本發(fā)明涉及陶瓷材料領(lǐng)域，特別是涉及一種利用煤矸石制備低密度高強度陶粒材料的技術(shù)。

背景技術(shù)：

煤矸石是我國排放量最大的工業(yè)廢渣，目前積存煤矸石達10億噸以上。其堆放不僅占用土地、污染大氣、農(nóng)田和水體，還存在發(fā)生火災(zāi)，雨季崩塌，淤塞河流造成災(zāi)害的隱患。如何綜合利用煤矸石也是目前迫在眉睫需要解決的問題。

陶粒一般以粘土、巖土等礦產(chǎn)資源，粉煤灰、污泥、底泥、垃圾等廢渣以及廢液為主要原料經(jīng)過加工、制粒、燒制而成。陶粒具有密度小、質(zhì)輕、綜合強度高、保溫隔熱、耐火抗震性能好、耐腐蝕等其它材料無法比擬的優(yōu)異性能，在全世界得到快速發(fā)展。陶粒最初主要作為一種人造輕集料在建筑行業(yè)被廣泛使用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對陶粒認識的深入，陶粒已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，并且應(yīng)用領(lǐng)域還在繼續(xù)擴大。

目前低密度高性能陶粒材料的研究開發(fā)主要還是建立在礦物原材料的基礎(chǔ)上，而以煤矸石為主要原料制備輕質(zhì)高性能陶粒材料的研究和技術(shù)開發(fā)較少，主要集中在建筑用輕集料方面：cn201410376390.2公開了一種以煤矸石和廢棄植物粉料為原料制造陶粒的方法；cn201310508355.7公開了一種以煤矸石和千枚巖為原料制備陶粒的方法；cn201310196979.x公開了一種用于人造輕集料的陶粒，以煤矸石、煤泥、石英砂和長石混合焙燒制得。以煤矸石為主要原料制備陶粒用于油氣開采方面已有一些公開技術(shù)，但普遍強度較低：cn201610253752.8公開了一種以煤矸石作和砂土為原料，所制備的陶粒支撐劑主要用來代替天然石英砂于35mpa閉合壓力下壓裂作業(yè)使用；cn201010136972.5公開了一種以鋁礬土和煤矸石為內(nèi)核，四氧化三錳為外殼的陶粒支撐劑，其體積密度為1.55g/cm³，52mpa下破碎率為5.5％。文獻(陳平，劉凱，劉毅，等.低密高強壓裂支撐劑的研究[j].陜西科技大學(xué)學(xué)報,2014,32(1)：63-67.)以煤矸石礦渣和粉煤灰礦渣為主料，tio2、zno和白云石為添加劑，在1340℃左右制備了低密度高強度陶粒支撐劑。cn201210201367.0以煤矸石、氧化鋁粉、碳酸鋇和氧化鋁短切纖維為原料制備了高性能陶粒材料，但該技術(shù)中使用的氧化鋁短切纖維成本較高且制備技術(shù)復(fù)雜；

以煤矸石為原料制備用途廣泛的陶粒材料，不僅可以降低生產(chǎn)成本，也可降低資源消耗和環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種利用煤矸石制備輕質(zhì)高強度陶粒的方法，該方法使用煤矸石含量達40％～80％，制得陶粒的堆積密度在0.6～1.55g/cm³之間，相同密度下其強度比現(xiàn)有技術(shù)提高10～50％；滿足建筑用輕集料和油氣開采用陶粒支撐劑材料的要求。

為此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種利用煤矸石制備輕質(zhì)高強陶粒的方法，包括如下步驟：

1)將含碳量為5～15％的煤矸石通過破碎粉磨獲得的煤矸石粉料能全部通過325目標準篩；

2)按質(zhì)量百分比，將40～80％的煤矸石粉料、0％～45％的鋁礬土粉料、1％～9％的氧化鈣，5％～15％的鉀長石，混合均勻，得到原料；

3)將所述原料置于球磨機中球磨至粉料能全部通過540目標準篩，得到混合粉料；

4)將所述混合粉料置于高速攪拌混合造粒機中，得到平均粒徑為10～0.1mm的顆粒；

5)將所述顆粒在陶粒成型機上添加10～20％混合粉料進行成型、烘干、篩分，得到陶粒坯體；

6)將所述陶粒坯體置于窯爐中，先以3～5℃/min的速率升溫到500～700℃，保溫10～30min，再以10～15℃/min的速率升溫到900～1100℃，保溫20～30min，最后以5～10℃/min的速率升溫到1200～1500℃，保溫40～90min；隨爐冷卻，即得到所述輕質(zhì)高強陶粒。

進一步，原料中鋁礬土粉料的含量為0％～40％，還可以為2％～30％。

進一步，步驟2)所述原料的含量為50～80％的煤矸石粉料、2％～30％的鋁礬土粉料、2％～6％的氧化鈣，6％～12％的鉀長石。

進一步，步驟1)所述煤矸石中三氧化二鋁的含量為30～50％。

進一步，含碳量高于15％的煤矸石經(jīng)700～1000℃煅燒，使含碳量介于5～15％后，能作為步驟1)中的煤矸石使用。

進一步，步驟4)中所述混合粉料在高速攪拌混合造粒機中形成顆粒的條件為：一次性噴入占粉料總質(zhì)量10～22％的水，高速攪拌5～20min。

進一步，步驟2)所述鋁礬土為三氧化二鋁含量為55～70％的鋁礬土。

進一步，步驟2)所述所述氧化鈣可通過方解石，碳酸鈣或石膏等礦物原料經(jīng)煅燒后得到。

進一步，步驟5)中所述陶粒成型機為擠出、旋轉(zhuǎn)或碾壓式成型機中的任意一種。

本專利以煤矸石為主要原材料，引入新型添加劑對原理材料配方進行重新設(shè)計、改進了現(xiàn)有的原材料處理和陶粒成型工藝，并采用新的熱處理工藝對陶粒進行煅燒。所獲得的陶粒材料具有密度低、強度高的特點，能夠滿足建筑用輕集料和油氣開采用陶粒支撐劑材料的要求。該項技術(shù)解決了現(xiàn)有技術(shù)中煤矸石添加量比較低，制備工藝復(fù)雜和材料性能較低的問題，能顯著提高煤矸石固體廢棄物的用量，生產(chǎn)的輕質(zhì)高性能材料具有更廣闊的應(yīng)用前景，為煤矸石的資源化利用開拓了新的途徑。

采用本發(fā)明所制備的陶粒支撐劑材料，其堆積密度在0.6～1.55g/cm³之間，材料視密度在2.20～2.70g/cm³之間，相同密度下其強度比現(xiàn)有技術(shù)提高10～50％。采用本發(fā)明所制備的建筑用輕集料陶粒，其容重在700～1000kg/m³，相同密度條件下，筒壓強度提高30～50％。

附圖說明

圖1為實施例1得到的產(chǎn)品的剖面圖；

圖2為實施例2得到的產(chǎn)品的微觀形貌圖；

圖3為實施例3得到的產(chǎn)品的微觀形貌圖；

圖4為實施例4得到的產(chǎn)品的微觀形貌圖。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明高摻量粉煤灰陶粒支撐劑的制備方法進行詳細描述。

實施例1

一種利用煤矸石制備輕質(zhì)高強陶粒的方法，包括如下步驟：

1)將含碳量為20％的煤矸石在800℃煅燒后獲得含碳量為7％左右的煤矸石，其三氧化二鋁含量為40％，該煤矸石塊體通過破碎粉磨后獲得粒徑為400目的粉料；

2)按質(zhì)量百分數(shù)將69％的煤矸石粉，14％的鋁礬土(三氧化二鋁含量為65％)，5％的碳酸鈣(煅燒后形成2％氧化鈣)，12％的鉀長混合均勻，得到原料；

3)將所述原料置于球磨機中，按照球料比1:1加入高鋁球，球磨1小時后，取出過600目標準篩得到混合粉料；

4)將所述混合粉料置于高速攪拌混合造粒機中，在粉料高速攪拌旋轉(zhuǎn)的過程中一次性噴入占粉料總質(zhì)量15％的水，高速攪拌10min，形成細小致密的顆粒；

5)將顆粒在盤式成型機上添加10％混合粉料旋轉(zhuǎn)20min后形成圓球狀顆粒，烘干后過20～50目篩獲得陶粒坯體；

6)將所述陶粒坯體置于窯爐中，先以3℃/min的速率升溫到550℃，并保溫20min，再以10℃/min的速率升溫到1100℃，保溫20min，最后以10℃/min的速率升溫到1300℃，保溫60min后隨爐冷卻，即得到所述輕質(zhì)高強陶粒。

按照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準sy/t5108-2014和sy/t5108-2006測試，陶粒性能為：堆積密度1.45g/cm³，52mpa壓力下破碎率5％，圓度＞0.9，球度＞0.9，酸溶解度3.12％，視密度2.50g/cm³。對比現(xiàn)有技術(shù)(cn101787270a：堆積密度1.509/cm³，視密度2.659/cm³，52mpa條件下破碎率6.5％)，其密度要低、性能有較大提高。

附圖一中對應(yīng)實施例1陶粒剖面圖片顯示，陶粒材料內(nèi)部致密氣孔較少，表明用這種技術(shù)獲得的材料性能較好。

實施例2

一種利用煤矸石制備輕質(zhì)高強陶粒的方法，包括如下步驟：

1)將含碳量為15％，三氧化二鋁含量為30％的煤矸石通過破碎粉磨后獲得粒徑為400目的粉料；

2)按質(zhì)量百分數(shù)將80％的煤矸石粉，10％的方解石(煅燒后形成5％氧化鈣)，10％的鉀長混合均勻，得到原料；

3)將所述原料置于球磨機中，按照球料比1:1加入高鋁球，球磨1小時后，取出過500目標準篩得到混合粉料；

4)將混合粉料置于高速攪拌混合造粒機中，在粉料高速攪拌旋轉(zhuǎn)的過程中噴入占粉料總質(zhì)量10％的水，高速攪拌15min，形成細小致密的顆粒；

5)將顆粒在碾壓式成型機上添加15％混合粉料形成直徑12～25mm短柱狀陶粒，烘干后得到陶粒坯體；

6)將所述陶粒坯體置于窯爐中，先以5℃/min的速率升溫到600℃，并保溫30min，再以15℃/min的速率升溫到1000℃，保溫25min，最后以8℃/min的速率升溫到1200℃，保溫60min后隨爐冷卻，即得到所述輕質(zhì)高強陶粒。

按照中華人民共和國國家標準gbt17431.2-2010輕集料及其試驗方法測定陶粒性能為：容重812kg/m³，筒壓強度12mpa，吸水率8％。對比現(xiàn)有技術(shù)(cn103553553a：陶粒筒壓強度5.0mpa，容重598kg/m³，吸水率7.2％)，其性能有較大提高。

圖2所示本實施例產(chǎn)品的微觀形貌圖中可以看出，材料內(nèi)部形成了由針狀結(jié)晶體構(gòu)成的三維交織的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于在控制材料低密度的同時提高材料的力學(xué)性能。

實施例3

一種利用煤矸石制備輕質(zhì)高強陶粒的方法，包括如下步驟：

1)將含碳量為5％，三氧化二鋁含量為50％的煤矸石通過破碎粉磨后獲得粒徑為600目的粉料；

2)按質(zhì)量百分數(shù)將50％的煤矸石粉，40％的鋁礬土(三氧化二鋁含量為70％)4％的氧化鈣，6％的鉀長混合均勻，得到原料；

3)將所述原料置于球磨機中，按照球料比1:1加入高鋁球，球磨2小時后，取出過500目標準篩得到混合粉料；

4)將所述混合粉料置于高速攪拌混合造粒機中，在粉料高速攪拌旋轉(zhuǎn)的過程中噴入占粉料總質(zhì)量18％的水，高速攪拌10min，形成細小致密的顆粒；

5)將顆粒在盤式成型機上添加10％混合粉料旋轉(zhuǎn)30min后形成圓球狀顆粒，烘干后過20～50目篩獲得陶粒坯體；

6)將所述陶粒坯體置于窯爐中，先以3℃/min的速率升溫到700℃，并保溫25min，再以12℃/min的速率升溫到1150℃，保溫20min，最后以10℃/min的速率升溫到1450℃，保溫40min后隨爐冷卻，即得到所述輕質(zhì)高強陶粒。

按照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準sy/t5108-2014和sy/t5108-2006測試，陶粒性能為：堆積密度1.55g/cm³，69mpa壓力下破碎率＜6％，圓度＞0.9，球度＞0.9，酸溶解度3.12％，視密度2.70g/cm³，對比現(xiàn)有技術(shù)(cn102757780a：:采用鋁礦石52％、廢舊耐火材料15％、煤矸石25％、赤泥4％、采礦選礦廢渣4％為原料制備的陶粒支撐劑堆積密度1.55/cm³，視密度2.85/cm³，69mpa條件下破碎率6.8％)，本發(fā)明技術(shù)所用煤矸石用量大，且性能有較大提高。

圖3中本實施例產(chǎn)品的微觀形貌顯示，陶粒燒結(jié)致密內(nèi)部缺陷較少，在材料內(nèi)部形成了晶須網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得材料獲得了較好的性能。

實施例4

一種利用煤矸石制備輕質(zhì)高強陶粒的方法，包括如下步驟：

1)將含碳量為12％，三氧化二鋁含量為30％的煤矸石通過破碎粉磨后獲得粒徑為400目的粉料。

2)按質(zhì)量百分數(shù)將70％的煤矸石粉，15％鋁礬土(三氧化二鋁含量為55％)3％氧化鈣，12％的鉀長混合均勻，得到原料；

3)將所述原料置于球磨機中，按照球料比1:1加入高鋁球，球磨1小時后，取出過500目標準篩得到混合粉料；

4)將所述混合粉料置于高速攪拌混合造粒機中，在粉料高速攪拌旋轉(zhuǎn)的過程中噴入占粉料總質(zhì)量20％的水，高速攪拌10min，形成細小致密的顆粒；

5)將顆粒在碾壓式成型機上添加15％混合粉料形成粒徑為12～25mm橢圓形陶粒，烘干后得到陶粒坯體；

6)將所述陶粒坯體置于窯爐中，先以5℃/min的速率升溫到600℃，并保溫10min，再以15℃/min的速率升溫到1000℃，保溫20min，最后以10℃/min的速率升溫到1300℃，保溫40min后隨爐冷卻，即得到所述輕質(zhì)高強陶粒。

按照中華人民共和國國家標準gbt17431.2-2010輕集料及其試驗方法測定陶粒性能為：容重900kg/m³，筒壓強度15mpa，吸水率7.3％。對比現(xiàn)有技術(shù)(cn103553553a：陶粒筒壓強度5.0mpa，容重598kg/m³，吸水率7.2％)，其性能有較大提高。

圖4中本實施例得到陶粒的微觀形貌顯示，陶粒燒結(jié)致密內(nèi)部缺陷較少，在材料內(nèi)部形成由柱狀晶交織而成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得陶粒材料獲得了較好的性能。