氧化铝泡沫陶瓷废料的产生和利用

2019-10-03 版权声明 举报文章

摘 要:本文简单介绍了氧化铝泡沫陶瓷的生产工艺,分析了氧化铝泡沫陶瓷废料产生的主要原因。通过球磨工艺对其废料进行球磨,球磨20h出球,过80目筛后废料分别按5%、10%和15%比例加入配方中,实验表明,加入10%的陶瓷废料可生产出比原配方强度、抗热震性更好的氧化铝泡沫陶瓷制品。

关键词:氧化铝;泡沫陶瓷;废料

1 前 言

铝及铝合金材料作为金属工业材料的支柱产业,有着非常大的需求量。铝制品一般通过熔融、浇铸方式成形加工,所以浇铸所用的铝熔液质量的好坏直接影响着浇铸后产品的性能。

近年来,通过第三代过滤材料―泡沫陶瓷过滤器的发展,使得铝制品成品合格率大幅度提高[1]。在熔炼过程中,由于铝是一种非常活泼的金属,铝及其合金很容易与水气反应,生成氢气和氧化夹杂(Al2O3)。纯铝和铝合金中的夹杂物含量一般在0.1%以上,夹杂物尺寸大部分都大于10μm[2]。非纯铝和铝合金的夹杂物含量更大,并且尺寸也更大。采用氧化铝泡沫陶瓷过滤器不但能很好地过滤其中的夹杂物,并且不会有新杂质的融入,因此是目前铝厂采用最多的一种过滤器。

由于泡沫陶瓷为一次性使用产品,并且确实能够有效改善铝及铝合金制品的成品率及性能,故其工业需求量较大。但在较大的工业生产背后,不可避免地产生大量废料。这些废料含有氧化铝、莫来石、石英等晶相,在自然条件下不会分解。虽然不会对环境造成危害,但若不加以回收,会造成占用土地和资源浪费等情况。

2 氧化铝泡沫陶瓷生产工艺

采用聚氨酯泡沫海绵为前驱体,将它浸入到氧化铝浆料中,然后挤掉多余浆料,使陶瓷浆料均匀附着于海绵经络,干燥后坯体经高温烧结而成。这种工艺又称有机泡沫浸渍法,是目前国内较为成熟的生产工艺[3~4]。工艺流程见图1。

3 氧化铝泡沫陶瓷废料的产生原因

氧化铝泡沫陶瓷最常见的缺陷有裂纹、缺角、色差和强度低等,这些缺陷往往是导致产品不合格及报废的原因。

3.1裂纹

当产品出现较多明显裂纹时,首先要检查的是干燥过程和干燥后的坯体情况,因为这个过程最容易使坯体受损,导致隐性裂纹存在,在烧结后裂纹显现出来。除干燥工序外,裂纹的产生还与产品的原材料(如α-Al2O3)、喷浆操作不当、烧结升温(冷却)过快等因素有关,这要视产品裂纹的位置、大小及比例情况而定。

3.2缺角

缺角缺陷大部分是由于坯体干燥后受碰撞或挤压导致边角受损,由于坯体特殊的多孔网状结构,坯体边角受损后往往不会脱落或是有肉眼可见裂纹。后期的烧结也往往不能修复受损,从而产生缺角缺陷,所以应尽量避免坯体的碰撞或挤压。

3.3色差

氧化铝泡沫陶瓷的色差主要表现为白色产品表面呈现淡黄色,并且分布均匀。当出现这种问题时,首先要检查的是烧成工序,烧成过程产生的烟气不能及时排出或窑炉烧成温度过低是产生这种缺陷的主要原因。当产品表面出现红色斑点或条状斑点时,则要检查原料中是否铁含量过高,浆料配制过程是否有铁锈的带入,以及上浆过程上浆机是否生锈等。

3.4强度低

如通过正常生产,出现整批或几批产品强度低,不能满足检验控制标准时,最可能的原因就是烧成过程和干燥过程。首先观察这批产品是否有宏观裂纹,并测试这批产品的吸水率,如这两项都没有问题,就要重新检查原料(α- Al2O3和白刚玉)是否满足检验控制标准。当然,原料检验、上浆、干燥和烧成工序都会对产品强度产生影响,当出现产品强度低时,需要一一排查上述工序,直到找到原因为止。

4 氧化铝泡沫陶瓷废料的处理

氧化铝泡沫陶瓷废料的产生量很大,笔者对年产量为1000m3的厂家产生的废料进行了大致统计,按平均95%的合格率计算,废料量达50m3。按照目前市场价2万元/ m3,每年产生的废料价值达100万元。生产1m3的泡沫陶瓷要消耗原材料(氧化铝、高岭土、硅微粉等均为不可再生资源)约500kg,这样一年浪费的原材料为25t,若能回收利用,经济价值和社会价值都很可观。

氧化铝泡沫陶瓷中氧化铝含量约为80%,其它组分为氧化硅等,因此可以将其加入到配方中回收利用。而且由于其特殊的网状结构,用高铝球便可轻松将其粉碎。回收利用过程如下:将报废的泡沫陶瓷打碎放入球磨机中,球磨机采用95瓷内衬,球石也采用95瓷,其中大球:中球:小球=1:2:1.5。采用干磨,球料比为2:1,球磨20h。由于是干磨,出球后的料过80目筛即可,以除去过滤板边角大块没能磨碎的部分。将过筛好后的废料配料,制成浆料。 笔者经过大量试验,获得了一个性能较好的配方。通过调整废料的加入量,按5%、10%和15%的比例分别试验,表1为加入废料后对过滤器性能的影响。结果表明,10%的废料加入量可以使产品性能达到最佳。

5 结语

氧化铝泡沫陶瓷过滤器的废料经球磨加工后,完全可以重新回收利用。笔者通过大量试验得到废料加入量为10%的最佳配方,烧后产品收缩率1.0%、抗折强度1.2MPa、残余强度0.5MPa、体积密度0.52g/cm3。

根据5%的产品报废率,在配方中加入10%的废料完全可以吸纳生产中产生的废料。但生产过程产生的废料只是一小部分,铝熔体过滤后产生的废过滤器的回收利用将是今后的一个重点课题。

参考文献

[1] 靳洪允. 泡沫陶瓷材料的研究进展[J]. 现代技术陶瓷,2005,(3) :33~35.

[2] 陆树荪.铝铸造合金及熔炼[M]. 北京:国防出版社,1983.

[3] 王霞. 铸造用泡沫陶瓷过滤器生产工艺的研究[J].佛山陶瓷,2008,(10).

[4] Sutton WH , etal. Development of ceramic foam materials for filtering hightemperature alloys,AFS Transactions,1985,93:171-176.

注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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