一種利用煤矸石制備輕質保溫墻體材料的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用煤矸石制備輕質保溫墻體材料的方法，以煤矸石、助熔劑和發泡劑為原料，并通過粉磨、均化、造粒、高溫燒結、發泡等過程，制備輕質、高強保溫隔熱墻體材料。本發明涉及的煤矸石摻入量大，并利用煤矸石中的殘余碳充分燃燒產生的熱量，使煤矸石引入的熱量基本可滿足燒成要求，節約燃料并大幅度降低生產成本。本發明制得的保溫墻體材料具有輕質、高強的特點，其體積密度為250～600kg/m3，抗壓強度為3.0～11.0MPa，導熱系數為0.08～0.13W/(m·k)，是一種集保溫、防水、防火、耐腐蝕和抗老化性能的新型隔熱保溫墻體材料，切割成砌塊可以用作自保溫墻體材料，切割成條板可用作輕質隔墻板。
【專利說明】一種利用煤矸石制備輕質保溫墻體材料的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及建筑材料領域，具體涉及一種利用煤矸石制備輕質保溫墻體材料的方 法。
【背景技術】
[0002] 煤矸石是煤伴生廢石，在掘進、開采和洗煤過程中排出的固體廢棄物，是碳質、泥 質和砂質頁巖的混合物，且具有一定的熱值。我國年排放量6億噸，目前已累計堆放50多 億噸，成為我國排放量最大的工業固體廢棄物之一。煤矸石排放堆積不僅造成資源浪費、占 用土地，且存在一定的環境污染等隱患。根據有關資料報道，國外一些國家對煤矸石的利 用已達90%以上，而我國現階段對煤矸石的利用率僅30%左右，主要用于發電，提取各種 鋁制化合物，建筑用磚等方面，雖然這些應用實現了煤矸石的部分資源化利用，但是利用率 低，甚至會造成二次污染。
[0003] 目前我國外墻一般采用蒸壓加氣混凝土砌塊外加保溫層的墻體結構，該墻體結構 層次復雜，多次施工，墻體整體性差。常用的蒸壓加氣混凝土砌塊存在吸水率高、抗凍性能 差、強度低、導熱系數較高等不足，外墻保溫層采用的聚苯板等有機材料存在防火性能差、 易老化、使用壽命短等缺陷。而內墻常用的水泥類輕質隔墻則存在易收縮開裂的問題；現有 的發泡陶瓷保溫板燒成溫度窄（對燒結溫度控制要求高）、且需采用濕法粉磨，噴霧干燥， 隧道窯單層燒制等高能耗工藝，導致生產成本高市場競爭差。因此，急需開發新型輕質保溫 墻體材料。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種利用煤矸石制備輕質保溫墻體材料的方法，該方法以煤 矸石為主要原料，并由煤矸石作為主要燃料制備輕質保溫墻體材料，涉及的制備工藝簡單、 生產成本和能耗低，并可同步實現煤矸石資源化利用，制得的墻體材料具有輕質、高強、防 水和隔熱等優異性能，可用作自保溫墻體及室內隔墻材料。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：一種利用煤矸石制備輕質保溫墻體 材料的方法，以煤矸石、助熔劑和發泡劑為原料，各原料所占質量百分比為：煤矸石71? 95%，助熔劑4. 5?26. 5%，發泡劑0. 3?2. 5%，其制備方法包括以下步驟：
[0006] 1)原料的制備：按設計配比稱取各種原料，裝入球磨機球磨、混合，得混合粉料；
[0007] 2)造粒：將步驟1)中制得的混合粉料進行造粒，制成粒度為0. 5?IOmm粒狀粉 料。
[0008] 3)裝模：將步驟2)中制得的粒狀粉料裝入涂有脫模材料的拼裝式耐火材料模具 中；
[0009] 4)將步驟3)中裝有混合粉料的耐火模具送入窯爐內，經預熱升溫、燒結、發泡 三個階段燒制發泡材料，預熱升溫階段所需熱量由窯爐內的高溫煙氣提供，當溫度升至 500?650°C時，煤矸石中殘余碳發生燃燒，對混合粉料的燒結和發泡過程提供熱量，同 時通過窯爐燒成帶設置的燒嘴根據需要補充燃料，控制窯爐溫度升至發泡溫度1150? 1220°C，升溫速率為2?8°C /min，在發泡溫度下保溫0. 5?2h，得發泡材料；
[0010] 5)冷卻、脫模、切割：將步驟4)中得到的發泡材料在窯爐中冷卻至常溫，出窯后經 脫模，所需的輕質保溫墻體材料（自保溫砌塊或隔墻板）。
[0011] 根據上述方案，所述煤矸石中Al2O3彡15wt%。
[0012] 根據上述方案，所述助熔劑是為長石、碎玻璃、鐵尾礦、白云石、滑石、菱鎂礦、純 堿、碳酸鉀、螢石、硼砂中的一種或幾種按任意配比混合，用于降低燒結溫度并改善發泡性 能。
[0013] 根據上述方案，所述發泡劑為碳化硅、三氧化二鐵、硫酸鈣中的一種或幾種按任意 配比混合。
[0014] 根據上述方案，所述高溫煙氣主要為粉料中煤矸石殘余碳燃燒時產生的高溫煙氣 或窯爐燒成帶燃燒設備（燒嘴）中燃料燃燒產生的高溫煙氣。
[0015] 根據上述方案，粉磨采用干法粉磨或濕法粉磨，粉磨至原料細度< 50 μπι，粉磨過 程中實現各原料的均化。其中干法粉磨制備的粉料可直接裝模，為減少粉磨過程中的粉料 的團聚提高物料混合的均勻性，可引入一定量的分散劑，分散劑為三乙醇胺、二乙二醇等， 摻入量占固體原料質量的〇. 01?〇. 03%。
[0016] 根據上述方案，所述窯爐為隧道窯或輥道窯，窯爐燒成帶設置燒嘴，補充氣體或液 體燃料，并控制和調節燒結、發泡溫度。所述燃料為氣體燃料或液體燃料，氣體燃料為天然 氣或煤氣，液體燃料為輕質柴油或重油。
[0017] 根據上述方案，所述耐火模具是由一個底板和四個圍邊條組成，可以根據產品尺 寸要求自由組合圍邊條，組成矩形摸框；脫模材料為氧化鋁粉或耐高溫棉紙。
[0018] 根據上述方案，所述高溫燒結、發泡所需熱量主要利用煤矸石自身的熱量，并通過 燒嘴補充少量其它燃料調節燒成溫度。具體實現過程為：所述混合粉料置于窯爐后經預熱、 高溫燒結、發泡、冷卻等過程出窯，其中預熱升溫階段所需的熱量主要由窯內高溫煙氣提 供，當溫度達到煤矸石的殘余碳燃燒溫度500?650°C時，后續的熱升溫過程及高溫燒結、 發泡過程所需的熱量主要由煤矸石中殘余碳不斷得到充分燃燒產生，熱量不足部分由窯爐 燒成帶設置的燒嘴噴入氣體或液體燃料進行補充，控制溫度升至發泡溫度1150?1220°C， 且升溫速率控制為2?8°C /min，在發泡溫度保溫0. 5?2h，完成燒結、發泡過程。
[0019] 本發明的有益效果：
[0020] (1)本發明以工業固體廢棄物煤矸石為主料原料，煤矸石的利用率在71 %以上， 甚至高達95%，煤矸石利用量大，利用率高，開辟了一種煤矸石高效利用的新途徑。不僅實 現了廢棄物資源化利用，而且節約天然礦產資源，利于環境的保護和改善。
[0021] (2)本發明所用原料煤矸石具有一定的熱值，可為高溫燒結、發泡過程提供部分或 全部熱量，顯著降低補充燃料的使用量，從而節約燃料，大幅度降低生產成本。
[0022] (3)本發明采用的干法粉磨、輥道窯燒成工藝，節能約40%，實現了泡沫陶瓷保溫 材料節能低成本制備。
[0023] (4)本發明也可采用的干法粉磨、隧道窯多層架窯煅燒工藝，節能約20%，生產效 率可成倍提高。
[0024] (5)本發明所制備的墻體材料為經高溫燒制而成的無機保溫材料，其具有的輕質、 高強、導熱系數低、不燃和吸水率低等優良性能，可用作自保溫墻體材料，解決了傳統輕質 墻體材料蒸壓加氣混凝土砌塊存在的吸水率高、抗凍性能差、強度低和導熱系數高的問題， 同時解決了傳統有機類外墻保溫材料存在的易燃、易老化、使用壽命短等問題，是一種新型 的墻體保溫材料。
[0025] (6)本發明所制備的墻體材料是一種集填充、保溫、裝飾三位一體的新型綠色外墻 材料，可有效保證墻體的整體性，并可減少施工工序，縮短施工周期，降低施工成本。
[0026] 本發明所制備的墻體材料也可用作輕質隔墻板，具有輕質、隔音和體積穩定性好 等優點，且便于安裝，表面平整，不需抹砂漿，可降低施工費用。
【具體實施方式】
[0027] 為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合具體實施例，對本發 明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于 限定本發明。
[0028] 以下的實施例中，制備的輕質保溫墻體材料的性能測試方法如下：抗壓強度的測 試方法參照《泡沫玻璃絕熱制品》（JC/T647-2005);熱導率的測試方法參照《絕熱材料穩態 熱阻及有關特性的測定一防護熱板法》（GB/T10294-2008);容重和吸水率的測試方法參照 《多孔陶瓷性能測試方法》（GB/T1966-1996)。
[0029] 實施例1
[0030] 一種利用煤矸石制備輕質保溫墻體材料的方法，各原料及其所占質量百分比為： 煤矸石88 %，白云石3. 8 %，碎玻璃7 %，發泡劑1. 2 %，所述煤矸石為粘土巖矸石，所述發泡 劑為碳化硅和硫酸鈣的混合物，其中碳化硅和硫酸鈣的質量比為1: 1，其制備方法包括以下 步驟：
[0031] 1)將稱量好的各種原料共同裝入球磨機中，進行干法粉磨，為減少粉磨過程中粉 料的團聚提高均化效果，按占固體原料質量0.2%。的比例加入三乙醇胺作為分散劑，粉磨至 細度< 50 μ m，得到混合粉料；
[0032] 2)將所得的混合粉料，通過造粒機制成0. 5?IOmm的粒狀粉料；
[0033] 3)將所得粒狀粉料直接裝入涂有氧化鋁（脫模材料）的拼裝式耐火材料模具中， 將表面刮平；
[0034] 4)將裝有粒狀粉料的耐火模具送入隧道窯中，粒狀粉料首先與窯內的高溫煙氣進 行熱交換，溫度升至500°C左右時，煤矸石中的殘余碳著火燃燒，為后續升溫及高溫燒結、發 泡過程提供熱量，熱量不足部分通過安裝在窯爐內燒成段的天然氣燒嘴噴入天然氣加以補 充，并控制發泡溫度和時間，當溫度達到1050°C左右時，燒結過程開始，溫度達到1175°C時 開始發泡，整個升溫過程的速率控制在2?8°C /min，在發泡溫度1175°C下，保溫2. 0h，發 泡完成，制得發泡材料；
[0035] 5)保溫結束后經冷卻、脫模、切割得所述輕質保溫墻體材料。
[0036] 本實施例煤矸石中的殘余碳燃燒提供的熱量為整個燒成過程所需熱量的65%，其 余熱量通過燒成帶的燒嘴噴入天然氣進行補充，以控制發泡溫度，實現充分燒結和發泡過 程，將制得的輕質保溫墻體材料按上述標準對材料性能進行測試，測試結果如表1所示。
[0037] 表1實施例1制得的輕質保溫墻體材料的性能
【權利要求】
1. 一種利用煤矸石制備輕質保溫墻體材料的方法，其特征在于，以煤矸石、助熔劑和發 泡劑為原料，各原料所占質量百分比為：煤矸石71?95%，助熔劑4. 5?26. 5%，發泡劑 0. 3?2. 5%，其制備方法包括以下步驟： 1) 原料的制備：按設計配比稱取各種原料，裝入球磨機粉磨、混合，得混合粉料； 2) 造粒：將步驟1)中制得的混合粉料進行造粒得到粒狀粉料； 3) 裝模：將步驟2)中制得的粒狀粉料裝入耐火材料模具中； 4) 燒結、發泡：將步驟3)中裝有粒狀粉料的耐火模具送入窯爐內，首先通過窯爐內的 高溫煙氣進行預熱升溫，同時通過窯爐燒成帶設置的燒嘴補充燃料，控制窯爐溫度升至發 泡溫度1150?1220°C，升溫速率為2?8°C /min，在發泡溫度下保溫0. 5?2h，得發泡材 料； 5) 冷卻、脫模、切割：將步驟4)中得到的發泡材料在窯爐中冷卻至常溫，出窯后經脫 模、切割得輕質保溫墻體材料。
2. 根據權利要求1所述的制備輕質保溫墻體材料的方法，其特征在于，所述煤矸石中 A1203^ 15wt%。
3. 根據權利要求1所述的制備輕質保溫墻體材料的方法，其特征在于，所述助熔劑為 長石、碎玻璃、鐵尾礦、白云石、滑石、菱鎂礦、純堿、碳酸鉀、螢石、硼砂中的一種或幾種按任 意配比混合。
4. 根據權利要求1所述的制備輕質保溫墻體材料的方法，其特征在于，所述發泡劑為 碳化硅、三氧化二鐵、硫酸鈣中的一種或幾種按任意配比混合。
5. 根據權利要求1所述的制備輕質保溫墻體材料的方法，其特征在于，粉磨采用干法 粉磨，粉磨至原料細度< 50 ym。
6. 根據權利要求1所述的制備輕質保溫墻體材料的方法，其特征在于，造粒后所得粒 狀粉料的粒度為〇? 5?10mm〇
7. 根據權利要求1?6任一項所述的發泡陶瓷的制備方法，其特征在于，所述窯爐為隧 道窯或輥道窯；采用隧道窯時，通過多層架窯方法煅燒。
【文檔編號】C04B38/02GK104446628SQ201410768125
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月12日 優先權日:2014年12月12日
【發明者】周明凱, 王懷德, 彭麗芬 申請人:武漢理工大學