以粉煤灰生产轻量化规整陶瓷填料
曹南萍，赖永发，赖祖明，王静海，巫玲，王蔚
（萍乡市耐可化工设备填料有限公司，萍乡337000）
摘要：本文总结了以粉煤灰制造轻量化规整陶瓷填料的技术经验，并对粉煤灰尚未发现和重视的性能做了探索研究。通过实验和生产，摸索出配方规律，使粉煤灰掺量达到50%；确定了合适的生产工艺，达成了节能、清洁生产。大生产产品性能具有高强、耐蚀、质轻之综合上等，且产品成本低廉，具显著的社会、经济效益。
Abstract：Thisarticle summarized by the pulverized coal ashmanufacture 轻量neatceramics padding technical background, and to thepulverizedcoalash not yet discovered and takes the performance hasdonetheexploration research. Through the experiment and theproduction,triedto find out the formula rule, causes the pulverizedcoal ashto mixthe quantity to achieve 50%; Had determined theappropriateproductioncraft, achieved the energy conservation, thecleanproduction. The bigproduction product performance has excelsin,resists corrosion, thenature light synthesis high quality, alsotheproduct cost isinexpensive, has the remarkable society,theeconomic efficiency.
关键词：大掺量粉煤灰；轻量型；规整陶瓷填料；制造工艺
前言
近些年来，我国在粉煤灰结合利用方面取得了显著成就，创造了巨大的社会效益和经济效益。但仍有不尽如人意之处，如地区的不同，利用率差别就很大；而在具体的应用上，粉煤灰的胶凝性，充填性利用得多，但其烧结的低融性、轻量性和耐蚀性等应用得少；具体在烧结材料方面，在一些传统的砖瓦（墙体材料）、内外墙面砖和地砖（建筑陶瓷）、陶粒（建筑构件轻集料）等用得多，而新型陶瓷（如微孔陶瓷、轻量陶瓷、化工陶瓷）上用得少，粉煤灰的某些宝贵素质尚未加以开发利用，这又在一定程度上扼制了粉煤灰在国内范围内不同地区的“特色”应用，与我国发展循环经济的战略要求尚有差距，需要我们继续努力，深化研究，开拓应用。
有鉴于此，富有社会责任感和**精神的萍乡市耐可化工设备填料有限公司，在应用粉煤灰生产化工塔用规整陶瓷填料方面作了探索，投入巨大的人、财、物力对此进行了研究和生产实验，取得了成功。产品在煤炭化工、化肥、冶金焦化、城市煤气等行业中应用，取得了**的社会经济效益。该项目获得了国家发明**，并通过了省级成果鉴定。今将此技术总结于下，以抛砖引玉，为粉煤灰的深层次，多元化利用投下铺路石。
1、粉煤灰相关性能的发掘利用及生产应用中有关问题的解决：
1.1在陶瓷生产中可应用的性能
（1）粉煤灰是高温过程之产物，矿相主要由玻璃相、莫来石、含铁矿物、石英等组成，故化学稳定性强，有较好的耐酸、碱侵蚀性。
（2）粉煤灰颗粒分布在1~100μm，故几乎不用粉碎或稍微磨细即可在陶瓷生产中使用；因是高温产物，故疏水性好，由此制得的泥浆易于压滤脱水，半成品易于烘干，其含有10μm以下微粉级粒子，有促进烧结的作用，而能够低温烧成。以上这些可贵素质，使粉煤灰成为陶瓷生产的节能性原料。
（3）粉煤灰含有一定量的多孔玻璃体和碳粒，在适当条件下烧成，既可以保证玻璃体的多孔，又因碳粒燃烬留下孔隙，而致材质体轻多孔；利用多孔材料的孔隙性，可吸收热应力，使材料有较高的抗急冷急热性。
（4）粉煤灰中的玻璃相为CaO-K2O-Al2O3-SiO2质，易与各类粘土颗粒发生反应和熔融，促进烧结，使粘土与粉煤灰结合于一体，赋予材料较高的机械强度和耐蚀性。（注1）
1.2工艺难点的解决思路
（1）粉煤灰性能、成份波动大，直接影响陶瓷生产烧成质量、产品气孔率、机械强度和尺寸规整度，是其在陶瓷中大掺量利用的“拦路虎”。鉴此，可参考陶瓷原料预均化经验，采取在厂区小规模（数十吨级规模）预均化的方法解决。根据每批次灰渣的性能成份，或调整配方、或改进烧成工艺、或调整模具来确保产品合格率和性能质量。
（2）粉煤灰属瘠性料，无可塑性，采用高效、卫生的湿法挤出成形工艺时，可配入足量粘土和有机粘结剂，运用高真空挤出设备来解决。
有了上述扬长避短的处理，就为粉煤灰在规整陶瓷填料中利用，提供了重要基础。
2、粉煤灰生产轻量化规整陶瓷填料的措施、方案
2.1科学确定配方
综合生产工艺性能和产品性能的要求，先通过正交实验设计配方考察各系列配方的工艺性能和产品性能，从中优选几个配方，再进一步通过大生产考证，*后确定配方。在此基础上，根据粉煤灰性能、成份的变动情况和针对产品的不同需要，摸索配方规律，以应对原料波动与产品性能，大小之要求。实验和生产证实，各原料配比在下列范围内，可生产出适应用不同需求的煤气洗涤塔填料：
粉煤灰30~60%、滑石粘土30~68%、造孔剂5~10%、剥片高岭土2~9%、晶相转化助剂（外加）1~2%
其中引入粘度2μm以下占90%以上，100nm以下颗粒占20%以上的剥片高岭土，一是为增加泥料之可塑性，以适应掺灰量较多的配方，还有一目的是，利用微粉烧结之活性，来达成低温烧成条件下材料的高强度。
助剂的作用是促进体系中形成较多的莫来石。因为莫来石是材料同时具备高机械强度、高抗蚀性、高抗热震性等的基础。由于粉煤灰中的玻璃相同任何玻璃一样，都是亚稳态的，有析晶倾向（粉煤灰由炉膛中逸出冷却越快，晶相就越少，反之晶相多的事实，也证实了这点），而粉煤灰中总是含有莫来石，故加入合适的晶相促进剂，并以灰中的莫来石为晶种，可以在合适的热处理制度下，诱导玻璃相析出莫来石，并促使剥片高岭土在1100℃以下的低温中也提前析出莫来石（一般高岭土析出莫来石的温度≥1100℃）。（注2）这对于提升材料的力学、化学、热学等综合性能更有裨益，避免了普通陶瓷通过液相烧结来提高力学、化学性能的同时，也牺牲了多孔性、轻量性和抗热震性等性能的情况。
在配方研制过程中，先后试用过多种晶相促进剂，包括氟化物、含钛化合物、含镁化合物、含钙化合物、含铁化合物、含钒化合物、含锌化合物及其二种及二种以上的复合物，实验证实复合物更好，莫来石析出量高，玻璃相的余量更少，见图1
X-ray衍射图谱
造孔剂主要是根据粉煤灰成分、配用量及产品要求来确定加入多少，以作为辅料加入，起到调配生产工艺性和产品性能之功用。
2.2合理制定工艺
2.2.1原料处理及加工
粉煤灰以每批次20T级的规模以圆锥形进行堆料，以端面取料的方式取用原料，作好预均化处理。
为使原料充分混合均匀并磨细到合适细度，又不致破坏粉煤灰的多孔结构，使用了对滑石粘土有极强分散效应的复合电解质+球磨机短时间（<1h）球磨+球磨泥浆高速搅拌分散的工艺组合；泥浆经压滤脱水后粗炼，陈腐72h以上。
2.2.2成形和烘干
采用特制真空练泥机配合**形状模具，湿法挤出成形，半成品（湿坯）切割成形后，阴干至颜色变浅，再入烘房烘干。
2.2.3烧成
由于粉煤灰、造孔剂中碳素氧化和滑石粘土、高岭土脱水的需要，故烧成全程采用了负压、强氧化操作，升温速度≤200℃/h，使产品合格率达到97%以上。1100℃左右高火阶段保温2-3h，有助于减少上下温差，确保产品性能的一致。1100-850℃宜慢冷，以促进莫来石形成发育。
具体烧成曲线如下图：
T（℃）
1100
1000 1050℃
900
800 850℃
700
600
500
400 400℃
300
200
100
0 τ（h）
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
3、结果
由上述配方、工艺及措施，成功、稳定地生产出轻量型规整填料，经江西、湖南等专业质监机构检测，性能如下：
抗压强度：≥12Mpa、耐酸度：≥99%、耐碱度：≥95%、吸水率：18-35%、热稳定性：220℃-20℃（水）一件热交换一次未裂、体积密度：≤1.8g/cm3、比表面积：≥120m2/m3
尽管采用了大掺量的粉煤灰和低温快烧制备规整型化工陶瓷填料等全新技术，但由于经过长时间的小试、中试和长期的产品试用，以及反复的反馈、实验以及理论总结，故该技术成果在工业化、规模化生产方面实施得较为顺利。从2001年试验生产到今天，基本未出现过什么问题，且经历了废渣成分偏差大，生产场所冬夏气候分明，产品在超常规恶劣工况下使用，以及和同类型各种材质产品激烈竞争等严酷、长期的考验，因而该技术成果是相当成熟的。
由于原材料购入价极低，又采用低温快烧和余热利用的工艺，故生产成本极低，因此可以很低的售价切入煤气洗涤塔填料市场，取代原有的竹木质填料，保护生态环境，又可以支持促进我国煤炭利用新政策的实施，实现煤炭由直接燃用，向煤炭气化燃烧及发展煤炭化工、化肥产业的转变。尤其为粉煤灰的利用开拓了新的途径，有力推进了我国粉煤灰利用技术的进步。
4、后语
4．1以粉煤灰在≥50%的掺量，配合其他粘土和助剂，采用合理工艺，可以工业化生产出上等的轻量型规整陶瓷填料，满足煤炭化工、化肥、冶金焦化和城市煤气行业的要求。
4．2粉煤灰中有许多可贵素质，应积极深入发掘。这样，即可以满足各类新材料生产之需，又可开拓粉煤灰在新领域的利用。
主要参考文献：
注1、 西北轻工业学院主编《玻璃工艺学》1985年轻工业出版社出版P28
注2、 刘丛毕、邓友全《莫来石低温合成与结构研究》、高等学校化工系报，2003，24（4）：698-702页
联系电话
地址
邮箱