。500 北京科技大学学报 第32卷 的主要原料01，C在高温下的燃烧也有利于多孔 在实验最佳条件下制备大尺寸试样，测定其性能，为 材料的形成.由于工业化进程的快速发展，固体废 工业化制备多孔堇青石材料生产提供实验基础. 弃物大量堆积不仅污染环境、占用土地，还造成有 实验原料采用煤矸石粒度为45μm)首钢用 价资源的严重浪费.相对于国外而言，国内对固体 后滑板砖（粒度为45μ）和首钢用后镁碳砖（粒度 废弃物的利用起步较晚，故对固体废弃物的研究具 为45μm),其原料组成成分如表1所示. 有重要的意义，它有利于实现固体废弃物的减量化 表1煤矸石、用后滑板砖、镁碳砖的化学组成（质量分数） 和高附加值利用.本文以煤矸石和用后耐火 Table 1 Chemical composition of coal gangue wasted sde gates and 材料为原料，合成多孔堇青石材料，并研究造孔剂种 wasted magnesia cabon bricks % 类、造孔剂加入量和合成温度对合成和材料性能的 原料 A]O SO MO FeO C C 影响. 煤矸石 208353.29077 1.7 3.315.49 用后滑板砖8994380040.14004535 1堇青石合成化学设计 用后镁碳砖5.2526675551.271551342 如图1所示，形成堇青石的组成点正好落在由 按照表2配比将原料和造孔剂混合，以玛瑙球 煤矸石、废弃镁碳砖和废弃滑板砖组成的三角形中， 故可以以此为基础，经过计算设计三种原料的配比 作为球磨介质在无水乙醇C99.%)溶液中混合 均匀后干燥，以羧甲基纤维素钠溶液为黏结剂在 加入量，以制备堇青石材料.其反应方程式为： A1O·2S0°2HO→AJQ2S0+2HQ 40MP的压力下机压成型，尺寸分别为47mm义 6mmX6mm和120mn<20mnmX20m四将试样在 A1O·2S0-AQ+2S0 3(A)g2S0)→3A)02S0+4S0 1300~1420℃高温空气条件下保温1~6垢冷却. Mg)+SO→M)SO. 实验采用X射线衍射分析(XRD)鉴定合成试样的 3AQ·2S9+2(M0S0)+S0,→ 物相组成，采用扫描电子显微镜(SM观察显微结 Mg A]SjiOs+A1Q. 构并进行微区能谱分析(DS,在物相分析基础上 M)+A1O→MgA!O, 测定试样的抗折强度、显气孔率、体积密度、热膨胀 2 MgAJQ+5S0→M号A!SQs. 系数和荷重软化点. 表2实验原料配比（质量分数） MyO 01.0 Table 2 Conponents of rawv ma terials % 、镁碳砖 编号 煤矸石 用后滑板砖 用后镁碳砖 造孔剂 0.2 0.8 GJ 7021 1283 11.97 的质量分数 0.4 0.6 的质量分数 GK 6651 12.15 11.34 o dGL 0.4 6282 11.48 1071 15 (M 59.12 108 10.08 20 0.8 0.2 GN 5543 1013 9.45 25 煤矸石 滑板砖 1.0 GO 51.73 9.45 8.82 30 Si0,0 0.2 0.4 0.608 1.0Al,0 A山，0，的质量分数% 图1MO-SO-A!9三元相图 3结果与讨论 Fg 1 Phase digm of heMS0 AlO systom 3.1温度对多孔堇青石材料合成的影响 为研究合成温度对多孔堇青石材料合成的影 2实验 响，实验以20%复合添加剂作为造孔剂，研究 多孔材料的气孔率和强度是影响材料性能的关 1300~1420℃高温保温3h哈成堇青石材料，其 键、研究表明，合适的造孔剂与造孔剂加入量是制 XRD分析结果如图2所示. 备多孔材料的关键因素.实验分别采用淀粉、石墨 由图2可知：温度对堇青石材料合成的影响较 和复合添加剂（无机、有机混合物）作造孔剂研究 大，在1300℃下即有大量堇青石材料出现但纯度 造孔剂种类，造孔剂加入量和合成温度对多孔堇青 较低，含有较多的第2相，如尖晶石相和A!O相： 石材料抗折强度、显气孔率和热膨胀性能的影响. 随着温度的升高，材料中的堇青石的纯度增大，当温北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 的主要原料 [ 10--12] , C在高温下的燃烧也有利于多孔 材料的形成 .由于工业化进程的快速发展 ,固体废 弃物大量堆积, 不仅污染环境、占用土地, 还造成有 价资源的严重浪费.相对于国外而言 , 国内对固体 废弃物的利用起步较晚, 故对固体废弃物的研究具 有重要的意义,它有利于实现固体废弃物的减量化 和高附加值利用 [ 13--14] .本文以煤矸石和用后耐火 材料为原料 ,合成多孔堇青石材料,并研究造孔剂种 类 、造孔剂加入量和合成温度对合成和材料性能的 影响. 1 堇青石合成化学设计 如图 1所示 ,形成堇青石的组成点正好落在由 煤矸石 、废弃镁碳砖和废弃滑板砖组成的三角形中 , 故可以以此为基础, 经过计算设计三种原料的配比 加入量 ,以制备堇青石材料 .其反应方程式为 : Al2O3·2SiO2·2H2 O Al2 O3·2SiO2 +2H2O, Al2O3·2SiO2 Al2 O3 +2SiO2 , 3(Al2 O3·2SiO2) 3Al2 O3·2SiO2 +4SiO2 , MgO+SiO2 MgO·SiO2 , 3Al2 O3·2SiO2 +2(MgO·SiO2 )+SiO2 Mg2 Al4Si5 O18 +Al2 O3 , MgO+Al2O3 MgAl2 O4 , 2MgAl2 O4 +5SiO2 Mg2Al4Si5 O18 . 图 1 MgO--SiO2 --Al2 O3 三元相图 Fig.1 PhasediagramoftheMgO-SiO2 -Al2O3 system 2 实验 多孔材料的气孔率和强度是影响材料性能的关 键 .研究表明, 合适的造孔剂与造孔剂加入量是制 备多孔材料的关键因素.实验分别采用淀粉 、石墨 和复合添加剂 (无机、有机混合物 )作造孔剂, 研究 造孔剂种类 、造孔剂加入量和合成温度对多孔堇青 石材料抗折强度、显气孔率和热膨胀性能的影响 . 在实验最佳条件下制备大尺寸试样,测定其性能 ,为 工业化制备多孔堇青石材料生产提供实验基础. 实验原料采用煤矸石 (粒度为 45 μm)、首钢用 后滑板砖 (粒度为 45 μm)和首钢用后镁碳砖 (粒度 为 45 μm),其原料组成成分如表 1所示 . 表 1 煤矸石、用后滑板砖、镁碳砖的化学组成(质量分数) Table1 Chemicalcompositionofcoalgangue, wastedslidegatesand wastedmagnesiacarbonbricks % 原料 Al2 O3 SiO2 MgO Fe2O3 CaO C 煤矸石 20.83 53.29 0.77 1.7 3.3 15.49 用后滑板砖 89.9 4.38 0.04 0.14 0.04 5.35 用后镁碳砖 5.25 2.66 75.55 1.27 1.55 13.42 按照表 2配比将原料和造孔剂混合 ,以玛瑙球 作为球磨介质在无水乙醇 (≥99.7%)溶液中混合 均匀后干燥 , 以羧甲基纤维素钠溶液为黏结剂在 40 MPa的压力下机压成型, 尺寸分别为 47 mm× 6 mm×6 mm和 120 mm×20 mm×20 mm.将试样在 1 300 ～ 1 420 ℃高温空气条件下保温 1 ～ 6 h后冷却. 实验采用 X射线衍射分析 (XRD)鉴定合成试样的 物相组成 ,采用扫描电子显微镜 (SEM)观察显微结 构并进行微区能谱分析 (EDS), 在物相分析基础上 测定试样的抗折强度 、显气孔率 、体积密度、热膨胀 系数和荷重软化点 . 表 2 实验原料配比(质量分数) Table2 Componentsofrawmaterials % 编号 煤矸石 用后滑板砖 用后镁碳砖 造孔剂 GJ 70.21 12.83 11.97 5 GK 66.51 12.15 11.34 10 dGL 62.82 11.48 10.71 15 GM 59.12 10.8 10.08 20 GN 55.43 10.13 9.45 25 GO 51.73 9.45 8.82 30 3 结果与讨论 3.1 温度对多孔堇青石材料合成的影响 为研究合成温度对多孔堇青石材料合成的影 响, 实验以 20%复合添 加剂作 为造孔 剂, 研究 1 300 ～ 1 420 ℃高温保温 3 h合成堇青石材料, 其 XRD分析结果如图 2所示. 由图 2可知:温度对堇青石材料合成的影响较 大, 在 1 300 ℃下即有大量堇青石材料出现, 但纯度 较低 ,含有较多的第 2相 , 如尖晶石相和 Al2O3 相; 随着温度的升高,材料中的堇青石的纯度增大,当温 · 500·