專利名稱：一種利用固體廢棄物制備泡沫陶瓷及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及建筑陶瓷材料領域，具體涉及一種利用固體廢棄物制備的泡沫陶瓷及其方法。
背景技術：
煤矸石是在采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢棄物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石；煤矸石是碳質、泥質和砂質頁巖的混合物，具有低發(fā)熱值，含碳20% 30%，有些含腐殖酸。中國積存的煤矸石達10億噸以上，每年還將排出煤矸石I億噸。煤矸石的大量堆放，不僅壓占土地，影響生態(tài)環(huán)境，在雨季崩塌，淤塞河流造成災害；矸石淋溶水將污染周圍土壤和地下水，而且煤矸石中含有一定的可燃物， 在適宜的條件下發(fā)生自燃，排放出的二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和煙塵等有害氣體污染大氣環(huán)境，影響礦區(qū)居民的身體健康。我國磷礦資源相當豐富，儲量僅次于摩洛哥，居世界第2位，八大磷礦主要分布在湖北、湖南、四川、江蘇、貴州、云南等省份，但80%是中低品位磷礦石。磷尾礦是磷礦浮選精礦時排出的未能加以充分利用的固體廢料。近年來，隨著磷化工業(yè)的快速發(fā)展，且我國磷礦石原礦的品位不高，造成磷化工業(yè)每年產(chǎn)生大量的磷尾礦。磷尾礦一般呈細砂狀形態(tài)自然堆積在尾礦庫中，不僅耗費資金、占用大量土地，而且還帶來許多環(huán)境問題和安全問題。目前，磷尾礦的利用率還很低，其綜合利用途徑主要有新藥劑再浮選、重結晶再浮選、制備水泥、制備建筑用磚、制備微晶玻璃、制備磷鎂肥等。在公開號CN102674788A專利中，其處理煤矸石的方法是“由煤矸石陶砂和粘結劑粘結制備而成的；所述煤矸石陶砂與所述粘結劑的質量比為2-3:1 ;所述煤矸石陶砂由下述重量份的組分制備而成煤矸石30-70份；玻璃粉20-70份；發(fā)泡劑2-10份；水玻璃10-25份。”該方法雖然燒結溫度偏低，但是工藝較復雜，經(jīng)過了二次燒結，能耗較大；制備出煤矸石陶砂后，再用大量的粘接劑粘接煤矸石陶砂而形成板材，原料的成本高；其板材的抗壓強度不高。在公開號CN1837129專利中，其處理磷尾礦的方法是“在磷尾礦中加入硅石粉、焦碳粉(或煤矸石粉)、高嶺土粉按一定比例混勻，加水，陳腐，用真空擠出機或壓磚機生產(chǎn)線成型，烘干后浸釉，裝窯車入隧道窯。經(jīng)預熱、升溫后得到磷蒸氣和一氧化碳，再經(jīng)過水化塔吸收得到濃磷酸，磚塊經(jīng)過換熱冷卻后作為承重磚產(chǎn)品?！痹摪l(fā)明對設備要求高、工序復雜，反應的溫度(1280°C 1450°C )也高。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種熱導率低、密度低和抗壓強度較高的泡沫陶瓷，并提供該泡沫陶瓷易于制備的方法。本發(fā)明解決其技術問題采用以下的技術方案
本發(fā)明提供的利用固體廢棄物制備泡沫陶瓷，其主要組成為煤矸石20 50%，磷尾礦20 40%，長石18 32%，黃砂10 20%，發(fā)泡劑I 2%，均為質量百分比。上述泡沫陶瓷可由以下原料組成煤矸石35%，磷尾礦27%，長石23. 5%，黃砂13%，發(fā)泡劑1.5%，均為質量百分比。所述的發(fā)泡劑為碳化娃、碳酸I丐和氧化鐵的混合物,顆粒粒徑< 0. 045mm,質量百分比可以為碳化硅30 50%、碳酸鈣30 40%、氧化鐵20 40%。本發(fā)明提供的泡沫陶瓷制備方法，其包括以下步驟
(1)生料的制備
先將原料按以下質量百分比例混合煤矸石20 50%，磷尾礦20 40%，長石18 32%，黃砂10 20%，發(fā)泡劑I 2%，混合后再加入于原料總質量50%的水，放入輕型球磨機中球 磨12 18h，得到混合均勻的漿料；然后將漿料置于鼓風干燥箱中于110°C下烘干、制得粉體，再加入于粉體質量4 7%的水煉泥，得到混合均勻的生料；
(2)成型
將生料置于模具中，在粉末壓片機上進行壓制成型，再置于鼓風干燥箱中于80°C下干燥12 24h得坯體；
(3)燒結
將坯體放入燒結爐中，然后將爐體從室溫升到1080°C 1160°C，燒結保溫廣2小時，隨爐冷卻后得到泡沫陶瓷。上述步驟(I)中，所述的原料可以由以下質量百分比的原料替換煤矸石35%，磷尾礦27%，長石23. 5%，黃砂13%，發(fā)泡劑1. 5%，均為質量百分比
上述步驟(I)中，所述發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，顆粒粒徑(0. 045mm，質量百分比可以為碳化硅30 50%、碳酸鈣30 40%、氧化鐵30 40%。上述步驟(2)中，所述壓制成型的工藝條件可以為采用單面加壓，加壓大小為I 4MPa。上述步驟(2)中，成型加壓大小可以為2 3MPa，升溫速率為2 4°C /min，燒結溫度為1120。。 1140°C，保溫時間為I 1. 5小時。上述步驟(2)中，成型加壓大小可以為2MPa，升溫速率為3°C /min，燒結溫度為1130°C，保溫時間為1. 5小時。上述步驟(3)中，可以將燒結爐的溫度按照2飛。C /min的升溫速率勻速從室溫升到 1080 0C 1160。。。本發(fā)明的原理煤矸石在燒成時具有較大的燒失量，長石提供陶瓷必要的組分、作為助溶劑來降低坯體的燒結溫度，磷尾礦能提供陶瓷必要的組分并對燒成時玻璃相的形成有促進作用，黃砂提供SiO2增加燒成后坯體的強度。坯體在1080°C 1160°C時熔融并且具有一定的粘度；此時,發(fā)泡劑發(fā)生氧化還原反應并產(chǎn)生氣體，由于高溫熔融體內部表面張力的作用，氣體被保留在熔體內，隨爐冷卻后即得泡沫陶瓷。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有的優(yōu)點主要是
其一.煤矸石與磷尾礦的利用量達90%，節(jié)約資源，有利于環(huán)保；
其二.所得產(chǎn)品的可控性能好，能根據(jù)不同需求控制產(chǎn)品的孔徑大小、密度，易再加
工；
其三 該材料生產(chǎn)具有燒成溫度低(1080°C 1160°C )、周期短、成本低(原料廉價，能耗低的短周期生產(chǎn))、熱導率低、密度小、強度高等優(yōu)點；當樣品密度為0. 283g/cm3時，抗壓強度達到5. 47MPa，熱導率可達0. 08Iff/ (m K)。


圖1、圖2和圖3分別是本發(fā)明制備的泡沫陶瓷的試樣圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明，但不限定本發(fā)明。實施例1 :
1)泡沫陶瓷的主要組成為煤矸石35%，磷尾礦27%,長石23.5%，黃砂13%，發(fā)泡劑1.5%，均為質量百分比；所述發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，質量百分比為碳化硅30%、碳酸鈣40%、氧化鐵30% ； 2)原料混合后，再加入于原料總質量50%的水，在輕型球磨機中球磨混合18小時，得到混合均勻的漿料，將漿料置于鼓風干燥箱110°C烘干、制得粉體，再加入于粉體質量6%的水煉泥，得到混合均勻的生料；生料在粉末壓片機中壓制成型，成型壓力為2MPa，再置于鼓風干燥箱中在80°C下干燥18h，得到坯體；將坯體置于燒結爐中，從室溫以3°C /min勻速升溫到1130°C，保溫燒結1. 5h后退火，得到泡沫陶瓷。采用阿基米德排水法測密度、回彈法測試抗壓強度、平板法測試熱導率，所得泡沫陶瓷的密度為0. 283g/cm3，抗壓強度為5. 47MPa，熱導率為0. 08Iff/(m K)。實施例2
1)泡沫陶瓷的主要組成為煤矸石20%，磷尾礦30%，長石32%，黃砂17%，發(fā)泡劑1%，均為質量百分比；所述發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，質量百分比為碳化硅30%、碳酸鈣30%、氧化鐵40% ；
2)原料混合后,再加入于原料總質量50%的水，在輕型球磨機中球磨混合15小時，得到混合均勻的漿料，將漿料置于鼓風干燥箱110°C烘干、制得粉體，再加入于粉體質量5. 5%的水煉泥，得到混合均勻的生料；生料在粉末壓片機中壓制成型，成型壓力為IMPa，再置于鼓風干燥箱中在80°C下干燥14h，得到坯體；將坯體置于燒結爐中，從室溫以2V /min勻速升溫到1080°C，保溫燒結Ih后退火，得到泡沫陶瓷。測試方法同實施例1，所得泡沫陶瓷的密度為0. 327g/cm3,抗壓強度為6. 52MPa，熱導率為 0. 115W/ (m K)。實施例3
1)泡沫陶瓷的主要組成為煤矸石29%，磷尾礦20%，長石30%，黃砂20%，發(fā)泡劑1%，均為質量百分比；所述發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，質量百分比為碳化硅40%、碳酸鈣35%、氧化鐵25% ；
2)原料混合后,再加入于原料總質量50%的水，在輕型球磨機中球磨混合17小時，得到混合均勻的漿料，將漿料置于鼓風干燥箱110°C烘干、制得粉體，再加入于粉體質量7%的水煉泥，得到混合均勻的生料；生料在粉末壓片機中壓制成型，成型壓力為3MPa，再置于鼓風干燥箱中在80°C下干燥15h，得到坯體；將坯體置于燒結爐中，從室溫以2V /min勻速升溫到1120°C，保溫燒結2h后退火，得到泡沫陶瓷。
測試方法同實施例1，所得泡沫陶瓷的密度為0. 320g/cm3,抗壓強度為6. 48MPa，熱導率為 0. 109W/ (m K)。實施例4
1)泡沫陶瓷的主要組成為煤矸石50%，磷尾礦20%，長石18%，黃砂10%，發(fā)泡劑2%，均為質量百分比；所述發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，質量百分比為碳化硅40%、碳酸鈣40%、氧化鐵20% ；
2)原料混合后,再加入于原料總質量50%的水，在輕型球磨機中球磨混合16小時，得到混合均勻的漿料，將漿料置于鼓風干燥箱110°C烘干、制得粉體，再加入于粉體質量4%的水煉泥，得到混合均勻的生料；生料在粉末壓片機中壓制成型，成型壓力為2MPa，再置于鼓風干燥箱中在80°C下干燥12h，得到坯體；將坯體置于燒結爐中，從室溫以2V /min勻速升溫到1160°C，保溫燒結Ih后退火，得到泡沫陶瓷。 測試方法同實施例1，所得泡沫陶瓷的密度為0. 272g/cm3,抗壓強度為4. 13MPa，熱導率為 0. 085W/ (m K)。實施例5
1)泡沫陶瓷的主要組成為煤矸石23%，磷尾礦40%，長石25%，黃砂10.5%，發(fā)泡劑1.5%，均為質量百分比；所述發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，質量百分比為碳化硅50%、碳酸鈣30%、氧化鐵20% ；
2)原料混合后，再加入于原料總質量40%的水，在輕型球磨機中球磨混合16小時，得到混合均勻的漿料，將漿料置于鼓風干燥箱110°C烘干、制得粉體，再加入于粉體質量4. 5%的水煉泥，得到混合均勻的生料；生料在粉末壓片機中壓制成型，成型壓力為3MPa，再置于鼓風干燥箱中在80°C下干燥12h，得到坯體；將坯體置于燒結爐中，從室溫以4°C /min勻速升溫到1090°C，保溫燒結1. 5h后退火，得到泡沫陶瓷。測試方法同實施例1，所得泡沫陶瓷的密度為0. 304g/cm3,抗壓強度為6. 19MPa，熱導率為 0. 098W/ (m K)。實施例6
1)泡沫陶瓷的主要組成為煤矸石41%，磷尾礦22%，長石20%，黃砂15%，發(fā)泡劑2%，均為質量百分比；所述發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，質量百分比為碳化硅42%、碳酸鈣34%、氧化鐵24% ；
2)原料混合后,再加入于原料總質量50%的水，在輕型球磨機中球磨混合17小時，得到混合均勻的漿料，將漿料置于鼓風干燥箱110°C烘干、制得粉體，再加入于粉體質量7%的水煉泥，得到混合均勻的生料；生料在粉末壓片機中壓制成型，成型壓力為1. 5MPa，再置于鼓風干燥箱中在80°C下干燥21h，得到坯體；將坯體置于燒結爐中，從室溫以4°C /min勻速升溫到1140°C，保溫燒結Ih后退火，得到泡沫陶瓷。測試方法同實施例1，所得泡沫陶瓷的料密度為0. 294g/cm3,抗壓強度為5. 83MPa，熱導率為 0. 092W/ (m K)。實施例7
I)泡沫陶瓷的主要組成為煤矸石37%，磷尾礦33%，長石19%，黃砂10%，發(fā)泡劑1%，均為質量百分比；所述發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，質量百分比為碳化硅47%、碳酸鈣30%、氧化鐵23% ；2)原料混合后,再加入于原料總質量50%的水，在輕型球磨機中球磨混合13小時，得到混合均勻的漿料，將漿料置于鼓風干燥箱110°C烘干、制得粉體，再加入于粉體質量5%的水煉泥，得到混合均勻的生料；生料在粉末壓片機中壓制成型，成型壓力為3MPa，再置于鼓風干燥箱中在80°C下干燥24h，得到坯體；將坯體置于燒結爐中，從室溫以3°C /min勻速升溫到1100°C，保溫燒結1. 5h后退火，得到泡沫陶瓷。測試方法同實施例1，所得泡沫陶瓷的密度為0. 309g/cm3,抗壓強度為6. 4IMPa,熱導率為 0. 104W/ (m K)。實施例8
1)泡沫陶瓷的主要組成為煤矸石45%，磷尾礦21%，長石20%，黃砂12%，發(fā)泡劑2%，均為質量百分比；所述發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，質量百分比為碳化硅32%、碳酸鈣37%、氧化鐵31% ；
2)原料混合后,再加入于原料總質量50%的水，在輕型球磨機中球磨混合16小時，得 到混合均勻的漿料，將漿料置于鼓風干燥箱110°C烘干、制得粉體，再加入于粉體質量6%的水煉泥，得到混合均勻的生料；生料在粉末壓片機中壓制成型，成型壓力為IMPa，再置于鼓風干燥箱中在80°C下干燥15h，得到坯體；將坯體置于燒結爐中，從室溫以2V /min勻速升溫到1140°C，保溫燒結1. 5h后退火，得到泡沫陶瓷。測試方法同實施例1，所得泡沫陶瓷的密度為0. 275g/cm3,抗壓強度為4. 36MPa，熱導率為 0. 089W/ (m K)。上述實施例中使用的煤矸石的主要組成為A120326. 02% 42. 48%、Si0234. 73% 57. 18%、Fe2030. 28% 10. 63%,CaOO. 12% 2. 16%、MgOO. 44% 2. 41%、Ti020. 90% 3. 21%、SO3O. 08% 0. 36%、K2CHNa2O 0. 25% 3. 9%，燒失量 17. 69% 28. 80%，均為質量百分比。上述實施例中使用的磷尾礦的主要組成為A12031. 51% 5. 27%、Si0213 . 26% 34. 21%、Ca021. 23% 37. 45%,Na2OO. 65% 2. 94%、P2056. 86% 19. 60%、Fe203l. 26% 4. 29%和Mg04. 25% 15. 41%，均為質量百分比。上述實施例中使用的長石的主要組成為A120316. 27% 21. 84%、Si0265. 19% 73. 39%,CaOO. 028% 0. 37%、Na209. 38% 11. 72%,K2OO. 05% 0. 45%,Fe2O3O- 027% 0. 810%和TiO2O. 09% 0. 47%，均為質量百分比。上述實施例中使用的黃沙的主要組成為A12034. 82% 6. 15%、Si0284. 36% 91. 06%、CaOO. 33% 1. 64%、Na2OO. 43% 0. 69%、K203. 15% 4. 72% 和 Fe2O3O. 28% 0. 61%,
均為質量百分比。上述實施例中經(jīng)燒結后所得泡沫陶瓷的試樣結構如圖1至圖3所示。由圖1可知，該樣品為大孔孔徑，分布較均勻；由圖2可知，該樣品孔徑偏大；由圖3可知，該樣品為小孔孔徑，分布較均勻。
權利要求
1.一種泡沫陶瓷，其特征是該泡沫陶瓷的主要組成為煤矸石20 50%，磷尾礦20 40%，長石18 32%，黃砂10 20%，發(fā)泡劑I 2%，均為質量百分比。
2.根據(jù)權利要求1所述的泡沫陶瓷，其特征在于該泡沫陶瓷由以下原料組成煤矸石35%，磷尾礦27%，長石23. 5%，黃砂13%，發(fā)泡劑1. 5%，均為質量百分比。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的泡沫陶瓷，其特征在于所述的發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，顆粒粒徑< O. 045mm,質量百分比為碳化硅30 50%、碳酸鈣30 40%、氧化鐵20 40%。
4.一種泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于制備方法包括以下步驟 1)生料的制備 先將原料按以下質量百分比例混合煤矸石20 50%，磷尾礦20 40%，長石18 32%，黃砂12 20%，發(fā)泡劑I 2% ;混合后再加入于原料總質量50%的水，放入輕型球磨機中球磨12 18h，得到混合均勻的漿料；然后將漿料置于鼓風干燥箱中于110°C下烘干、制得粉體，再加入于粉體質量4 7%的水煉泥，得到混合均勻的生料； 2)成型 將生料置于模具中，在粉末壓片機上進行壓制成型，再于80°C下干燥12 24h得坯體； 3)燒結 將坯體放入燒結爐中，然后將爐體從室溫升到1080°C 1160°C，燒結保溫廣2小時，隨爐冷卻后得到泡沫陶瓷。
5.根據(jù)權利要求4所述的泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于該泡沫陶瓷由以下質量百分比的原料組成煤矸石35%，磷尾礦27%，長石23. 5%，黃砂13%，發(fā)泡劑1. 5%。
6.根據(jù)權利要求4所述的泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于發(fā)泡劑為碳化硅、碳酸鈣和氧化鐵的混合物，顆粒粒徑< O. 045mm，質量百分比為碳化硅30 50%、碳酸鈣30 40%、氧化鐵30 40%。
7.根據(jù)權利要求4所述的泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于燒結時將燒結爐的溫度按照2 6°C /min的升溫速率勻速從室溫升到1080°C 1160°C。
8.根據(jù)權利要求4所述的泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于所述壓制成型的工藝條件為采用單面加壓，加壓大小為I 3MPa。
9.根據(jù)權利要求4所述的泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于成型加壓大小為2 3MPa，升溫速率為2 4°C /min，燒結溫度為1120°C 1140°C，燒結保溫時間為I 1. 5小時。
10.根據(jù)權利要求9所述的泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于成型加壓大小為2MPa，升溫速率為3°C /min，燒結溫度為1130°C，保溫時間為1. 5小時。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用固體廢棄物制備泡沫陶瓷及其方法。該泡沫陶瓷的主要組成為煤矸石20～50%，磷尾礦20～40%，長石18~32%，黃砂10～20%，發(fā)泡劑1～2%，均為質量百分比。該泡沫陶瓷的制備方法包括生料的制備、坯體的成型和燒結步驟。本發(fā)明對于煤矸石、磷尾礦等固體廢棄物的高效利用，減少對環(huán)境的污染，從而改善自然環(huán)境、利用廉價原料和降低生產(chǎn)成本具有重要的意義；同時生產(chǎn)的泡沫陶瓷具有較高的強度、密度低、燒結溫度和熱導率較低的優(yōu)勢。
文檔編號C04B35/622GK103011888SQ201210561368
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權日2012年12月21日
發(fā)明者吉曉莉, 翟成成 申請人:武漢理工大學