一種電解錳渣閉合型多孔材料及原位發(fā)泡制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電解錳渣閉合型多孔材料及原位發(fā)泡制備方法，該種閉合型多孔材料以電解錳渣、穩(wěn)泡劑以及SiO2、B2O3等添加劑為原料，采用熔融發(fā)泡方法制備出閉合型多孔材料。本發(fā)明利用錳渣中的硫酸鹽與硫化物反應(yīng)產(chǎn)生SO2作為發(fā)泡過程所需氣體，利用熔融發(fā)泡工藝制備出閉合型多孔材料。所得閉合型多孔材料具有保溫(導(dǎo)熱率≤0.20W/(m·K))、質(zhì)輕(體積密度≤0.95g/㎝3)、耐酸堿腐蝕(耐酸性k≤0.08％，耐堿性k≤0.04％)、具有良好的切削加工性能等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于化工、冶金、建筑裝飾、石油、礦山、機(jī)械等領(lǐng)域的管道、儲(chǔ)罐、換熱系統(tǒng)的隔熱保溫，及特殊條件下工作的復(fù)合隔熱系統(tǒng)及隔音吸聲系統(tǒng)。
【專利說明】一種電解錳渣閉合型多孔材料及原位發(fā)泡制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明所屬的【技術(shù)領(lǐng)域】是多孔材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及一種閉合型多孔材料，尤指一種利用電解錳生產(chǎn)過程中所排放的廢渣制備閉合型多孔材料及制備方法，目的在于提供一種保溫、輕質(zhì)、耐酸堿腐蝕和具有良好切削加工性能的閉合型多孔材料。
【背景技術(shù)】
[0002]錳作為冶金、航天、化工等工業(yè)部門的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有不可替代的地位，我國(guó)電解錳產(chǎn)量占世界電解錳產(chǎn)量的95%以上，位居世界第一。然而，每生產(chǎn)It電解錳平均排放6-10t錳渣，并且隨著錳礦石品位的降低，錳渣產(chǎn)量進(jìn)一步增大。我國(guó)目前存量電解錳渣已達(dá)5000萬t以上，同時(shí)每年新增1000多萬t錳渣，但其綜合利用率僅為
1.5%。
[0003]大量的電解錳渣不僅占用大量的土地資源，而且在長(zhǎng)期堆放過程中，有害物質(zhì)通過地表滲透等方式造成環(huán)境污染。尋找資源化利用電解錳渣、開發(fā)新型高附加值產(chǎn)品，勢(shì)在必行。利用電解錳渣生產(chǎn)閉合型多孔材料是一種資源化利用廢渣及產(chǎn)品高值化的新途徑。
[0004]閉合型多孔材料是以非金屬礦等為主要原料，加入發(fā)泡劑、成核劑和外加劑等，經(jīng)粉碎后混合均勻形成配合料，然后將配合料放到特制的模具中放入電爐中加熱，經(jīng)過預(yù)熱、熔融、發(fā)泡、退火等工藝而制得。閉孔泡沫陶瓷由玻璃相、晶體和閉合氣孔三部分組成，大量的閉合氣孔均勻分布在陶瓷固相基體中，其本身的閉合孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和陶瓷材料特性，注定了其本身具有優(yōu)越的隔熱、防潮、防火、質(zhì)輕等性能，可廣泛應(yīng)用于冷熱管道、建筑等保溫領(lǐng)域。
[0005]專利CN102584316公開了一種利用電解錳渣制備顯性氣孔(連通孔)的方法，該方法利用錳渣作為主要原料，添加不同的發(fā)泡劑，通過壓制成型、固相燒結(jié)后得到一種連通孔型多孔陶瓷材料。
[0006]目前尚無利用錳渣制備閉合型多孔材料報(bào)道，亦無利用錳渣內(nèi)含硫物相作為發(fā)泡劑的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電解錳渣閉合型多孔材料及原位發(fā)泡制備方法，所得閉合型多孔材料具有保溫(導(dǎo)熱率≤0.20ff/(m.K))、質(zhì)輕(體積密度≤0.95g/ cm 3)、耐酸堿腐蝕(耐酸性k ≤0.08%，耐堿性k≤0.04% )、具有良好的切削加工性能等優(yōu)點(diǎn)，制備工藝簡(jiǎn)單，并得到了大量有益于隔熱的閉合氣孔。
[0008]本發(fā)明中所述的電解錳渣物相主要包括SiO2XaSO4以及少量的FeS2等，如圖1所示，其中硫主要以CaSO4和FeS2兩種形態(tài)存在，兩者在780_800°C反應(yīng)生成SO2 ;圖1中橫坐標(biāo)為X射線入射角度的兩倍；縱坐標(biāo)為衍射后的強(qiáng)度。
[0009]在制備錳渣閉 合型多孔材料過程中，可通過如下方案實(shí)現(xiàn)上述目的，如圖2所示。
[0010]將錳渣、添加劑和穩(wěn)泡劑按比例混合均勻，然后將配合料裝入模具，并和模具一起送入窯爐中燒成，得到閉合型多孔材料，具體步驟如下:
[0011]⑴配料
[0012]按照電解錳渣閉合型多孔材料的原材料配比精確稱量錳渣、添加劑和穩(wěn)泡劑，完成配料。本發(fā)明的方法中，配合料中錳渣、添加劑和穩(wěn)泡劑所占重量分別為25-65:10-40:2-10。添加劑為 Si02、Na2CO3' K2CO3> CaF2' B2O3' MgO，它們之間重量比是 15-30:5_15:2_6:2-10:2-10:0-5 ;穩(wěn)泡劑為磷酸鈉、磷酸、磷酸二氫鈉、磷酸鎂中的一種或一種以上或全部，它們之間的重量比是0-5:0-2:0-3:0-4 ；
[0013]⑵混料
[0014]將所得配料粉碎后投入混料機(jī)或球磨機(jī)中混合2_5h，其粒度控制在100-200目之間，形成均勻的配合料。
[0015]⑶燒成
[0016]將配合料裝入組合式模具中，并一起送入窯爐，完成燒成過程，燒成過程主要分為發(fā)泡、穩(wěn)泡和退火三個(gè)階段。
[0017]a.發(fā)泡:以8_20°C/min的升溫速度，升溫至700_850°C，保溫l_4h ;相同升溫速度升溫至 900-1000°C，保溫 20-40min ；
[0018]b.穩(wěn)泡:以2-8°C /min的降溫速率，降溫至700_850°C ；
[0019]c.退火:以2-10°C/min的降溫速率，降溫至室溫，拆除模具得到閉合型多孔材料。
[0020]⑷加工
[0021]對(duì)所得閉合型多孔材料進(jìn)行定厚、切割，制得不同尺寸的多孔材料。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0023](1)錳渣資源化綜合利用
[0024]本發(fā)明以電解錳渣為主要原料生產(chǎn)高附加值的閉合型多孔材料，電解錳渣在多孔材料的配合料中的摻量可在25.0-65.0wt.%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不僅可以降低閉合型多孔材料的生產(chǎn)成本，還可以減輕工業(yè)固體廢棄物對(duì)環(huán)境的污染。
[0025](2)低熔點(diǎn) CaO-Al2O3-MgO-SiO2-B2O3 體系設(shè)計(jì)
[0026]錳渣的熔融溫度為1230_1250°C，本發(fā)明通過調(diào)配各物料成分，最終將配合料的熔融溫度降低至830-850°C，降低了生產(chǎn)過程中的能耗，并且在此溫度下形成的熔融體可以較好得固定硫酸鈣分解生成的氣泡，最終制得閉合型多孔材料。
[0027](3)錳渣閉合型多孔材料的原位發(fā)泡
[0028]本發(fā)明利用了錳渣中硫酸鈣與二硫化亞鐵熱反應(yīng)產(chǎn)生SO2，作為原位反應(yīng)發(fā)泡劑，無需摻加發(fā)泡劑。硫酸鈣完全分解溫度為1350-1400°C，但由于錳渣內(nèi)FeS2等還原型成分參與反應(yīng)，兩者在780°C左右時(shí)即開始反應(yīng)并生成SO2氣體。當(dāng)配合料處于熔融狀態(tài)時(shí)，生成的氣體在熔體內(nèi)部形成氣泡，滿足了熔融發(fā)泡工藝要求。通過對(duì)焙燒工藝參數(shù)特別是溫度參數(shù)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)氣體的生成量和孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控，從而獲得不同保溫性能及力學(xué)性能的閉合型多孔材料。
[0029](4)錳渣閉合型多孔材料優(yōu)異的物理力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性
[0030]該閉合型多孔材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)以閉合型氣泡為主(閉孔率> 95% )，平均泡徑可在
0.5-10mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，體積密度≤0.95g/cm3,隔熱保溫性能優(yōu)良(導(dǎo)熱系數(shù)≤0.20W/m.K)，抗壓強(qiáng)度≤3.0MPa,耐酸堿腐蝕(耐酸性k≤0.08%，耐堿性k≤0.04% )。[0031](5)本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于化工、冶金、建筑裝飾、石油、礦山、機(jī)械等領(lǐng)域的管道、儲(chǔ)罐、換熱系統(tǒng)的隔熱保溫，及特殊條件下工作的復(fù)合隔熱系統(tǒng)及隔音吸聲系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為電解錳渣物相分析示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明的錳渣閉合型多孔材料的制備工藝圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，不僅僅限于本實(shí)施例。而且本發(fā)明通過下面實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員是能夠完全實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求記載的所有內(nèi)容的。 [0035]實(shí)施例1
[0036]一種電解錳渣閉合型多孔材料及原位發(fā)泡制備方法，具體如下:
[0037]按照成分配比精確稱量45.0千克電解錳渣，30.2千克石英砂，10千克碳酸鈉，6千克碳酸鉀，8.5千克氟化鈣，8.5千克三氧化二硼，2千克氧化鎂，將所得配料進(jìn)行球磨，所得配合料粒度控制在100-200目之間。
[0038]將配合料放入模具中，并一起送入窯爐，以10°C /min的升溫速度升溫至800°C，保溫4h ；以相同升溫速度升溫至950°C，保溫40min ；以2V /min的降溫速率，降溫至850°C ；以5°C /min的降溫速率，降溫至常溫，形成閉合型多孔材料。
[0039]該錳渣閉合型多孔材料的密度為為0.72g/cm3,平均泡徑1.5mm,導(dǎo)熱系數(shù)0.15W/m.K，抗壓強(qiáng)度4.2MPa，耐酸性k = 0.05%,耐堿性k = 0.03%。
[0040]實(shí)施例2
[0041]一種電解錳渣閉合型多孔材料及原位發(fā)泡制備方法，具體如下:
[0042]按照成分配比精確稱量32.0千克電解錳渣，45.0石英砂，8千克碳酸鈉，5千克碳酸鉀，5.5千克氟化鈣，7.5千克三氧化二硼，將所得配料進(jìn)行球磨，所的配合料粒度控制在100-200目之間。
[0043]將配合料放入模具中，并一起送入窯爐，以5°C /min的升溫速度升溫至800°C，保溫Ih ;以相同升溫速度升溫至950°C，保溫60min ;以5°C /min的降溫速率，降溫至850°C ；以5°C /min的降溫速率，降溫至常溫，形成閉合型多孔材料。
[0044]該錳渣閉合型多孔材料的密度為為0.95g/cm3，平均泡徑0.95_，導(dǎo)熱系數(shù)0.18W/m.K，抗壓強(qiáng)度12.5MPa，耐酸性k = 0.06%,耐堿性k = 0.04% ?
[0045]實(shí)施例3
[0046]—種電解錳渣閉合型多孔材料及原位發(fā)泡制備方法，具體如下:
[0047]按照成分配比精確稱量56.0千克電解錳渣，40.2石英砂，10千克碳酸鈉，6千克碳酸鉀，9.5千克氟化鈣，9.5千克三氧化二硼，I千克氧化鎂，將所得配料進(jìn)行球磨，所得配合料粒度控制在100-200目之間。
[0048]將配合料放入模具中，并一起送入窯爐，以10°C /min的升溫速度升溫至800°C，保溫4h ；以相同升溫速度升溫至950°C，保溫40min ；以2V /min的降溫速率，降溫至850°C ；以5°C /min的降溫速率，降溫至常溫，形成閉合型多孔材料。[0049]該錳渣閉合型多孔材料的密度為0.65g/cm3，平均泡徑2.5mm,導(dǎo)熱系數(shù)0.20W/m.K，抗壓強(qiáng)度3.1MPa,耐酸性k = 0.05%,耐堿性k = 0.03%。
[0050]需要說明的是，按照本發(fā)明上述各實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員是完全可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明獨(dú)立權(quán)利要求及從屬權(quán)利的全部范圍的，實(shí)現(xiàn)過程及方法同上述各實(shí)施例；且本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
[0051]以上所述，僅為本發(fā)明部分【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電解錳渣閉合型多孔材料，其特征在于:所述的閉合型多孔材料由電解錳渣、添加劑和穩(wěn)泡劑組成，其中電解錳渣占總重量的25.0-65.0 %，添加劑占總重量的30-40%，穩(wěn)泡劑占總重量的2.0-6.0% ； 所述的添加劑成分為Si02、Na2O, K2O, CaF2, B2O3> MgO,他們之間的重量比為40-50:5-10:5-10:8-12:8-12:0-5,其可由含有相應(yīng)化學(xué)成分的礦物包括石英砂、螢石，尾礦包括煤矸石、鐵礦尾砂，廢渣包括硅渣、赤泥提供； 所述的穩(wěn)泡劑為磷酸鈉、磷酸、磷酸二氫鈉、磷酸鎂中的一種或一種以上或全部，它們之間的重量比是1-2:4-6:0-2:0-3:0-4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解錳渣閉合型多孔材料，其特征在于:所述的電解錳渣的化學(xué)成分是 14.0-16.0 % CaO,27.0-29.0 % S03、37.0-39.0 % SiO2U0.0-12.0 % Al2O3'3.4-3.6% Fe203>2.4-2.6% K2O,0.5-0.7% Na2O,其它余量。
3.一種電解錳渣閉合型多孔材料的原位發(fā)泡制備方法，其特征在于，首先按比例與穩(wěn)泡劑混合均勻，破碎后混合均勻，然后將配合料裝入模具中，并一起送入窯爐中燒成，得到閉合型多孔材料，具體步驟如下: (1)配料 按照權(quán)利要求1所述的電解錳渣閉合型多孔材料的原材料配比精確稱量電解錳渣、添加劑和穩(wěn)泡劑，完成配料；
(2)混料 將所得配料粉碎后投入混料機(jī)或球磨機(jī)中混合2-5h，其粒度控制在100-200目之間，形成均勻的配合料； (3)燒成 將配合料裝入組合式模具中，并一起送入窯爐，完成燒成過程，燒成過程主要分為發(fā)泡、穩(wěn)泡和退火三個(gè)階段； a.發(fā)泡:以8-20°C/min的升溫速度，升溫至700_850°C，保溫l_4h ;相同升溫速度升溫至 900-1000°C，保溫 20-40min ； b.穩(wěn)泡:以2-8°C /min的降溫速率，降溫至700-850 °C ； c.退火:以2-10°C/min的降溫速率，降溫至20_30°C，拆除模具得到閉合型多孔材料； (4)加工:對(duì)所得閉合型多孔材料進(jìn)行定厚、切割，制得不同尺寸的多孔材料。
【文檔編號(hào)】C04B38/00GK104003749SQ201410206781
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】曹建尉, 杜建亮, 王志 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所