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        利用粉煤灰等工業(yè)廢料制備日用陶瓷的研究

        2014-10-19 01:29:06楊玉衛(wèi)張明熹李晶華蔡永豐
        陶瓷 2014年11期
        關(guān)鍵詞:匣缽廢料粉煤灰

        楊玉衛(wèi) 張明熹 沈 毅 李晶華 蔡永豐

        (1 北京有色金屬研究總院產(chǎn)業(yè)發(fā)展部 北京 100088)(2 河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 河北 唐山 063000)(3 河北聯(lián)合大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北 唐山 063009)

        前言

        我國(guó)不僅礦產(chǎn)資源豐富[1~4],同時(shí)也是世界最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和煤炭消費(fèi)國(guó)。近年來,我國(guó)火力發(fā)電發(fā)展迅速,其中大多以煤炭為燃料,發(fā)電量達(dá)1.3億kW·h,火力發(fā)電所占比例達(dá)到了79.6%,由此導(dǎo)致粉煤灰排放量逐年增加。2002年底,全國(guó)粉煤灰排放量為1.6億t;2010年底,排放量達(dá)到近3億t,大量粉煤灰的排放受到了越來越廣泛的關(guān)注。從1987年開始,我國(guó)將粉煤灰作為資源綜合利用的突破口,如何對(duì)其進(jìn)行綜合利用,成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針。

        陶瓷工業(yè)廢棄物主要是指在陶瓷制品生產(chǎn)過程中,在成形、干燥、施釉、搬運(yùn)、焙燒、拋光及貯存等工序中產(chǎn)生的廢料及次品,其中包括大量的廢匣缽、廢瓷粉等廢料。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì):僅佛山陶瓷產(chǎn)區(qū),各種陶瓷廢料的年產(chǎn)生量已經(jīng)超過400萬t[5],而全國(guó)陶瓷廢料的年產(chǎn)生量估計(jì)在1 000萬t左右,陶瓷廢料的堆積擠占土地,影響當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量,如此大量的陶瓷廢料已經(jīng)不是簡(jiǎn)單填埋就可以解決問題。這些工業(yè)廢料若能得到有效的利用,將對(duì)陶瓷行業(yè)的清潔化生產(chǎn)具有重大的意義。

        1 粉煤灰等廢料概況[6~8]

        1.1 粉煤灰概況

        粉煤灰具有一定活性,其性能在一定程度上與火山灰相似。它主要由無定型玻璃、未燃盡的碳、莫來石、石英、磁鐵礦、金紅石、長(zhǎng)石、剛玉和紅柱石等組成。其中氧化硅、氧化鋁含量較高;莫來石、玻璃相和殘余石英的比例類似于瓷粉中的比例。粉煤灰顆粒呈比表面積大的多孔結(jié)構(gòu),容易研磨,可以降低制品的燒成溫度,達(dá)到節(jié)能的目的。但是,由于其中的氧化鐵、氧化鈦含量較高,會(huì)降低瓷胎的白度。

        實(shí)驗(yàn)采用唐山西郊發(fā)電廠排放的粉煤灰為原料,其化學(xué)組成見表1。

        表1 實(shí)驗(yàn)用粉煤灰化學(xué)組成(質(zhì)量%)Tab.1 The experiment uses composition of the fly ash (%)

        1.2 廢匣缽概況

        廢匣缽來自于有匣燒成車間,主要是由于破損、粘連等原因,使其失去原有強(qiáng)度導(dǎo)致變形從而成為廢匣缽。廢匣缽的產(chǎn)生量一般略小于所生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量。目前僅有少部分利用在了耐火磚的生產(chǎn)中,其余大部分沒有得到有效的利用,廢匣缽的化學(xué)組成見表2。

        表2 廢匣缽化學(xué)組成(質(zhì)量%)Tab.2 The constitute of the waste refractory (%)

        1.3 廢瓷粉概況

        實(shí)驗(yàn)所用的廢瓷粉為制品燒成后的不合格產(chǎn)品,主要有釉坯廢品,燒成廢品,其中的色釉廢品不可以再次使用,而透明釉制品的廢品則可以繼續(xù)使用。廢瓷粉的化學(xué)組成見表3。

        表3 廢瓷粉的化學(xué)組成(質(zhì)量%)Tab.3 The composition of the waste porcelain powder (%)

        2 實(shí)驗(yàn)

        2.1 原料

        石英、長(zhǎng)石、廢匣缽、廢瓷粉、粉煤灰、骨瓷粉、黑砂、于寺土、唐縣土、紫木節(jié)、堿矸、龍巖土、燒滑石、生滑石粉及添加劑等。

        由于實(shí)驗(yàn)的一部分是在長(zhǎng)城陶瓷有限公司完成,故所需用原料均由該工廠提供,原料從它的原料車間運(yùn)抵工廠開發(fā)處。粘土原料均有1年的風(fēng)化期,實(shí)驗(yàn)使用的瓷粉、廢匣缽為該廠備用料。粉煤灰經(jīng)揀選,去掉土塊、草根等雜物,過40目篩、經(jīng)水浸泡24 h后,烘干備用。原料的化學(xué)組成見表4。

        表4 原料化學(xué)組成(質(zhì)量%)Tab.4 The constitute of raw materials (%)

        2.2 儀器設(shè)備

        采用KY-20快速磨,搖籃罐,波美比重計(jì),25 kg小磨,長(zhǎng)城陶瓷有限公司的5#燃?xì)馑淼栏G,500 g天平,1 000 g天平,10 kg臺(tái)秤,40目、80目、250目篩。

        2.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        2.3.1 配方設(shè)計(jì)的依據(jù)

        對(duì)于清潔生產(chǎn)的陶瓷來說,由于所用原料廢瓷粉、廢匣缽、粉煤灰均經(jīng)高溫煅燒,沒有可塑性,故日用陶瓷清潔生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵在于坯體的成形性能。在進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)之前,我們對(duì)長(zhǎng)城陶瓷有限公司的生產(chǎn)配方及用料進(jìn)行了調(diào)查。在此基礎(chǔ)上,我們選定該廠的注漿配方為依據(jù),用粉煤灰、廢匣缽、廢瓷粉取代了其中的石英、長(zhǎng)石等脊性原料,使其化學(xué)組成與之接近;同時(shí)為了達(dá)到降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益,在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,盡量多使用該3種原料?,F(xiàn)通過正交實(shí)驗(yàn),希望能找到吸漿時(shí)間合適,成形性能良好的工藝參數(shù)。

        2.3.2 配方的確定

        經(jīng)過分析,選用正交表L16(45)[9]安排實(shí)驗(yàn)。L16(45)中,L表示正交表;16表示這個(gè)正交表有16行,可安排16個(gè)實(shí)驗(yàn);4表示因素取4個(gè)水平;5表示有5個(gè)因素,正交實(shí)驗(yàn)的具體情況見表5。

        表5 因素水平表(質(zhì)量%)Tab.5 The table of factors and levels (%)

        性能測(cè)試指標(biāo):吸漿時(shí)間和成形性能。其它(質(zhì)量%)為:長(zhǎng)石8,廢匣缽10,廢瓷粉8,骨瓷粉2,燒滑石2,剩余由石英補(bǔ)足100。實(shí)驗(yàn)方案見表6。

        表6 實(shí)驗(yàn)方案Tab.6 Experiment project

        *注:1)含量單位均為質(zhì)量%;2)以上所有實(shí)驗(yàn)均加入0.1%Na2SiO3。

        2.4 實(shí)驗(yàn)過程

        1)按設(shè)計(jì)的配方的配料單稱取原料和添加劑;

        2)將稱量好的原料和堿面放入快速磨中研磨,其中料∶球∶水的比例為1.0∶2.0∶0.4;

        3)研磨35 min后(參照工廠生產(chǎn)時(shí)的研磨時(shí)間,下同)加入添加劑;

        4)再研磨50 min后,出磨靜置;

        5)注漿并記錄吸漿時(shí)間及溫度并測(cè)量pH值,注漿操作室溫度為40 ℃,坯體厚度均為3 mm;

        6)干燥修坯;

        圖1 燒成曲線Fig.1 Burn curve

        7)施釉;

        8)烘干后裝窯;

        9)燒制過程在5#窯完成,燒成曲線如圖1所示;

        10)開窯檢查、并分析效果。

        3 結(jié)果與討論

        根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品的吸漿時(shí)間及表觀質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示,極差結(jié)果分析如表8所示。

        表7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Experiment results

        注:當(dāng)成形性能分值為70分時(shí)制品沙性大,保水性較差,且脫模時(shí)粘泥;75分時(shí)保水性一般、塑性差、底部脫模時(shí)粘泥;80分時(shí)保水性一般,沙性大;85分時(shí)保水性和沙性適中;90分時(shí)保水性較好,沙性??;95分時(shí)保水性、沙性以及脫模情況均良好。

        表8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Tab.8 Result analyses

        注: 1)A:粉煤灰 B:黑砂粉 C:堿矸 D:紫木節(jié) E:Na2CO3;

        2)Ki這一行的數(shù)據(jù)分別是各因素的第i個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的注漿時(shí)間和成形性能之和;ki為i水平的平均值,極差R是同一列中k1、k2、k3、k4這4個(gè)數(shù)中最大者減去最小者,R值越大,說明該因素對(duì)性能指標(biāo)影響就越大。

        從實(shí)驗(yàn)表觀質(zhì)量結(jié)果可以得出,3#、9#坯體性能最好;從極差分析和各因素的重要性來看:

        吸漿時(shí)間:堿矸>紫木節(jié)>黑砂粉>粉煤灰;成形性能:黑砂粉>紫木節(jié)>粉煤灰>堿矸。

        對(duì)于Na2CO3而言,當(dāng)加入量為0.34%時(shí),效果是最好的。結(jié)合工廠大生產(chǎn)的加入量,故確定本實(shí)驗(yàn)中Na2CO3的加入量為0.35%。

        通過趨勢(shì)圖得出最佳配方組合點(diǎn)為(定義為17#):粉煤灰12%,黑砂粉8%, 堿矸13.3%,山西紫木節(jié)14%,堿面0.344%,水玻璃 0.1%。

        將3#、9#、13#和17#配方進(jìn)行復(fù)試,經(jīng)過對(duì)幾個(gè)配方樣品施釉燒結(jié)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品表面質(zhì)量及結(jié)合工廠經(jīng)驗(yàn),依然選定3#為基本成熟配方。3#配方的化學(xué)組成如表9所示。

        表9 化學(xué)組成(質(zhì)量%)Tab.9 The constitute of the green body (%)

        坯式為:

        4 結(jié)論

        綜上所述,筆者認(rèn)為利用粉煤灰、廢匣缽、廢瓷粉等材料可以制作出性能良好的陶瓷材料。

        1)實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)城陶瓷有限公司成功的注漿泥配方的基礎(chǔ)上,應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)法,經(jīng)調(diào)整配方組成,加入了粉煤灰等工業(yè)廢料,己研制出清潔生產(chǎn)日用陶瓷的配方,具體配方的化學(xué)成分(質(zhì)量%)如下:石英21,長(zhǎng)石8,廢匣缽10,廢瓷粉8,粉煤灰10,黑砂石12,燒滑石2,骨瓷粉2,紫木節(jié)14,堿矸13。

        2)配方中引入的其它配合原料大部分為低值的礦物原料,又由于粉煤灰本身的原因,故摻灰量的多少直接影響成瓷的白度。另外,加入微量的燒滑石雖使瓷胎略呈灰黃色,但顯得更自然柔和。

        3)由于粉煤灰、廢匣缽和廢瓷粉的價(jià)格低廉,應(yīng)用此技術(shù)則可以帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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