一种利用工业固体废弃物制备梯级密度微晶发泡陶瓷的方法

本发明涉及发泡陶瓷制备，具体涉及一种利用工业固体废弃物制备梯级密度微晶发泡陶瓷的方法。

背景技术：

1、节能墙体材料是支撑绿色建筑的基础建筑材料。目前，我国外墙保温材料主要是聚苯板等有机保温材料(占80％)，存在防火性能差、易老化、耐久性差，使用寿命短等问题。内隔墙材料主要为蒸养加气砼石切块、烧结多孔砖(占90％)，存在保温性能差、吸水率高、干燥收缩值大，易发生墙体渗水、开裂等问题。因此，开发既防火耐老化，又保温防水的新型自保温墙体材料，逐步用自保温墙体材料代替外墙保温材料，是当今建筑材料发展的重要方向。

2、微晶发泡陶瓷是一种由大量封闭气孔和陶瓷基孔壁构成的多孔材料，具有轻质高强、保温防火、防水抗冻，耐老化，生态环保等特点。目前，发泡陶瓷已作为外墙保温板和自保温隔墙板应用于建筑领域。同时，大量工业固废被用于制备发泡陶瓷，以降低其制备成本。例如，中国发明申请cn202110924748.0公开了一种利用黄金尾砂和煤矸石制备的发泡陶瓷及制备方法，虽然在制备过程中大量使用了工业固废，但仍需添加长石、滑石等助熔组分，以及碳化硅微粉、方解石等发泡剂，其原材料成本仍然较高。

3、另一方面，高密度发泡陶瓷(400～600kg/m3)因具有优异的强度，已被用作轻质墙板，但因其导热系数较高，单独使用时，不满足建筑外墙体隔热性要求，需与低密度发泡陶瓷或其它高效保温材料复合使用。例如，中国发明申请cn202010556801.1公开了一种发泡陶瓷复合板及其制备方法和建筑用墙板，通过在两块发泡陶瓷板中间夹设一层保温板或建筑垃圾碎料浇筑板，制备出具备良好的保温、阻燃、防水性能的复合墙板。这一制备方法虽然使墙体获得了较高的强度和良好的保温性能，但施工过程复杂，不利于其规模化应用。若能一次性制备出具有梯级密度的发泡陶瓷，并用其作为建筑外墙板，则能使墙体兼具良好的力学性能和保温性能。这不仅有助于推动发泡陶瓷在建筑领域高效应用，也有助于建筑墙体性能的提升。

4、微晶发泡陶瓷主要采用粉末高温发泡法制备而成，利用高温下粉末坯体熔融形成的高粘度熔体包裹发泡剂分解产生的气体，使坯体膨胀形成多孔泡沫结构，冷却固化后获得微晶发泡陶瓷。因此，改变发泡剂的掺量，即可任意调控发泡陶瓷的气孔率和体积密度。中国发明专利cn201810339207.x公开了一种一次烧成多密度复合发泡陶瓷装饰板材及其制备方法,该方法即是将不同发泡剂掺量的坯料依次分层布料，压实成整体后，再经高温烧成获得多密度复合的发泡陶瓷。这一方法虽然可以制备出多密度的复合发泡陶瓷，但因需要分别制备出多种粉料，再分层布料，工序繁琐，不利于大规模推广应用。若能采用同一坯料一次烧成梯级密度的复合发泡陶瓷，将极大简化制备流程。

5、发泡陶瓷在高温阶段形成的液相量和液相粘度是影响气孔生长的主要因素。随着烧成温度的升高，液相形成量增大，液相粘度降低，气孔生长阻力减小，在相同的发泡保温时间内，将形成更高气孔率、更低密度的发泡陶瓷。因此，若能调控发泡阶段炉腔的上下温度，使坯体上下表面形成一定的温度差，将促使坯体发泡形成密度渐变的发泡陶瓷板材。

6、鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决发泡陶瓷作为墙体材料使用时，高密度发泡陶瓷保温性能不足、低密度发泡陶瓷力学性能不足，且现有多密度复合发泡陶瓷制备工艺复杂的问题，提供了一种使用工业固体废弃物制备梯级密度微晶发泡陶瓷的方法。

2、为了实现上述目的，本发明公开了一种使用工业固体废弃物制备梯级密度微晶发泡陶瓷的方法，包括以下步骤：

3、s1，原料预处理：将铝硅质工业固废、电解锰渣、石墨尾矿、耐火砖废料干燥至含水率低于1％，并分别粉磨制成粉料，备用；

4、s2，混合制粉：取铝硅质工业固废，以铝硅质工业固废的质量为基础，依次称取3～15％的耐火砖废料粉、2～10％的复合造孔剂、0.1～0.5％的三乙醇胺，将所有原料加入陶瓷球磨机中干法混合4～10h，得到混合粉料；

5、s3，装模成型：将步骤s2得到的粉料装入由耐火板组装成的方形耐火模具内，装填厚度5～10cm，轻震至粉料密实，刮平粉料表面；

6、s4，控温发泡：将步骤s3得到的装有粉料的耐火模具置于可上下独立加热，并独立控温的窑炉内，以2～8℃/min升温至1100～1250℃，并控制炉腔上部温度高于底部温度10～80℃，保温20～60min发泡烧成；

7、s5，冷却切割：将步骤s4中烧成得到的材料以-10℃/min降温至800～920℃，保温30min，用以消除冷却应力，再随炉冷却至室温，切割后制成形状规整的产品。

8、所述步骤s1中，铝硅质工业固废包括花岗岩锯泥和锂尾矿中的至少一种，其化学组成满足：sio2+al2o3:75～95wt％、na2o+k2o:5～12wt％、cao+mgo:1～6wt％、fe2o3:0～5wt％。

9、所述步骤s1中，电解锰渣是电解法炼锰过程中排放的固体废弃物，其化学组成满足：sio2:20～40wt％、al2o3:1～10wt％、cao:10～20wt％、mno+fe2o3:10～20wt％、so3:15～30wt％，矿物组成中包含20wt％～40wt％的caso4·nh2o，其中n＝0、0.5、2。

10、所述步骤s1中，石墨尾矿是石墨采选加工过程中产生的固体废弃物，其化学组成满足：sio2：45～65％、al2o3:5～20％、cao+mgo:5～20％、na2o+k2o:3～8％、烧失量:10～20％。

11、所述步骤s1中，石墨尾矿是石墨采选加工过程中产生的固体废弃物，其化学组成满足：sio2：45～65wt％、al2o3:5～20wt％、cao+mgo:5～20wt％、na2o+k2o:3～8wt％、烧失量:10～20％。

12、所述步骤s1中，耐火砖废料包括堇青石质耐火砖废料、尖晶石质耐火砖废料、刚玉质耐火砖废料中的至少一种。

13、所述步骤s1中，粉磨后的原料需全部通过200目标准筛；其中，电解锰渣和石墨尾矿需粉磨至全部通过500目标准筛，耐火砖废料需粉磨至全部通过1000目标准筛。

14、所述步骤s2中，复合造孔剂由电解锰渣、石墨尾矿、碳化硅微粉构成，其质量比为3:5:0.2。

15、所述碳化硅微粉的中值粒径为8～13μm。

16、所述步骤s4中，耐火模具需架空放置在窑炉内，使模具距离炉膛顶面和底面热源的距离相同，加热方式为电加热或火焰加热。

17、本发明提出以工业固体废弃物制备梯级密度微晶发泡陶瓷的方法，不仅利用了花岗岩锯泥和锂尾矿这类低熔点铝硅质工业固废，还采用了可高温分解产气的电解锰渣、石墨尾矿作为造孔剂。当上述原料按一定比例混合后，在高温下部分熔融产生的高温液相可包裹造孔剂分解产生的气体，形成泡沫结构。同时，以本发明优选的原料配比制成的坯料，在1100～1250℃范围内产生的液相量会随温度升高逐渐增加，导致坯体粘度降低，因气孔生长阻力减小，将形成更高气孔率、更低密度的发泡陶瓷。基于这一原理，采用上下控温发泡工艺，使坯体上下表面形成一定的温度差，即制备出密度渐变的微晶发泡陶瓷。

18、在实施该技术时，不仅要考虑原材料组成特性及配合比，以获得高温液相形成量随温度逐渐增加的坯料，同时还需要考虑控温发泡的烧成温度，以避免烧成温度过高，导致气孔快速长大，引发气孔上浮破裂。其中，优选的稳泡剂对避免气泡异常长大具有重要作用。

19、与现有技术比较本发明的有益效果在于：

20、1、本发明获得的梯级密度微晶发泡陶瓷兼具高强度和低导热特性，以其构筑建筑外墙时，只需将两块体积密度发泡陶瓷镜像叠合放置，板间无需再复合低密度保温芯材，工艺简单；

21、2、本发明采用低熔点的锂尾矿和花岗岩锯泥作为主要原料，可高温分解产气的电解锰渣、石墨尾矿复合sic微粉作为复合造孔剂，耐火砖废料微粉作为稳泡剂，实现了全固废制备发泡陶瓷，不仅降低了发泡陶瓷的原材料成本，也促进了固废的资源化利用；

22、3、本发明采用一种配方，通过一次铺堆成型、一次性煅烧，即获得具有梯级密度的复合发泡陶瓷，无需制备多种配方粉料，工艺简单，有助于大规模推广使用。