CN115710136B - 一种中空保温陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于固废资源化利用和轻质集料制备技术领域，具体涉及一种中空保温陶粒及其制备方法，包括以下步骤：（1）将钼尾矿、污泥和硅酸钠进行粉碎、混合、造粒、干燥处理，得到内层料球；（2）将钼尾矿、粉煤灰、污泥、钢渣和碳粉进行粉碎、加水混合处理，得到外层浆料；（3）将步骤（2）得到的外层浆料包裹在步骤（1）得到的内层料球表面进行成球，然后干燥得到混合料球，再将混合料球进行烧结，烧结完成后得到中空保温陶粒。本发明提供的钼尾矿中空保温陶粒制作方法简单，内部具有丰富的孔隙结构，除了具有硬度大、耐腐蚀、耐高温外，还具有质轻、密度小和抗震性好的优点。

Description

一种中空保温陶粒及其制备方法
技术领域
本发明属于固废资源化利用和轻质集料制备技术领域，具体涉及一种中空保温陶粒及其制备方法。
背景技术
随着建筑能耗的逐年上升，生产具有保温隔热性能的轻集料混凝土成为我国节能型建筑行业发展的一个重要领域。
陶粒是一种经烧结发泡生产的轻质集料，陶粒表面光滑而坚硬，且其内部呈细密蜂窝状微孔，具有封闭特征，有利于隔热与隔声，可以用于墙体保温材料。陶粒主要性能包括：质量轻、密度低、筒压强度高、孔隙率高、软化系数高、导热性低、抗冻性良好等。由于陶粒的诸多优异性能使得其广泛应用于建材等行业，制备出的陶粒混凝土具备良好的建筑集料特性，在满足建筑材料力学性能的同时，还能有效实现墙材的保温节能，符合建筑行业环保节能的绿色发展理念。因此，在建筑轻集料应用方面，以陶粒作为粗骨料制备出的新型绿色墙材值得推广和应用，陶粒的需求量也随之上升。然而，传统黏土陶粒需要消耗大量的黏土，这样既破坏了环境又减少了可耕地面积，所以越来越多的科研工作者将目光聚集到了固体废弃物陶粒上。
中国作为钼资源丰富的国家，潜在资源量为8960万吨。但是大部分矿区的钼品位较低，富矿仅占总储量的1％。随着钼资源的不断开发，随之而产生的钼尾矿不但浪费资源、占用土地，而且还对周围环境造成污染。因此，推进钼尾矿的综合利用备受关注。
检测报告显示龙宇钼业有限公司钼尾矿含有63％的石英，钼尾矿主要以SiO2和Al2O3成分为主，含有少量的CaO、MgO及R2O等，根据其化学成分组成、已知的特性，钼尾矿可作为陶粒的主体组分，提高陶粒的强度，因此利用钼尾矿等固体废弃物烧制陶粒，不仅能有效解决钼尾矿的堆存问题，还具有烧制成本低、烧成成品质轻、导热性低等优点，从而实现钼尾矿的高附加值利用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的旨在提供一种中空保温陶粒及其制备方法。
为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明第一方面提供了一种中空保温陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钼尾矿、污泥和硅酸钠进行粉碎、混合、造粒、干燥处理，得到内层料球；
(2)将钼尾矿、粉煤灰、污泥、钢渣和碳粉进行粉碎、加水混合处理，得到外层浆料；
(3)将步骤(2)得到的外层浆料包裹在步骤(1)得到的内层料球表面，干燥得到混合料球，再将混合料球进行烧结，烧结完成后得到中空保温陶粒。
优选地，步骤(3)中所述烧结的过程为：将混合料球先升温至350℃～450℃，保温50～80min后再升温至1150℃～1160℃，保温50～80min后冷却至室温，得到中空保温陶粒。
优选地，步骤(3)中所述升温至1150℃～1160℃的升温速度为5～20℃/min。
优选地，步骤(3)中所述升温至350℃～450℃的升温速度为10～15℃/min。
优选地，以重量份数计，污泥以干污泥计，步骤(1)中所述内层料球的原料组分为：钼尾矿40～60份，污泥40～60份，硅酸钠10～20份。
优选地，以重量份数计，污泥以干污泥计，步骤(2)中外层浆料的原料组分为：钼尾矿30～40份、粉煤灰25～35份、污泥10～20份、钢渣10～20份和碳粉2～4份。
优选地，所述钼尾矿中SiO2的含量为60wt％～65wt％，Al2O3的含量为13wt％～15wt％，K2O的含量为5wt％～6wt％，CaO的含量为4wt％～5wt％，Fe2O3的含量为3wt％～4wt％，MgO的含量为4wt％～5wt％。
优选地，步骤(1)和(3)中所述干燥的温度为105℃，时间为3h。
本发明第二方面提供一种由上述制备方法制备的中空保温陶粒。
本发明以钼尾矿、污泥和硅酸钠为原料经过粉碎、混合、造粒和干燥后得到内层料球，再以钼尾矿、粉煤灰、污泥、钢渣和碳粉为原料经粉碎、混合、加水混合后得到外层浆料，最后将外层浆料包裹至内层料球表面进行成球、干燥和烧结处理，成功制备了具有双层结构的中空保温陶粒。
在内层料球的制备过程中，硅酸钠作为粘结剂，方便原料造粒成型。在烧结时，随着温度的升高，内层料球中钼尾矿液化形成液相而污泥中的有机物转化为气体，由于污泥的占比较大，导致烧结时生成的液相量不足以包裹住产生的气体，从而导致内层料球产生收缩效应。外层浆料的原料中钢渣作为助熔剂，可促进钼尾矿、粉煤灰在烧结过程中形成液相，同时碳粉与污泥中的可燃性有机物随着温度的升高而转化为CO2气体，在本发明设定的原料配比下，外层浆料烧结时产生的液相量可达到适宜的黏度抑制气体的逸出，使得外层浆料产生膨胀，最终成功制备了内层收缩、外层膨胀的具有双层结构的中空保温陶粒。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明将内层料球与外层浆料组合经烧结后制备了具有双层结构的中空保温陶粒，外层浆料烧结后为密实蜂窝状孔结构，内层烧结后为收缩的无孔结构，在保证强度的同时，该中空保温陶粒的堆积密度650～730kg/m3，表观密度1200～1320kg/m3，吸水率为1.1～2.2％，筒压强度为5.60～7.50MPa，满足GB/T 17431.1-2010的要求。
(2)本发明提供的钼尾矿中空保温陶粒制作方法简单，外层具有丰富的孔隙结构，除了具有硬度大、耐腐蚀、耐高温外，还具有质轻、密度小和抗震性好的优点，在自保温墙体材料方面展现出良好的应用前景，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。
(3)本发明以钼尾矿为主要原料生产中空保温陶粒，实现了固体废物的资源化循环利用，且钼尾矿来源广泛，价格低廉，降低了保温陶粒的生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例1所得中空保温陶粒的外层孔结构图；
图2为本发明实施例2所得中空保温陶粒的外层孔结构图；
图3为本发明实施例3所得中空保温陶粒的外层孔结构图；
图4为本发明实施例4所得中空保温陶粒的外层孔结构图；
图5为本发明实施例5所得中空保温陶粒的外层孔结构图；
图6为本发明实施例6所得中空保温陶粒的外层孔结构图；
图7为本发明实施例7所得中空保温陶粒的外层孔结构图。
具体实施方式
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
以下实施例中原料主要成分如表1所示：
表1各原料主要化学成分(wt％)
原材料 有机物 <![CDATA[Na<sub>2</sub>O]]> MgO <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> <![CDATA[SO<sub>3</sub>]]> <![CDATA[K<sub>2</sub>O]]> CaO <![CDATA[TiO<sub>2</sub>]]> MnO <![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]>
钼尾矿 3.85 1.65 3.29 13.5 61.2 0.88 5.34 4.55 0.71 0.13 3.51
粉煤灰 17.1 0.65 0.61 22.4 50.2 0.74 1.65 1.99 0.75 0.04 3.45
污泥 72.1 0.23 0.88 4.46 8.77 1.22 0.71 1.46 0.14 0.02 2.18
钢渣 15.3 0.48 3.99 16.9 36.5 0.62 1.03 13.3 0.76 1.2 8.23
(一)探讨不同原料配比对所得中空保温陶粒性能的影响
为了探讨不同原料配比对制备的中空保温陶粒性能的影响，本发明进行了实施例1～3实验，具体内容如下。
实施例1：
一种中空保温陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)内层料球的制备：
以重量份数计，污泥以干污泥计，原料组分包括钼尾矿50份，污泥50份，硅酸钠15份；
采用密封式制样粉碎机将上述原料粉碎成粉末，过75μm筛，按上述配比分别称取钼尾矿、污泥和硅酸钠，均化、加水后进行造粒，将造粒后的生料球在电热鼓风干燥箱中于105℃下干燥3h，得到内层料球；
(2)外层浆料的制备：
以重量份数计，污泥以干污泥计，原料组分包括钼尾矿35份，粉煤灰30份，污泥15份，钢渣20份，碳粉2份；
采用密封式制样粉碎机将上述原料粉碎成粉末，过75μm筛，按上述配比分别称取钼尾矿、粉煤灰、污泥、钢渣和碳粉进行均化、加水、混合后得到外层浆料；
(3)中空保温陶粒的制备：
在内层料球表面包裹一层外层浆料进行成球，然后于105℃下干燥3h，得混合料球；将混合料球放入烧结炉中，烧结炉的初始温度为20℃，以10℃/min的速度升温至400℃，保持60min，然后以10℃/min的速度升温至1150℃，保持60min后随炉冷却，出炉得到中空保温陶粒。
实施例2：
一种中空保温陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)内层料球的制备：同实施例1；
(2)外层浆料的制备：
以重量份数计，污泥以干污泥计，原料组分包括钼尾矿30份，粉煤灰30份，污泥20份，钢渣15份，碳粉2份；
采用密封式制样粉碎机将上述原料粉碎成粉末，过75μm筛，按上述配比分别称取钼尾矿、粉煤灰、污泥、钢渣和碳粉进行均化、加水、混合后得到外层浆料；
(3)中空保温陶粒的制备：同实施例1。
实施例3：
一种中空保温陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)内层料球的制备：同实施例1；
(2)外层浆料的制备：
以重量份数计，污泥以干污泥计，原料组分包括钼尾矿40份，粉煤灰30份，污泥20份，钢渣10份，碳粉2份；
采用密封式制样粉碎机将上述原料粉碎成粉末，过75μm筛，按上述配比分别称取钼尾矿、粉煤灰、污泥、钢渣和碳粉进行均化、加水、混合后得到外层浆料；
(3)中空保温陶粒的制备：同实施例1。
性能测试：
1.将实施例1～3制备的中空保温陶粒样品进行性能测试，结果参见表2；
内层收缩率＝(烧结后内层料球的体积/烧结前内层料球的体积)×％；
外层膨胀率＝[(烧结后陶粒的体积-烧结前混合料球体积)/烧结前混合料球的体积]×％；
2.实施例1～3所得中空保温陶粒的外层孔结构参见图1～图3。
表2原料配比对陶粒保温性能的影响
钢渣中Fe2O3的含量较高，其在烧结过程中一方面可发挥助熔的作用，另一方面Fe2O3也会氧化原料中的碳粉产生CO2气体。在烧结过程中，除了碳粉的燃烧和氧化产生气体外，污泥中的有机质在烧结时也会产生气体，促使形成具有蜂窝状孔结构的外层膨胀材料。
由表1可知，在内层料球原料相同的条件下，外层浆料的原料配比对其膨胀率影响较大。相较于实施例2，实施例1的外层膨胀率更高，这可能是由于其中的钢渣含量更高，烧结过程中更有利于孔结构的形成和膨胀。而实施例3的外层膨胀率为0，这可能是由于原料中钢渣含量少，钼尾矿含量高，导致坯体中硅铝含量较高，最高烧结温度尚未达到原料液化温度，因而外层结构无孔，堆积密度和表观密度增高，且表面未玻璃化，导致吸水率高，筒压强度降低。
(二)探讨最高烧结温度对所得中空保温陶粒的性能影响
为了探讨不同高温烧结区最高温度对制备的中空保温陶粒性能的影响，本发明进行了实施例4～5实验，具体内容如下。
实施例4：
一种中空保温陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)内层料球的制备：同实施例1；
(2)外层浆料的制备：同实施例1；
(3)中空保温陶粒的制备：
在内层料球表面包裹一层外层浆料进行成球，然于105℃下干燥3h，得混合料球；将混合料球入烧结炉，烧结炉的初始温度为20℃，以10℃/min的速度升温至400℃，保持60min，然后以10℃/min的速度升温至1140℃，保持60min后随炉冷却，出炉得到中空保温陶粒。
实施例5：
一种中空保温陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)内层料球的制备：同实施例1；
(2)外层浆料的制备：同实施例1；
(3)中空保温陶粒的制备：
在内层料球表面包裹一层外层浆料进行成球，然于105℃下干燥3h，得混合料球；将混合料球入烧结炉，烧结炉的初始温度为20℃，以10℃/min的速度升温至400℃，保持60min，然后以10℃/min的速度升温至1160℃，保持60min后随炉冷却，出炉得到中空保温陶粒。
性能测试：
1.将实施例1、实施例4和实施例5制备的中孔保温陶粒进行性能测试，结果参见表3。
2.实施例4和实施例5所得中空保温陶粒的外层孔结构参见图4和图5。
表3烧结温度对陶粒性能的影响
实施例编号 实施例4 实施例1 实施例5
高温区升温速度(℃/min) 10 10 10
高温区最高烧结温度(℃) 1140 1150 1160
外层材料膨胀率(％) 0 10 8
<![CDATA[堆积密度(kg/m<sup>3</sup>)]]> 792 650 610
<![CDATA[表观密度(kg/m<sup>3</sup>)]]> 1426 1279 1208
吸水率(％) 13.8 1.2 2.2
筒压强度(MPa) 4.74 6.95 5.65
实施例1、4、5研究了最高烧结温度对陶粒孔结构的影响，由表2可以看出，相较于实施例1，实施例4最高温度为1140℃时，其外层材料的膨胀率为0，堆积密度和表观密度均较高，这是由于该温度下料球表面形成的液相量不足，不能较好地形成对气体的抑制，造成成孔数量少，结构差，外层未膨胀的情况出现。同时料球表面未玻璃化，导致吸水率高，筒压强度降低。
在实施例1中，随着烧成温度的提高，外层膨胀率明显提高，成孔结构越来越密实，孔的数量也越来越多，这是由于提高烧成温度，致使陶粒内部液相粘度降低，产气组分产生气体增多，陶粒的气孔率升高。
实施例5中最高温度为1160℃，在该温度下陶粒内部产生大量的高温液相，黏度很低，孔壁不能保持固定的结构，从而使孔结构遭受破坏出现塌空现象，相应堆积密度和表观密度和筒压强度都有所下降。综上所述，当最高烧结温度为1150℃时，外层膨胀效果最好。
(三)探讨升温速率对所得中空保温陶粒性能的影响
为了探讨升温速率对制备的中空保温陶粒性能的影响，本发明进行了实施例6～7实验，具体内容如下。
实施例6：
一种中空保温陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)内层料球的制备：同实施例1；
(2)外层浆料的制备：同实施例1；
(3)中空保温陶粒的制备：
在内层料球表面包裹一层外层浆料进行成球，然后于105℃下干燥3h，得混合料球；将混合料球放入烧结炉中，烧结炉的初始温度为20℃，以10℃/min的速度升温至400℃，保持60min，然后以5℃/min的速度升温至1150℃，保持60min后随炉冷却，出炉得到中空保温陶粒。
实施例7：
一种中空保温陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)内层料球的制备：同实施例1；
(2)外层浆料的制备：同实施例1；
(3)中空保温陶粒的制备：
在内层料球表面包裹一层外层浆料进行成球，然后于105℃下干燥3h，得混合料球；将混合料球放入烧结炉中，烧结炉的初始温度为20℃，以10℃/min的速度升温至400℃，保持60min，然后以20℃/min的速度升温至1150℃，保持60min后随炉冷却，出炉得到中空保温陶粒。
性能测试：
1.将实施例6和实施例7制备的中空保温陶粒进行性能测试，结果参见表4；
2.实施例6和实施例7所得中空保温陶粒的外层孔结构参见图6和图7。
表4升温速度对陶粒性能的影响
实施例编号 实施例6 实施例1 实施例7
最高烧结温度(℃) 1150 1150℃ 1150
第二次升温速度(℃/min) 5 10 20
外层膨胀率(％) 10 10 5
<![CDATA[堆积密度(kg/m<sup>3</sup>)]]> 655 650 732
<![CDATA[表观密度(kg/m<sup>3</sup>)]]> 1289 1279 1312
吸水率(％) 1.1 1.2 1.6
筒压强度(MPa) 6.90 6.95 7.38
实施例6、7研究了高温区升温速率对外层材料孔结构的影响，由表3和图7可知，当升温速率为20℃/min时，实施例7制备的外层材料的孔少而小，且未形成蜂窝状密实孔结构，这是由于高温区过快的升温速率可能导致料球表层和内部的膨胀差异，气孔内的压力快速变大，一部分气体因为压力太大借助合成大孔直接冲出界面，造成显孔率降低的现象，因而膨胀率下降，堆积密度和表观密度和筒压强度都有所增高。而实施例6和实施例1效果相差不大，但升温速率慢使得烧制时长延长，成本会大大增高。
上述实施例为本发明的具体实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何不超出本发明设计思路组合、改变、修饰、替代、简化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种中空保温陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将钼尾矿、污泥和硅酸钠进行粉碎、混合、造粒、干燥处理，得到内层料球；
以重量份数计，污泥以干污泥计，所述内层料球的原料组分为：钼尾矿40～60份，污泥40～60份，硅酸钠10～20份；
（2）将钼尾矿、粉煤灰、污泥、钢渣和碳粉进行粉碎、加水混合处理，得到外层浆料；
以重量份数计，污泥以干污泥计，所述外层浆料的原料组分为：钼尾矿30～40份、粉煤灰25～35份、污泥10～20份、钢渣10～20份和碳粉2～4份；
（3）将步骤（2）得到的外层浆料包裹在步骤（1）得到的内层料球表面，干燥得到混合料球，将混合料球先以10～15℃/min的升温速度升温至350℃～450℃，保温50～80 min后再以5～20℃/min的升温速度升温至1150℃～1160℃，保温50～80 min后冷却至室温，得到中空保温陶粒。
2.如权利要求1所述的中空保温陶粒的制备方法，其特征在于，所述钼尾矿中SiO2的含量为60 wt%～65 wt%，Al2O3的含量为13 wt%～15 wt%，K2O的含量为5 wt%～6 wt%，CaO的含量为4 wt%～5 wt%，Fe2O3的含量为3 wt%～4 wt%，MgO的含量为4 wt%～5 wt%。
3.如权利要求2所述的中空保温陶粒的制备方法，其特征在于，步骤（1）和（3）中所述干燥的温度为105℃，时间为3h。
4.如权利要求1～3任一所述的制备方法制备的中空保温陶粒。
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