1）上述处理后的熔模铸造废砂以无水乙醇作为介质，在行星式球磨机中混合3.5～4.5小时，转速为300r/min，形成浆料；
（3）于该浆料中加入5～6重量份的碳纳米管、2～3重量份聚乙烯醇，并在质量浓度为8～10%的乙醇溶液中超声分散1.5～2小时；然后在循环热风条件下干燥，然后在温度为450～550 ℃的条件下热处理3～4小时，得到第一混合料备用；该碳纳米管为石墨化羟基多壁碳纳米管，长度为30～50nm；
（4）将第一混合物，9～12重量份的粘土和3～4重量份的氧化铝粉末于混合机中以1800r/min的转速混合20min，加入9～12重量份的稻壳粉以及9～12重量份的铝硅质增孔剂，混合10min，形成第二混合料；其中，较佳地，该粘土的中位粒度为2.7微米，该氧化铝粉末的中位粒度为74.7微米；该稻壳粉的化学成分包括：SiO2 11.84%，K2O 0.56%；
（5）将第二混合料通过圆盘造粒制得骨料，造粒过程中喷洒浓度为3%的聚乙烯醇溶液作为结合剂，得到的骨料生坯于110℃干燥24小时后升温至1450℃高温处理即得轻质耐火骨料成品；其中较佳地，步骤（5）中的高温处理的升温制度为：室温升到180℃，升温速度为5℃/min，于180℃保温30 min；180～250℃，升温速度为3℃/min，于250℃保温10min; 250～500℃，升温速度为0.5℃/min，于500℃保温30min;500～800℃，升温速度为6℃/min，于800℃保温10min;800～1450℃，升温速度为3℃/min，于1450℃保温3小时。本发明从烧结工艺上进行了优化，进行了多步保温成型，可大幅度提高成品的质量。而且，本发明将温度设定在1450℃，是因为熔模铸造废砂在1450℃液相生成量明显增加，温度升至1500℃时，锆英石引起的方英石的熔融，液相量会进一步上升，所以此温度设定可以避免高温处理中骨料间的相互粘黏和控制骨料自身的收缩。
上述步骤(3)中于磁选且磨浆后的熔模铸造废砂加入碳纳米管和聚乙烯醇混合，使有机成分进入碳纳米管内部，在经过高温焙烧后能够去除，再重新加入适应量的新砂或其他配料，可使得再生型砂具有较好的通气性、紧实度和可塑性，其耐火性和退让性较好。
此外，本实施方式中，铝硅质增孔剂取自粉末灰漂珠、玻化微珠、空心玻璃微珠或闭孔珍珠岩中的一种或几种的组合。在稻壳粉煅烧过程中，气体从材料内部排除，容易形成连贯的开口气孔，对材料的高温使用性能有不利影响。但是稻壳粉具有网格状的遗态结构，经热处理的稻壳可提高产品的强度，是不错的造孔剂，尤其是其重量非常轻巧。因而本发明中采用稻壳粉与铝硅质增孔剂结合，制备过程中采用高温煅烧工艺，利用无机材料在烧结过程中反应扩散的机理，制备过程中有效避免了有机成孔剂或碳酸盐成孔剂因在煅烧过程中产生的气体排放形成的贯通气孔问题，使得最终所形成的孔壁结构均匀且平均孔径小，同时孔的形状多呈圆形，贯通孔很少，有利于得到较好的常温和高温性能（如耐压强度）。
另外，本发明还提供一种使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料，该轻质耐火骨料采用上述的使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法制备而成，且制备而成的轻质耐火骨料具有体积密度低（1.3-1.8g/cm3）,耐压强度(或抗压强度)大，使用温度高等优点。
下面通过具体实施例对本发明的使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法进行进一步的说明。
实施例1：
本实施例中，使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法如下：
（1）将60重量份的熔模铸造废砂破碎为5～10mm，并磁选后再经筛分分选处理；
（2）将经步骤（1）上述处理后的熔模铸造废砂以无水乙醇作为介质，在行星式球磨机中混合3.5～4.5小时，转速为300r/min，形成浆料；
（3）于该浆料中加入5重量份的碳纳米管、2重量份聚乙烯醇，并在质量浓度为8～10%的乙醇溶液中超声分散1.5～2小时；然后在循环热风条件下干燥，然后在温度为450～550 ℃的条件下热处理3～4小时，得到第一混合料备用；该碳纳米管为石墨化羟基多壁碳纳米管，长度为30～50nm；
（4）将第一混合物，12重量份的粘土和4重量份的氧化铝粉末于混合机中以1800r/min的转速混合20min，加入12重量份的稻壳粉以及12重量份的铝硅质增孔剂，混合10min，形成第二混合料；
（5）将第二混合料通过圆盘造粒制得骨料，造粒过程中喷洒浓度为3%的聚乙烯醇溶液作为结合剂，得到的骨料生坯于110℃干燥24小时后升温至1450℃高温处理即得轻质耐火骨料成品；其中较佳地，步骤（5）中的高温处理的升温制度为：室温升到180℃，升温速度为5℃/min，于180℃保温30 min；180～250℃，升温速度为3℃/min，于250℃保温10min; 250～500℃，升温速度为0.5℃/min，于500℃保温30min;500～800℃，升温速度为6℃/min，于800℃保温10min;800～1450℃，升温速度为3℃/min，于1450℃保温3小时。
实施例2
（1）将65重量份的熔模铸造废砂破碎为5～10mm，并磁选后再经筛分分选处理；
（2）将经步骤（1）上述处理后的熔模铸造废砂以无水乙醇作为介质，在行星式球磨机中混合3.5～4.5小时，转速为300r/min，形成浆料；
（3）于该浆料中加入6重量份的碳纳米管、3重量份聚乙烯醇，并在质量浓度为8～10%的乙醇溶液中超声分散1.5～2小时；然后在循环热风条件下干燥，然后在温度为450～550 ℃的条件下热处理3～4小时，得到第一混合料备用；该碳纳米管为石墨化羟基多壁碳纳米管，长度为30～50nm；
（4）将第一混合物，10重量份的粘土和4重量份的氧化铝粉末于混合机中以1800r/min的转速混合20min，加入10重量份的稻壳粉以及10重量份的铝硅质增孔剂，混合10min，形成第二混合料；
（5）将第二混合料通过圆盘造粒制得骨料，造粒过程中喷洒浓度为3%的聚乙烯醇溶液作为结合剂，得到的骨料生坯于110℃干燥24小时后升温至1450℃高温处理即得轻质耐火骨料成品；其中较佳地，步骤（5）中的高温处理的升温制度为：室温升到180℃，升温速度为5℃/min，于180℃保温30 min；180～250℃，升温速度为3℃/min，于250℃保温10min; 250～500℃，升温速度为0.5℃/min，于500℃保温30min;500～800℃，升温速度为6℃/min，于800℃保温10min;800～1450℃，升温速度为3℃/min，于1450℃保温3小时。
实施例3
（1）将70重量份的熔模铸造废砂破碎为5～10mm，并磁选后再经筛分分选处理；
（2）将经步骤（1）上述处理后的熔模铸造废砂以无水乙醇作为介质，在行星式球磨机中混合3.5～4.5小时，转速为300r/min，形成浆料；
（3）于该浆料中加入5.5重量份的碳纳米管、2.5重量份聚乙烯醇，并在质量浓度为8～10%的乙醇溶液中超声分散1.5～2小时；然后在循环热风条件下干燥，然后在温度为450～550 ℃的条件下热处理3～4小时，得到第一混合料备用；该碳纳米管为石墨化羟基多壁碳纳米管，长度为30～50nm；
（4）将第一混合物，9重量份的粘土和3重量份的氧化铝粉末于混合机中以1800r/min的转速混合20min，加入9重量份的稻壳粉以及9重量份的铝硅质增孔剂，混合10min，形成第二混合料；
（5）将第二混合料通过圆盘造粒制得骨料，造粒过程中喷洒浓度为3%的聚乙烯醇溶液作为结合剂，得到的骨料生坯于110℃干燥24小时后升温至1450℃高温处理即得轻质耐火骨料成品；其中较佳地，步骤（5）中的高温处理的升温制度为：室温升到180℃，升温速度为5℃/min，于180℃保温30 min；180～250℃，升温速度为3℃/min，于250℃保温10min; 250～500℃，升温速度为0.5℃/min，于500℃保温30min;500～800℃，升温速度为6℃/min，于800℃保温10min;800～1450℃，升温速度为3℃/min，于1450℃保温3小时。
比较例1
与实施例2基本相同，不同之处在于比较例1中将实施例2中的“10重量份的稻壳粉以及10重量份的铝硅质增孔剂”替换为：“20重量份的稻壳粉”。
比较例2
与实施例2基本相同，不同之处在于比较例2中将实施例2中的“10重量份的稻壳粉以及10重量份的铝硅质增孔剂”替换为：“20重量份的铝硅质增孔剂”。
比较例3
与实施例2基本相同，不同之处在于比较例3中没有步骤（3）。
表1为不同实施例及对比例制备的轻质耐候骨料的性能参数
从上表可以看出，不论是稻壳粉、铝硅质增孔剂或是碳纳米管，其对本发明的轻质耐火骨料的气孔率、气孔平均孔径或是抗压强度都具有较大的影响，例如实施例3中上述三种性能表现均佳，而反观比较例1-3中，只要有其中一项的参数值发生变化，即会对应的影响轻质耐火骨料的气孔率或气孔平均孔径或抗压强度。
综上所述，本发明针对现有的废弃的精密铸造废砂污染环境的问题，通过原料配方的优化，包括物质的组分、粒径的选择，以及通过合适的处理工艺，例如加入烧结工艺等，对精密铸造废砂资源化应用，变废为宝，制备出生产成本较低的耐火材料骨料。从根本上解决了精密铸造废砂堆放、填埋所带来的环境污染问题，使其从原先铸造行业的经济环保包袱成为企业绿色制造的盈利点，促进铸造行业的循环低碳经济化。 另外，由于采用固体废弃物为主要原料，减少了耐火骨料生产对天然矿物的消耗，节约了我国的矿产资源，促进了耐火材料行业的健康发展。而且，制造出来的轻质耐火骨料性能优异。
藉由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的保护范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求的保护范围内。因此，本发明所申请的权利要求的保护范围应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (8)

1.一种使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
（1）将60～70重量份的熔模铸造废砂破碎为5～10mm，并磁选后再经筛分分选处理；
（2）将经步骤（1）上述处理后的熔模铸造废砂以无水乙醇作为介质，在行星式球磨机中混合3.5～4.5小时，转速为300r/min，形成浆料；
（3）于该浆料中加入5～6重量份的碳纳米管、2～3重量份聚乙烯醇，并在质量浓度为8～10%的乙醇溶液中超声分散1.5～2小时；然后在循环热风条件下干燥，然后在温度为450～550 ℃的条件下热处理3～4小时，得到第一混合料；
（4）将第一混合物，9～12重量份的粘土和3～4重量份的氧化铝粉末于混合机中以1800r/min的转速混合20min，加入9～12重量份的稻壳粉以及9～12重量份的铝硅质增孔剂，混合10min，形成第二混合料；
（5）将第二混合料通过圆盘造粒制得骨料，造粒过程中喷洒浓度为3%的聚乙烯醇溶液作为结合剂，得到的骨料生坯于110℃干燥24小时后升温至1450℃高温处理即得轻质耐火骨料成品。
2.如权利要求1所述的利用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法，其特征在于，该铝硅质增孔剂取自粉末灰漂珠、玻化微珠、空心玻璃微珠或闭孔珍珠岩中的一种或几种的组合。
3.如权利要求1所述的使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法，其特征在于，步骤（5）中的高温处理的升温制度为：室温升到180℃，升温速度为5℃/min，于180℃保温30min；180～250℃，升温速度为3℃/min，于250℃保温10min; 250～500℃，升温速度为0.5℃/min，于500℃保温30min;500～800℃，升温速度为6℃/min，于800℃保温10min;800～1450℃，升温速度为3℃/min，于1450℃保温3小时。
4.如权利要求1所述的使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法，其特征在于，该粘土的中位粒度为2.7微米，该氧化铝粉末的中位粒度为74.7微米。
5.如权利要求1所述的使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法，其特征在于，该熔模铸造废砂的化学成分为：SiO2 43.25%，Al2O3 38%，Fe2O3 0.37%，CaO 0.24%，MgO0.1%，K2O 0.14%，Na2O 0.1%,TiO2 0.26%。
6.如权利要求1所述的使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法，其特征在于，该稻壳粉的化学成分包括：SiO2 11.84%，K2O 0.56%。
7.如权利要求1所述的使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法，其特征在于，该碳纳米管为石墨化羟基多壁碳纳米管，长度为30～50nm。
8.一种使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料，其特征在于，该轻质耐火骨料采用如权利要求1-7中任意一项所述的使用熔模铸造废砂的轻质耐火骨料的制备方法制备。
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