利用煤矸石制取无机纤维工艺试验的研究

尹 雪

沈阳有色金属研究院，辽宁 沈阳 110141

煤矸石是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，是我国目前排放量和累计存放量最大的工业混合固体废弃物之一.全国共有1600 多座煤矸石山，累计存放量已超过40 多亿吨，它的堆存不仅占用宝贵的土地资源而且造成环境污染[1-2].煤矸石的主要成份为SiO2，Al2O3，Fe2O3和C[3-5]，在煤矸石综合利用方面，以往主要用于工程回填料、煤矸石制砖、制作水泥、煤矸石发电及提取铝盐等，虽然煤矸石综合利用方法较多，但综合利用率均不高，其原因主要是处理工艺流程复杂、成本费用高、产品市场占有率受限，以及未能实现完全利用并产生二次污染等问题.

本试验以煤矸石为研究对象，通过添加一定量的添加剂，可制造出无机矿物纤维并应用于保温材料中，为实现工业生产提供了技术依据.

1 试验部分

1.1 试验原料

试验原料为某矿厂煤矸石，添加剂为红土镍矿、铁精粉和石灰，它们的主要组成成分列于表1.

表1原料及添加剂的组成成分

Table1Thecompositionofrawmaterialandadditivew/%

原料SiO2Al2O3CaOMgONiFe固定碳煤矸石61.820.60.950.45-6.810～15红土镍矿42.67<2<215.692.013.58-铁精粉14.700.221.30--60.68-石灰4.77-86.801.58---

1.2 试验方法

试验用原始型煤矸石首先经50 mm的格筛筛分，以保证试验用料粒度，筛上部分经颚式破碎机破碎至粒度小于50 mm，与筛下煤矸石合并进行干燥，待用.

按建筑保温材料的成份要求并兼顾冶炼工艺条件将处理过的煤矸石与添加剂进行混配，混配后的试验原料在1000 kVA矿热电炉中冶炼熔化，高温熔融渣流入200 kVA保温电炉中，然后再以一定的匀速流到高速离心制纤机的转毂上，利用转毂高的线速度和轴向高压风产生的组合外力，将高温熔融渣制成无机矿物纤维，最后对无机矿物纤维制作的建筑保温材料产品进行测试.冶炼过程中产出的副产品由出铁口放出并铸锭，同时对其成份进行分析.

1.3 试验设备

化渣设备为矿热电炉，其功率为1000 kVA、二次电压为171.6 V、电流为3300 A ；成纤设备为JLX2.5-300型制纤高速离心机及JLX180-120型号负压风机.

2 试验结果与分析

2.1 煤矸石熔渣情况分析

本次试验所用煤矸石冶炼渣的主要成分为二氧化硅和三氧化二铝.根据煤矸石化验分析成分计算，SiO2-Al2O3二元系熔渣中SiO2的含量高达75%左右，熔渣的酸性较大，此时熔渣的熔点在1750 ℃以上.由熔渣粘度相图可以得出[6]，当Al2O3的含量达到25%左右时，SiO2-Al2O3二元系熔渣的粘度在200～300 Pa·s之间，熔渣粘度较大.由此可见，需添加一定量的添加剂，降低煤矸石熔渣的熔点及粘度，以实现其在电炉中的冶炼及满足制纤要求.选择辅助添加剂时应在保证制纤要求的同时，以煤矸石中碳的有效综合利用及产出高附加值的副产品为最终目的.

2.2 不调渣型制纤试验

利用煤矸石进行不调渣型直接冶炼制纤试验，即不加入添加剂，在整个试验过程中发现：(1)只有三根电极底部炉料熔化，电极中心及炉四周炉料不熔化；(2)二次电流基本在1500 A左右，达不到满负荷；(3)熔渣发红，温度低，熔渣粘稠.由试验实际情况得知，因熔渣熔点高及粘度大，冶炼渣型调整及熔炼过程比较困难，致使试验时间长、各种消耗较大，煤矸石直接冶炼的熔渣不能用于直接制造无机纤维，需加入添加剂进行成分的调配，以达到制纤的要求.

2.3 添加石灰制纤试验

由于熔渣的酸性及粘度均较大，需添加碱性添加剂以有效地降低炉渣的熔点，试验选用石灰(CaO)作为添加剂，以降低渣熔点、提高渣的流动性.

在相同环境下，选定添加5%～25%的石灰进行调整渣型制纤试验.试样结果列于表2.由表2可知：随着石灰添加量的增大，熔渣的粘度及流动性均发生变化；当石灰添加量(质量分数)为5%时，出炉的熔渣比较粘、流动性极差，熔渣状态见图1和图2；当石灰添加量为20%时，熔渣仍粘稠，但流动性有所改善；当石灰添加量为25%时，熔渣又变得粘稠，流动性变差，无法达到制纤要求.这表明，配加单一的添加剂无法使熔渣达到制纤的要求，根据试验结果，确定选取石灰添加量为20%.

表2调整石灰含量制纤数据分析

Table2Dataanalysisofadjustingthelimecontentinfiberproduction

序号含量w/%熔渣状态结果15熔渣很粘,流动性很差未成纤215熔渣粘,流动性稍许改善未成纤320熔渣粘,流动性好转未成纤425熔渣很粘,流动性差未成纤

图1 开眼过程熔渣状态图

图2 熔渣流到钢包内的状态图

2.4 添加铁精粉制纤试验

在石灰添加量为20%的前提下，进行不同铁精粉添加量的试验，铁精粉加入量(质量分数)分别为煤矸石的10%，15%，20%，25%及30%.试验结果列于表3.由表3可知：随着铁精粉添加量的增加，熔渣的粘度及流动性均有改善；当铁精粉添加量为25%时，熔渣粘度有所改善，流动性好转，电炉冶炼可正常进行，可以制纤；当铁精粉添加量为30%时，虽然熔渣粘度有所改善、流动性好转，但熔化时间长.所以，适宜的铁精粉添加量应为25%.

表3调整铁精粉含量制纤数据分析结果

Table3Dataanalysisofadjustingtheironpowdercontentinfiberproduction

序号含量w/%熔渣状态 结果110熔渣很粘,流动性很差未能制纤215熔渣粘,流动性差未能制纤320熔渣粘,流动性稍差未能制纤425熔渣粘度改善,流动性好转可以制纤530熔渣粘度改善,流动性好转,但熔化时间长可以制纤

在石灰添加量为20%、铁精粉添加量为25%条件下进行制纤试验，炉渣、纤维及生铁的组成成份分别列于表4和表5，制纤试验工作现场见图3和图4.从表4和表5可以看出，试验所得的熔渣成份和生铁成份均能满足制纤及炼钢要求.

图3 成纤机制纤状态照片

图4 制纤试验现场照片

2.5 添加镍红土矿制纤试验

在添加20%石灰条件下，进行不同添加量的镍红土矿试验，镍红土矿加入量(质量分数)分别为煤矸石的40%，60%，80%，100%及120%.试验结果列于表6.由表6可知，随着镍红土矿添加量的增大，熔渣的粘度及流动性有所改善，当镍红土矿添加量分别为100%和120%时，电炉冶炼均可正常进行，熔渣的粘度及流动性变化相差不大.所以，适宜的镍红土矿添加量应为100%.

表6调整镍红土矿含量制纤数据分析结果

Table6Dataanalysisofadjustingthenickellateriteorecontentinfiberproduction

序号镍红土矿w/%熔渣状态结果140熔渣很粘,流动性很差未能制纤260熔渣粘,流动性差未能制纤380熔渣粘,流动性稍差未能很好制纤4100熔渣粘度改善,流动性好转可以制纤5120熔渣粘度改善,流动性好转可以制纤

在石灰添加量为20%、镍红土矿添加量为100%的条件下进行制纤试验，试验炉渣、纤维及镍铁合金的成份分别列于表7和表8.由表7和表8可以看出，试验所得的炉渣成份和镍铁合金成份均能满足制纤及冶炼不锈钢的要求.

表7 炉渣及纤维组成成分Table 7 The composition of slag and fiber w/%

表8 镍铁合金组成成分Table8 The composition of ferro-nickel

2.6 无机纤维制造保温材料

为进一步研究煤矸石制取无机纤维的利用价值，在小型试验设备上进行了制造保温材料试验.

取所制备的无机纤维5 kg，经清洁处理后加入活性剂硅丙乳液，硅丙乳液活性剂起到增强无机纤维表面韧性的作用，在成型温度为300 ℃条件下，经1.5 h成型，制得煤矸石纤维保温板.本试验获得的纤维保温板的密度、导热值等指标均较理想.产品送往上海市建筑材料及构件质量监督检验站检验，检验结果符合国家标准要求.因此，利用煤矸石制备矿物无机纤维并应用于制造建筑保温材料，是实现其综合利用的有效途径.

3 结 论

(1)煤矸石不能在电炉中单独冶炼制造无机矿物纤维，需添加一定的辅助材料进行渣型调整.

(2)在添加20%石灰和25%的铁精粉调整渣型，以及添加20%石灰和100%的镍红土矿调整渣型的条件下，用煤矸石均可制备出无机纤维.

(3)将煤矸石制备出的矿物纤维用于制造保温材料，其保温性能指标较理想，符合国家标准要求.

参考文献：

[1] 路三军，朱全剩，杜永生.浅谈煤矸石综合利用的一些途径[J].探索争鸣，2013(6)：27.

[2] 王斌，张冬健，谷林.煤矸石综合利用的研究概述[J].煤炭加工与综合利用，2013(3)：77-79.

[3] 王姣雯.煤矸石综合利用现状分析[J].工业技术，2011(3)：191.

[4] 王彦峰.论煤矸石综合利用现状[J].北方环境，2011(11)：52.

[5] 郭宇清.煤矸石综合利用对策及意义[J].山西煤炭管理干部学院学报，2011(1)：43-45.

[6] 张志文，王增莹，梁钦锋，等.完全熔融状态下SiO2-Al2O3-CaO体系的黏度分析与预测[J].中国电机工程学报，2008，28(5)：39-43.