一种基于粉煤灰的轻质耐火骨料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于粉煤灰的轻质耐火骨料及其制备方法 (Lightweight refractory aggregate based on fly ash and preparation method thereof ) 是由 桑绍柏 杨启宝 李亚伟 万卓夫 徐义彪 朱天彬 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于粉煤灰的轻质耐火骨料及其制备方法。其技术方案是：以73～85wt％的粉煤灰、12～23wt％的生矾土细粉和2～8wt％的锆英石尾矿粉为原料,搅拌；再置于开启的造粒机中,喷洒浓度为10～20wt％的磷酸二氢铝溶液,于110～200℃热处理2～4h,得到轻质骨料素坯；将轻质骨料素坯置于开启的第一圆盘造粒机中,喷洒浆料A,转动10～20min,然后于150～200℃条件下固化0.5～24h,得到封孔高强轻质骨料素坯；将封孔高强轻质骨料素坯置于开启的第二圆盘造粒机中,喷洒溶液B,转动10～20min,室温静置,制得基于粉煤灰的轻质耐火骨料。本发明的粉煤灰使用量大且能实现免烧,所制备的基于粉煤灰的轻质耐火骨料的吸水率低、强度高和成本低。(The invention relates to a lightweight refractory aggregate based on fly ash and a preparation method thereof. The technical scheme is as follows: stirring 73-85 wt% of fly ash, 12-23 wt% of raw alumina fine powder and 2-8 wt% of zirconite tailing powder serving as raw materials; placing the mixture in an opened granulator, spraying 10-20 wt% of aluminum dihydrogen phosphate solution, and carrying out heat treatment at 110-200 ℃ for 2-4 h to obtain a lightweight aggregate biscuit; placing the light aggregate biscuit in an opened first disc granulator, spraying the slurry A, rotating for 10-20 min, and curing at 150-200 ℃ for 0.5-24 h to obtain the hole-sealing high-strength light aggregate biscuit; and placing the hole-sealing high-strength lightweight aggregate biscuit in an opened second disc granulator, spraying the solution B, rotating for 10-20 min, and standing at room temperature to obtain the lightweight refractory aggregate based on the fly ash. The fly ash is large in usage amount and can realize baking-free, and the prepared light refractory aggregate based on the fly ash is low in water absorption, high in strength and low in cost.)
技术领域
本发明属于轻质耐火骨料技术领域。尤其涉及一种基于粉煤灰的轻质耐火骨料及其制备方法。
背景技术
轻质耐火骨料具有低体积密度、高气孔率和低热导率系数的特点，在窑炉节能方面有较好应用。当前制备轻质耐火骨料有两类方法：一类是将制备的轻质耐火材料破碎、筛分，制得特定粒径的轻质耐火骨料；另一类是直接造粒后进行高温烧结获得。这两类方法均需要烧成环节，存在能耗高的问题；另外，轻质耐火骨料具有高气孔率特点，使应用于浇注料时吸水率高，干燥过程中水分不易排出，浇注料会出现微裂纹、强度低的问题，甚至发生爆裂，影响安全生产。
国内外的燃煤发电伴随着大量粉煤灰的生成，使粉煤灰的堆积不仅会造成土地浪费，还会造成空气和水体的污染。因此，粉煤灰的综合高效利用已经成为亟待解决的问题。
“一种新型多孔莫来石轻质骨料及其制备方法(CN103467122A)专利技术，该技术以铝硅质细粉和粘土粉为原料，经过挤泥成型、干燥和高温烧结，制得了体密为0.8～1.2g·cm-3和耐压强度为15MPa的轻质骨料，但轻质骨料的显气孔率已达45～65％。一种轻质莫来石骨料及其制备方法(CN107089839A)专利技术，该技术以玻璃粉、硅线石族矿物、高岭土和α-Al2O3微粉为原料，外加干熄焦粉，经过干混、造粒、干燥和高温烧成。制备的轻质莫来石骨料体积密度仅为0.5g·cm-3。这两种专利技术均需要高温烧成，且无专门的封孔措施，制备的轻质骨料吸水率均非常大。
Ren yuhua等人(Yuhan Ren,Qiang Ren,Zhezhe Huo,et al.Preparationofglass shell fly ash-clay based lightweight aggregate with low waterabsorption by using sodium carbonate solution as binder[J].MaterialsChemistry andPhysics,2020(256):1-8.)以粉煤灰和粘土为原材料、焦炭作为造孔剂和碳酸钠为粘结剂，在干燥和1200℃烧成，制得吸水率为2.6％的轻质骨料。“一种以高铝粉煤灰为单一铝源制备高铝质耐火砖用莫来石骨料的方法”(CN104557094A)专利技术，该技术以高铝质粉煤灰为主要原料，通过半干法压制成型和1600℃烧成，再经破碎制得吸水率为1％和显气孔率为2.3％的骨料。这两种方法虽能制得吸水率低的轻质骨料，但都需要进行高温烧结，能耗高，且后者制备方法额外的机械破碎亦需要增加工序和消耗能源。
朱万旭等人(朱万旭，张瑞东，周红梅，等.建筑垃圾免烧型陶粒的研制及其应用研究[J].四川建筑科学研究，2018，44(6):82-86.)和庞超明等人(庞超明，吕梦媛，孙友康.核壳结构免烧轻骨料的制备与性能研究[J].硅酸盐通报，2016，35(7)：2121-2127.)均以水泥为结合剂制得粉煤灰陶粒，所制备的粉煤灰陶粒虽表观密度低和不需要单独烧结，但吸水率均大于17.5％，筒压强度均小于8.0MPa。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种粉煤灰使用量大和能实现免烧的基于粉煤灰的轻质耐火骨料的制备方法，该方法制备的基于粉煤灰的轻质耐火骨料的吸水率低、强度高和成本低。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
步骤一、以73～85wt％的粉煤灰、12～23wt％的生矾土细粉和2～8wt％的锆英石尾矿粉为原料，置于搅拌机中搅拌10～25min，即得混合料。
步骤二、开启造粒机，将所述混合料置于造粒机中，再向所述造粒机喷洒浓度为10～20wt％的磷酸二氢铝溶液，待所述混合料全部转化为颗粒后停止造粒，得到颗粒素坯；将所述颗粒素坯于110～200℃条件下热处理2～4h，得到轻质骨料素坯。
所述磷酸二氢铝溶液的喷洒量为所述混合料的14～17wt％。
步骤三、按酚醛树脂∶氧化铝微粉∶工业酒精的质量比为1∶(3～5)∶(1～5)配料，混合均匀，即得浆料A。
步骤四、开启第一圆盘造粒机，将所述轻质骨料素坯置于第一圆盘造粒机中，再向第一圆盘造粒机中喷洒所述浆料A，转动10～20min，然后在150～200℃条件下固化0.5～24h，得到封孔高强轻质骨料素坯。
所述浆料A的喷洒量为轻质骨料素坯12～20wt％。
步骤五、按甲基硅酸钾∶水的质量比为1∶(30～100)配料，室温条件下搅拌均匀，即得溶液B。
步骤六、开启第二圆盘造粒机，将所述封孔高强轻质骨料素坯置于第二圆盘造粒机中，再向第二圆盘造粒机中喷洒所述溶液B，转动10～20min，然后于室温条件下静置24～72h，制得基于粉煤灰的轻质耐火骨料。
所述溶液B的喷洒量为封孔高强轻质骨料素坯的5～10wt％。
所述粉煤灰的Al2O3含量≥32wt％。
所述生矾土细粉的Al2O3含量≥56wt％；所述生矾土细粉的粒度≤88μm。
所述锆英石尾矿粉的ZrO2含量≥4wt％；蓝晶石相含量≥40％。
所述氧化铝微粉的Al2O3含量≥99wt％；所述氧化铝微粉的粒度≤2μm。
所述第一圆盘造粒机与所述第二圆盘造粒机相同。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明采用的粉煤灰和锆英石尾矿粉的用量占原料的75wt％以上，不仅拓宽了粉煤灰和锆英石尾矿粉的利用途径，而且显著降低了基于粉煤灰的轻质耐火骨料的生产成本。另外，粉煤灰比表面积大的特点，也为基于粉煤灰的轻质耐火骨料的轻量化奠定了基础。
本发明一方面采用酚醛树脂、氧化铝微粉及工业酒精制成的浆料A，在轻质骨料素坯表面形成相对致密层，封闭了轻质骨料素坯表面的气孔；另一方面，作为憎水剂的甲基硅酸钾与空气中的CO2或酸性物质反应生成防水膜，防水膜和固化后的酚醛树脂耦合作用下，能显著降低基于粉煤灰的轻质耐火骨料的吸水率。
本发明采用原料质量14～17wt％的浓度为10～20％的磷酸二氢铝溶液作为结合剂，能使轻质骨料素坯获得较高强度；当在所述轻质骨料素坯表面进一步喷洒含酚醛树脂的浆料A时，酚醛树脂会渗入轻质骨料素坯内部，并与结合剂磷酸二氢铝共同作用，轻质骨料素坯的强度进一步提升。更为关键的是，经过110～200℃的热处理和150～200℃的固化后，所制得的基于粉煤灰的轻质耐火骨料在室温至1500℃范围内均具有高的强度。
本发明制备基于粉煤灰的轻质耐火骨料过程中不需要高温烧成，制备工艺简单，显著降低了能耗。本发明原料中采用2～8wt％含有蓝晶石相的锆英石尾矿粉，不仅可以减少粉煤灰中杂质带来的体积收缩问题，并且能增加基于粉煤灰的轻质耐火骨料中高温液相黏度，改善莫来石相发育状况，进而确保所制得的基于粉煤灰的轻质耐火骨料具有优良的高温性能。
本发明制备的基于粉煤灰的轻质耐火骨料的结构特征为外表致密，内部疏松多孔。经检测：表观密度为1.30～1.92g﹒cm-3；堆积密度为0.90～1.35g﹒cm-3；显气孔率为20～35％；1h吸水率为2～5％；筒压强度为8.0～14.5MPa；导热系数为0.225～0.420W/(m﹒K)。
因此，本发明具有粉煤灰使用量大且能实现免烧的特点，所制备的基于粉煤灰的轻质耐火骨料的吸水率低、强度高和成本低。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式中原料的化学成分和粒径统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述粉煤灰的Al2O3含量≥32wt％。
所述生矾土细粉的Al2O3含量≥56wt％；所述生矾土细粉的粒度≤88μm。
所述锆英石尾矿粉的ZrO2含量≥4wt％；蓝晶石相含量≥40％。
所述氧化铝微粉的Al2O3含量≥99wt％；所述氧化铝微粉的粒度≤2μm。
所述第一圆盘造粒机与所述第二圆盘造粒机相同。
实施例1
一种基于粉煤灰的轻质耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
步骤一、以73～77wt％的粉煤灰、17～23wt％的生矾土细粉和4～8wt％的锆英石尾矿粉为原料，置于搅拌机中搅拌10～14min，即得混合料。
步骤二、开启造粒机，将所述混合料置于造粒机中，再向所述造粒机喷洒浓度为10～12.5wt％的磷酸二氢铝溶液，待所述混合料全部转化为颗粒后停止造粒，得到颗粒素坯；将所述颗粒素坯于110～135℃条件下热处理2～2.5h，得到轻质骨料素坯。
所述磷酸二氢铝溶液的喷洒量为所述混合料的14～15wt％。
步骤三、按酚醛树脂∶氧化铝微粉∶工业酒精的质量比为1∶(3～4)∶(1～3)配料，混合均匀，即得浆料A。
步骤四、开启第一圆盘造粒机，将所述轻质骨料素坯置于第一圆盘造粒机中，再向第一圆盘造粒机中喷洒所述浆料A，转动10～12.5min，然后在150～160℃条件下固化0.5～6.5h，得到封孔高强轻质骨料素坯。
所述浆料A的喷洒量为轻质骨料素坯12～14wt％。
步骤五、按甲基硅酸钾∶水的质量比为1∶(30～45)配料，室温条件下搅拌均匀，即得溶液B。
步骤六、开启第二圆盘造粒机，将所述封孔高强轻质骨料素坯置于第二圆盘造粒机中，再向第二圆盘造粒机中喷洒所述溶液B，转动10～12min，然后于室温条件下静置24～36h，制得基于粉煤灰的轻质耐火骨料。
所述溶液B的喷洒量为封孔高强轻质骨料素坯的5～7wt％。
本实施例制备的基于粉煤灰的轻质耐火骨料经检测：表观密度为1.65～1.92g﹒cm-3；堆积密度为1.17～1.35g﹒cm-3；显气孔率为20～26％；1h吸水率为2.0～3.2％；筒压强度为10.8～14.5MPa；导热系数为0.321～0.420W/(m﹒K)。
实施例2
一种基于粉煤灰的轻质耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
步骤一、以77～81wt％的粉煤灰、15～17wt％的生矾土细粉和4～7wt％的锆英石尾矿粉为原料，置于搅拌机中搅拌14～18min，即得混合料。
步骤二、开启造粒机，将所述混合料置于造粒机中，再向所述造粒机喷洒浓度为12.5～15wt％的磷酸二氢铝溶液，待所述混合料全部转化为颗粒后停止造粒，得到颗粒素坯；将所述颗粒素坯于135～160℃条件下热处理2.5～3h，得到轻质骨料素坯。
所述磷酸二氢铝溶液的喷洒量为所述混合料的15～15.5wt％。
步骤三、按酚醛树脂∶氧化铝微粉∶工业酒精的质量比为1∶(3～4)∶(3～5)配料，混合均匀，即得浆料A。
步骤四、开启第一圆盘造粒机，将所述轻质骨料素坯置于第一圆盘造粒机中，再向第一圆盘造粒机中喷洒所述浆料A，转动12.5～15min，然后在160～175℃条件下固化6.5～12.5h，得到封孔高强轻质骨料素坯。
所述浆料A的喷洒量为轻质骨料素坯14～16wt％。
步骤五、按甲基硅酸钾∶水的质量比为1∶(45～60)配料，室温条件下搅拌均匀，即得溶液B。
步骤六、开启第二圆盘造粒机，将所述封孔高强轻质骨料素坯置于第二圆盘造粒机中，再向第二圆盘造粒机中喷洒所述溶液B，转动12～14min，然后于室温条件下静置36～48h，制得基于粉煤灰的轻质耐火骨料。
所述溶液B的喷洒量为封孔高强轻质骨料素坯的7～8wt％。
本实施例制备的基于粉煤灰的轻质耐火骨料经检测：表观密度为1.51～1.78g﹒cm-3；堆积密度为1.06～1.25g﹒cm-3；显气孔率为23～31％；1h吸水率为2.5～3.9％；筒压强度为9.2～12.0MPa；导热系数为0.271～0.363W/(m﹒K)。
实施例3
一种基于粉煤灰的轻质耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
步骤一、以81～83wt％的粉煤灰、14～16wt％的生矾土细粉和3～5wt％的锆英石尾矿粉为原料，置于搅拌机中搅拌18～22min，即得混合料。
步骤二、开启造粒机，将所述混合料置于造粒机中，再向所述造粒机喷洒浓度为15～17.5wt％的磷酸二氢铝溶液，待所述混合料全部转化为颗粒后停止造粒，得到颗粒素坯；将所述颗粒素坯于160～185℃条件下热处理3～3.5h，得到轻质骨料素坯。
所述磷酸二氢铝溶液的喷洒量为所述混合料的15.5～16.5wt％。
步骤三、按酚醛树脂∶氧化铝微粉∶工业酒精的质量比为1∶(4～5)∶(1～3)配料，混合均匀，即得浆料A。
步骤四、开启第一圆盘造粒机，将所述轻质骨料素坯置于第一圆盘造粒机中，再向第一圆盘造粒机中喷洒所述浆料A，转动15～17.5min，然后在175～190℃条件下固化12.5～18h，得到封孔高强轻质骨料素坯。
所述浆料A的喷洒量为轻质骨料素坯16～18wt％。
步骤五、按甲基硅酸钾∶水的质量比为1∶(60～80)配料，室温条件下搅拌均匀，即得溶液B。
步骤六、开启第二圆盘造粒机，将所述封孔高强轻质骨料素坯置于第二圆盘造粒机中，再向第二圆盘造粒机中喷洒所述溶液B，转动14～17min，然后于室温条件下静置48～60h，制得基于粉煤灰的轻质耐火骨料。
所述溶液B的喷洒量为封孔高强轻质骨料素坯的8～9wt％。
本实施例制备的基于粉煤灰的轻质耐火骨料经检测：表观密度为1.43～1.60g﹒cm-3；堆积密度为1.00～1.15g﹒cm-3；显气孔率为26～33％；1h吸水率为3.1～4.7％；筒压强度为8.8～10.5MPa；导热系数为0.243～0.298W/(m﹒K)。
实施例4
一种基于粉煤灰的轻质耐火骨料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
步骤一、以83～85wt％的粉煤灰、12～15wt％的生矾土细粉和2～5wt％的锆英石尾矿粉为原料，置于搅拌机中搅拌22～25min，即得混合料。
步骤二、开启造粒机，将所述混合料置于造粒机中，再向所述造粒机喷洒浓度为17.5～20wt％的磷酸二氢铝溶液，待所述混合料全部转化为颗粒后停止造粒，得到颗粒素坯；将所述颗粒素坯于185～200℃条件下热处理3.5～4h，得到轻质骨料素坯。
所述磷酸二氢铝溶液的喷洒量为所述混合料的16.5～17wt％。
步骤三、按酚醛树脂∶氧化铝微粉∶工业酒精的质量比为1∶(4～5)∶(3～5)配料，混合均匀，即得浆料A。
步骤四、开启第一圆盘造粒机，将所述轻质骨料素坯置于第一圆盘造粒机中，再向第一圆盘造粒机中喷洒所述浆料A，转动17.5～20min，然后在190～200℃条件下固化18～24h，得到封孔高强轻质骨料素坯。
所述浆料A的喷洒量为轻质骨料素坯18～20wt％。
步骤五、按甲基硅酸钾∶水的质量比为1∶(80～100)配料，室温条件下搅拌均匀，即得溶液B。
步骤六、开启第二圆盘造粒机，将所述封孔高强轻质骨料素坯置于第二圆盘造粒机中，再向第二圆盘造粒机中喷洒所述溶液B，转动17～20min，然后于室温条件下静置60～72h，制得基于粉煤灰的轻质耐火骨料。
所述溶液B的喷洒量为封孔高强轻质骨料素坯的9～10wt％。
本实施例制备的基于粉煤灰的轻质耐火骨料经检测：表观密度为1.30～1.51g﹒cm-3；堆积密度为0.90～1.08g﹒cm-3；显气孔率为29～35％；1h吸水率为4.2～5.0％；筒压强度为8.0～9.5MPa；导热系数为0.225～0.265W/(m﹒K)。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式采用的粉煤灰和锆英石尾矿粉的用量占原料的75wt％以上，不仅拓宽了粉煤灰和锆英石尾矿粉的利用途径，而且显著降低了基于粉煤灰的轻质耐火骨料的生产成本。另外，粉煤灰比表面积大的特点，也为基于粉煤灰的轻质耐火骨料的轻量化奠定了基础。
本具体实施方式一方面采用酚醛树脂、氧化铝微粉及工业酒精制成的浆料A，在轻质骨料素坯表面形成相对致密层，封闭了轻质骨料素坯表面的气孔；另一方面，作为憎水剂的甲基硅酸钾与空气中的CO2或酸性物质反应生成防水膜，防水膜和固化后的酚醛树脂耦合作用下，能显著降低基于粉煤灰的轻质耐火骨料的吸水率。
本具体实施方式采用原料质量14～17wt％的浓度为10～20％的磷酸二氢铝溶液作为结合剂，能使轻质骨料素坯获得较高强度；当在所述轻质骨料素坯表面进一步喷洒含酚醛树脂的浆料A时，酚醛树脂会渗入轻质骨料素坯内部，并与结合剂磷酸二氢铝共同作用，轻质骨料素坯的强度进一步提升。更为关键的是，经过110～200℃的热处理和150～200℃的固化后，所制得的基于粉煤灰的轻质耐火骨料在室温至1500℃范围内均具有高的强度。
本具体实施方式制备基于粉煤灰的轻质耐火骨料过程中不需要高温烧成，制备工艺简单，显著降低了能耗。本具体实施方式原料中采用2～8wt％含有蓝晶石相的锆英石尾矿粉，不仅可以减少粉煤灰中杂质带来的体积收缩问题，并且能增加基于粉煤灰的轻质耐火骨料中高温液相黏度，改善莫来石相发育状况，进而确保所制得的基于粉煤灰的轻质耐火骨料具有优良的高温性能。
本具体实施方式制备的基于粉煤灰的轻质耐火骨料的结构特征为外表致密，内部疏松多孔。经检测：表观密度为1.30～1.92g﹒cm-3；堆积密度为0.90～1.35g﹒cm-3；显气孔率为20～35％；1h吸水率为2～5％；筒压强度为8.0～14.5MPa；导热系数为0.225～0.420W/(m﹒K)。
因此，本具体实施方式具有粉煤灰使用量大且能实现免烧的特点，所制备的基于粉煤灰的轻质耐火骨料的吸水率低、强度高和成本低。
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