一种自发泡烧胀陶粒的制备方法

1.本发明属于固废处理及资源化利用技术领域，尤其涉及一种自发泡烧胀陶粒的制备方法。

背景技术：

2.烧胀陶粒是一种高温下制备的质量轻、强度高的人造骨料，一般具有球状外形，内部呈蜂窝状的多孔结构，具有优异的性能，如密度低、筒压强度高，软化系数高、抗冻性好等，广泛应用于建筑保温隔热、轻质结构构件、废水处理、隔音屏障等领域。以烧胀陶粒作粗骨料应用于混凝土中，具有大幅降低混凝土结构自重、减小截面尺寸、降低地基与基础的处理成本的优势。
3.传统陶粒的原材料的化学组成主要为sio2、al2o3、fe2o3、cao等，常用粘土和页岩等天然矿物为主要原料。其中，粘土的sio2含量高并含有足够的al2o3和助熔剂，从而成为一种较为理想的烧胀陶粒的原材料。当前受到环境保护和天然资源紧缺和限制开采等因素的制约，迫切需要寻可以替代陶粒天然原材料的资源。
4.我国工业、矿业的长期发展累积了大量尾矿固体废弃物急需处置，另一方面这些尾矿从物理和化学性质方面来说又是潜在的可再生利用的资源，当前迫切需要发展尾矿资源化综合利用技术和相关产品，以缓解资源和环境压力。陶粒骨料在工程应用中用量大，具有大量消纳固体废弃物的潜能。因此，利用尾矿等固体废弃物部分或全部代替传统天然矿物以制备烧胀陶粒是有效解决尾矿堆存和天然资源消耗的有效途径。

技术实现要素：

5.本发明为解决上述技术问题提供一种自发泡烧胀陶粒的制备方法。该方法提高了赤泥、固体废弃物等消纳率，实现富铁废弃物的高质化利用。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种自发泡烧胀陶粒的制备方法，所述自发泡烧胀陶粒按重量百分比计由50～70％铜尾矿、15～35％粉煤灰、5～20％高铁相固废发泡剂及3～5％助熔剂混合搅拌、成球、在惰性气氛下烧制而成。
8.优选地，所述成球步骤具体为：将混合搅拌得到的干料放入盘式造粒机中，喷淋适量自来水造粒成球得到料球，料球的粒径控制在6～12mm。
9.优选地，还包括在惰性气氛下烧制之前，将成球步骤得到的料球进行陈腐和干燥的步骤。
10.优选地，在惰性气氛下烧制的具体步骤为：将料球置于气氛炉中，抽真空后通入惰性气体使炉内气压控制在1个大气压，先从25℃升到900℃，保温10～15min，然后继续升至1050～1100℃，保温30～60min后随炉冷却得到烧胀陶粒。
11.优选地，升温速率为8～12/min。
12.优选地，所述惰性气氛为氮气或氩气。
13.优选地，所述助熔剂为硅酸钠、碳酸钠、钠长石或氢氧化钠中的一种或两种以上的混合物。
14.优选地，所述高铁相固废为赤泥，fe2o3含量不少于30wt％，主要含铁矿物为赤铁矿。
15.优选地，所述铜尾矿为铜矿选矿产生的大宗固体废弃物，铜尾矿中的sio2含量大于60wt％且小于80wt％，al2o3含量大于10wt％。
16.优选地，所述自发泡烧胀陶粒的生料中各氧化物的质量百分比为：sio2：45～65％，al2o3：18～28％，k2o+na2o+cao+mgo：9～15％，fe2o3：5～12％。
17.本发明的发泡原理为：本发明采用的是将赤泥用作高温原位发泡剂，利用赤泥中的+3价fe的化合物在高温过程中，在惰性气氛下，可以在远低于其理论分解温度下分解产生气体，大大降低了烧结温度。铜尾矿中氧化硅含量较高，在高温下和助熔剂反应，生成适宜粘度的液相，该液相可将高温反应下释放的气体密封在熔体内部，且生成的气体在液相中形成多个独立的空间，最终产生均匀气孔结构，使得陶粒能够发生膨胀。本发明的粉煤灰里面几乎不含碳，主要提供氧化铝，为陶粒的强度提供支撑。
18.赤泥做发泡剂反应方程式如下：
19.fe2o3(hematlte)
→
feon+o2↑
20.6fe2o3(s)＝4fe3o4(s)+o2↑
21.2fe3o4(s)＝6feo(l)+o2↑
22.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
23.1)本发明提出协同利用赤泥中+3价fe化合物高温分解反应制备原位自发泡轻质陶粒，通过改进烧成气氛大大降低了制备温度、提高烧胀效率，具有降低成本和碳排放的特点，且进一步提高了赤泥、铁矿渣等富铁废弃物消纳率，实现富铁废弃物的高质化利用；
24.2)本发明利用大掺量铜尾矿制备轻质陶粒，探寻铜尾矿陶粒的合适原材料配比，优化了其烧制工艺，大大提高了铜尾矿消纳率，减少天然优质资源的开采，且为陶粒生产行业扩大了可用原料范围，充分挖掘铜尾矿潜在的社会经济环保效益；
25.3)本发明制备烧胀陶粒协同利用固体废弃物，利用率可达到95％以上；
26.4)本发明成本低廉，制备工艺简单，生产设备成熟，适合大规模推广应用，具有良好的应用前景；
27.5)本发明制备的烧胀陶粒，堆积密度0.47～0.73g/cm3、表观密度0.84～1.40g/cm3，单颗粒强度4.28～13.15mpa，筒压强度为2.69～6.32mpa，1小时吸水率0.89～1.54％、24小时吸水率2.05～2.96％，物理性能满足gb/t17431.1 2010《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》对轻集料的规定，其可用于配制轻质高强等各方面性能优异的轻集料混凝土。本发明的烧胀陶粒为建筑材料行业朝轻质化、高强化方向进一步的发展，提供一定的技术参考，为双碳战略下建筑工程、工业冶金工程、材料行业的绿发展提供一种可行路线。
附图说明
28.图1为陶粒焙烧工艺图。烧制过程中采用的是两步烧制法，在900℃时停留10分钟，有利于陶粒内部一些矿物充分反应。
29.图2为陶粒在不同烧结气氛下的xrd图谱。惰性气氛烧结后，赤泥中赤铁矿相全部
转变成尖晶石相和辉石相，也就是+3价铁全部转变成+2价铁，说明+3价铁分解反应进行很充分，产生了更多的气体。在空气烧结后，赤泥中赤铁矿大多数仍以赤铁矿相存在，+3价铁分解不完全。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.以下实施例中，烧结过程中惰性气体为高纯氮气，纯度均为99.999％，其中氧含量低于3ppm。
32.以下实施例中，采用的铜尾矿为铜矿选矿产生的大宗固体废弃物。本发明中，铜尾矿中sio2含量为72.1wt％，al2o3含量为10.5wt％。
33.以下实施例中，采用的粉煤灰由巩义市元亨净水材料厂提供，为ⅰ级低碳粉煤灰，其比表面积为2036m2/kg，sio2含量为52.4wt％，al2o3含量为35.6wt％，cao含量为2.1wt％，烧失量为2.18％，含有极少未燃尽碳。
34.以下实施例中，赤泥是氧化铝制取工业的外排产物，其中fe2o3含量为42.7wt％，主要含铁矿物为赤铁矿。
35.以下实施例中，采用的助熔剂为无水偏硅酸钠，为国药集团化学试剂有限责任公司生产。
36.以下实施例中，铜尾矿、粉煤灰和赤泥的粒径均在80目以下，化学成分如表1所示。
37.应当理解，此处所描述的具体原材料组成仅为解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变(包括原材料产地)。
38.表1铜尾矿、粉煤灰和赤泥的主要化学成分(wt.％)
[0039] sio2al2o3fe2o3caomgok2ona2otio2loi其他铜尾矿72.0710.463.452.930.875.330.270.271.642.71赤泥9.9321.7542.671.440.140.086.635.8410.391.13粉煤灰52.3735.552.792.130.641.270.661.322.181.09
[0040]
实施例1
[0041]
本实施例提供一种自发泡烧胀陶粒的制备方法，包括如下步骤：
[0042]
(1)将铜尾矿、粉煤灰、赤泥和助熔剂按照50：30：15：5的质量比进行称重，然后放入混料机中搅拌10～15分钟，得到混合均匀的干料；其生料的化学组成为：sio2：57.44％，al2o3：19.76，fe2o3：9.24，cao：2.39，mgo：0.67，k2o：3.15，na2o：3.99，其他：3.36。
[0043]
(2)将上述混合均匀的干料放入盘式造粒机中(转速为45r/min)，喷淋适量自来水造粒成球，粒径控制在6～12mm；
[0044]
(3)将上述料球在室温下进行自然堆放24小时进行陈腐；
[0045]
(4)将上述料球放入干燥箱中进行干燥，干燥温度为105℃、干燥时间为8h；
[0046]
(5)将干燥后的料球置于气氛炉中，抽真空后通入惰性气体使炉内气压控制在1个大气压，先以10℃/min从25℃升到900℃，保温10min，然后以10℃/min继续升至1080℃，保温60min后随炉冷却得到自发泡烧胀陶粒。
[0047]
得到的自发泡烧胀陶粒堆积密度0.51g/cm3，表观密度0.89g/cm3，1h吸水率0.94％，24h吸水率2.17％，陶粒单颗粒强度为6.14～9.62mpa，筒压强度4.47mpa。
[0048]
实施例2
[0049]
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于步骤(1)：
[0050]
(1)将铜尾矿、粉煤灰、赤泥和助熔剂按照50：35：10：5的质量比进行称重，然后放入混料机中搅拌10～15分钟，得到混合均匀的干料；其生料的化学组成为：sio2：59.37％，al2o3：20.38，fe2o3：7.16，cao：2.42，mgo：0.69，k2o：3.20，na2o：3.67，其他：3.11。
[0051]
得到的自发泡烧胀陶粒堆积密度0.62g/cm3，表观密度1.08g/cm3，1h吸水率1.22％，24h吸水率2.43％，陶粒单颗粒强度为7.43～11.45mpa，筒压强度5.52mpa的烧胀陶粒。与实施例1中相比赤泥掺量减少，陶粒膨胀效果略差，强度有所提高。因为发泡效果不好，陶粒内部形成的孔不大，所以强度要稍微高一点。
[0052]
实施例3
[0053]
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于步骤(5)：
[0054]
(5)将干燥后的料球置于气氛炉中，抽真空后通入惰性气体使炉内气压控制在1个大气压，先以10℃/min从25℃升到900℃，保温10min，然后以10℃/min继续升至1050℃，保温60min后随炉冷却。
[0055]
得到的自发泡烧胀陶粒堆积密度0.73g/cm3，表观密度1.40g/cm3，1h吸水率1.54％，24h吸水率2.96％，陶粒单颗粒强度为8.21～13.15mpa，筒压强度6.32mpa。与实施例1中相比烧结温度低，陶粒膨胀效果相对差，强度较高。
[0056]
实施例4
[0057]
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于步骤(5)：
[0058]
(5)将干燥后的料球置于气氛炉中，抽真空后通入惰性气体使炉内气压控制在1个大气压，先以10℃/min从25℃升到900℃，保温10min，然后以10℃/min继续升至1100℃，保温60min后随炉冷却。
[0059]
得到的自发泡烧胀陶粒堆积密度0.47g/cm3，表观密度0.84g/cm3，1h吸水率0.89％，24h吸水率2.05％，陶粒单颗粒强度为4.28～7.16mpa，筒压强度2.69mpa的烧胀陶粒。与实施例1中相比烧结温度更高，陶粒膨胀效果好，强度低。
[0060]
对比例1
[0061]
本对比例与实施例1大致相同，不同之处在于步骤(1)：
[0062]
(1)将铜尾矿、粉煤灰、赤泥和助熔剂按照50：45：0：5的质量比(即不包括赤泥)进行称重，然后放入混料机中搅拌10～15分钟，得到混合均匀的干料。
[0063]
得到的烧胀陶粒堆积密度1.03g/cm3，表观密度2.09g/cm3，1h吸水率1.74％，24h吸水率3.66％，陶粒单颗粒强度为10.77～18.61mpa，筒压强度7.43mpa。与实施例1中相比未加赤泥做发泡剂的陶粒未发生膨胀效果，处于烧结收缩状态。
[0064]
对比例2
[0065]
本对比例与实施例1大致相同，不同之处在于步骤(1)：
[0066]
(1)将铜尾矿、粉煤灰、黄铁矿和助熔剂按照50：30：15：5的质量比进行称重，然后放入混料机中搅拌10～15分钟，得到混合均匀的干料。
[0067]
与实施例1中相比使用的主要含+2价铁的黄铁矿(fes2含量为97.4wt％)做发泡
剂，陶粒未发生膨胀效果，处于烧结状态。
[0068]
对比例3
[0069]
本对比例与实施例1大致相同，不同之处在于步骤(5)：
[0070]
(5)将干燥后的料球置于气氛炉中未通入氮气，在/空气气氛下先以10℃min从25℃升到900℃，保温10min，然后以10℃/min继续升至1200℃，保温60min后随炉冷却得到。
[0071]
得到的烧胀陶粒堆积密度0.58g/cm3，表观密度0.97g/cm3，1h吸水率1.76％，24h吸水率3.13％，陶粒单颗粒强度为7.05～11.05mpa，筒压强度5.16mpa。可以看出，该对比例中陶粒是在空气气氛烧制，与实施例1中陶粒相比，膨胀效果略差，并且制备的烧结温度需要更高。
[0072]
对比例4
[0073]
本对比例与实施例1大致相同，不同之处在于步骤(5)：
[0074]
(5)将干燥后的料球置于气氛炉中未通入氮气，在空气气氛下先以10℃min从25℃升到900℃，保温10min，然后以10℃/min继续升至1080℃，保温60min后随炉冷却。该对比例中陶粒是在空气气氛烧制，在该温度下，赤泥不能分解气体，与实施例1中陶粒相比烧结的温度相同，陶粒未发生膨胀效果，处于烧结收缩状态。
[0075]
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

技术特征：

1.一种自发泡烧胀陶粒的制备方法，其特征在于，所述自发泡烧胀陶粒按重量百分比计由50～70％铜尾矿、15～35％粉煤灰、5～20％高铁相固废发泡剂及3～5％助熔剂混合搅拌、成球、在惰性气氛下烧制而成。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成球步骤具体为：将混合搅拌得到的干料放入盘式造粒机中，喷淋适量自来水造粒成球得到料球，料球的粒径控制在6～12mm。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括在惰性气氛下烧制之前，将成球步骤得到的料球进行陈腐和干燥的步骤。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在惰性气氛下烧制的具体步骤为：将料球置于气氛炉中，抽真空后通入惰性气体使炉内气压控制在1个大气压，先从25℃升到900℃，保温10～15min，然后继续升至1050～1100℃，保温30～60min后随炉冷却得到烧胀陶粒。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，升温速率为8～12/min。6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛为氮气或氩气。7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述助熔剂为硅酸钠、碳酸钠、钠长石或氢氧化钠中的一种或两种以上的混合物。8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高铁相固废为赤泥，fe2o3含量不少于30wt％，主要含铁矿物为赤铁矿。9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铜尾矿为铜矿选矿产生的大宗固体废弃物，铜尾矿中的sio2含量大于60wt％且小于80wt％，al2o3含量大于10wt％。10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述自发泡烧胀陶粒的生料中各氧化物的质量百分比为：sio2：45～65％，al2o3：18～28％，k2o+na2o+cao+mgo：9～15％，fe2o3：5～12％。

技术总结

本发明提供一种自发泡烧胀陶粒的制备方法，所述自发泡烧胀陶粒按重量百分比计由50～70％铜尾矿、15～35％粉煤灰、5～20％高铁相固废发泡剂及3～5％助熔剂混合搅拌、成球、在惰性气氛下烧制而成。本发明提出协同利用赤泥中+3价Fe化合物高温分解反应制备原位自发泡轻质陶粒，通过改进烧成气氛大大降低了制备温度、提高烧胀效率，具有降低成本和碳排放的特点，且进一步提高了赤泥、铁矿渣等富铁废弃物消纳率，实现富铁废弃物的高质化利用。实现富铁废弃物的高质化利用。