一种用煤矸石合成堇青石－莫来石复相材料的方法

摘要

一种用煤矸石合成堇青石－莫来石复相材料的方法，属于无机非金属材料的合成技术领域。本发明是以煤矸石与废弃耐火材料(镁碳砖、滑板砖)反应合成堇青石－莫来石的方法，原料中煤矸石、镁碳砖、滑板砖的质量百分比分别是40％～70％、3％～15％、20％～50％。混合原料在空气气氛下1320℃～1420℃左右反应合成，保温2－6个小时左右后冷却，即得纯度较高的不同比例的堇青石－莫来石复相材料。同现有技术相比，本发明具有生产成本低，转化效率高、性能好的特点，不仅完全利用固体废弃物合成堇青石－莫来石复相材料，降低了工业成本，创造了可观的经济效益，而且为处理大量的固体废弃物提出了新的思路，也为环境保护做出了巨大的贡献。

说明书

技术领域

本发明涉及无机非金属材料的合成技术领域，特别是用煤矸石和废弃耐火材料常压合成堇青石-莫来石复相材料的方法。

背景技术

随着工业化的快速发展，在满足获得利益的同时，工业废料排放量也达到了触目惊心的程度。2005年全国工业废弃生产量为13.4亿吨，受污染的耕地达1.5亿亩。这些废料堆放在尾矿场和仓库中，不仅占据大量的土地，而且造成环境的污染和资源的浪费。因此，变废为宝，使工业废料在资源化，促进人类社会可持续发展是当务之急。

尾矿是一种具有很大开发价值的二次资源，尾矿的资源化是矿业发展的必由之路，也是保持矿业可持续发展的基础。如煤炭开采工程中产生的煤矸石，全国国有煤矿现有矸石山1500余座，堆积量30亿吨以上(占中国工业固体废物排放总量的40％以上)，随着我国全面建设小康社会对能源需求的增加，煤炭产量和原煤入选量增长较快，煤矸石的排放量也相应增加。这些大量的煤矸石占用了大量的耕地，长期露天堆积后，往往发生自燃现象，并排放出大量的CO、CO₂、SO₂、H₂S、NO_X和C_mH_n等有害气体，给周边环境带来了一系列的危害。

据统计，我国年消耗耐火材料约占700万吨，废弃耐火材料达400万吨以上，造成严重的环境污染和资源浪费。若将这些废弃耐火材料通过各种途径和特殊工艺处理，能够获得很高价值的耐火原料。国内外对二次利用废弃材料的研究已有不少，如用废弃耐火材料合成SiC、莫来石、塞隆陶瓷等，烧结产物达到或超过原产物的实物水平，证明了利用固体废弃物作为再生原料制备耐火材料性能良好。

莫来石-堇青石材料是由热膨胀系数小、荷重软化点低的堇青石和高温性能好、机械强度高的莫来石复合而成，兼有抗热震性和高温强度优良的特性，目前主要作为窑具材料广泛应用于陶瓷生产中。目前，日本、英国、荷兰等国家生产的堇青石-莫来石窑具制品已广泛地用作建筑卫生陶瓷窑具，而我国由于起步较晚，高质量的堇青石-莫来石窑具制品的生产还处于发展阶段。

用煤矸石合成堇青石、莫来石的研究已见报道，但是完全利用固体废弃物合成堇青石-莫来石复相材料还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种完全利用固体废弃物(煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖)合成堇青石-莫来石的方法。制备用的原材料为煤矸石和废弃耐火材料，储量都很充足，烧结合成反应后生成纯度较高的堇青石-莫来石复相材料，高温下合成了堇青石-莫来石材料，且纯度较高。

本发明用煤矸石和废弃耐火材料为原料，工艺步骤为：

(1)原料准备：将煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖经过磨碎制成细粉，并通过325目的筛，所述的固体废弃物的成分为：煤矸石中C占10％～20％，Al₂O₃占15％～25％，SiO₂占50％～60％，MgO占0.5％～3％，其余为少量的含铁、钙的氧化物；用后镁碳砖中Al₂O₃占3％～10％，SiO₂占2％～l0％，MgO占70％～80％，其余为少量的含铁、钙、钾、钛的氧化物；用后滑板砖中Al₂O₃占85％～95％，SiO₂占2％～5％，其余为少量的含镁、铁、钙、钾、钛、钠的氧化物。

(2)混合：控制合成原料中煤矸石、镁碳砖和滑板砖的比例，根据理论设计值计算所需原料用量，将称量好的煤矸石和废弃耐火材料利用无水乙醇(质量百分含量≥99.7％)或水稀释，直径为1cm的玛瑙球(布满罐底)作为球磨介质，将稀释的原料和玛瑙球放入尼龙罐中密封后，在行星式球磨机中球磨6h，研磨至粒径小于5um。

(3)烘干：将混合好的原料放入干燥箱内100℃、5h干燥。

(4)成型：将干燥的原料添加少量的聚乙烯醇粘结剂(0.5mL/10g)，在40MPa的压力下机压成型。

(5)高温烧结：在空气气氛中，温度为1320℃～1420℃，保温时间为2-6h的条件下烧结样坯。

(6)冷却：在空气中自然冷却。

同现有技术相比，本发明具有生产成本低，转化效率高、性能好的特点，不仅完全利用固体废弃物合成堇青石-莫来石复相材料，降低了工业成本，创造了可观的经济效益，而且为处理大量的固体废弃物提出了新的思路，也为环境保护做出了巨大的贡献。

附图说明

图1是用煤矸石合成的堇青石(24％)-莫来石(76％)的XRD图

图2是用煤矸石合成的堇青石(51％)-莫来石(49％)的XRD图

图3是用煤矸石合成的堇青石(72％)-莫来石(28％)的XRD图

图4是用煤矸石合成的堇青石(24％)-莫来石(76％)复相材料断口的SEM照片

图5是用煤矸石合成的堇青石(51％)-莫来石(49％)复相材料断口的SEM照片

图6是用煤矸石合成的堇青石(72％)-莫来石(28％)复相材料断口的SEM照片

具体实施方式

实施例1：

原料采用煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖，其配比如表1所示。在1350℃温度常压保温3h合成复相材料。

实施例2：

原料采用煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖，其配比如表2所示。在1380℃温度常压保温3h合成复相材料。对合成试样2进行X射线衍射分析，结果如图1所示。可以看出利用煤矸石、镁碳砖、滑板砖常压合成了以堇青石和莫来石为主相的复相材料，分析可知复相材料中堇青石的含量为24％，莫来石的含量为76％。

实施例3：

原料采用煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖，其配比如表3所示。在1400℃温度常压保温3h合成复相材料。

实施例4：

原料采用煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖，其配比如表4所示。在1380℃温度常压保温4h合成复相材料。对合成试样4进行X射线衍射分析，结果如图2所示。可以看出利用煤矸石、镁碳砖、滑板砖常压合成了以堇青石和莫来石为主相的复相材料，分析可知复相材料中堇青石的含量为51％，莫来石的含量为49％。

实施例5：

原料采用煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖，其配比如表5所示。在1350℃温度常压保温2h合成复相材料。

实施例6：

原料采用煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖，其配比如表6所示。在1380℃温度常压保温3h合成复相材料。对合成试样6进行X射线衍射分析，结果如图3所示。可以看出利用煤矸石、镁碳砖、滑板砖常压合成了以堇青石和莫来石为主相的复相材料，分析可知复相材料中堇青石的含量为72％，莫来石的含量为28％。

实施例7：

原料采用煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖，其配比如表7所示。在1390℃温度常压保温3h合成复相材料。

实施例8：

原料采用煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖，其配比如表8所示。在1400℃温度常压保温3h合成复相材料。

表1 合成堇青石/莫来石复相材料的原料配比(试样1)

 

煤矸石(mass％)用后镁碳砖(mass％)用后滑板砖(mass％)44.291.3554.36

表2 合成堇青石/莫来石复相材料的原料配比(试样2)

 

煤矸石(mass％)用后镁碳砖(mass％)用后滑板砖(mass％)49.2253.37547.4

表3 合成堇青石/莫来石复相材料的原料配比(试样3)

 

煤矸石(mass％)用后镁碳砖(mass％)用后滑板砖(mass％)54.165.440.44

表4 合成堇青石/莫来石复相材料的原料配比(试样4)

 

煤矸石(mass％)用后镁碳砖(mass％)用后滑板砖(mass％)57.456.7535.8

表5 合成堇青石/莫来石复相材料的原料配比(试样5)

 

煤矸石(mass％)用后镁碳砖(mass％)用后滑板砖(mass％)60.748.131.16

表6 合成堇青石/莫来石复相材料的原料配比(试样6)

 

煤矸石(mass％)用后镁碳砖(mass％)用后滑板砖(mass％)65.67510.12524.2

表7 合成堇青石/莫来石复相材料的原料配比(试样7)

 

煤矸石(mass％)用后镁碳砖(mass％)用后滑板砖(mass％)67.3210.821.88

表8 合成堇青石/莫来石复相材料的原料配比(试样8)

 

煤矸石(mass％)用后镁碳砖(mass％)用后滑板砖(mass％)70.6112.1517.24

通过实验得到了不同比例的堇青石-莫来石复相材料，合成材料的X射线衍射结果图1、2、3所示，从图中可以看出，通过实验常压合成了堇青石-莫来石复相材料。

本发明的优点在于：

找到了一种固体废弃物利用的新方法，不仅节约了成本，还为环境保护做出了贡献，关键是变废为宝，利用固体废弃物合成了窑具材料堇青石-莫来石材料，创造了可观的经济效益。制备的原料都是固体废弃物，储量丰富，烧结反应后生成的堇青石-莫来石纯度较高，具有很高的实用价值。利用固体废弃物合成堇青石-莫来石材料，实现了资源的综合利用，创造了经济效益，为我窑具的制备提出了一种节约可行的方法，也为环境保护做出了巨大的贡献。