CN111620719B - 一种快速烧结陶粒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速烧结陶粒的方法，包括以下步骤：将碳化硅进行机械研磨1~3小时，过200~400目筛，得碳化硅粉末；称取磷酸钠和硅酸钠，混合，得碱激发粉末；将水与碱激发粉末混合，搅拌至磷酸钠和硅酸钠完全溶解，得粘结溶液；将碳化硅粉末与粘结溶液混合，搅拌均匀，得导热浆；将导热浆均匀涂在待烧结陶粒上，然后烘干，最后对烘干后的陶粒进行高频感应加热2~8min得烧结陶粒。本发明制备方法工艺简单，操作方便，原料获取途径广泛。相比于传统陶粒烧制方式，本发明烧制陶粒方法用时较少，陶粒压实密度最高降低45.86%，烧制的陶粒强度最高提高56.97%，陶粒烧失量最高降低35.92%。

Description

一种快速烧结陶粒的方法
技术领域
本发明涉及传统技术革新领域，尤其涉及一种快速烧结陶粒的方法。
背景技术
陶粒作为建筑材料中的一种轻集料在海绵城市的建设中已被广泛应用。具体应用途径包括用于陶粒砖制备、用于城市废水净化、用于城市交通噪音隔离、用于路面储雨、用于生态湖基搭建等。陶粒轻集料通常具有表观密度小且力学性能较高的特点。用于陶粒制备的原料来源广泛且种类较多，例如：河道底泥、各类市政污泥、工业废渣、铁尾矿渣等。
目前陶粒轻集料工业化生产技术以烧结法最为普遍。当前，陶粒的生产离不开两个条件，一是高温环境下原料成陶并形成釉质外壳，二是高温环境下原料内部因收热反应产生气体并在内部形气孔。可见除了原料的匹配，加热技术对陶粒烧制影响较大。当前陶粒普遍通过加热窑来烧制，其存在原料升温较慢、烧制时间长、烧制的陶粒堆积密度较大且烧失量高等问题。
因此，研发一种新的陶粒加热技术以解决传统烧制技术中存在的问题对提升陶粒制备产业的升级具有重要意义。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供了一种快速烧结陶粒的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：本发明提供了一种快速烧结陶粒的方法，包括以下步骤：将碳化硅进行机械研磨1～3小时，过200～400目筛，得碳化硅粉末；称取磷酸钠和硅酸钠，混合，得碱激发粉末；将水与碱激发粉末混合，搅拌至磷酸钠和硅酸钠完全溶解，得粘结溶液；将碳化硅粉末与粘结溶液混合，搅拌均匀，得导热浆；将导热浆均匀涂在待烧结陶粒上，然后烘干，最后对烘干后的陶粒进行高频感应加热2～8min得烧结陶粒。
其中，所述磷酸钠和硅酸钠质量比3～12∶100，若磷酸钠和硅酸钠质量比低于3∶100，硅酸钠与磷酸钠融合不充分，生成的聚磷硅酸盐胶体和磷灰石较少，陶粒烧结过程中热损失较大。若磷酸钠和硅酸钠质量比高于12∶100，磷酸钠过量，生成的聚磷硅酸盐胶体均匀性变差，使得胶体隔热性变差，陶粒烧结过程中热损失增加，同时地质聚合物成量减少。
其中，所述碱激发粉末与水的固液比为0.2～1∶1mg/mL，若水与碱激发粉末固液比低于0.2∶1mg/mL，碱激发粉末过少，生成的聚磷硅酸盐胶体和磷灰石较少，陶粒烧结过程中热损失较大。若水与碱激发粉末固液比高于1∶1mg/mL，碱激发粉末过量，生成的聚磷硅酸盐胶体过多，导致碳化硅导热效果变差。
其中，所述碳化硅粉末与粘结溶液固液比0.5～1.5∶1mg/mL，若碳化硅粉末与粘结溶液固液比低于0.5∶1mg/mL，碳化硅粉末较少，高频感应电场下集肤效应较差，介质材料导热效果变差。若碳化硅粉末与粘结溶液固液比高于1.5∶1mg/mL，碳化硅粉末过量，聚磷硅酸盐胶体形成量减少，介质受热过程中热损失增加。
其中，所述导热浆涂层厚度为0.1～1mm，若导热浆涂层厚度小于0.1mm，高频电场的作用下集肤效应较差，热损失率高。若导热浆涂层厚度大于1mm，介质材料受热反应产生的气体无法有效释放。
其中，所述陶粒烘干温度为50～150℃，所述高频感应加热频率范围为10～60kHz，输出功率为10～70kW。
反应机理：在高频电场的作用下，介质发生分子极化现象并以极快的速度改变方向，以介电损耗的形式实现快速发热。高频电场的作用下集肤效应明显，大量的热聚集在陶粒表面。硅酸钠与磷酸钠快速融合，形成聚磷硅酸盐胶体并将碳化硅均匀地包裹。聚磷硅酸盐胶体可有效降低待烧结陶粒因热传导和热辐射损失的热量，同时碳化硅导热系数要远高于聚磷硅酸盐胶体和陶粒本身的材质，集肤作用下大量热通过碳化硅以热传导的方式直接传递给待烧结陶粒介质，从而实现待烧结陶粒内部温度快速升高，在较短时间实现陶化。在高频电场的作用下涂抹在待烧结陶粒表面的硅酸钠和磷酸钠因极化作用沿着裂纹向待烧结陶粒颗粒内部迁移，并与待烧结陶粒颗粒内部的钙、铝基物质反应，生成磷灰石和地质聚合物从而将孔隙填满，实现烧结陶粒强度的提升。
有益效果：本发明制备方法工艺简单，操作方便，原料获取途径广泛。相比于传统陶粒烧制方式，本发明烧制陶粒方法用时较少，陶粒压实密度最高降低45.86％，烧制的陶粒强度最高提高56.97％，陶粒烧失量最高降低35.92％。
附图说明
图1为本发明快速烧结陶粒的方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
待烧结陶粒：陶粒原料配比为50g粉煤灰、35g膨润土、12g生石灰、5g水玻璃，将配比原料进行研磨，过200目筛，再经造粒机造粒成球，室温条件下陈化2小时，得到待烧结陶粒。
实施例1磷酸钠和硅酸钠质量比对烧结陶粒性能的影响
本发明烧结陶粒：将碳化硅进行机械研磨1小时，过200目筛，得碳化硅粉末。按照磷酸钠和硅酸钠质量比1.5∶100、2∶100、2.5∶100、3∶100、7.5∶100、12∶100、13∶100、14∶100、15∶100分别称取磷酸钠和硅酸钠，混合，得九组碱激发粉末。按照固液比0.2∶1mg/mL分别将九组碱激发粉末与水混合，搅拌至磷酸钠和硅酸钠完全溶解，得九组粘结溶液。按照固液比0.5∶1mg/mL将碳化硅粉末与粘结溶液混合，搅拌均匀，得九组导热浆。将九组导热浆分别均匀涂在九组待烧结陶粒上，然后烘干，最后对九组烘干后的陶粒进行高频感应(品牌：常州拓频机电有限公司，型号：ZAG-35kw)加热2min得九组烧结陶粒，其中导热浆涂层厚度为0.1mm，陶粒烘干温度为50℃，高频感应加热频率范围为10kHz，输出功率为10kW。
对比烧结陶粒：将待烧结陶粒置于马弗炉中，设置室温～1200℃升温范围，升温速率为50℃/min，在1200℃持续加热20分钟，然后停止加热，逐渐降温至室温，得到对比烧结陶粒。
桶压强度、堆积密度、烧失量测试：烧结陶粒的桶压强度、堆积密度、烧失量均按照《轻集料及其试验方法第1部分轻集料》(GB-T17431.1-2010)执行测定。
强度提高百分比计算：强度提高百分比按照等式(1)进行计算，其中PS为本发明同组烧结陶粒桶压强度(MPa)，PC为对比烧结陶粒桶压强度(MPa)。
Figure BDA0002523948300000031
堆积密度降低百分比计算：堆积密度降低百分比照等式(2)进行计算，其中DS为本发明同组烧结陶粒堆积密度(kg/m3)，DC为对比烧结陶粒堆积密度(kg/m3)。
Figure BDA0002523948300000032
烧失量降低百分比计算：烧失量降低百分比照等式(3)进行计算，其中LS为本发明同组烧结陶粒烧失量(％)，LC为对比烧结陶粒烧失量(％)。
Figure BDA0002523948300000033
本发明实施例试验结果见表1。
表1磷酸钠和硅酸钠质量比对烧结陶粒性能的影响
Figure BDA0002523948300000041
由表1可看出，当磷酸钠和硅酸钠质量比小于3∶100时(如表1中，磷酸钠和硅酸钠质量比＝2.5∶100、2∶100、1.5∶100以及表1中未列举的更低比值)，磷酸钠较少，硅酸钠与磷酸钠融合不充分，生成的聚磷硅酸盐胶体和磷灰石较少，陶粒烧结过程中热损失较大，导致强度提高百分比、堆积密度降低百分比、烧失量降低百分比均随着磷酸钠和硅酸钠质量比减小而显著降低。当磷酸钠和硅酸钠质量比等于3～12∶100时(如表1中，磷酸钠和硅酸钠质量比＝3∶100、7.5∶100、12∶100)，硅酸钠与磷酸钠快速融合，形成聚磷硅酸盐胶体并将碳化硅均匀地包裹。聚磷硅酸盐胶体可有效降低待烧结陶粒因热传导和热辐射损失的热量，在高频电场的作用下涂抹在待烧结陶粒表面的硅酸钠和磷酸钠因极化作用沿着裂纹向待烧结陶粒颗粒内部迁移，并与待烧结陶粒颗粒内部的钙、铝基物质反应，生成磷灰石和地质聚合物从而将孔隙填满，实现烧结陶粒强度的提升。最终，强度提高百分比均大于38％、堆积密度降低百分比均大于31％、烧失量降低百分比均大于23％。当磷酸钠和硅酸钠质量比大于12∶100时(如表1中，磷酸钠和硅酸钠质量比＝13∶100、14∶100、15∶100以及表1中未列举的更高比值)，磷酸钠过量，生成的聚磷硅酸盐胶体均匀性变差，使得胶体隔热性变差，陶粒烧结过程中热损失增加，同时地质聚合物成量减少，导致强度提高百分比、堆积密度降低百分比、烧失量降低百分比均随着磷酸钠和硅酸钠质量比进一步增加而显著降低。总体而言，结合效益与成本，当磷酸钠和硅酸钠质量比等于3～12∶100时，最有利于提高烧结陶粒性能。
实施例2碳化硅粉末与粘结溶液固液比对烧结陶粒性能的影响
本发明烧结陶粒：将碳化硅进行机械研磨2小时，过300目筛，得碳化硅粉末。按照磷酸钠和硅酸钠质量比12∶100称取磷酸钠和硅酸钠，混合，得碱激发粉末。按照固液比0.6∶1mg/mL将碱激发粉末与水混合，搅拌至磷酸钠和硅酸钠完全溶解，得粘结溶液。按照固液比0.25∶1mg/mL、0.35∶1mg/mL、0.45∶1mg/mL、0.5∶1mg/mL、1.0∶1mg/mL、1.5∶1mg/mL、1.6∶1mg/mL、1.8∶1mg/mL、2.0∶1mg/mL将碳化硅粉末与粘结溶液混合，搅拌均匀，得九组导热浆。将九组导热浆均匀涂在九组待烧结陶粒上，然后烘干，最后对九组烘干后的陶粒进行高频感应(品牌：常州拓频机电有限公司，型号：ZAG-35kw)加热5min得九组烧结陶粒，其中导热浆涂层厚度为0.55mm，陶粒烘干温度为100℃，高频感应加热频率范围为35kHz，输出功率为40kW。
对比烧结陶粒制备、桶压强度测试、堆积密度测试、烧失量测试、强度提高百分比计算、堆积密度降低百分比计算、烧失量降低百分比计算均同实施例1。本发明实施例试验结果见表2。
表2碳化硅粉末与粘结溶液固液比对烧结陶粒性能的影响
Figure BDA0002523948300000051
由2可看出，当碳化硅粉末与粘结溶液固液比小于0.5∶1时(如表2中，碳化硅粉末与粘结溶液固液比＝0.45∶100、0.35∶100、0.25∶100以及表2中未列举的更低比值)，碳化硅粉末较少，高频感应电场下集肤效应较差，介质材料导热效果变差，导致强度提高百分比、堆积密度降低百分比、烧失量降低百分比均随着碳化硅粉末与粘结溶液固液比减小而显著降低。当碳化硅粉末与粘结溶液固液比等于0.5～1.5∶1时(如表2中，碳化硅粉末与粘结溶液固液比＝0.5∶100、1∶100、1.5∶100)，集肤作用下大量热通过碳化硅以热传导的方式直接传递给待烧结陶粒介质，从而实现待烧结陶粒内部温度快速升高，在较短时间实现陶化。最终，强度提高百分比均大于44％、堆积密度降低百分比均大于35％、烧失量降低百分比均大于28％。当碳化硅粉末与粘结溶液固液比大于1.5∶1时(如表2中，碳化硅粉末与粘结溶液固液比＝1.6∶100、1.8∶100、2.0∶100以及表2中未列举的更高比值)，碳化硅粉末过量，聚磷硅酸盐胶体形成量减少，介质受热过程中热损失增加，导致强度提高百分比、堆积密度降低百分比、烧失量降低百分比均随着碳化硅粉末与粘结溶液固液比进一步增加而显著降低。总体而言，结合效益与成本，当碳化硅粉末与粘结溶液固液比等于0.5～1.5∶1时，最有利于提高烧结陶粒性能。
实施例3导热浆涂层厚度对烧结陶粒性能的影响
本发明烧结陶粒：将碳化硅进行机械研磨3小时，过400目筛，得碳化硅粉末。按照磷酸钠和硅酸钠质量比12∶100称取磷酸钠和硅酸钠，混合，得碱激发粉末。按照固液比1∶1mg/mL将碱激发粉末与水混合，搅拌至磷酸钠和硅酸钠完全溶解，得粘结溶液。按照固液比1.5∶1mg/mL将碳化硅粉末与粘结溶液混合，搅拌均匀，得导热浆。将导热浆按照九种不同的涂层厚度分别均匀涂在九组待烧结陶粒上，然后烘干，最后对九组烘干后陶粒进行高频感应(品牌：常州拓频机电有限公司，型号：ZAG-35kw)加热8min得九组烧结陶粒，其中导热浆涂层厚度分别为0.05mm、0.07mm、0.09mm、0.1mm、0.55mm、1mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm，陶粒烘干温度为150℃，高频感应加热频率范围为60kHz，输出功率为70kW。
对比烧结陶粒制备、桶压强度测试、堆积密度测试、烧失量测试、强度提高百分比计算、堆积密度降低百分比计算、烧失量降低百分比计算均同实施例1。本发明实施例试验结果见表3。
表3导热浆涂层厚度对烧结陶粒性能的影响
Figure BDA0002523948300000061
Figure BDA0002523948300000071
由3可看出，当导热浆涂层厚度小于0.1mm时(如表3中，导热浆涂层厚度＝0.09mm、0.07mm、0.05mm以及表3中未列举的更低比值)，高频电场的作用下集肤效应较差，热损失率高，导致强度提高百分比、堆积密度降低百分比、烧失量降低百分比均随着导热浆涂层厚度减小而显著降低。当导热浆涂层厚度等于0.1～1mm时(如表3中，导热浆涂层厚度＝1.1mm、1.3mm、1.5mm)，在高频电场的作用下硅酸钠与磷酸钠快速融合，形成聚磷硅酸盐胶体并将碳化硅均匀地包裹。聚磷硅酸盐胶体可有效降低待烧结陶粒因热传导和热辐射损失的热量，同时碳化硅导热系数要远高于聚磷硅酸盐胶体和陶粒本身的材质，集肤作用下大量热通过碳化硅以热传导的方式直接传递给待烧结陶粒介质，从而实现待烧结陶粒内部温度快速升高，在较短时间实现陶化。在高频电场的作用下涂抹在待烧结陶粒表面的硅酸钠和磷酸钠因极化作用沿着裂纹向待烧结陶粒颗粒内部迁移，并与待烧结陶粒颗粒内部的钙、铝基物质反应，生成磷灰石和地质聚合物从而将孔隙填满，实现烧结陶粒强度的提升。最终，强度提高百分比均大于51％、堆积密度降低百分比均大于40％、烧失量降低百分比均大于31％。当导热浆涂层厚度大于1mm时(如表3中，导热浆涂层厚度＝1.1mm、1.3mm、1.5mm以及表3中未列举的更低比值)，介质材料受热反应产生的气体无法有效释放，导致强度提高百分比、堆积密度降低百分比、烧失量降低百分比均随着导热浆涂层厚度进一步增加而显著降低。总体而言，结合效益与成本，当导热浆涂层厚度等于0.1～1mm时，最有利于提高烧结陶粒性能。
对比例 本发明烧结陶粒与自对比烧结陶粒性能对比
本发明烧结陶粒：将碳化硅进行机械研磨3小时，过400目筛，得碳化硅粉末。按照磷酸钠和硅酸钠质量比12∶100称取磷酸钠和硅酸钠，混合，得碱激发粉末。按照固液比1∶1mg/mL将碱激发粉末与水混合，搅拌至磷酸钠和硅酸钠完全溶解，得粘结溶液。按照固液比1.5∶1mg/mL将碳化硅粉末与粘结溶液混合，搅拌均匀，得导热浆。将导热浆均匀涂在待烧结陶粒上，然后烘干，最后对烘干后的陶粒进行高频感应(品牌：常州拓频机电有限公司，型号：ZAG-35kw)加热8min得烧结陶粒，其中导热浆涂层厚度为1mm，陶粒烘干温度为150℃，高频感应加热频率范围为60kHz，输出功率为70kW。
自对比烧结陶粒1制备：按照磷酸钠和硅酸钠质量比12∶100称取磷酸钠和硅酸钠，混合，得碱激发粉末。按照固液比1∶1mg/mL将碱激发粉末与水混合，搅拌至磷酸钠和硅酸钠完全溶解，得粘结溶液。将粘结溶液均匀涂在待烧结陶粒上，然后烘干，最后对烘干后的陶粒进行高频感应(品牌：常州拓频机电有限公司，型号：ZAG-35kw)加热8min得自对比烧结陶粒1，其中粘结溶液涂层厚度为1mm，陶粒烘干温度为150℃，高频感应加热频率范围为60kHz，输出功率为70kW。
自对比烧结陶粒2制备：将碳化硅进行机械研磨3小时，过400目筛，得碳化硅粉末。按照固液比1.5∶1mg/mL将碳化硅粉末与水混合，搅拌均匀，得水基导热浆。将水基导热浆均匀涂在待烧结陶粒上，然后烘干，最后对烘干后的陶粒进行高频感应(品牌：常州拓频机电有限公司，型号：ZAG-35kw)加热8min得自对比烧结陶粒2，其中导热浆涂层厚度为1mm，陶粒烘干温度为150℃，高频感应加热频率范围为60kHz，输出功率为70kW。
自对比烧结陶粒3制备：对待烧结陶粒进行高频感应(品牌：常州拓频机电有限公司，型号：ZAG-35kw)加热8min得自对比烧结陶粒3，高频感应加热频率范围为60kHz，输出功率为70kW。
对比烧结陶粒制备、桶压强度测试、堆积密度测试、烧失量测试、强度提高百分比计算、堆积密度降低百分比计算、烧失量降低百分比计算均同实施例1。本发明实施例试验结果见表4。
表4本发明烧结陶粒与自对比烧结陶粒性能对比
陶粒类型 P<sub>％</sub> D<sub>％</sub> L<sub>％</sub>
本发明陶粒 56.97％ 45.86％ 35.92％
自对比烧结陶粒1 18.37％ 15.09％ 13.72％
自对比烧结陶粒2 16.24％ 14.31％ 11.49％
自对比烧结陶粒3 6.72％ 3.94％ 4.56％
由4可看出，本发明陶粒的强度提高百分比、堆积密度降低百分比、烧失量降低百分比均明显高于自对比烧结陶粒1、自对比烧结陶粒2、自对比烧结陶粒3，且高于自对比烧结陶粒1、自对比烧结陶粒2、自对比烧结陶粒3三者之和。

Claims (2)

1.一种快速烧结陶粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：将碳化硅进行机械研磨1~3小时，过200~400目筛，得碳化硅粉末；称取磷酸钠和硅酸钠，混合，得碱激发粉末；将水与碱激发粉末混合，搅拌至磷酸钠和硅酸钠完全溶解，得粘结溶液；将碳化硅粉末与粘结溶液混合，搅拌均匀，得导热浆；将导热浆均匀涂在待烧结陶粒上，然后烘干，最后对烘干后的陶粒进行高频感应加热2~8min得烧结陶粒，所述磷酸钠和硅酸钠质量比3~12:100，所述碱激发粉末与水的固液比为0.2~1:1mg/mL，所述碳化硅粉末与粘结溶液固液比0.5~1.5:1mg/mL，所述导热浆涂层厚度为0.1~1mm。
2.根据权利要求1所述的快速烧结陶粒的方法，其特征在于，所述陶粒烘干温度为50~150°C，所述高频感应加热频率范围为10~60kHz，输出功率为10~70kW。
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