CN113636835A - 一种利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及储能材料的技术领域，具体涉及一种利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷及其制备方法，按照质量百分数计，包括以下原料：镁渣32wt％～60wt％、高岭土25wt％～56wt％、刚玉0～12wt％、助熔剂0～15wt％，所有原料的总和为100wt％。本发明利用镁渣合成高温热稳定性能良好的钙长石相，制备的储热陶瓷经过30次热震循环(800℃～室温)后无开裂，体积密度最高达2.36g·cm‑3，抗折强度最高达71.72MPa，储热密度可达800～900kJ/kg(室温～800℃)，可满足各种储热技术中储热材料的性能要求，且原料成本低，制备工艺简单，易于调节，便于工业化生产。

Description

一种利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及储能材料的技术领域，具体涉及一种利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷及其制备方法。
背景技术
在太阳能热发电系统中，太阳能集热器把收集到的太阳辐射能转化为热能，再通过传统的电力循环来产生电能，为了保持供电装置稳定不间断地运行，就需要储热装置把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，因此储热装置是太阳能热发电系统的关键之一，储热材料不仅要有高的储热密度，还要有良好的耐高温和抗热震性能。陶瓷具有高温稳定性好、耐化学腐蚀、密度大、成本低等优点，是太阳能热发电站中常用的储热材料。
中国发明专利《刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体》(CN102399082 B)公开了一种以刚玉、莫来石和粘土为原料，于1450℃下制备的刚玉莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体；中国发明专利《高热导率红柱石/碳化硅复相储热陶瓷及其制备方法》(CN201610396317.0)利用碳化硅为主要原料于1540℃制备了复相储热陶瓷，但以上两项专利均采用优质天然原料或碳化硅原料，且烧成温度较高，导致成本较高。为了降低储热材料的制备成本，利用固体废弃物或低品位原料作为原料成为研究热点。中国发明专利《一种硅藻土基复合相变储热球、制备方法和用途》(CN105838331A)公开了一种利用硅藻土和熔融盐制备复合相变储热球的方法，制备的储热球储热密度为200～500kJ/kg；“Thermophysical characterization of a by～product from the steelindustry to be used as a sustainable and low～costthermal energystorage material”一文中利用钢渣为主要原料制备了储热陶瓷，储热密度为443.2kJ/kg(室温～500℃)。
镁渣是生产金属镁时排出的工业废渣，皮江法炼镁每生产1吨镁，会产生6～10吨的镁渣，大量的镁渣堆积造成了严重的环境污染。目前镁渣的利用主要集中在水泥混凝土领域，用于充当水泥熟料，还有研究利用其制备耐火材料和环保陶瓷滤料。中国发明专利《一种利用镁渣、锰渣制备硫铝酸盐水泥熟料的方法》(CN107382107B)利用镁渣和锰渣为主要原料于1200～1300℃制备了硫铝酸盐水泥熟料；中国发明专利《六铝酸钙/钙长石复相轻质隔热保温耐火材料及其制备方法》(CN201210258832.4)公开了以镁渣、高岭土和工业氧化铝为原材料，通过高温反应烧结法制备六铝酸钙/钙长石复相轻质隔热保温耐火材料的方法；中国发明专利《利用镁渣制备环保陶瓷滤料的方法》(CN101428187)利用镁渣为主要原料制备了环保陶瓷滤料，适用于环保水处理领域。但是镁渣尚未用于制备储热材料。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷，抗折强度好，储热密度高，原料成本比广泛使用的刚玉莫来石等优质天然原料降低了1/3～1/2，因此显著降低了生产成本。
本发明的目的之二在于提供一种利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷的制备方法，制备工艺简便，易于调节。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷，按照质量百分数计，包括以下原料：镁渣32wt％～60wt％、高岭土25wt％～56wt％、刚玉0～12wt％、助熔剂0～15wt％，所有原料的总和为100wt％。
优选地，所述镁渣的成分按照质量百分比计包括：CaO:40wt％～60wt％；SiO2:20wt％～35wt％；Al2O3:2wt％～5wt％；MgO:5wt％～10wt％；Fe2O3:2wt％～5wt％。
优选地，所述镁渣为皮江法炼镁产生的废渣。
优选地，所述助熔剂为钾长石和/或滑石。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料处理：将各组分原料分别球磨之后过筛后备用；
(2)原料混合：按照各原料所占质量百分数称取过筛后的原料，并混合均匀，得到混合料；
(3)喷雾造粒：将混合料进行喷雾造粒，加入水的质量为混合料的5wt％～8wt％；
(4)陈腐：将喷雾造粒后的原料密封，在常温下陈腐至水份分布均匀；
(5)压制成型：将陈腐好的混合料压制成型，得到太阳能储热陶瓷生坯；
(6)干燥、烧成：将生坯干燥后，在1100～1180℃烧成，制得太阳能储热陶瓷。
优选地，所述步骤(1)中，将球磨后的原料过250目筛。
优选地，所述步骤(5)中，压制成型的压力为30～50kN，保压时间为20～30s。
优选地，所述步骤(7)中，干燥温度为80～90℃，烧成的升温速率为3～5℃/min，烧成保温时间为1-3h。
本发明采用镁渣作为原料制备钙长石相，与传统钙长石原料相比含有较高的CaO含量，含CaO高的原料在较高的温度(1150～1200℃)下容易生成玻璃相，并且这种玻璃相具有短性特征，即玻璃相的粘度随着温度的增加而急剧降低，由于粘度对温度的变化敏感，使得不同温度下坯体的烧结、收缩差异比较大，从而造成坯体的变形、发泡等问题，本发明为了克服以上难点，采用较窄的烧成温度(1100～1180℃)制备陶瓷。另外，根据需要搭配助熔剂，能够在较低温度下产生液相，降低陶瓷产品的烧成温度。
本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明利用镁渣合成高温热稳定性能良好的钙长石相，制备的储热陶瓷经过30次热震循环(800℃～室温)后无开裂，体积密度最高达2.36g·cm-3，抗折强度最高达71.72MPa，储热密度可达800～900kJ/kg(室温～800℃)，可满足各种储热技术中储热材料的性能要求。
(2)本发明以镁渣固体废弃物为主要原料制备太阳能储热陶瓷，原料成本比广泛使用的刚玉莫来石等优质天然原料降低了1/3～1/2，因此显著降低了生产成本。
(3)本发明的制备方法，制备工艺简单，易于调节，便于工业化生产。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
一种利用镁渣制备钙长石储热陶瓷的方法，其具体步骤如下：
(1)原料处理：将镁渣、高岭土和刚玉分别放入球磨机球磨4h，过250目筛后备用；
(2)原料混合：按照各原料所占质量百分数称取原料，并用球磨机球磨2h混合均匀，得到混合料，所述原料所占质量百分数为：镁渣32.62wt％、高岭土55.67wt％以及刚玉11.71wt％；
所用的镁渣为皮江法炼镁产生的废渣，其具体成分为：CaO 58.71wt％、SiO232.61wt％、MgO 4.75wt％、Fe2O3 2.91wt％以及Al2O3 0.82wt％。
(3)喷雾造粒：将混合料放入喷雾造粒机内喷雾造粒，加入水的质量为混合料的8wt％；
(4)陈腐：将喷雾造粒好的料在常温下密封陈腐24h；
(5)压制成型：将陈腐好的混合料放入模具中压制成型，控制压机压力为50kN，保压时间为20s，得到圆片状太阳能储热陶瓷生坯；
(6)干燥：将生坯置于85℃的干燥箱中，干燥24h；
(7)烧成：将干燥后的坯体放入窑炉中烧成，最高烧成温度为1120℃，制得太阳能储热陶瓷。
其中，烧成的温度控制为：升温速率为3～5℃/min，最高烧结温度保温2h。
经测试，本发明的储热陶瓷体积密度为2.20g·cm-3，抗折强度为66.81MPa，室温～800℃经过30次热震循环后无开裂，储热密度为846kJ/kg(室温～800℃)，满足各种储热技术装置中储热材料的性能要求。
实施例2：
一种利用镁渣制备钙长石储热陶瓷的方法，其具体步骤如下：
(1)原料处理：将镁渣、高岭土、刚玉、滑石分别放入球磨机球磨6h，过250目筛后备用；
(2)原料混合：按照各原料所占质量百分数称取原料，并用球磨机球磨2h混合均匀，得到混合料，所述原料所占质量百分数为：镁渣40wt％、高岭土45wt％、刚玉10wt％以及滑石5wt％；
所用的镁渣为皮江法炼镁产生的废渣，其具体成分为：CaO 58.71wt％、SiO232.61wt％、MgO 4.75wt％、Fe2O3 2.91wt％以及Al2O3 0.82wt％。
(3)喷雾造粒：将混合料放入喷雾造粒机内喷雾造粒，加入水的质量为混合料的6wt％；
(4)陈腐：将喷雾造粒好的料在常温下密封陈腐24h；
(5)压制成型：将陈腐好的混合料放入模具中压制成型，控制压机压力为40kN，保压时间为25s，得到圆片状太阳能储热陶瓷生坯；
(6)干燥：将生坯置于80℃的干燥箱中，干燥24h；
(7)烧成：将干燥后的坯体放入电炉中烧成，最高烧成温度为1180℃，制得太阳能储热陶瓷。
其中，烧成的温度控制为：升温速率为3～5℃/min，最高烧结温度保温1h。
经测试，本发明的储热陶瓷体积密度为2.25g·cm-3，抗折强度为71.72MPa，室温～800℃经过30次热震循环后无开裂，满足各种储热技术装置中储热材料的性能要求。
实施例3：
一种利用镁渣制备钙长石储热陶瓷的方法，其具体步骤如下：
(1)原料处理：将镁渣、高岭土、钾长石和滑石分别放入球磨机球磨8h，过250目筛后备用；
(2)原料混合：按照各原料所占质量百分数称取原料，并用球磨机球磨2h混合均匀，得到混合料，所述原料所占质量百分数为：镁渣60wt％，高岭土25wt％、钾长石5wt％，滑石10wt％；
所用的镁渣为皮江法炼镁产生的废渣，其具体成分为：CaO 58.71wt％、SiO232.61wt％、MgO 4.75wt％、Fe2O3 2.91wt％以及Al2O3 0.82wt％。
(3)喷雾造粒：将混合料放入喷雾造粒机内喷雾造粒，加入水的质量为混合料的5wt％；
(4)陈腐：将喷雾造粒好的料在常温下密封陈腐24h；
(5)压制成型：将陈腐好的混合料放入模具中压制成型，控制压机压力为30kN，保压时间为30s，得到圆片状太阳能储热陶瓷生坯；
(6)干燥：将生坯置于90℃的干燥箱中，干燥24h；
(7)烧成：将干燥后的坯体放入窑炉中烧成，最高烧成温度为1100℃，制得太阳能储热陶瓷。
其中，烧成的温度控制为：升温速率为3～5℃/min，最高烧结温度保温3h。
经测试，本发明的储热陶瓷的体积密度为2.27g·cm-3，抗折强度为57.19MPa，室温～800℃经过30次热震循环后无开裂，满足各种储热技术装置中储热材料的性能要求。
实施例4：
一种利用镁渣制备钙长石储热陶瓷的方法，其具体步骤如下：
(1)原料处理：将镁渣、高岭土、刚玉和钾长石分别放入球磨机球磨6h，过250目筛后备用；
(2)原料混合：按照各原料所占质量百分数称取原料，并用球磨机球磨2h混合均匀，得到混合料，所述原料所占质量百分数为：镁渣50wt％、高岭土35wt％、刚玉10wt％以及钾长石5wt％；
所用的镁渣为皮江法炼镁产生的废渣，其成分范围为：CaO 58.71wt％、SiO232.61wt％、MgO 4.75wt％、Fe2O3 2.91wt％以及Al2O3 0.82wt％。
(3)喷雾造粒：将混合料放入喷雾造粒机内喷雾造粒，加入水的质量为混合料的6wt％；
(4)陈腐：将喷雾造粒好的料在常温下密封陈腐24h；
(5)压制成型：将陈腐好的混合料放入模具中压制成型，控制压机压力为40kN，保压时间为25s，得到太阳能储热陶瓷生坯；
(6)干燥：将生坯置于80℃的干燥箱中，干燥24h；
(7)烧成：将干燥后的坯体放入电炉中烧成，最高烧成温度为1140℃，制得太阳能储热陶瓷。
其中，烧成的温度控制为：升温速率为3～5℃/min，最高烧结温度保温2h。
经测试，本发明的储热陶瓷体积密度为2.26g·cm-3，抗折强度为58.54MPa，室温～800℃经过30次热震循环后无开裂，满足各种储热技术装置中储热材料的性能要求。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷，其特征在于：按照质量百分数计，包括以下原料：镁渣32wt％～60wt％、高岭土25wt％～56wt％、刚玉0～12wt％、助熔剂0～15wt％，所有原料的总和为100wt％。
2.根据权利要求1所述的利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷，其特征在于：所述镁渣的成分按照质量百分比计包括：CaO:40wt％～60wt％；SiO2:20wt％～35wt％；Al2O3:2wt％～5wt％；MgO:5wt％～10wt％；Fe2O3:2wt％～5wt％。
3.根据权利要求1所述的利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷，其特征在于：所述镁渣为皮江法炼镁产生的废渣。
4.根据权利要求1所述的利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷，其特征在于：所述助熔剂为钾长石和/或滑石。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料处理：将各组分原料分别球磨之后过筛后备用；
(2)原料混合：按照各原料所占质量百分数称取过筛后的原料，并混合均匀，得到混合料；
(3)喷雾造粒：将混合料进行喷雾造粒，加入水的质量为混合料的5wt％～8wt％；
(4)陈腐：将喷雾造粒后的原料密封，在常温下陈腐至水份分布均匀；
(5)压制成型：将陈腐好的混合料压制成型，得到太阳能储热陶瓷生坯；
(6)干燥、烧成：将生坯干燥后，在1100～1180℃烧成，制得太阳能储热陶瓷。
6.根据权利要求5所述的利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，将球磨后的原料过250目筛。
7.根据权利要求5所述的利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，压制成型的压力为30～50kN，保压时间为20～30s。
8.根据权利要求5所述的利用镁渣制备的钙长石储热陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中，干燥温度为80～90℃，烧成的升温速率为3～5℃/min，烧成保温时间为1-3h。
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