CN113480324A - 一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶瓷材料领域，涉及一种利用粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷及其制备方法。本发明是利用粉煤灰、硅锰渣和钒渣为主要原料，硼砂为助融剂，轻烧镁粉为稳泡剂，膨润土为粘结剂，碳化硅为发泡剂，按照一定的比例混合、粉碎、球磨，加入一定质量水陈化后，放入压片机中压制成型，进行烧结制备发泡陶瓷。本项目中固废的掺杂比例可以高达80%，大大提高了固废的利用效率。所制得发泡陶瓷可用于保温隔热、装饰装修材料中，实现了“变废为宝”，是固废综合利用的一项突破，为工业固废的大掺量利用拓展了领域。

Description

一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷材料领域，尤其涉及一种利用粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷及其制备方法。
背景技术
随着我国工业不断的发展，我国每年在冶金废渣和粉煤灰的排放量上也急剧增长。我国对于冶金废渣和粉煤灰的利用主要用于建筑道路，路基铺垫，和制备烧结砖等，在制备高附加值产品上仍存在大量空白。大量的工业固废的堆积不仅造成了环境的污染，也造成了大量的土地资源的浪费，因此如何高效的利用工业固废，对于建设绿色、环保型社会，推进可持续发展变得十分重要。
发泡陶瓷是指经成型工艺和高温烧结工艺制成的一种具有较多孔洞的无机非金属材料。发泡陶瓷具有体积密度小，孔隙率高、导热系数小等特点。在制备保温隔热、吸附、吸声材料方面具备性能优势。但由于采用一般方法制备的发泡陶瓷成本高且气孔均匀性差，因此在推广和应用方面仍存在诸多困难。
硅锰渣是一种冶炼硅锰合金时排放的一种含锰量较高的冶金渣，是硅锰矿在矿热炉中经过石灰和焦炭高温熔融还原后形成的一种工业副产品。据统计2019年我国硅锰渣的产量约为125-1358.5万吨，且利用率低。钒渣是对含钒铁水在提钒过程中经氧化吹炼得到的或含钒铁精矿经湿法提钒所得到的含氧化钒的渣子的统称，大部分钒渣用于制备低附加值建筑材料和填埋为主，利用率低下。
付春伟等利用粉煤灰制备发泡陶瓷，在造孔剂含量30%，烧结温度1050℃、保温时间60min，成型压力9MPa、骨料粒度0.16mm-0.18mm，在此基础上制备的发泡陶瓷：气孔率54.36%，抗折强度6.63MPa、吸水率45.21%、容重0.908g/cm3。中国专利申请201410206781.X公开了一种利用电解锰渣闭合性多孔材料及原位制备发泡法。以60%电解锰渣、稳泡剂以及SiO2、B2O3等添加剂为原料，采用熔融发泡方法制备出闭合型多孔材料。由上述文献和专利可见，目前在粉煤灰制备发泡陶瓷方面已有一定研究，但以硅锰渣和钒渣为原料方面报道较少，且气孔均匀性一般，原料中的固废掺量较少，综合利用不充分。
发明内容
本发明为了解决以上存在的问题，提供了一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷及其制备方法。大比例的提高了粉煤灰、硅锰渣和钒渣的掺量，掺量达到80%，有效提高了工业固废的利用率，降低发泡陶瓷制备成本，且轻烧镁粉的加入有利于减小孔径，使气孔分布更加均匀。根据不同掺量制备的发泡陶瓷在气孔率、抗压强度、导热系数等方面各有优劣，根据不同的用途来选择不同的掺量，例如导热系数较小的材料可用于保温隔热方面，抗压强度较高、体积密度较小的材料可用于装饰装修等方面。
为了达到上述的目的，本发明提供了一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷，是由包括如下质量份数组分组成的，粉煤灰10-40份、硅锰渣20-60份、钒渣1-20份、硼砂5-25份、轻烧镁粉1-10份、膨润土5-15份、碳化硅0-1份。
本发明还提供一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将粉煤灰、硅锰渣、钒渣按一定质量份比例投料，球磨均匀，将粉料过筛后取用。
步骤2、在原料中加入硼砂、轻烧镁粉、膨润土、碳化硅，继续球磨，加入一定质量的水进行陈化，取样利用压片机压制成型。
步骤3、将试样放入干燥箱中干燥。
步骤4、试样放入烧结设备中一定条件下烧结，烧结完成后，自然冷却，制得发泡陶瓷。
进一步地，所述步骤1中粉煤灰、硅锰渣和钒渣质量份比例为10-40份：20-60份：1-20份。
进一步地，所述步骤1中球磨时间为15min-30min，用100-200目筛子筛取粒径大小在0.074mm-0.15mm之间的粉料。
进一步地，所述步骤2中硼砂5-25份、轻烧镁粉1-10份、膨润土5-15份、碳化硅0-1份，碳化硅为发泡剂、膨润土为粘结剂，硼砂为助融剂，轻烧镁粉为稳泡剂。
进一步地，所述步骤2中球磨时间为15min-30min，加入水的质量份为5-20份。
进一步地，所述步骤2中成型方式可采用手动压制或自动压制，压力在5MPa-20MPa，保压时间为30s-180s。
进一步地，所述步骤3中干燥温度60℃-120℃，干燥时间30min-120min。
进一步地，所述步骤4中烧结设备可以是电阻炉、马弗炉或经改装后可控制升温速率、烧结温度等因素的烧结设备。
进一步地，所述步骤4中烧结条件为升温速率3℃/min-15℃/min，烧结温度1050℃-1250℃，保温时间15min-100min。
与现有技术相比，本发明的有益效果。
本发明的优点在于，采用粉煤灰、硅锰渣和钒渣作为主要原料且大掺量使用，有效的解决了目前存在的粉煤灰等废渣的存放及利用问题，采用轻烧镁粉作为稳泡剂使得气孔均匀性更好，提高了工业废渣的利用效率，为工业固废提高其附加值，积极响应了国家绿色可持续发展理念。本发明所制备的陶瓷气孔均匀性更好，具有良好的力学性能和保温性能，可用于装饰装修、保温、隔声等方面，拓展了工业固废的综合利用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只适用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明所作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。同时，下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或提取方法为均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或提取方法。
一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷，是由包括如下质量份数组分组成的，粉煤灰10-40份、硅锰渣20-60份、钒渣1-20份、硼砂5-25份、轻烧镁粉1-10份、膨润土5-15份、碳化硅0-1份。
一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将粉煤灰、硅锰渣、钒渣按一定质量份比例投料，球磨均匀，将粉料过筛后取用。
步骤2、在原料中加入硼砂、轻烧镁粉、膨润土、碳化硅，继续球磨，加入一定质量的水进行陈化，取样利用压片机压制成型。
步骤3、将试样放入干燥箱中干燥。
步骤4、试样放入烧结设备中一定条件下烧结，烧结完成后，自然冷却，制得发泡陶瓷。
进一步地，所述步骤1中粉煤灰、硅锰渣和钒渣质量份比例为10-40份：20-60份：1-20份。
进一步地，所述步骤1中球磨时间为15min-30min，选用100-200目筛子筛取粒径大小在0.074mm-0.15mm之间的粉料。
进一步地，所述步骤2中硼砂5-25份、轻烧镁粉1-10份、膨润土5-15份、碳化硅0-1份，碳化硅为发泡剂、膨润土为粘结剂，硼砂为助融剂，轻烧镁粉为稳泡剂。
进一步地，所述步骤2中球磨时间为15min-30min，加入水的质量份为5-20份。
进一步地，所述步骤2中成型方式可采用手动压制或自动压制，压力在5MPa-20MPa，保压时间为30s-180s。
进一步地，所述步骤3中干燥温度60℃-120℃，干燥时间30min-120min。
进一步地，所述步骤4中烧结设备可以是电阻炉、马弗炉或经改装后可控制升温速率、烧结温度等因素的烧结设备。
进一步地，所述步骤4中烧结条件为升温速率3℃/min-15℃/min，烧结温度1050℃-1250℃，保温时间15min-100min。
实施例1。
(1)将15份粉煤灰、55份硅锰渣、10份钒渣球磨30min，用100-200目筛子筛取粒径大小在0.074mm-0.15mm之间的粉料。
(2)在球磨后的原料中分别加入12份的硼砂、3.2份的轻烧镁粉、7份的膨润土、0.8份的碳化硅，继续球磨20min，球磨完成后加入6份的水进行陈化，使原料充分混合。然后将原料放入模具在压力12MPa下压制，保压120s。
(3)试样放入鼓风干燥箱内在110℃下，干燥120min。
(4)将试样放入电阻炉中进行烧结，升温速率为5℃/min，烧结温度为1200℃，保温时间为60min，冷却至室温。
（5）测试其性能：发泡陶瓷的抗压强度为2.76MPa，气孔率为74.32%，体积密度为0.24g/cm3。
实施例2。
(1)将25份粉煤灰、45份硅锰渣、10份钒渣球磨30min，用100-200目筛子筛取粒径大小在0.074mm-0.15mm之间的粉料。
(2)在球磨后的原料中分别加入10份硼砂、3份轻烧镁粉、6份膨润土、0.8份碳化硅，继续球磨20min，球磨完成后加入6份的水进行陈化，使原料充分混合。然后将原料放入模具在压力12MPa下压制，保压120s。
(3)试样放入鼓风干燥箱内在110℃下，干燥120min。
(4)将试样放入电阻炉中进行烧结，升温速率为5℃/min，烧结温度为1180℃，保温时间为60min，冷却至室温。
（5）测试其性能：发泡陶瓷的抗压强度为3.07MPa，气孔率为71.15%，体积密度为0.27g/cm3。
实施例3。
(1)将30份粉煤灰、40份硅锰渣、10份钒渣球磨30min，用100-200目筛子筛取粒径大小在0.074mm-0.15mm之间的粉料。
(2)在球磨后的原料中分别加入10份硼砂、3.2份轻烧镁粉、8份膨润土、0.6份碳化硅，继续球磨20min，球磨完成后加入6份的水进行陈化，使原料充分混合。然后将原料放入模具在压力12MPa下压制，保压120s。
(3)试样放入鼓风干燥箱内在110℃下，干燥120min。
(4)将试样放入电阻炉中进行烧结，升温速率为5℃/min，烧结温度为1180℃，保温时间为60min，冷却至室温。
（5）测试其性能：发泡陶瓷的抗压强度为3.25MPa，气孔率为67.56%，体积密度为0.31g/cm3。
实施例4。
(1)将33份粉煤灰、37份硅锰渣、10份钒渣球磨30min，用100-200目筛子筛取粒径大小在0.074mm-0.15mm之间的粉料。
(2)在球磨后的原料中分别加入10份硼砂、3份轻烧镁粉、8份膨润土、0.6份碳化硅，继续球磨20min，球磨完成后加入6份的水进行陈化，使原料充分混合。然后将原料放入模具在压力12MPa下压制，保压120s。
(3)试样放入鼓风干燥箱内在110℃下，干燥120min。
(4)将试样放入电阻炉中进行烧结，升温速率为5℃/min，烧结温度为1180℃，保温时间为60min，冷却至室温。
（5）测试其性能：发泡陶瓷的抗压强度为3.68MPa，气孔率为64.73%，体积密度为0.37g/cm3。
对比例1。
(1)将33份粉煤灰、37份硅锰渣、10份钒渣球磨30min，用100-200目筛子筛取粒径大小在0.074mm-0.15mm之间的粉料。
(2)在球磨后的原料中分别加入3份硼砂、8份膨润土、0.6份碳化硅，继续球磨20min，球磨完成后加入6份的水进行陈化，使原料充分混合。然后将原料放入模具在压力12MPa下压制，保压120s。
(3)试样放入鼓风干燥箱内在110℃下，干燥120min。
(4)将试样放入电阻炉中进行烧结，升温速率为5℃/min，烧结温度为1180℃，保温时间为30min，冷却至室温。
（5）测试其性能：发泡陶瓷的抗压强度为2.62MPa，气孔率为40.83%，体积密度为0.51g/cm3。
由实施例1-4和对比例的测试结果可以看出，对比例中加入的硼砂质量分数过少，导致烧结温度不够，相同温度时产生产生液相量不充分，未加入轻烧镁粉，液相粘度偏大，阻碍了孔隙的均匀分布和扩展，不利于抗压强度增强和体积密度降低，进而致使自重偏大。实施例1-4中加入轻烧镁粉和一定的硼砂，降低了液相生成温度增加液相量的生成，增大液相量粘度同时降低了表面张力，使气孔均匀生长且降低并孔现象，有效增加了气孔率和抗压强度。
需要说明的是，以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征，对于本领域的专业技术人员，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不离开本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他形式实现本发明。因此旨将落在权利要求内的等同要件含义和范围内所有的变化均囊括在本发明内。

Claims (10)

1.一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷，是由包括如下质量份数组分组成的：粉煤灰10-40份、硅锰渣20-60份、钒渣1-20份、硼砂5-25份、轻烧镁粉1-10份、膨润土5-15份、碳化硅0-1份。
2.一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将粉煤灰、硅锰渣、钒渣按一定质量份比例投料，球磨均匀，将粉料过筛后取用；
步骤2、在原料中加入硼砂、轻烧镁粉、膨润土、碳化硅，继续球磨，加入一定质量的水进行陈化，取样利用压片机压制成型；
步骤3、将试样放入干燥箱中干燥；
步骤4、试样放入烧结设备中一定条件下烧结，烧结完成后，自然冷却，制得发泡陶瓷。
3.如权利要求2所述的一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤1中粉煤灰、硅锰渣和钒渣质量份比例为10-40份：20-60份：1-20份。
4.如权利要求2所述的一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤1中球磨时间为15min-30min，用100-200目筛子筛取粒径大小在0.074mm-0.15mm之间的粉料。
5.如权利要求2所述的一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤2中硼砂5-25份、轻烧镁粉1-10份、膨润土5-15份、碳化硅0-1份，碳化硅为发泡剂，膨润土为粘结剂，硼砂为助融剂，轻烧镁粉为稳泡剂。
6.如权利要求2所述的一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤2中球磨时间为15min-30min，加入水的质量份为5-20份。
7.如权利要求2所述的一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤2中成型方式可采用手动压制或自动压制，压力在5MPa-20MPa，保压时间为30s-180s。
8.如权利要求2所述的一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤3中干燥温度60℃-120℃，干燥时间30min-120min。
9.如权利要求2所述的一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤4中烧结设备可以是电阻炉、马弗炉或经改装后可控制升温速率、烧结温度因素的烧结设备。
10.如权利要求2所述的一种粉煤灰和冶金废渣制备的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤4中烧结条件为升温速率3℃/min-15℃/min，烧结温度1050℃-1250℃，保温时间15min-100min。
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