粉煤灰陶粒的研究-论文

1利用粉煤灰烧制陶粒的实验研究曾天敏杨桓（新疆建筑科学研究院，乌鲁木齐830054）摘要利用哈密某电厂粉煤灰为主要原料，根据硅酸盐物理化学原理选择与粉煤灰适应的各种物相成分，满足SiO2-Al2O3-Cao-Fe2O3等主要成分在高温下形成共熔物，达到利用该电厂粉煤灰烧制粉煤灰陶粒目的的研究。找出烧制粉煤灰陶粒的参数（烧成温度、烧成时间、温度带），各项性能技术指标满足GB2838.81要求的粉煤灰陶粒，并进行中试生产，配制轻质陶粒混凝土，为今后新疆地区粉煤灰陶粒的生产及利用提供实验依据。关键词粉煤灰陶粒；参数；实验依据20粉煤灰陶粒的历史和现状烧结粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原料，掺加少量的粘结剂（黏土、页岩、塑化剂等）和固体燃料（煤粉、木屑等），经混合、成球、高温焙烧（1100~1300℃）而制得的一种性能较好的人造轻骨料。我国也是利用粉煤灰生产陶粒最早的国家之一，技术成熟，并得到一定程度的推广，但我国的陶粒生产技术总体水平还处于落后地位，主要表现在以下几点：1、生产能耗高，生产成本高，从而限制了粉煤灰陶粒技术的发展；2、规模小，至今我国没有几家大型生产粉煤灰陶粒的企业，因而粉煤灰利用率很低；3、粉煤灰陶粒的应用不完全配套，限制了粉煤灰陶粒的生产。4、政策不配套，在本世纪初以前都是对天然集料的开采和利用无限制性法规，制约了粉煤灰利用技术的发展。在新疆，大部分电厂仍然采用火力发电，每年产生大量的粉煤灰，由于没有得到充分利用，造成了大量的资源浪费，同时还污染了环境。目前新疆还没有利用粉煤灰烧制陶粒的生产厂家，大部分陶粒生产厂家还是以粘土或页岩为原料。大量的粉煤灰（除一部分用于水泥制品、加气混凝土、混凝土外加剂外）排放在露天灰场，造成环境污染和资源浪费，这些除政策和经济等原因外，主要是没得到很好的技术支持，因为利用粉煤灰烧制陶粒，原材料影响很大，必须根据当地的材料特点研究其烧成配方、工艺、设备等技术参数，才能应用于生产实际，并推广应用，使新疆的粉煤灰变废为宝，把污染源变为造福于人类的资源。1粉煤灰陶粒的烧成原理初步探讨烧结粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原料，掺加少量的粘结剂（黏土、页岩、塑化剂等）和固体燃料（煤粉、木屑等），经混合、成球、高温焙烧（1100~1300℃）而制得的一种性能较好的人造轻骨料。它是一个物理化学相平衡和热力学化学反应过程。根据各原材料的化学组成，调配混合物内的各种矿物（SiO2、Al2O3、Cao、Fe2O3等）的含量，使之在一定温度下、一定时间内发生氧化—还原反应得到粉煤灰陶粒。在高温炉中，混合物首先在富铁区发生熔融，形成液相，当升高到一定温度（略低于陶粒烧成温度时），SiO2、Al2O3、Cao、Fe2O3形成液态熔融的硅酸盐化合物，内部发生氧化反应，生成气体，在陶粒内形成微小、密闭的气孔，使颗粒产生膨胀；颗粒表面发生还原反应，形成陶粒坚硬的外壳。在陶粒烧成温度上烧制一段时间（约5~15分钟），经过急冷处理后，陶粒烧制完成。2实验部分2.1粉煤灰1、细度，45μm筛筛余量小于45%，20μm筛筛余量小于85%；2、粉煤灰中无块状物及杂草等；3、化学成分，粉煤灰是生产粉煤灰陶粒的主要原料，约占含料总量的80%左右。对化学成分一般不受严格限制。下表是哈密某电厂粉煤灰的化学分析。（表一）表一粉煤灰化学成分成分烧失量二氧化硅三氧化二铝三氧化二铁氧化钙氧化镁碱度3含量%1.2053.4219.119.3911.722.242.082.2粘结剂我国生产的粉煤灰陶粒大多采用粘土作为粘结剂，掺量随粘土的品种和质量及粉煤灰的细度有关。哈密电厂的粉煤灰自身成球性很差，为了便于粉煤灰成球，并能满足其焙烧要求，研究中加入了粘土，以改善混合料的塑性，提高生料的机械强度和热稳定性。在本次研究中，我们采用了当地的粘土。从实验结果可以看出（10~12#），在粉煤灰不变的情况下，随着粘土掺量增大，陶粒质量有所改观，考虑到本研究主要是利用粉煤灰烧制陶粒，因此，粘土掺量在适当范围即可。它的矿物组成主要是石英、高岭石。其化学分析见表2。表二粘土化学成分2.3固体燃料在本次实验中，选用的是无烟煤。无烟煤在实验中不但是起助燃作用，而且产生气体，在陶粒内部形成气孔，使陶粒膨胀，从而达到陶粒轻质的目的。实验表明（13#~17#），固体燃料掺量太少或太多时均达不到理想结果，不是烧不成就是出现过烧现象。本次所用的无烟煤分析见表3。表三固体燃料（无烟煤物化性能）2.4助熔剂助熔剂作用主要是降低粉煤灰陶粒烧成温度，提高陶粒质量，从7#~9#实验可以看出，提高助熔剂掺量，烧成温度带缩小，烧成时间缩短，很不利于烧成控制。2.5实验仪器与设备SIC105型电热鼓风干燥箱：最高温度400℃，电压220V，频率50Hz;高温箱式电炉2台：型号SSX-12-16，额定功率12KW；成分烧失量二氧化硅三氧化二铝三氧化二铁氧化钙氧化镁三氧化硫含量%10.2353.4815.546.497.773.90.65产地灰份%挥发份%固定碳%新疆哈密煤矿22.0710.7667.174球磨机：型号3S08，规格Φ500×500mm;电子天平，小型回转窑等；2.6实验工艺流程及要点实验工艺流程如下：粘土、无烟煤破碎→粘土、无烟煤、粉煤灰磨细→称量→拌匀→加水拌和→陈化→成球→烘干→烧成→成品。实验工艺要点：1、各种原料在磨细后按配料比先进行粗拌，再用细度为150~200目的筛子进行筛分，确保筛余量小于1%，目的就是将料充分混合均匀。如果没有拌匀，烧成的陶粒会出现陶粒外壳厚薄不均，陶粒内部气孔分布不匀的现象；2、称量，称量在粉煤灰烧制成功与否起很大作用，因此，称量一定要准确。3、成球，加入造孔剂混合成球，球的大小在Φ5~25mm之间；4、烧成时要求升温速度快，特别是物料出现液相时，要求升温更快，这样，可以有效的使陶粒多孔化，烧成温度在1140~1165℃之间。2.7实验配方的确定本次研究中，由于缺乏先进的实验设备，如差热分析仪、X衍射仪等，只能通过烧成的陶粒进行表观和力学上的性能进行分析。根据各种原材料的化学成分，并在以往的经验基础上，进行了大量的试烧实验，在试烧实验的基础上，分析各物料的搭配情况，确定烧成温度和烧成时间。现摘录一部分有代表性的配方进行分析，将混好的配料成球后放入鼓风干燥箱，升温至100℃左右烘干2~4小时，目的是脱去物料中的附着水，防止煅烧时炸裂或出现裂纹，把经烘干后的料球移入温度为350℃左右的高温电炉中预烧5分钟左右，然后迅速移入高温电炉中胀烧6~12min，然后取出让其自然冷却，结果见表4。表四烧结温度和烧结时间实验结果样品预烧温度℃预热时间min烧结温度℃烧结时间min样品观测结果1#35051120~114012表面呈黄色，无气孔1140~116010表面呈黑黄色，无气孔1160~118010气体外溢至外壳，中间实心，过烧2#35051120~114012表面呈黄色，无气孔1140~116010发泡很小，气泡较少1160~118010过烧3#35051120~114012表面呈黄色，无气孔1140~116010有少量气孔，分布比较均匀51160~118010气体外溢至外壳，表皮发黑4#35051120~114012表面呈黄色，出现少量气孔，不均匀1140~116010有大量气孔，且大小均匀，大部分能浮在水上1160~118010气体外溢至外壳，中间有气孔，不均匀5#35051120~114012表面呈黄色，无气孔1140~116010有少量气孔，分布不均1160~118010气体外溢至外壳，中间实心，过烧6#35051120~114012烧结，无气孔1140~116010有点熔融，1160~118010表皮发黑流化，无气孔7#3505该配方烧成温度带12℃左右（1125~1137℃），烧成时间8min，少量过烧8#3505该配方烧成温度带12℃（1125~1137℃），烧成时间6min，少量过烧9#3505该配方烧成温度带10℃（1125~1137℃），烧成时间6min，大量过烧10#3505该配方烧成温度1175~1195℃，少量气孔不均匀，表皮不光滑11#3505该配方烧成温度1145~1165℃，气孔均匀，表皮光滑，大部分能浮在水上12#3505该配方烧成温度1140~1165℃，气孔均匀，表皮光滑，大部分能浮在水上，有少量实心陶粒13#3505该配方温度从1120℃升到1200℃，均没出现理想情况14#3505该配方在1175℃温度时有少量气孔，不均匀，温度再高时，出现过烧现象15#3505该配方烧成温度1145~1165℃，气孔均匀，表皮光滑，大部分能浮在水上16#3505该配方在温度1140~1165℃，大部分有气孔，但不均匀，温度高或低，烧不成或过烧17#3505该配方在温度1140~1165℃，大部分有气孔，但不均匀，有烧穿，气孔不封闭现象，温度高或低，烧不成或过烧通过对各种配方的焙烧实验，只有配方4#烧出的陶粒比较好，烧出的样品膨胀很明显，质轻，表面光滑，大部分能浮在水面上。在4#配方的基础上，又设计了六组配方，经过烧制，每组在1140~1165℃温度范围内，均能产生气泡，并且气泡大小很均匀，表皮很光滑，膨胀性很好。各项性能均能符合标准要求。3烧成样品性能6将混好的配料成球后放入鼓风干燥箱，升温至100℃左右烘干2~4h，把经烘干后的料球移入温度为350℃左右的高温电炉中预烧5分钟左右，然后迅速移入高温电炉中胀烧8~12min，然后取出让其自然冷却所得陶粒性能见表五：表五陶粒性能及烧成参数项目抗压强度MPa吸水量%表观密度g/m3烧成温度℃水中情况标准要求≥4≤20---大部分浮在水上实验结果18#4.89.20.921140~1165大部分浮在水上19#4.710.30.951140~1165大部分浮在水上20#4.47.50.881140~1165大部分浮在水上21#4.280.851140~1165大部分浮在水上22#3.8150.971140~1165大部分浮在水上23#3.610.50.951140~1165大部分浮在水上4实验分析与讨论1、粉煤灰本身成球性很差，需加一定的粘土或其他能提高混合料塑性的物质，本次实验选用的是哈密当地粘土，来提高生料球的强度，同时，粘土中的矿物成分与富铁氧化物发生反应而熔融，从而起到助熔作用；2、石英成分，能降低生料球的干燥收缩，缩短干燥时间，烧成时石英的加热膨胀可抵消陶粒加热收缩的影响；3、加入助熔剂是为了降低烧成温度，从而降低能源损耗，降低生产成本。助熔剂加入量并不是加的越多越好，实验中随着助熔剂掺量的增加，烧成温度带缩小，烧成带缩短到6分钟左右，非常不利控制，影响了陶粒成品的质量。4、生料拌的是否均匀非常关键，在陶粒烧制初期，实验员因搅拌时间太短，导致物料没有搅拌均匀，最后烧成的陶粒外壳厚薄不均，气孔分布不匀；5、无烟煤的掺量，陶粒制作的关键在于满足气孔率大小和陶粒强度高低这对矛盾的综合要求。实验表明，混合料的总含碳量应控制在5~7%。6、从实验过程中分析，利用哈密电厂的粉煤灰烧制的陶粒，各项指标均能满足同一级别标准的要求。焙烧工艺直接影响到陶粒的膨胀程度，即使原料的化学成分在膨胀的范围之内，如果没有适当的焙烧工艺制度，仍然烧不出陶粒。在实验过程中将温度提高到1170℃，颗粒出现过烧现象，产生的气体全部外溢到表层，颗粒中间实心，温度低时（低于1140℃）由于达不到混合料液相温度，料球未出现熔融状态，颗粒只是烧结在一块，没有产生膨胀，不能称之为粉煤灰陶粒。原料的烘干、预烧等过程很重要，否7则容易出现炸裂或膨胀率很低的现象；焙烧温度和时间起着关键作用，最后实验表明，哈密电厂的粉煤灰的烧胀最佳温度应控制在1140~1165℃，时间控制在8~12min。烧成曲线见下图：020040060080010001200246810121416图1烧成温度分布图5中试生产的陶粒性能采用和4#配方相同的配比和工艺参数，在新疆某陶粒厂生产线上进行了中试生产，所得陶粒性能如下：堆积密度780kg/m3,筒压强