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碱铝硅质尾矿发泡陶瓷材料的研究与应用

李伟光  
【摘要】:本文在研究尾矿及辅助原料化学成分组成、X射线衍射分析及TG-DSC热分析的基础上,针对目前墙体保温隔热材料及尾矿高附加值利用存在的问题,采用粉末坯体高温熔融发泡工艺制备出了一种尾矿及废弃红泥掺量高达80wt%,且耐久性良好轻质高强的环保型发泡陶瓷保温板,并设计了正交试验,研究坯料主要化学成分组成、发泡剂掺量、粉磨时间及烧成工艺与发泡陶瓷性能的影响关系;设计了单因素试验,研究具体化学成分与发泡陶瓷性能的影响关系。通过尾矿用量、红泥用量、钠长石用量、发泡剂用量、粉磨时间、烧成温度和烧成时间的7因素3水平正交试验,确定发泡陶瓷最佳组成配方及最优工艺条件,结果表明:烧成温度对发泡陶瓷的表观密度和抗压强度影响最大,烧成温度为1220℃时,发泡陶瓷的表观密度最优为536kg/m~3;烧成温度为1180℃时,发泡陶瓷抗压强度最优为4.5Mpa;烧成温度为1220℃时,发泡陶瓷孔隙率最优为75%;钠长石用量为20wt%时,发泡陶瓷吸水率最优为1.4%。最终确定了发泡陶瓷的最佳组成配方为尾矿用量55wt%,红泥用量25wt%,钠长石用量20wt%,白云石掺量为5wt%,发泡剂掺量0.3wt%;最佳工艺流程为磨矿时间15min,烧成温度1200℃,保温时间60min。按照最佳工艺流程制备实验发泡陶瓷样块,其最终表观密度为605kg/m~3,抗压强度为5.3Mpa,孔隙率为72.7%,吸水率为1.4%。采用单因素变量法分析了各项化学成分的变化对发泡陶瓷性能的影响关系,结果表明:Si O_2具有提高烧成温度增加表观密度的作用,SiO_2外掺量达到8wt%时,发泡陶瓷表观密度为710kg/m~3,抗压强度为5.4Mpa;Al_2O_3会显著提高发泡陶瓷生成液相的温度,增大液相的粘度及表面张力,可以起到稳定气孔结构,增大抗压强度的作用。Al_2O_3外掺量达到8wt%时,发泡陶瓷表观密度为992kg/m~3,抗压强度为24.1Mpa;CaO具有助熔作用,可以降低烧成温度,降低液相的粘度及表面张力,但量过多时会对抗压强度产生不利影响,CaO外掺量达到8wt%时,发泡陶瓷表观密度为350kg/m~3,抗压强度为5.1Mpa;MgO可以在降低烧成温度及液相粘度的情况下,可以增大液相的表面张力,具有稳泡的作用,当MgO外掺量达到8wt%时,发泡陶瓷表观密度为500kg/m~3,抗压强度为4.5Mpa;K_2CO_3和Na_2CO_3均会在高温分解生成其对应氧化物,是强烈的助熔剂,可以大幅度降低发泡陶瓷的烧成温度,降低液相的粘度和表面张力;适量的添加Fe_2O_3可以在低温液相表面张力和粘度较高时,促进发泡剂氧化反应,具有稳泡作用。添加量过多,会导致局部出现熔洞,破坏发泡陶瓷的气孔结构。当Fe_2O_3外掺量达到4wt%时,发泡陶瓷表观密度为880kg/m~3,抗压强度为8.4Mpa。


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