一种核壳结构铸造用陶粒砂及其制备方法与流程

本发明涉及固体废物资源化利用技术领域，具体涉及一种核壳结构铸造用陶粒砂及其制备方法。

背景技术：

粉煤灰作为一种电厂废弃物，主要是磨细的煤粉在高温下燃烧后产生的，每消耗4吨煤就会产生1吨粉煤灰废弃物。据统计目前我国每年火力发电产生的粉煤灰为1亿吨，并且还在持续的增长。目前在我国已有20亿吨的堆积量，占用了大量的土地并且还污染了土壤。现在粉煤灰主要被用于两个方面：一、作为掺填料应用于建筑行业、路基地面等方面；二、作为功能性材料用于水处理、纸张增韧等方面。

专利cn1o8285326a采用粉煤灰作为主要原料，以减水剂、羟丙基纤维素醚、减缩增强剂为添加剂，通过湿法造粒的方式得到粉煤灰陶粒生胚，再将陶粒生胚经过1100℃烧结得到质轻高强的粉煤灰陶粒。该粉煤灰陶粒可用于建筑用混凝土的掺杂颗粒、铺设陶粒防滑路面。

专利1o6986607a以粉煤灰、砂浆骨料、生石灰为原料，以赤泥、硅胶为粘结剂。经过混合均匀、模压成型、养护固化得到一种绿色环保的免烧粉煤灰砖。该种粉煤灰砖具有隔热性能好、强度高等特点，能作为建筑外墙的墙体材料。

专利cn1o6986607a将粉煤灰、高岭土、膨润土、水按一定的比例混合并研磨得到混合均匀、粒径为200～300目的悬浮液。并将悬浮液依次经过一定浓度的盐酸溶液、一定浓度的氢氧化钠溶液、去离子水处理并烘干，得到具有良好吸附能力的粉煤灰吸附剂。通过实践证明该吸附剂能够有效的降低废水的cod值。

对于粉煤灰的利用上述方式在很大程度上缓解了粉煤的大量堆积、污染环境的问题。利用粉煤灰或粉煤灰陶粒作为建筑材料与路基填充材料能使粉煤灰的利用量大大增加。利用粉煤灰为原料制备一种水处理剂，能够充分利用粉煤灰的多孔结构、比表面积大、金属的水合氧化物具有良好吸附性的特点，使粉煤灰制品的附加值提升。但上述两种方法仍然存在着一些缺陷，将粉煤灰作为建筑掺杂料、路基填充料使用时未能充分发挥出粉煤灰的物理化学性能，单纯作为一种颗粒增强剂使用。该产品的附加值低，对粉煤灰中的金属氧化物利用不够充分，在一定程度上造成资源的浪费。将粉煤灰作为净水剂的原料时，需对粉煤灰进行酸碱活化处理，在处理过程产生的废液会产生二次污染，并且粉煤灰的利用量不高。这些都成为急需解决的问题。

目前在铸造行业，每年消耗大约4500～5000万吨的原砂，其中硅砂占95％左右。硅砂以其储量丰富、价格低廉、适用于大多数铸造生产条件的优点，在铸造行业中占有着重要的地位。但随着铸件质量的要求越来越高，铸造生产环境保护越来越严格。硅砂的不足之处也越来越凸显出来。在精密铸钢件生产过程中，因其熔点较低，膨胀系数大会导致铸件出现夹砂，精度低等缺陷。锆砂因其耐火度高，热膨胀系数的特点，适用于精密铸钢件生产，但存在来源少，价格昂贵等特点，难以实现在铸造行业中大量使用。陶粒砂以其优异的低膨胀性，能够克服传统铸造硅砂由于膨胀量大导致的脉纹等膨胀类缺陷的问题，并且陶粒砂的价格相对于锆砂较低。

目前陶粒砂的制备方法主要有两种：一种是通过将原料高温熔融，经喷雾造粒，冷却，筛分得到各种粒径的陶粒砂；另一种是搓球造粒法，通过将原料磨细，共混，造粒，烧结，筛分得到陶粒砂。但存在如下不足之处：需要将所有物料磨至800目细粉，能耗过大，而且在物料的碾磨过程中产生大量粉尘，工作环境恶劣。若直接使用粗粉，将导致搓球法制备的陶粒砂表面粗糙，不适合铸造工艺使用，铸型和铸芯的强度低，消耗树脂量大。如果使用高温烧结，导致耗能高而且表面状态很难达到满意。有些陶粒砂产品则铝含量低，难以在高温铸造条件下使用。因此，如何降低细粉料的用量，降低能耗同时保证陶粒砂的耐火度与表面光洁度成为有待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种核壳结构铸造用陶粒砂及其制备方法，采用铝矾土与粉煤灰作为原料制备陶粒砂，能有效利用粉煤灰这种固体废弃物，同时既可以减少陶粒砂制备过程中细粉用量，又能够适用于各种铸造条件。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种核壳结构铸造用陶粒砂，由如下组分及其质量份数制备而成：铝钒土熟料50～70份、粉煤灰30～50份、高岭土3～5份、二氧化锰0.2～2份，以水和水玻璃溶液为粘结剂。

一种核壳结构铸造用陶粒砂的制备方法，包括如下步骤：

1)将粉煤灰、高岭土、二氧化锰、水加入到球磨机中研磨4h，烘干、分散，过1000目筛网后，得到粉煤灰混合料；

2)将铝钒土熟料加入糖衣造粒机中，并向其中持续喷入水，喷完水后，造粒机继续转动1h，得到成球核心颗粒；然后再喷入雾化水玻璃溶液，使成球核心颗粒表面被水玻璃溶液均匀润湿；

3)以扑粉的形式加入粉煤灰混合料，并喷入雾化水玻璃溶液，喷完后造粒机继续转动1h，得到陶粒砂生胚；

4)将陶粒砂生胚在70～100℃温度下放置使水玻璃固化，然后使用振动筛筛选出粒径为30～100目的陶粒砂生胚；

5)将筛选出的陶粒砂生胚放入回转窑中烧结，在1350℃下烧结2～3h，自然冷却，得到具有核壳结构的陶粒砂。

根据以上方案，所述粉煤灰中的氧化铝与二氧化硅的质量含量之和大于70％。

根据以上方案，所述步骤2)中所述铝钒土熟料为过325目筛网的粉末料，且氧化铝质量含量大于66％，二氧化硅质量含量大于25％；喷入水的质量为所述铝钒土熟料质量的10％；喷入的雾化水玻璃溶液质量为所述成球核心颗粒质量的3％，所述水玻璃溶液的模数为2.8，波美度为25be。

根据以上方案，所述步骤3)中喷入的雾化水玻璃溶液质量为所述粉煤灰混合料质量的25％，所述水玻璃溶液的模数为2.8，波美度为25be。

本发明成球核心颗粒的形成原理为：在糖衣造粒机中，以水作为粘结剂，通过水与颗粒之间的毛细管力，颗粒与颗粒之间的机械结合力，水进入铝钒土中，再在铝矾土自身的粘结力作用下团聚成表面粗糙的球形颗粒，即得到内核颗粒，即成球核心颗粒。

本发明陶粒砂生胚的形成原理为：在糖衣造粒机中，以水玻璃为粘结剂。通过内核颗粒湿润后对细粉的吸附作用力，水玻璃粘结剂的粘结力，粉煤灰混合料细粉与内核颗粒中粗颗粒的毛细管力，将粉煤灰混合料细粉紧紧包裹在内核颗粒的外围，形成外壳。

本发明在升温到1350℃并保温的过程中，铝矾土中硅氧四面体与铝氧八面体的结构出现坍塌，并且发生晶相的转变。其主要转变是硅氧四面体与铝氧八面体反应生成柱状的莫来石晶体。生产莫来石的反应如下式：

al2o3+sio2→a3s2

而且，在温度升高至1350℃并保温的过程中，游离的二氧化硅与氧化铝结合反应，并在已经生成的柱状莫来石上以无序生长的形式形成晶须状结构。

本发明的外壳结构中，由于采用的粉煤灰中氧化铝与二氧化硅的含量之和大于70％。本发明中具体比例为二氧化硅含量49.2％，氧化铝含量34.7％。粉煤灰中二氧化硅与氧化铝主要以无定型的铝硅酸盐玻璃态的形式存在，熔点较低。在升温的过程中，无定型的玻璃态会逐渐的熔融。熔融的玻璃态在高温下的扩散速率加快，一部分在外壳的表面铺展开来，改善表面粗糙度，填补颗粒与颗粒之间出现的缝隙。一部分进入到内核当中，填补内核中粗颗粒之间的空隙，同时也为内核在高温线反应生成莫来石相提供一部分游离的二氧化硅。

本发明的有益效果是：

1)本发明以固体废弃物粉煤灰为原料制备铸造用陶粒砂，充分利用粉煤灰的物理化学特性，能更多地利用粉煤灰，且产品附加值高；

2)本发明制备方法中在原料的选择上能够进行粗细粉料的搭配，以较粗的铝矾土为原料造出表面较为粗糙的成球核心颗粒，粉料可以从市面上买到，无需进行碾磨加工，能减少磨粉所造成的能量消耗，减少粉尘污染，改善工人工作环境；

3)本发明的核壳结构中的内核在高温下生成耐火度高的莫来石结构，外壳为熔点相对较低的硅铝酸盐玻璃态结构，两者相互结合，既可以改善陶粒砂表面光洁度，又保证了陶粒砂用于高熔点金属铸造时的耐火度：本发明产品的表面光洁度能达到与传统铸造用砂相近的程度，适用于各种砂型制备工艺，同时还具备传统硅砂不具备的低膨胀性；本发明产品的耐火度能达到传统硅砂达不到的高耐火度。

附图说明

图1是本发明实施例1产品的显微镜图；

图2是本发明实施例1产品外面包有树脂时的显微镜图；

图3是本发明实施例1产品经1600℃高温焙烧后的显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

实施例1，见图1至图3：

本发明提供一种核壳结构铸造用陶粒砂及其制备方法，包括如下步骤：

1)将粉煤灰、高岭土、二氧化锰、水按质量比10:1:0.1:5加入到球磨机中研磨4h，烘干、分散，过1000目筛网后，得到粉煤灰混合料1000g；

2)将从市场上购买的过325目筛网的铝矾土熟料2000g加入糖衣造粒机中，并向其中持续喷入水200g，喷完水后，造粒机继续转动1h，得到成球核心颗粒；然后再喷入雾化的模数为2.8，波美度为25be水玻璃溶液600g，使成球核心颗粒表面被水玻璃溶液均匀润湿，所述水玻璃溶液的模数为2.8，波美度为25be；

3)以扑粉的形式加入粉煤灰混合料，并喷入雾化的模数为2.8，波美度为25be水玻璃溶液250g，喷完后造粒机继续转动1h，得到陶粒砂生胚；

4)将陶粒砂生胚在80℃温度下放置2h使水玻璃固化，然后使用振动筛筛分出30-50目、50-70目的陶粒砂生胚；

5)将筛选出的不同目数的陶粒砂生胚放入回转窑中烧结，在1350℃下烧结2.5h，自然冷却，得到具有核壳结构的陶粒砂。

本实施例中所用主要原料的主要化学组分如表1所示：

表1原料的化学组分

将制备的产品进行显微镜表征，结果见图1。从图中可以看出，制备的陶粒砂表面光滑，未出现传统烧结陶粒表面粗糙现象，没有毛刺，凹坑，凸起等缺陷。

将制备的产品用冷芯盒法造芯，得到测试用的8字块砂型，其抗拉强度为1.76mb。将含有树脂的陶粒砂置于显微镜下观察，结果如图2所示。从图中可以看出，用冷芯盒法造芯得到的人造砂表面有一层良好的树脂膜包覆在其表面。

取50g制备的陶粒砂置于设定温度为1600℃的高温炉中保温30min，以测试其耐火度，测得其颗粒之间出现的少量的粘结，如图3中a点所示，但未出现熔化变形现象。这表明在1600℃高温下，本发明的产品陶粒砂的内核莫来石结构起到了耐高温的作用，能维持砂自身的形态，对砂的热载荷起到增强作用。

实施例2：

本发明提供一种核壳结构铸造用陶粒砂及其制备方法，包括如下步骤：

1)将粉煤灰、高岭土、二氧化锰、水按质量比10:1:0.1:5加入到球磨机中研磨4h，烘干、分散，过1000目筛网后，得到粉煤灰混合料2000g；

2)将从市场上购买的过325目筛网的铝矾土熟料4000g加入糖衣造粒机中，并向其中持续喷入水400g，喷完水后，造粒机继续转动1h，得到成球核心颗粒；然后再喷入雾化的模数为2.8，波美度为25be水玻璃溶液1200g，使成球核心颗粒表面被水玻璃溶液均匀润湿，所述水玻璃溶液的模数为2.8，波美度为25be；

3)以扑粉的形式加入粉煤灰混合料，并喷入雾化的模数为2.8，波美度为25be水玻璃溶液500g，喷完后造粒机继续转动1h，得到陶粒砂生胚；

4)将陶粒砂生胚在100℃温度下放置2h使水玻璃固化，然后使用振动筛筛分出30-60目、60-90目的陶粒砂生胚；

5)将筛选出的陶粒砂生胚放入回转窑中烧结，在1350℃下烧结2h，自然冷却，得到具有核壳结构的陶粒砂。

实施例3：

本发明提供一种核壳结构铸造用陶粒砂及其制备方法，包括如下步骤：

1)将粉煤灰、高岭土、二氧化锰、水按质量比10:1:0.1:5加入到球磨机中研磨4h，烘干、分散，过1000目筛网后，得到粉煤灰混合料1500g；

2)将从市场上购买的过325目筛网的铝矾土熟料3000g加入糖衣造粒机中，并向其中持续喷入水300g，喷完水后，造粒机继续转动1h，得到成球核心颗粒；然后再喷入雾化的模数为2.8，波美度为25be水玻璃溶液900g，使成球核心颗粒表面被水玻璃溶液均匀润湿，所述水玻璃溶液的模数为2.8，波美度为25be；

3)以扑粉的形式加入粉煤灰混合料，并喷入雾化的模数为2.8，波美度为25be水玻璃溶液375g，喷完后造粒机继续转动1h，得到陶粒砂生胚；

4)将陶粒砂生胚在70℃温度下放置2h使水玻璃固化，然后使用振动筛筛分出30-60目、60-100目的陶粒砂生胚；

5)将筛选出的陶粒砂生胚放入回转窑中烧结，在1350℃下烧结3h，自然冷却，得到具有核壳结构的陶粒砂。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。