煤矸石合成堇青石及其复相材料

用煤矸石和煤合成 SiC-Al2O3复相材料的研究韩兵强 李 楠 杨立平武汉科技大学材料与冶金学院 武汉430081摘 要 以煤矸石和无烟煤为原料,研究了在高温下合成 SiC-Al2O3复相材料的可行性,并对原料的选取和合成工艺制度进行了探索,结果表明: 1)在一定温度及煤过量的条件下,不加保护气体,通过碳热还原反应可以得到较高含量的 SiC-Al2O3复相陶瓷材料。

2)细度的增大能明显提高反应进程,得到较纯的 SiC-Al2O3复相材料。

关键词 煤矸石,煤,碳热还原反应, SiC-Al2O3复相材料煤矸石是成煤物质与其他沉积物质在长期的地质反应中生成的可燃性矿石,有关煤矸石的利用研究报告已有很多[1~2]。

煤矸石的主要成分为Al2O3和SiO2或者主要为SiO2,若能把煤矸石中的SiO2还原为SiC从而得到一种复相材料,则既可以应用到耐火材料中去,又可以保护环境,实现可持续发展。

本文研究了用煤矸石和无烟煤合成 SiC-Al2O3复相材料的可行性,并对可能的工艺条件进行了探索。

1 实验实验用煤矸石和无烟煤都要经破碎和粉磨以达到一定的细度,要求铁和碱金属等杂质含量要低。

煤矸石的化学成分(%):SiO261.10,Al2O3 28.25,Fe2O31.85,CaO0.37,MgO0.62,K2O3.00, Na2O0.83,I.L.8.72。

X射线衍射分析表明,煤矸石的主要相组成为高岭石和少量石英。

煤矸石和无烟煤分别经颚破破碎后,进振动磨中粉磨,过0.088mm方孔筛,再按一定的配比进行混合,压制成型。

实验过程中因氧化等原因,无烟煤必须超过化学反应计量,超过反应计量的无烟煤量分别为:0、5%、10%、15%、20%、25%。

实验时温度根据Al-Si-C-O系各凝聚相平衡图进行选取,最终反应后物相组成应落在Al2O3-SiC-C系统内。

实验研究[3]的温度范围上限应低于Al2O3的碳化温度。

下限应是动力学所要求的反应发生的最低温度。

低温合成堇青石关键字：堇青石; [原料的加工及防尘] 2006年11月14日08:27 堇青石陶瓷具有良好的抗热震性能，堇青石－莫来石质窑具已经在陶瓷行业得到广泛应用。

目前国内外大多以高岭土、滑石和氧化铝为原料，采用固相烧结反应法合成堇青石，合成温度一般在1370℃以上。

该工艺能耗大，成本高，制约了堇青石材料的进一步推广应用。

低成本合成堇青石工艺的研究已成为研究热点之一。

陕西科技大学材料与工程学院以煤矸石、滑石和菱镁矿为原料，对低温合成堇青石工艺进行了初步研究。

以堇青石的理论化学组成（SiO251.36%、Al2O334.86%、MgO13.78%）为基准，经计算得实验配比为：煤矸石73.14％，滑石12.90％，菱镁矿13.96％。

原料经配料后入刚玉质球磨罐，料：球：水＝1：2：1.2（质量比），烧成中，分别在1000~1350℃之间选取多个烧成温度点取样,XRD\SEM进行试样分析,并测量试样的热膨胀系数。

分析结果表明，采用煤矸石－滑石－菱镁矿可以合成高纯堇青石材料。

在上述配中，于1350℃分别保温2h、3h和4h，均可得到单一晶相的堇青石材料。

但是，保温时间的延长将会导致玻璃相含量的增加，使堇青石材料的热膨胀系数增大。

因此该系统的最佳合成条件是：1350℃保温2h。

合成堇青石过程中的中间产物镁铝尖晶石的生成温度和速度，是决定合成温度的主要因素之一。

煤矸石－滑石－菱镁矿系统的合成温度较低的原因是配料中未引入活性较差的氧化铝原料，菱镁矿分解产物MgO(方镁石)与煤矸石分解产物中无定形Al2O3反应生成镁铝尖晶石的温度较低（1000℃）。

该反应的活化能明显低于通常合成堇青石所采用的粘土－滑石－氧化铝系统中刚玉与顽火辉石反应生成镁铝尖晶石的反应活化能。

煤矸石－滑石－菱镁矿系统中镁铝尖晶石的生成温度降低，反应速度加快，从而也降低了堇青石的合成温度。

人工堇青石的合成方法简介作者：安丽王纪红来源：《中国科技博览》2013年第18期摘要：堇青石（2MgO2·Al2O3·5SiO2）材料具有膨胀系数低热稳定性好、弹性模量高和较低的介电常数等优良性能可作为耐火材料、多孔材料和复合材料。

本文简介了堇青石制备方法的研究现状，其制备方法主要有天然矿物高温固相法、玻璃反玻化法、溶胶-凝胶法和沉淀包裹法，并展望了堇青石的研究发展趋势。

关键词：堇青石；人工合成；研究进展【中图分类号】TQ1701. 引言堇青石（2MgO2·Al2O3·5SiO2）材料具有膨胀系数低热稳定性好和较低的介电常数等优良性能，被广泛用作窑具材料，过滤材料，汽车尾气的催化、净化载体，以及电子封装材料等一些对热膨胀性能、热震性能及介电性能要求严格的部件[1-2]。

天然的堇青石矿很少，纯度低，难以适应工业要求。

因此，人工合成堇青石已是堇青石制品的主要原料来源。

目前，普遍认为堇青石具有三种同素异形体，即高温堇青石（α型）、低温堇青石（β型）和低温亚稳态堇青石（γ型）[3]。

α型为高温稳定型，属于六方晶系；β型为低温稳定型，属于斜方晶系，当温度升高时可以转化为α型，大约在1460℃；γ型为低温亚稳态，在1000℃长时间加热则发生不可逆的转变，转变为高温型和低温型。

晶型不同其膨胀系数也不同，α型堇青石，a=b，所以a轴与b轴的膨胀系数同为1.27×10-6℃-1，c轴为-2.12×10-6℃-1，β型堇青石，a≠b，a，b轴的平均膨胀系数在2.2×10-6℃-1～2.8×10-6℃-1之间。

c轴的膨胀系数为-1.11×10-6℃-1。

目前，α型堇青石备受关注，人工合成的多为α型，其膨胀系数大致为1.5×10-6℃-1～2.8×10-6℃-1，因此开发低膨胀系数的α型堇青石材料备受关注[4]。

121doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2015.02.007煤的伴生资源煤矸石的综合利用*甄强，郑锋†上海大学材料复合与先进分散技术教育部工程研究中心纳米科学与技术研究中心，上海 200444摘要 煤矸石是在煤炭开采和加工过程中产生的一种固体废弃物。

作为排放量最大的固体废弃物之一，煤矸石不仅会侵占大量土地，还会对当地环境造成极大危害。

对目前国内外煤矸石的综合利用技术的研究现状进行了综述。

以煤矸石为原料，加工成高附加值的节能产品和环保产品，将会是高效综合利用的发展方向。

关键词 煤矸石；综合利用；发展方向煤炭被人们誉为“黑色的金子”“工业的粮食”，它是18世纪以来人类世界使用的主要能源之一。

2013年我国煤炭产量为37亿t 左右，位居世界第一[1]。

煤矸石是与煤伴生的一种含煤高岭土，煤矸石综合排放量占原煤产量的10%～15%[2]。

采煤过程中产生的大量煤矸石过去一直被作为大宗固体废弃物堆放在煤矿周围。

我国已累计堆存45亿t 煤矸石，占用土地约为1.5万hm 2，每年还新产生3.0～3.5亿t 煤矸石，是目前我国排放量最大的工矿业固体废弃物之一[3]。

煤矸石的堆放不仅占用了大量的土地，同时随着表面水分的蒸发，遇到大风天气易产生扬尘。

长期暴露于空气中易受风化而发生自燃，产生大量的CO 、CO 2、SO 2、H 2S 、NO x 等有毒气体污染空气。

另外，煤矸石露天堆放，经降雨沐浴后，可溶性有毒元素会对土壤、水环境产生一定影响[4](图1)。

作为大宗固体废弃物之一，煤矸石是一种没有充分利用的资源。

犹太经典《塔木德》中说：图1煤矸石对环境的危害*攀枝花市科技局产业推进项目(2012CY-S-18)，上海大学创新基金项目(SDCX2012062)，江西省软科学研究计划项目(20132BBA10032)和攀枝花市社会发展科技项目(2014CY-S-4)资助†通信作者，E-mail ：zhengfeng525@122“世上没有废物，只是放错了地方。

利用煤矸石制备堇青石质材料的技术研究引言煤矸石是一种煤炭开采后剩余的废弃物，通常被视为环境污染的源头之一。

然而，利用煤矸石制备堇青石质材料具有很高的研究价值和实际应用前景。

本文将探讨利用煤矸石制备堇青石质材料的技术研究，并分析其优势、挑战以及未来发展方向。

堇青石质材料的定义与特点堇青石质材料是一种具有高度结晶和致密度的材料，具有优异的力学性能、抗腐蚀性能以及热稳定性。

其用途广泛，常作为建筑材料、装饰材料以及耐火材料等方面的重要组成部分。

堇青石质材料的定义堇青石质材料是指以堇青石为主要成分的材料，其堇青石的含量大于50%。

堇青石质材料的特点1.高度结晶：堇青石质材料具有高度结晶的特点，使得其具有较高的硬度和耐久性。

2.致密度：堇青石质材料具有致密的结构，使得其具有优异的力学性能和抗腐蚀性能。

3.热稳定性：堇青石质材料在高温环境下能够保持良好的物理和化学性质。

利用煤矸石制备堇青石质材料的技术研究方法利用煤矸石制备堇青石质材料涉及到多个环节的技术研究，包括煤矸石的处理、堇青石的提取和材料的制备等。

煤矸石的处理1.煤矸石的分选：通过物理或化学方法将煤矸石中的有用矿物从废弃物中分离出来，为后续研究准备合适的原料。

2.煤矸石的研磨：将煤矸石进行粉碎处理，使其颗粒尺寸达到适合后续处理的要求。

堇青石的提取1.堇青石的浸提：利用溶剂将煤矸石中的堇青石提取出来，得到纯净的堇青石原料。

2.堇青石的分离：通过物理或化学方法将提取得到的堇青石进行纯化和分离，以获得更高纯度的堇青石。

材料的制备1.堇青石质材料的成型：将提取得到的堇青石原料进行成型，可以采用压制、注射成型等方法。

2.材料的烧结：将成型的堇青石进行高温处理，使其达到致密的结构，提高材料的力学性能和热稳定性。

3.材料的表面处理：根据具体应用需求，对制备得到的堇青石质材料进行表面处理，如抛光、镀层等。

利用煤矸石制备堇青石质材料的优势与挑战利用煤矸石制备堇青石质材料具有一定的优势，但也面临一些挑战。

堇青石的合成及添加剂对其性能的影响总结原料：试验所用原材料为氧化镁粉、氧化铝粉和二氧化硅粉，都是产自于上海。

制备：堇青石的化学式表示为2MgO·2Al2O3·5SiO2,理论组成MgO- 22.22%; Al2O3- 22.22%; SiO2- 55.56%。

合成堇青石时, 由于原料中杂质的存在, 因此试样原料配比如下:99%的氧化镁粉、95%的氧化铝粉和97%的二氧化硅粉 , 此配方的实际化学组成为MgO- 14.91%; Al2O3- 34.92%; SiO2- 53.68%, 并把此配方记做N，如下表1。

在确定此配方的基础上, 研究添加剂对其性能的影响。

按试验配方, 准确称量的各原料采用球磨机行星式球磨机进行干磨,采用氧化铝球为球磨介质,球磨时间为1h，转速为400r/min。

得到试样后称取5g进行压制。

压好后放入井式炉中烧制，最后再检测堇青石材料的热稳定性,机械强度,热膨胀性等各方面性能。

表1 配方N的化学组成N组试样MgO Al2O3SiO2质量分数Wt／% 14.76 33.17 52.07第一步：研究单一添加剂的在含量相同时对合成的堇青石的膨胀系数影响配料，根据添加相同比例的添加剂分别设计不同的实验配方，添加剂的量都是1%。

具体的化学组成的实验配方如下表:编号MgO Al2O3SiO2TiO2TiCl4Y2O3ZrO2LiCO3 N0 14.76% 33.17% 52.07% - - - - - N1 14.76% 33.17% 52.07% 1% - - - - N2 14.76% 33.17% 52.07% - 1% - - - N3 14.76% 33.17% 52.07% - - 1% - - N4 14.76% 33.17% 52.07% - - - 1% - N5 14.76% 33.17% 52.07% - - - - 1% 首先，称样，倒入球磨罐中放到行星式球磨机中球磨。