煤矸石制备多孔发泡陶瓷基多孔自保温砌块的研究
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作者:冯荣 王琨 孟凡然 成龙胜 杨尚权
摘 要：本文以煤矸石等作为主要原料，通过超微细化、发泡控制、温度场调控、多层烧成的技术手段，低能耗、低成本制备发泡陶瓷建筑墙体材料，实现了煤矸石固废资源化利用（在原料中的掺入比例≥70%）及煤矸石的潜热利用（提供烧成过程40%以上的热能），为煤矸石的无害化、资源化利用提供了一条重要出路的同时解决多孔陶瓷生产成本高的瓶颈，并开发了具备优异保温性能（导热系数≤0.10W/m·℃）和力学性能（抗压强度≥4.2MPa）的新型绿色自保温墙体材料，具有非常显著的经济社会效益。
关键词：煤矸石;多孔发泡陶瓷;煤基固废;多层烧成
1 前 言
发泡陶瓷是一种具有轻质高强、保温隔热、防火阻燃（A1级）、防水抗冻、隔音、耐老化等优异性能的保温材料。传统多孔陶瓷、蜂窝陶瓷、开口多孔陶瓷的制备方法主要是泥浆发泡法、有机泡沫浸渍法、溶胶凝胶法，其均是在低温下利用各种方法成型多孔素坯，再经过高温烧结形成如多孔碳化硅陶瓷、多孔氧化铝陶瓷等多孔陶瓷基体。然而作为应用于建筑保温阻燃领域的闭孔发泡陶瓷，其用量大、价格低的市场现状使得上述效率低、投资大、产出小的制备工艺难以在此材料制备中得到运用。因此，在这一背景下，利用高温发泡剂产生多孔体的高温发泡法得到了深入研究。且在节约原料成本中，大掺量利用固体废弃物生产泡沫陶瓷技术的研究也得到了广泛开展。
煤矸石是煤炭生产和洗选加工过程中产生的固体废弃物，[1]其源于成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，[2]是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一，可适用于制备发泡陶瓷。[3]
本文结合山西省煤基固废堆存量巨大的现实情况，开发以煤矸石等作为主要原料（配合料中使用量超过70%），通过超微细化、发泡控制、温度场调控、多层烧成等技术手段，低能耗、低成本制备发泡陶瓷建筑墙体材料。[4]目前，我国平均每年要建20亿平方米左右的新建筑，建筑单位面积采暖费用是气候条件相近发达国家的2～3倍，因此建筑节能意义重大。
2 实 验
2.1 实验原材料
实验以煤矸石为主要原料，辅助添加废瓷粉，外掺加以Fe2O3、CaO、MgO复合而成的助熔剂、以硫酸盐、碳酸盐、SiC复合而成的发泡剂配制而成的发泡陶瓷原料。
其中煤矸石70%～80%、废瓷粉15%～25%、废玻璃粉5%～10%组成基体配方，外掺助熔剂1%～1.5%，发泡剂0.8%～1.2%。文献表明，发泡陶瓷适宜化学成分组成见表1。
2.1.1 煤矸石
实验所用煤矸石来自山西省，其化学成分组成及物相组成见表2，热值为2000～3000kJ/kg，编号1#煤矸石来自朔州，编号2#煤矸石来自长治。从表2可知，因产地不同，其化学成分略有波动，但变化不大。煤矸石均为黏土岩质，1#号煤矸石主要矿物组成为高岭石，以及少量的石英，2#号煤矸石主要矿物组成为高岭石，以及少量的石英和云母，且1#煤矸石Al2O3/SiO2比值为0.56，表明铝含量高，硅含量低;2#号煤矸石Al2O3/SiO2比值为0.45，表明硅、铝含量适中，与其矿物组成相一致。与此同时，1#号煤矸石烧失量为23.78%，2#号煤矸石烧失量为18.76%，烧失量均较高，除Al2O3和SiO2、Fe2O3外，1#、2#号煤矸石其它化学成分均相近。
2.1.2 废瓷粉、废玻璃粉
实验所用的废瓷粉、废玻璃粉，皆为山西省内陶瓷厂废瓷、废玻璃（钠钙玻璃），其化学成分见表3。
2.1.3 发泡剂、助熔剂
发泡陶瓷的发泡机理关键在于发泡剂产生气体时坯体已有适量的液相产生，发泡剂产气速率与液相粘度、表面张力的匹配度决定着烧成试样的性能及工艺控制的难易程度。在一定烧成温度范围内，发泡陶瓷坯料的化学成分组成不仅影响发泡剂产生气体的速率，而且影响液相含量。发泡剂以硫酸盐、碳酸盐、SiC复合而成。
2.2 生产工艺
破碎-球磨-过筛-铺装-烧窑-冷却-切割
2.2.1 原料配合
将煤矸石、废玻璃、废陶瓷等原料用颚式破碎机进行破碎，为使原料充分混合，将破碎的原料过筛网，尺寸控制在10mm以内，这样进入干法球磨机中时会充分混合均匀，其中煤矸石70%～80%、废瓷粉15%～25%、废玻璃粉5%～10%组成基体配方，外掺助熔剂1%～1.5%，发泡剂0.8%～1.2%。
2.2.2 球磨
采用干法制粉，将调配好的原料装入干法球磨罐中，料球比为1：2.5。干法球磨要严格控制其球磨时间，球石为氧化铝球，球磨时间不可过长，以免将氧化铝球中的Al2O3带入过多而引起成分的改变;干法球磨会使罐内温度上升，持续温度较高也会使原料的某些成分发生变化。为保证粉体的均匀性、粒径分布和颗粒形状，以分散助磨剂消除超细颗粒间的静电团聚，提高粉料混合均匀性。
2.2.3 过筛铺料
球磨好的粉料，待球磨罐体表温度降至室温，打开球磨罐盖口，将粉料过振动筛，筛网为150目，孔径为0.097mm。过筛后的粉料，不可积压过厚，不可强迫压实，自然堆积，转移至窑车处，并均匀地铺洒在窑车内。窑车上有三层轨道，由碳化硅管、碳化硅板、氧化铝挡板搭建而成，每层轨道内，在铺洒粉料之前铺设一层保温棉纸，以防止發泡陶瓷粘黏在轨道上。
2.2.4 烧窑
发泡陶瓷传统烧成工艺采用单层隧道窑，燃料为天然气，每立方米成品烧成能耗约65m3天然气。根据本文所用煤矸石化学成分组成（表2）及发泡陶瓷适宜化学成分组成（表1），经计算煤矸石理论掺量约70wt%～80wt%，则坯料中由煤矸石带入的热值约1500～2400kJ/kg，烧成每立方米成品可提供380～600MJ（发泡陶瓷表观密度以300kg/m3计算）热能，可节约天然气10～15m3，即煤矸石可提供热量的1/6～1/3，故以煤矸石为原料烧制发泡陶瓷对能源的节约、环境的改善、废弃物高附加值利用具有显著意义。 粉料堆积状态下的助燃空气，在搭建多层轨道窑炉时，便预留了窑头窑尾通风孔，窑炉两侧的通风口，大孔主要用于通风，从而加速煤矸石中的碳燃烧、消除黑心，提高整体发泡的均匀性和力学性能。
考察煤矸石残余碳在不同温度下的燃烧速度，随着煤矸石含量越来越少，后期升温速度要逐渐减缓，坯体宏观大孔为煤矸石残余碳的燃烧提供了气流通道，更好地将煤矸石充分燃烧，防止发泡陶瓷出现黑心等缺陷。
保温时间对发泡陶瓷孔结构和抗压强度影响显著，且发泡过程是一个循序渐进的过程，保温30min坯体难以发泡均匀，保温时间过长对发泡过程无益，合理的保温时间为60～120min。
2.2.5 冷却
发泡陶瓷在经过发泡过程后，厚度达到300mm以上，而多孔陶瓷导热系数低、传热慢，冷却过程中要控制得当，否则会造成制品的内外温差过大而产生无法消除的热应力，造成制品开裂。因此在降温过程中，在900℃、500℃、200℃三个温度阶段都要延缓冷却速度，坯体宏观大孔为煤矸石残余碳的冷却提供了气流通道，加快了发泡陶瓷的冷却过程。
2.3 各工藝参数
2.3.1 配料及球磨工艺
原料入磨细度：≤10mm;
粉料和球的比例：料：球=1：2.5;
球磨时间：4h;
粉料细度：0.05%～0.1%（万孔筛余）。
2.3.2 过筛及铺装工艺
粉料过150目筛;
窑炉内部有三层轨道，每层2.5m×0.9m，第一层层间距0.6m，第二层层间距0.4m，第三层层间距0.35m;
铺料尺寸为2.2m×0.8m×0.07m。
2.3.3 烧成及冷却工艺
最高烧成温度：1150℃;
烧成周期：12～14h;
烧成曲线：室温至150℃升温速度为4℃/min;在150℃下保温30min;150℃至600℃升温速度为5℃/min，在600℃下保温60min;600℃至1150℃升温速度为7℃/min;在1150℃下保温120min，煅烧结束后按2℃/min的速度冷却;
保温时间：1.5～2 h;
发泡比例：2.5～2.6倍;
冷却时间：20h。
2.3.4 性能指标
抗压强度：≥4.2MPa;
体积密度：≤0.5g/cm3;
导热系数：≤0.10W/m·℃;
吸水率：≤5%。
3 实验结果
本实验针对煤矸石的特点，结合山西省煤矸石大量积存的现状，研究开发了独特的多孔陶瓷配方体系，同时提出以微孔与大孔相结合的多孔陶瓷基多孔自保温砌块技术方案，通过坯体宏观大孔为煤矸石残余碳的燃烧及冷却提供气流通道，实现煤矸石中残余碳快速燃尽，消除碳对高温烧结与发泡过程不利的影响，并为多孔陶瓷的烧成过程提供足够的热量。
本实验实现了煤矸石固废资源化利用（在原料中的掺入比例≥70%）及煤矸石的潜热利用（提供烧成过程40%以上的热能），为煤矸石的无害化、资源化利用提供了一条重要出路的同时解决多孔陶瓷生产成本高的瓶颈，并开发了具备优异保温性能（导热系数≤0.10W/m·℃）和力学性能（抗压强度≥4.2MPa）的新型绿色自保温墙体材料，具有非常显著的经济社会效益。
4 结 论
利用煤矸石制备多孔陶瓷自保温墙体材料实验取得了良好的效果，通过超微细化，发泡控制、温度场调控、多层烧成的技术手段，低能耗、低成本制备发泡陶瓷建筑墙体材料。其成果如果能够得到推广应用，对于利用山西省煤矸石资源的特殊优势，开发具有创新意识和节能环保的新产品;引导山西省陶瓷产业进行产品创新、技术创新，为山西省陶瓷产业探索创新发展、可持续发展的途径;解决企业生产原料短缺的现状，大幅度降低生产成本，减少能源消耗，提高经济效益等诸多方面都具有积极意义。
参考文献
[1] 张鹏飞.煤矸石综合利用分析[J].内蒙古煤炭经济，2013（3）：48+50.
[2] 路三军.浅谈煤矸石综合利用的一些途径[J].魅力中国，2013（17）：27.
[3] 满朝辉.煤矸石山自然治理方法研究[J].煤炭工程，2014，46（7）：66-69.
[4] 贾华平.论废矿/废渣用于生料配料的技术措施[J].新世纪水泥导报，2013.18（3）：48-51。
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