摘 要：本文以煤矸石等作為主要原料，通過超微細化、發泡控制、溫度場調控、多層燒成的技術手段，低能耗、低成本制備發泡陶瓷建筑墻體材料，實現了煤矸石固廢資源化利用(在原料中的摻入比例≥70%)及煤矸石的潛熱利用(提供燒成過程40%以上的熱能)，為煤矸石的無害化、資源化利用提供了一條重要出路的同時解決多孔陶瓷生產成本高的瓶頸，并開發了具備優異保溫性能(導熱系數≤0.10W/m·℃)和力學性能(抗壓強度≥4.2MPa)的新型綠色自保溫墻體材料，具有非常顯著的經濟社會效益。
關鍵詞：煤矸石;多孔發泡陶瓷;煤基固廢;多層燒成
《江蘇陶瓷》(雙月刊)創刊于1963年，由江蘇省陶瓷研究所有限公司、無錫工藝職業技術學院主辦。本刊是陶瓷工業刊物。介紹陶瓷工業生產中的成功經驗，國內外陶瓷先進技術和最新的成果，報道國內外陶瓷工業動態和有關信。
1 前 言
發泡陶瓷是一種具有輕質高強、保溫隔熱、防火阻燃(A1級)、防水抗凍、隔音、耐老化等優異性能的保溫材料。傳統多孔陶瓷、蜂窩陶瓷、開口多孔陶瓷的制備方法主要是泥漿發泡法、有機泡沫浸漬法、溶膠凝膠法，其均是在低溫下利用各種方法成型多孔素坯，再經過高溫燒結形成如多孔碳化硅陶瓷、多孔氧化鋁陶瓷等多孔陶瓷基體。然而作為應用于建筑保溫阻燃領域的閉孔發泡陶瓷，其用量大、價格低的市場現狀使得上述效率低、投資大、產出小的制備工藝難以在此材料制備中得到運用。因此，在這一背景下，利用高溫發泡劑產生多孔體的高溫發泡法得到了深入研究。且在節約原料成本中，大摻量利用固體廢棄物生產泡沫陶瓷技術的研究也得到了廣泛開展。
煤矸石是煤炭生產和洗選加工過程中產生的固體廢棄物，[1]其源于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，[2]是我國目前排放量最大的工業固體廢棄物之一，可適用于制備發泡陶瓷。[3]
本文結合山西省煤基固廢堆存量巨大的現實情況，開發以煤矸石等作為主要原料(配合料中使用量超過70%)，通過超微細化、發泡控制、溫度場調控、多層燒成等技術手段，低能耗、低成本制備發泡陶瓷建筑墻體材料。[4]目前，我國平均每年要建20億平方米左右的新建筑，建筑單位面積采暖費用是氣候條件相近發達國家的2～3倍，因此建筑節能意義重大。
2 實 驗
2.1 實驗原材料
實驗以煤矸石為主要原料，輔助添加廢瓷粉，外摻加以Fe2O3、CaO、MgO復合而成的助熔劑、以硫酸鹽、碳酸鹽、SiC復合而成的發泡劑配制而成的發泡陶瓷原料。
其中煤矸石70%～80%、廢瓷粉15%～25%、廢玻璃粉5%～10%組成基體配方，外摻助熔劑1%～1.5%，發泡劑0.8%～1.2%。文獻表明，發泡陶瓷適宜化學成分組成見表1。
2.1.1 煤矸石
實驗所用煤矸石來自山西省，其化學成分組成及物相組成見表2，熱值為2000～3000kJ/kg，編號1#煤矸石來自朔州，編號2#煤矸石來自長治。從表2可知，因產地不同，其化學成分略有波動，但變化不大。煤矸石均為黏土巖質，1#號煤矸石主要礦物組成為高嶺石，以及少量的石英，2#號煤矸石主要礦物組成為高嶺石，以及少量的石英和云母，且1#煤矸石Al2O3/SiO2比值為0.56，表明鋁含量高，硅含量低;2#號煤矸石Al2O3/SiO2比值為0.45，表明硅、鋁含量適中，與其礦物組成相一致。與此同時，1#號煤矸石燒失量為23.78%，2#號煤矸石燒失量為18.76%，燒失量均較高，除Al2O3和SiO2、Fe2O3外，1#、2#號煤矸石其它化學成分均相近。
2.1.2 廢瓷粉、廢玻璃粉
實驗所用的廢瓷粉、廢玻璃粉，皆為山西省內陶瓷廠廢瓷、廢玻璃(鈉鈣玻璃)，其化學成分見表3。
2.1.3 發泡劑、助熔劑
發泡陶瓷的發泡機理關鍵在于發泡劑產生氣體時坯體已有適量的液相產生，發泡劑產氣速率與液相粘度、表面張力的匹配度決定著燒成試樣的性能及工藝控制的難易程度。在一定燒成溫度范圍內，發泡陶瓷坯料的化學成分組成不僅影響發泡劑產生氣體的速率，而且影響液相含量。發泡劑以硫酸鹽、碳酸鹽、SiC復合而成。
2.2 生產工藝
破碎-球磨-過篩-鋪裝-燒窯-冷卻-切割
2.2.1 原料配合
將煤矸石、廢玻璃、廢陶瓷等原料用顎式破碎機進行破碎，為使原料充分混合，將破碎的原料過篩網，尺寸控制在10mm以內，這樣進入干法球磨機中時會充分混合均勻，其中煤矸石70%～80%、廢瓷粉15%～25%、廢玻璃粉5%～10%組成基體配方，外摻助熔劑1%～1.5%，發泡劑0.8%～1.2%。
2.2.2 球磨
采用干法制粉，將調配好的原料裝入干法球磨罐中，料球比為1：2.5。干法球磨要嚴格控制其球磨時間，球石為氧化鋁球，球磨時間不可過長，以免將氧化鋁球中的Al2O3帶入過多而引起成分的改變;干法球磨會使罐內溫度上升，持續溫度較高也會使原料的某些成分發生變化。為保證粉體的均勻性、粒徑分布和顆粒形狀，以分散助磨劑消除超細顆粒間的靜電團聚，提高粉料混合均勻性。
2.2.3 過篩鋪料
球磨好的粉料，待球磨罐體表溫度降至室溫，打開球磨罐蓋口，將粉料過振動篩，篩網為150目，孔徑為0.097mm。過篩后的粉料，不可積壓過厚，不可強迫壓實，自然堆積，轉移至窯車處，并均勻地鋪灑在窯車內。窯車上有三層軌道，由碳化硅管、碳化硅板、氧化鋁擋板搭建而成，每層軌道內，在鋪灑粉料之前鋪設一層保溫棉紙，以防止發泡陶瓷粘黏在軌道上。
2.2.4 燒窯
發泡陶瓷傳統燒成工藝采用單層隧道窯，燃料為天然氣，每立方米成品燒成能耗約65m3天然氣。根據本文所用煤矸石化學成分組成(表2)及發泡陶瓷適宜化學成分組成(表1)，經計算煤矸石理論摻量約70wt%～80wt%，則坯料中由煤矸石帶入的熱值約1500～2400kJ/kg，燒成每立方米成品可提供380～600MJ(發泡陶瓷表觀密度以300kg/m3計算)熱能，可節約天然氣10～15m3，即煤矸石可提供熱量的1/6～1/3，故以煤矸石為原料燒制發泡陶瓷對能源的節約、環境的改善、廢棄物高附加值利用具有顯著意義。
粉料堆積狀態下的助燃空氣，在搭建多層軌道窯爐時，便預留了窯頭窯尾通風孔，窯爐兩側的通風口，大孔主要用于通風，從而加速煤矸石中的碳燃燒、消除黑心，提高整體發泡的均勻性和力學性能。
考察煤矸石殘余碳在不同溫度下的燃燒速度，隨著煤矸石含量越來越少，后期升溫速度要逐漸減緩，坯體宏觀大孔為煤矸石殘余碳的燃燒提供了氣流通道，更好地將煤矸石充分燃燒，防止發泡陶瓷出現黑心等缺陷。
保溫時間對發泡陶瓷孔結構和抗壓強度影響顯著，且發泡過程是一個循序漸進的過程，保溫30min坯體難以發泡均勻，保溫時間過長對發泡過程無益，合理的保溫時間為60～120min。
2.2.5 冷卻
發泡陶瓷在經過發泡過程后，厚度達到300mm以上，而多孔陶瓷導熱系數低、傳熱慢，冷卻過程中要控制得當，否則會造成制品的內外溫差過大而產生無法消除的熱應力，造成制品開裂。因此在降溫過程中，在900℃、500℃、200℃三個溫度階段都要延緩冷卻速度，坯體宏觀大孔為煤矸石殘余碳的冷卻提供了氣流通道，加快了發泡陶瓷的冷卻過程。
2.3 各工藝參數
2.3.1 配料及球磨工藝
原料入磨細度：≤10mm;
粉料和球的比例：料：球=1：2.5;
球磨時間：4h;
粉料細度：0.05%～0.1%(萬孔篩余)。
2.3.2 過篩及鋪裝工藝
粉料過150目篩;
窯爐內部有三層軌道，每層2.5m×0.9m，第一層層間距0.6m，第二層層間距0.4m，第三層層間距0.35m;
鋪料尺寸為2.2m×0.8m×0.07m。
2.3.3 燒成及冷卻工藝
最高燒成溫度：1150℃;
燒成周期：12～14h;
燒成曲線：室溫至150℃升溫速度為4℃/min;在150℃下保溫30min;150℃至600℃升溫速度為5℃/min，在600℃下保溫60min;600℃至1150℃升溫速度為7℃/min;在1150℃下保溫120min，煅燒結束后按2℃/min的速度冷卻;
保溫時間：1.5～2 h;
發泡比例：2.5～2.6倍;
冷卻時間：20h。
2.3.4 性能指標
抗壓強度：≥4.2MPa;
體積密度：≤0.5g/cm3;
導熱系數：≤0.10W/m·℃;
吸水率：≤5%。
3 實驗結果
本實驗針對煤矸石的特點，結合山西省煤矸石大量積存的現狀，研究開發了獨特的多孔陶瓷配方體系，同時提出以微孔與大孔相結合的多孔陶瓷基多孔自保溫砌塊技術方案，通過坯體宏觀大孔為煤矸石殘余碳的燃燒及冷卻提供氣流通道，實現煤矸石中殘余碳快速燃盡，消除碳對高溫燒結與發泡過程不利的影響，并為多孔陶瓷的燒成過程提供足夠的熱量。
本實驗實現了煤矸石固廢資源化利用(在原料中的摻入比例≥70%)及煤矸石的潛熱利用(提供燒成過程40%以上的熱能)，為煤矸石的無害化、資源化利用提供了一條重要出路的同時解決多孔陶瓷生產成本高的瓶頸，并開發了具備優異保溫性能(導熱系數≤0.10W/m·℃)和力學性能(抗壓強度≥4.2MPa)的新型綠色自保溫墻體材料，具有非常顯著的經濟社會效益。
4 結 論
利用煤矸石制備多孔陶瓷自保溫墻體材料實驗取得了良好的效果，通過超微細化，發泡控制、溫度場調控、多層燒成的技術手段，低能耗、低成本制備發泡陶瓷建筑墻體材料。其成果如果能夠得到推廣應用，對于利用山西省煤矸石資源的特殊優勢，開發具有創新意識和節能環保的新產品;引導山西省陶瓷產業進行產品創新、技術創新，為山西省陶瓷產業探索創新發展、可持續發展的途徑;解決企業生產原料短缺的現狀，大幅度降低生產成本，減少能源消耗，提高經濟效益等諸多方面都具有積極意義。
參考文獻
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[2] 路三軍.淺談煤矸石綜合利用的一些途徑[J].魅力中國，2013(17)：27.
[3] 滿朝輝.煤矸石山自然治理方法研究[J].煤炭工程，2014，46(7)：66-69.
[4] 賈華平.論廢礦/廢渣用于生料配料的技術措施[J].新世紀水泥導報，2013.18(3)：48-51。
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文章名稱：煤矸石制備多孔發泡陶瓷基多孔自保溫砌塊的研究
