TWI421346B - Sintering Production Method of Aluminum Slag Lightweight - Google Patents

Description

鋁渣輕質骨材燒結產製方法

本發明是有關於一種骨材的製造方法，特別是指一種鋁渣輕質骨材燒結產製方法。

隨著經濟的蓬勃發展，事業廢棄物日益增加，在這環保意識高漲的時代，如何處理日益增多的事業廢棄物乃是當務之急，刻不容緩。國內鋁回收再生工業每年約產生1萬5千公噸之鋁渣，鋁渣之組成繁雜且不均勻，其中主要成分為含量50~60%的氧化鋁，另外還有金屬鋁、氮化鋁及碳化鋁等成分，由於鋁渣之鋁含量相當可觀，直接棄置不但可惜，也會對環境造成嚴重污染。

另外，近年來國內科技產業最具代表性的就是光電產業，該產業所產生之液晶玻璃廢棄物中，含有Ga、As、Si、P、Al、In等成分，由於上述成分之礦產來源已有枯竭之情形，加上此類元素資源具有特定之經濟價值，因此若能透過資源化之程序以回收有用資源，除可減少光電廢棄物對環境的污染外，更能創造產業資源化之價值。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以降低生產成本的鋁渣輕質骨材燒結產製方法。

於是，本發明鋁渣輕質骨材燒結產製方法，依序包含一前處理步驟、一混合製坯步驟、一乾燥步驟，及一燒結步驟。

該前處理步驟是將鋁渣進行氨氣釋放之安定化處理後，與磷酸反應形成含有磷酸鋁的塊狀鋁渣，並將塊狀鋁渣研磨成鋁渣粉末，並將廢液晶玻璃、泥岩粉碎成粉末。

該混合製坯步驟是將鋁渣粉末、廢液晶玻璃粉末、泥岩粉末混合，由氧化鋁、氧化鐵或氫氧化鈉中擇一作為助熔劑，再加入碳酸鈉或硼酸作為發泡劑，共同混合形成球狀生坯。

該乾燥步驟是將球狀生坯進行乾燥，該燒結步驟是以溫度逐漸上升之漸進式加溫方式將乾燥後的球狀生坯燒結成輕質骨材，且最終燒結溫度為800~1000℃。

本發明之功效在於，藉由廢液晶玻璃與助熔劑、發泡劑的配合使用，不但能使得骨材輕質化且有表面玻化的性質，而有強度高、不易吸水等特性，還能有效降低燒結溫度，降低生產成本。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1與圖2，為本發明鋁渣輕質骨材燒結產製方法之較佳實施例，依序包含一前處理步驟11、一混合製坯步驟12、一乾燥步驟13及一燒結步驟14。

該前處理步驟11是將鋁渣進行氨氣釋放之安定化處理後，與磷酸反應形成含有磷酸鋁的塊狀鋁渣，並將塊狀鋁渣研磨成鋁渣粉末，並將廢液晶玻璃、泥岩粉碎成粉末。

泥岩粉末混合，由氧化鋁(Al₂ O₃ )、氧化鐵(Fe₂ O₃ )或氫氧化鈉(NaHCO₃ )中擇一作為助熔劑，再加入碳酸鈉或硼酸作為發泡劑，共同混合形成球狀生坯。

該乾燥步驟13是將球狀生坯進行乾燥，該燒結步驟14是以分段升溫、持溫的方式使溫度上升至所需的燒結溫度(例如0℃～200℃升溫15分鐘、200℃～200℃持溫10分鐘，200℃～400℃升溫15分鐘、400℃～400℃持溫10分鐘......，以此類推)，且最終燒結溫度分別為800℃、900℃、1000℃而將球狀生坯燒結成輕質骨材。

於本發明中，廢液晶玻璃是將銦、52-鎵等成分回收後再進行粉碎，另外要特別說明的是，本發明選用泥岩而不選用黏土的原因在於：相較於黏土，泥岩同樣可以提供膠結作用，且每一百克中還含有約13%的氧化鋁，因此除了提供膠結作用之外，還能輔助進行發泡作用，而成降低發泡劑的使用量。另外，由於台灣西南部地區之地質含有大量泥岩且水土保持較差，每當大雨過後就有大量泥岩被沖刷而堆積於山腳下或河川下游處，因此泥岩不但易取得，成本低，且不需另外開挖以獲得黏土，而能達到廢物利用，節能減碳之功效。表一中提供了泥岩與廢液晶玻璃之成分列表。

於本實施例中，是將鋁渣粉末的含量固定為20%或30%，並搭配20%的泥岩粉末、3%至15%的發泡劑，3%至15%的助熔劑，及平衡量的廢液晶玻璃粉而形成如表二、三中所示各種不同的配比，再以滾動造粒的方式製成該球狀生坯。

於表二、三中，AD代表鋁渣粉，M代表泥岩粉，TFT代表廢液晶玻璃粉，Na代表碳酸鈣(Na₂ CO₃ )，B代表硼酸(H₃ BO₃ )，Al、Fe、NaH分別代表氧化鋁、氧化鐵、氫氧化鈉，而各成分後的數字代表各成分之重量百分比。

透過上述配比所燒結形成之輕質骨材，分別進行了抗壓強度、密度，及吸水率等工程特性測試，並將結果記錄於表二、三中。一般來說，以事業廢棄物之固化物單軸抗壓強度而言，結構建築骨材強度達14MPa(1MPa=10.19718 kgf/cm² ，約為142.66 kgf/cm² )即符合資源化利用之最低要求標準，而一般人造輕質骨材之密度標準定於1.8g/cm³ 以下，另外，吸水率則需符合10%以下之標準。

以下則以表二、三中之各種配比分別探討助熔劑、發泡劑的添加量與抗壓強度、密度，及吸水率之間的關係。

<一>助熔劑添加量與抗壓強度、密度，及吸水率的關係

如表二之配比1~9所示，鋁渣添加量為20%，發泡劑採用碳酸鈉固定為3%，燒結溫度設定為800℃、900℃、1000℃，助熔劑採用氧化鋁、氧化鐵，及氫氧化鈉分別選用3%、9%、或15%。

1.配比1~9：

由表二配比1~9之試驗結果可知，當燒結溫度達1000℃時，配比2、3、5、6、8、9可以有符合標準(142.66 kgf/cm² 以上)的抗壓強度。再由圖2~4之晶相結構圖可知，配比3、4、9在燒結溫度上升至1000℃時，內部已產生氣體並生成玻璃相，孔洞數目增加，發泡效果佳。

在密度部分，只有配比8較不符合標準(1.8g/cm³ 以下)，其他配比不論燒結溫度為何，密度皆符合標準。

在吸水率部分，燒結溫度上升至1000℃時，因胚體已生成玻璃相，造成內部孔洞不連通，故各配比吸水率皆有明顯下降的情形，特別是配比6、9符合吸水率在10%以下之標準。

2.配比10~18：

如表二之配比10~18所示，將發泡劑由碳酸鈉改為硼酸，其他條件與配比1~9相同，當燒結溫度達1000℃時，配比10、12、13、15、16、18可以有符合標準(142.66 kgf/cm² 以上)的抗壓強度。再由圖5~13之晶相結構圖可知，配比10~18在燒結溫度上升至1000℃時，內部皆已產生明顯的孔洞結構，發泡效果佳。

在密度部分，由表二配比10~18之試驗結果可知，只有配比11、17在900℃下不符合標準，其他配比不論燒結溫度為何，密度皆符合標準。

在吸水率部分，燒結溫度上升至1000℃時，因胚體已生成玻璃相，造成內部孔洞不連通，故各配比吸水率皆有明顯下降的情形，特別是配比15符合吸水率在10%以下之標準。

3.配比19~17：

如表二之配比19~27所示，鋁渣添加量改為30%，其他條件與配比1~9相同，當燒結溫度達1000℃時，配比23、26、27可以有符合標準(142.66 kgf/cm² 以上)的抗壓強度。再由圖14之晶相結構圖可知，配比27在燒結溫度上升至1000℃時，內部皆已產生明顯且均勻的孔洞結構，發泡效果佳。

在密度部分，由表二配比19~27之試驗結果可知，只有配比23在800℃下不符合標準，其他配比不論燒結溫度為何，密度皆符合標準。

在吸水率部分，燒結溫度上升至1000℃時，因胚體已生成玻璃相，造成內部孔洞不連通，故大部分配比的吸水率皆有明顯下降的情形，特別是配比27符合吸水率在10%以下之標準。

4.配比28~36：

如表二之配比28~36所示，將發泡劑由碳酸鈉改為硼酸，其他條件與配比19~27相同，當燒結溫度達900℃時，配比28~36皆有符合標準(142.66 kgf/cm² 以上)的抗壓強度。再由圖15~23之晶相結構圖可知，此時配比28~36在內部皆已產生明顯且均勻的孔洞結構，發泡效果佳。

在密度部分，由表二配比28~36之試驗結果可知，不論燒結溫度為何，所有的配比密度皆符合標準。

在吸水率部分，燒結溫度上升至1000℃時，因胚體已生成玻璃相，造成內部孔洞不連通，故大部分配比的吸水率皆有明顯下降的情形，特別是配比32、33符合吸水率在10%以下之標準。

由上述實驗數據來看，助熔劑的添加量與抗壓強度、密度、吸水率並未成正比的關係，惟整體來說，助熔劑使用氧化鐵及氫氧化鈉，抗壓強度會略優於使用氧化鋁的結果。另外，配比6、9、15、27、32、33在1000℃下燒結生成的輕質骨材，不論抗壓強度、密度、吸水率皆符合標準，確實為理想之骨材配比。

<二>發泡劑添加量與抗壓強度、密度，及吸水率的關係 1.配比1~9：

如表三之配比1~9所示，鋁渣添加量為20%，助熔劑採用氧化鋁、氧化鐵及氫氧化鈉且皆固定為3%，燒結溫度設定為800℃、900℃、1000℃，發泡劑採用碳酸鈉且重量百分比為3%、9%、或15%。

當燒結溫度達1000℃時，配比2、3、4、5、6可以有符合標準(142.66 kgf/cm² 以上)的抗壓強度。再由圖24~29之晶相結構圖可知，配比3~8在燒結溫度上升至1000℃時，內部皆已產生明顯且均勻的孔洞結構，發泡效果佳。

在密度部分，由表三之配比1~9之試驗結果可知，只有配比2、3在800℃、900℃下略大於標準，其他配比不論燒結溫度為何，密度皆符合標準。

在吸水率部分，燒結溫度上升至1000℃時，因胚體已生成玻璃相，造成內部孔洞不連通，故大部分配比的吸水率皆有明顯下降的情形，特別是配比5~6在1000℃下，以及配比7、9在各個溫度下，皆符合吸水率在10%以下之標準。

2.配比10~18：

如表三之配比10~18所示，將發泡劑由碳酸鈉改為硼酸，其他條件與配比1~9相同，當燒結溫度達900℃時，除了配比10~12之外，其他配比皆有符合標準(142.66 kgf/cm² 以上)的抗壓強度。再由圖30~38之晶相結構圖可知，此時配比10~18內部皆已產生明顯且均勻的孔洞結構，發泡效果佳。

在密度部分，由表三之配比10~18之試驗結果可知，只有配比11在900℃下不符合標準，其他配比不論燒結溫度為何，密度皆符合標準，特別是硼酸在重量百分比為9%及15%的條件下，密度幾乎皆小於1g/cm³ ，輕質趨勢相當明顯。

在吸水率部分，燒結溫度上升至1000℃時，因胚體已生成玻璃相，造成內部孔洞不連通，故大部分配比的吸水率皆有明顯下降的情形，特別是配比15、18符合吸水率在10%以下之標準。

3.配比19~27：

如表三之配比19~27所示，鋁渣添加量改為30%，其他條件與配比1~9相同，當燒結溫度達1000℃時，配比23、26、27可以有符合標準(142.66 kgf/cm² 以上)的抗壓強度。再由圖39~41之晶相結構圖可知，配比23、26、27在燒結溫度上升至1000℃時，內部皆已產生明顯且均勻的孔洞結構，發泡效果佳。

在密度部分，由表三之配比19~27之試驗結果可知，所有配比不論燒結溫度為何，密度皆符合標準。

在吸水率部分，燒結溫度上升至1000℃時，因胚體已生成玻璃相，造成內部孔洞不連通，故大部分配比的吸水率皆有明顯下降的情形，特別是配比23、27符合吸水率在10%以下之標準。

4.配比28~36：

如表三之配比28~36所示，將發泡劑由碳酸鈉改為硼酸，其他條件與配比19~27相同，當燒結溫度達900℃時，除了配比36外，配比28~35皆有符合標準(142.66 kgf/cm² 以上)的抗壓強度。再由圖42~47之晶相結構圖可知，此時配比31~36在內部皆已產生明顯且均勻的孔洞結構，發泡效果佳。

在密度部分，由表三之配比28~36之試驗結果可知，所有配比不論燒結溫度為何，密度皆符合標準。

在吸水率部分，燒結溫度上升至1000℃時，因胚體已生成玻璃相，造成內部孔洞不連通，故大部分配比的吸水率皆有明顯下降的情形，特別是配比36符合吸水率在10%以下之標準。

由上述實驗數據來看，發泡劑的添加量與抗壓強度並未成正比的關係。另外，配比23、27在1000℃下燒結生成的輕質骨材，不論抗壓強度、密度、吸水率皆符合標準，確實為理想之骨材配比。

綜上所述，本發明藉由廢液晶玻璃與助熔劑、發泡劑之各種不同比例的配合使用，不但能使得骨材輕質化且有表面玻化的性質，而有強度高、不易吸水等特性，還能將燒結溫度控制在1000℃上下，相較於目前已知需1100℃~1200℃，甚至更高的燒結溫度，可以大幅降低生產成本，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11．．．前處理步驟

12．．．混合製坯步驟

13．．．乾燥步驟

14．．．燒結步驟

圖1是一步驟流程圖，說明本發明鋁渣輕質骨材燒結產製方法之較佳實施例；及

圖2~47是晶相圖，說明本發明在不同配比之下所燒結產生之輕質骨材的晶相結構。

11．．．前處理步驟

12．．．混合製坯步驟

13．．．乾燥步驟

14．．．燒結步驟

Claims (8)

1. 一種鋁渣輕質骨材燒結產製方法，依序包含：一前處理步驟，將鋁渣進行氨氣釋放之安定化處理後，與磷酸反應形成含有磷酸鋁的塊狀鋁渣，並將塊狀鋁渣研磨成鋁渣粉末，並將廢液晶玻璃、泥岩粉碎成粉末；一混合製坯步驟，將鋁渣粉末、廢液晶玻璃粉末、泥岩粉末混合，由氧化鋁、氧化鐵或氫氧化鈉中擇一作為助熔劑，再加入碳酸鈉或硼酸作為發泡劑，共同混合形成球狀生坯；一乾燥步驟，將球狀生坯進行乾燥；及一燒結步驟，以溫度逐漸上升之漸進式加溫方式將乾燥後的球狀生坯燒結成輕質骨材，且最終燒結溫度為800~1000℃。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之鋁渣輕質骨材燒結產製方法，其中，鋁渣粉末的含量為20%。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之鋁渣輕質骨材燒結產製方法，其中，鋁渣粉末的含量為30%。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之鋁渣輕質骨材燒結產製方法，其中，泥岩粉末的含量為20%。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之鋁渣輕質骨材燒結產製方法，其中，發泡劑的含量為3%至15%。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之鋁渣輕質骨材燒結產製方法，其中，助熔劑的含量為3%至15%。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之鋁渣輕質骨材燒結產製方法，其中，該混合製坯步驟是以滾動造粒的方式製成該球狀生坯。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之鋁渣輕質骨材燒結產製方法，其中，該燒結步驟是以分段升溫、持溫的方式使溫度上升至所需的燒結溫度。