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長白地區玄武巖拉絲可行性研究及尾礦制備輕質陶粒 金牌
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資料類型 采礦行業
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上傳時間 2020-9-4
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     I 長白地區玄武巖拉絲可行性研究及尾礦制備輕質陶粒 摘要 玄武巖連續纖維(Continuous Basalt Fiber,簡稱 CBF)是利用玄武巖礦石熔 融拉制而成的一種無機非金屬纖維。其具有較高的力學性能還擁有一系列特殊性 能,如絕緣性能好、耐溫及耐腐蝕性優異、抗輻射強、吸波、使用溫度范圍廣等。 在吸濕性、耐堿性等方面也明顯優于玻璃纖維。玄武巖連續纖維因其具有較大長 徑比,不宜被肺部吸入,被稱之為 21 世紀綠色材料。吉林省已探明玄武巖儲量 約占全國的 12%。吉林省長白地區玄武巖具有富含 FeO 及 Na 2 O + K 2 O 的特征, 可將其歸類于粗安玄武巖。本文針對長白粗安玄武巖,開展了拉絲可行性研究, 通過復配原料,拉制出 CBF,并利用玄武巖尾礦、油頁巖等固廢資源制備了輕 質陶粒,實現資源綜合利用。 通過對玄武巖礦石進行XRF測試分析,篩選出適合的玄武巖礦料進行拉絲實 驗。實驗發現:在1100~1480oC溫度條件下對玄武巖礦石粉進行熔融,分別采 取隨爐冷卻和淬冷的方式,通過X射線衍射分析(XRD)和偏光顯微分析,結果 表明只有1450oC后保溫9 h后的淬冷樣品能夠滿足拉絲要求。CBF直徑、線密度 和斷裂強度都隨著拉絲速率的增大而減小,所得CBF直徑為11.5~16.2 μm,當拉 絲速率為7.2 m/s時,纖維直徑為12.6 μm,線密度為3.54 Tex,斷裂強度為0.41 N/Tex;當拉絲速率為8 m/s時,纖維直徑為11.5 μm,線密度為3.39 Tex,斷裂強 度為0.40 N/Tex。 本文第二部分提出利用玄武巖尾礦和白泥為骨架,黑棉土作為助熔劑,油頁 巖作為發泡劑,制備出輕質陶粒,產品滿足 GB/T 17431-2010 輕質陶粒的標準。 實驗發現:原料質量配比為玄武巖:白泥:黑棉土:油頁巖= 2:1:1:1,燒結方式 為分階段燒結方法,樣品先在 450oC 進行預燒結,保溫 15 min 后,在 1180oC 的 溫度下,燒結 20 min,所制備的陶粒堆積密度為 662 kg/m 3 ,密度等級為 700, 吸水率為 1.61%,孔隙率為 41.43%,筒壓強度為 4.21 MPa。通過 X 射線衍射分 析(XRD)、熱重分析(TG)、電子探針(EMPA)和掃描電鏡(SEM)等表征 方法對陶粒的膨脹機理、物相轉變和微觀形貌進行了探究和分析。探討了成功燒 制陶粒的兩個條件:(1)原料在適宜的溫度下能夠形成粘度合適的玻璃態物質, 該物質用來封存原料釋放的氣體;(2)原料在形成玻璃態物質的同時要產生氣體。吉林大學碩士學位報告 II 修正后 Riley 相圖可為今后發泡陶粒的制備提供了可靠的理論依據。 所得 CBF(直徑為 13 μm)的成本約為 9289 yen/t,當前市場售價為 16000~ 25000 yen/t;所得輕質陶粒的生產成本約為 340.45 yen/t,售價為 400~600 yen/t,若用 作陶粒濾料價格則高達 2000 yen/t 左右。因此,利用該法開發長白地區玄武巖在技 術經濟層面具有可行性,對于地域經濟的發展具有重要意義。 關鍵詞: 玄武巖連續纖維,拉絲,可行性研究,發泡,輕質陶粒Abstract III Feasible Study on Drawing of Basalt in Changbai Area and Preparation of Lightweight Ceramsite from Tailings Abstract Continuous Basalt Fiber (CBF) is an inorganic non-metallic fiber which was produced by melting and drawing basalt. In addition to high mechanical properties, continuous basalt fiber also has much special properties, such as great insulation performance, excellent temperature and corrosion resistance, strong radiation resistance, microwave absorpting, wide temperature range and so on. The hygroscopeicity, alkali resistance and other aspects of CBF are also significantly better than glass fiber. The CBF is an eco-friendly material in 21st century due to its large length-diameter ratio and difficult to be inhaled by the lungs. It is reported that the basalt reserves of Jilin Province is account for about 12% of China. The basalt in Changbai area of Jilin Province was characterized by rich in FeO and Na2O + K2O, which can be classified into the coarse basalt. The CBF was prepared by compounding basalts which are from different Changbai areas, and lightweight ceramsite was prepared from basalt tailings, oil shale and other solid, this strategy could realize the comprehensive utilization on resources. The basalt was analyzed by XRF, and the suitable basalt was selected to drawing fibers according to the test results. The tested basalt to prepare CBF includes two calcined samples which were obtained by furnace cooling and quick-quenched followed by sintering at 1100~1450°C. Results of XRD and the polarizing analyze showed that only the quenching samples at 1450°C preserved for 9 h were suitable to drawing requirements. The diameter, linear density and the breaking force follows a decreasing trend with the increasing of the drawing velocity the CBF with a diameter of 11.5~16.2 μm obtained. When the drawing velocity was 7.2 m/s, the diameter of fiber was 12.6 μm,the linear density was 3.54 Tex, and the breaking strength was 0.41 N/Tex. When the drawing velocity was 8 m/s, the diameter of fiber was 11.5 μm and the linear density was 3.39 Tex, and the breaking strength was 0.40 N/Tex. The basalt tailing and the white mud as scaffolds for sintering ceramsites, the oil吉林大學碩士學位報告 IV shale as foaming agent and the black cotton soil as fluxing materials was utilized to invent the ceramsite in the second part of this parper. A lightweight ceramsite that meet GB/T 17431-2010 was successfully prepared according to a certain ratio and sintering strategy. The sample was prepared with a mass ratio of basalt: white mud: black cotton soil: oil shale = 2:1:1:1, the sintering strategy is a staged sintering method, the sample is pre-sintered at 450°C for 15 min, then the sample was calcined at 1180°C for 20 min. The bulk density of the lightweight ceramsite was 662 kg/m3, the density grade was 700, the water absorption was 1.61%, the total porosity reaches 41.43%, and the cylindrical compressive strength was 4.21 MPa. The bloating mechanism, mineral transformation and micromorphology of ceramsite were investigated by X-Ray Powder Diffraction (XRD), thermogravimetric (TG), Electron probe X-ray microanalyzer (EMPA) and scanning electron microscopy (SEM). The following two requirements are be satisfied to successfully make bloating ceramsites: (1) the raw pellets should generate vitrification when they are fired at a suited temperate, and the vitrification was viscose enough to trap the gas bubbles which were liberated by foaming agents; (2) the raw pellets must generate gaseous pores after the raw material was sintered to a viscous melt. This paper corrected the Riley diagram and the result would be a relatively reliable theoretical basis for the preparation of bloating ceramsite. To produce CBF with a diameter of 13 μm the costs was evaluated to be approximately 9289 yen/t. The current market price is 16,000~23,000 yen/t for CBF. The cost of producing lightweight ceramsite is 340.45 yen/t, and the price of lightweight ceramsite is 400~600 yen/t. On condition that the lightweight ceramsite was used as ceramsite filter material, the price is as high as 2,000 yen/t. All these data indicate that the exploitation and utilization of basalt are of great significance to local economic development and environmental protection. Key words: Continuous basalt fiber, drawing, feasible study, bloating, lightweight ceramiste目 錄 I 目 錄 第 1 章 緒論.............................................................................................1 1.1 玄武巖資源概述 .........................................................................1 1.2 CBF 介紹.....................................................................................3 1.2.1 CBF 生產工藝....................................................................3 1.2.2 CBF 發展歷程....................................................................4 1.2.3 CBF 的性質........................................................................5 1.2.4 CBF 的主要應用................................................................7 1.3 陶粒介紹 ...................................................................................11 1.3.1 陶粒生產工藝 ..................................................................11 1.3.2 陶粒發展歷程 ..................................................................11 1.3.3 陶粒的性質 ......................................................................11 1.3.4 玄武巖在陶粒等建材中的應用 ......................................12 1.4 選題意義和研究內容 ...............................................................13 1.4.1 選題意義 ..........................................................................13 1.4.2 研究內容 ..........................................................................14 第 2 章 實驗儀器及表征手段 ..............................................................17 2.1 實驗儀器設備 ...........................................................................17 2.2 實驗表征方法 ...........................................................................18 2.2.1 X 射線熒光光譜分析 ......................................................18 2.2.2 X 射線衍射分析 ..............................................................18吉林大學碩士學位報告 II 2.2.3 偏光顯微鏡 ......................................................................18 2.2.4 電子探針 X 射線顯微分析儀 .........................................18 2.2.5 直徑測試 ..........................................................................19 2.2.6 纖維線密度測試 ..............................................................19 2.2.7 CBF 力學性能測試..........................................................20 2.2.8 元素分析儀 ......................................................................20 2.2.9 掃描電子顯微鏡 ..............................................................21 2.2.10 熱重分析 ........................................................................21 第 3 章 玄武巖拉絲可行性研究 ..........................................................23 3.1 引言............................................................................................23 3.2 實驗部分 ...................................................................................24 3.2.1 CBF 的生產流程..............................................................24 3.2.2 不同溫度和冷卻方式對玄武巖熔體的影響 ..................24 3.3 實驗結果與討論 .......................................................................25 3.3.1 玄武巖原始樣品 X 射線衍射分析 .................................25 3.3.2 緩冷玄武巖熔融樣品測試 ..............................................26 3.3.3 淬冷玄武巖熔融樣品測試 ..............................................30 3.3.4 電子探針 X 射線顯微分析 .............................................32 3.4 CBF 樣品測試...........................................................................36 3.4.1 CBF 制作及樣品..............................................................36 3.4.2 纖維直徑測試 ..................................................................37 3.4.3 纖維線密度測試 ..............................................................39目 錄 III 3.4.4 力學拉伸性能測試 ..........................................................40 3.5 本章小結 ...................................................................................41 第 4 章 玄武巖尾礦制備輕質陶粒......................................................43 4.1 引言............................................................................................43 4.2 實驗............................................................................................44 4.2.1 實驗原料 ..........................................................................44 4.2.2 實驗方法及工藝流程 ......................................................46 4.3 討論與分析 ...............................................................................47 4.3.1 表觀變化 ..........................................................................47 4.3.2 不同溫度和配比對物理性能的影響 ..............................48 4.3.3 不同溫度和配比對筒壓強度的影響 ..............................50 4.3.4 不同溫度和配比對吸水率的影響 ..................................51 4.3.5 氣孔的微觀變化 ..............................................................52 4.3.6 氣孔的宏觀變化 ..............................................................54 4.3.7 熱重分析、膨脹機理和物相轉變 ..................................55 4.3.8 討論 ..................................................................................58 4.4 本章小結 ...................................................................................59 第 5 章 技術經濟可行性分析 ..............................................................61 5.1 引言............................................................................................61 5.2 技術分析 ...................................................................................61 5.3 經濟分析 ...................................................................................61 5.4 本章小結 ...................................................................................63吉林大學碩士學位報告 IV 第 6 章 結論...........................................................................................65



 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