一种利用煤矸石制备的莫来石及其制备方法与流程

1.本发明涉及耐火材料技术领域，尤其涉及一种利用煤矸石制备的莫来石及其制备方法。


背景技术：

2.莫来石是一种优质的耐火材料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点。目前，莫来石主要采用人工合成的方法进行制备。现有的莫来石主要方法为烧结法，具体为在粉碎后的高岭土中加入适量的氧化铝，然后依次进行混料、成型、烧结，得到莫来石。该工艺存在成本高、能耗大的问题，导致其并不能大范围的应用。
3.为解决上述问题，研究人员发现煤矸石作为煤炭生产的副产物，其可以用于制备莫来石。利用煤矸石制备莫来石，一方面解决了煤矸石堆放所造成的资源浪费和对环境的污染问题，另一方面解决了利用高岭土生产莫来石的方法存在的成本高、能耗大的问题。
4.但是，现有的利用煤矸石生产莫来石的方法中存在煤矸石的利用率低，且需要加入大量的助熔剂、粘合剂等化学助剂以及氧化铝来调节铝硅比，侧面增加了成本，同时现有的利用煤矸石生产莫来石的方法所得到的莫来石的质量并不高，不适用于要求更严苛的耐火材料的应用。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种利用煤矸石制备的莫来石及其制备方法，以解决现有的利用煤矸石生产莫来石的方法中存在煤矸石的利用率低，且需要加入大量的助熔剂、粘合剂等化学助剂以及氧化铝来调节铝硅比，侧面增加了成本，同时所得莫来石的质量并不高，不适用于要求更严苛的耐火材料的应用的问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明提供了一种利用煤矸石制备莫来石的方法，包括如下步骤：
8.将煤矸石和明矾石混合，进行第一次煅烧，然后加入白云石，进行第二次煅烧，最后加入硫酸钡，进行第三次煅烧，得到莫来石。
9.作为优选，所述煤矸石与明矾石的质量比为10～15：1，硫酸钡的添加量为煤矸石和明矾石质量的5～8％，白云石与煤矸石的质量比为0.01～0.02：1。
10.作为优选，煤矸石的粒度为100～300目，明矾石的粒度为200～300目。
11.作为优选，所述第一次煅烧的温度为650～750℃，第一次煅烧的时间为2～4h。
12.作为优选，所述第二次煅烧的温度为950～1100℃，第二次煅烧的时间为0.5～1.5h。
13.作为优选，所述第三次煅烧的温度为1200～1300℃，第三次煅烧的时间为3～5h。
14.作为优选，所述加入白云石前，对第一次煅烧所得产物先降至室温后顺次进行洗涤和干燥。
15.作为优选，所述洗涤用水进行，洗涤的次数为2～4次。
16.作为优选，所述干燥的温度为80～90℃，干燥的时间为20～40min。
17.本发明还提供了所述利用煤矸石制备莫来石的方法制备得到的莫来石。
18.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
19.(1)本发明通过明矾石来调节体系中的铝硅比，同时明矾石可以提供硫酸铝熔盐，使得煤矸石和明矾石在较低的温度(650～750℃)下反应得到莫来石中间体，同时白云石会与明矾石热解的氧化铝进行反应得到分布于莫来石晶界处的晶体，限制晶粒的长大，提高莫来石的强度，且硫酸钡会在高温下被氧化为氧化钡，可以进一步提高莫来石的强度。本发明可以得到强度更高的莫来石。
20.(2)本发明所述制备工艺简单，制备过程中无须加入大量的化学助剂，降低了成本并且节约了资源。
具体实施方式
21.本发明提供了一种利用煤矸石制备莫来石的方法，包括如下步骤：
22.将煤矸石和明矾石混合，进行第一次煅烧，然后加入白云石，进行第二次煅烧，最后加入硫酸钡，进行第三次煅烧，得到莫来石。
23.在本发明中，所述煤矸石与明矾石的质量比优选为10～15：1，进一步优选为11～14：1；硫酸钡的添加量优选为煤矸石和明矾石质量的5～8％，进一步优选为煤矸石和明矾石质量的6～7％；白云石与煤矸石的质量比优选为0.01～0.02：1，进一步优选为0.012～0.015：1。
24.在本发明中，煤矸石的粒度优选为100～300目，进一步优选为150～200目；明矾石的粒度优选为200～300目，进一步优选为250目。
25.在本发明中，所述第一次煅烧的温度优选为650～750℃，进一步优选为680～720℃；第一次煅烧的时间优选为2～4h，进一步优选为2.5～3.5h；第一次煅烧的升温速率优选为5～10℃/min，进一步优选为6～8℃/min。
26.在本发明中，所述第二次煅烧的温度优选为950～1100℃，进一步优选为1000～1050℃；第二次煅烧的时间优选为0.5～1.5h，进一步优选为1h；第二次煅烧的升温速率优选为8～12℃/min，进一步优选为9～10℃/min。
27.在本发明中，所述第三次煅烧的温度优选为1200～1300℃，进一步优选为1210～1280℃；第三次煅烧的时间优选为3～5h，进一步优选为3.5～4h；第三次煅烧温度的升温速率优选为15～20℃/min，进一步优选为16～18℃/min。
28.在本发明中，所述加入白云石前，对第一次煅烧所得产物先降至室温后顺次进行洗涤和干燥。
29.在本发明中，所述洗涤用水进行，洗涤的次数优选为2～4次，进一步优选为3次。
30.在本发明中，所述干燥的温度优选为80～90℃，进一步优选为82～88℃；干燥的时间优选为20～40min，进一步优选为25～35min。
31.本发明还提供了所述利用煤矸石制备莫来石的方法制备得到的莫来石。
32.在本发明中，所述莫来石的主要晶相是莫来石，其中掺杂少量的氧化镁、氧化钡。氧化镁和氧化钡增强了莫来石的强度，从而得到一种改性的莫来石材料。
33.在本发明中，明矾石在650～750℃下脱水反应得到硫酸铝和氧化铝，其中氧化铝可以调节煤矸石中的铝硅比，为得到莫来石提供基础；而在硫酸铝的作用下，煤矸石可以在较低的反应温度下获得莫来石中间体。之后加入白云石升温至950～1100℃，上一阶段剩余的硫酸铝可以在该温度下分解为氧化铝，硫酸铝分解得到的氧化铝和上一阶段剩余的氧化铝可以与白云石反应得到分布于莫来石中间体晶界处的晶体，抑制了莫来石中间体晶粒的长大，提高了最终所得莫来石的强度。最后加入硫酸钡升温至1200～1300℃反应得到莫来石，该过程中硫酸钡被氧化为氧化钡，氧化钡可以起增强作用，进一步增强了莫来石的强度。
34.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
35.以下实施例中的抗压强度的测试利用抗压强度测试仪进行。
36.实施例1
37.将100g煤矸石和10g明矾石混合，放置于烧结炉中以5℃/min的升温速率升温至660℃进行2h的第一次煅烧，第一次煅烧结束后，将所得产物随炉冷却至室温，先用水洗涤3次，后放入干燥箱在80℃的温度下干燥30min后取出，空冷至室温；
38.然后向其中加入1g白云石，混合后放置于烧结炉中以9℃/min的升温速率升温至960℃进行40min的第二次煅烧，结束后向其中加入5.5g硫酸钡并混匀，以15℃/min的升温速率升温至1200℃进行3h的第三次煅烧，然后停止加热随炉冷却至室温得到莫来石；
39.本实施例所得莫来石的抗压强度为30.1mpa，导热系数为0.054w/(m
·
k)。
40.实施例2
41.将120g煤矸石和10g明矾石混合，放置于烧结炉中以6℃/min的升温速率升温至680℃进行3h的第一次煅烧，第一次煅烧结束后，将所得产物随炉冷却至室温，先用水洗涤3次，后放入干燥箱在80℃的温度下干燥35min后取出，空冷至室温；
42.然后向其中加入1.2g白云石，混合后放置于烧结炉中以10℃/min的升温速率升温至1000℃进行1h的第二次煅烧，结束后向其中加入7.8g硫酸钡并混匀，以17℃/min的升温速率升温至1250℃进行4h的第三次煅烧，然后停止加热随炉冷却至室温得到莫来石；
43.本实施例所得莫来石的抗压强度为31.2mpa，导热系数为0.052w/(m
·
k)。
44.实施例3
45.将80g煤矸石和6.7g明矾石混合，放置于烧结炉中以10℃/min的升温速率升温至720℃进行4h的第一次煅烧，第一次煅烧结束后，将所得产物随炉冷却至室温，先用水洗涤3次，后放入干燥箱在80℃的温度下干燥30min后取出，空冷至室温；
46.然后向其中加入0.8g白云石，混合后放置于烧结炉中以12℃/min的升温速率升温至1100℃进行1h的第二次煅烧，结束后向其中加入6.9g硫酸钡并混匀，以18℃/min的升温速率升温至1250℃进行3h的第三次煅烧，然后停止加热随炉冷却至室温得到莫来石。
47.本实施例所得莫来石的抗压强度为32.1mpa，导热系数为0.051w/(m
·
k)。
48.实施例4
49.将150g煤矸石和10g明矾石混合，放置于烧结炉中以10℃/min的升温速率升温至750℃进行4h的第一次煅烧，第一次煅烧结束后，将所得产物随炉冷却至室温，先用水洗涤3次，后放入干燥箱在80℃的温度下干燥30min后取出，空冷至室温；
50.然后向其中加入1.5g白云石，混合后放置于烧结炉中以12℃/min的升温速率升温至1100℃进行1.5h的第二次煅烧，结束后向其中加入8g硫酸钡并混匀，以20℃/min的升温速率升温至1250℃进行4h的第三次煅烧，然后停止加热随炉冷却至室温得到莫来石。
51.本实施例所得莫来石的抗压强度为33.5mpa，导热系数为0.0525w/(m
·
k)。
52.实施例5
53.将180g煤矸石和18g明矾石混合，放置于烧结炉中以10℃/min的升温速率升温至750℃进行4h的第一次煅烧，第一次煅烧结束后，将所得产物随炉冷却至室温，先用水洗涤4次，后放入干燥箱在90℃的温度下干燥40min后取出，空冷至室温；
54.然后向其中加入1.8g白云石，混合后放置于烧结炉中以12℃/min的升温速率升温至1100℃进行1h的第二次煅烧，结束后向其中加入11.8g硫酸钡并混匀，以20℃/min的升温速率升温至1300℃进行5h的第三次煅烧，然后停止加热随炉冷却至室温得到莫来石。
55.本实施例所得莫来石的抗压强度为32.9mpa，导热系数为0.053w/(m
·
k)。
56.由上述实施例及其最终的性能测试结果可知，与现有的莫来石(抗压强度为20mpa)相比，本发明所得莫来石的抗压强度得到了显著的提升，其抗压强度达到了30mpa以上，且本发明所得莫来石具有较低的导热系数，可作为性能优异的耐火材料使用。
57.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。