电瓷废料的加工及资源化利用现状

2024-05-06陈丽芳陈刚

佛山陶瓷 2024年4期

陈丽芳，陈刚

（1.萍乡学院材料与化学工程学院，萍乡 337055；2.萍乡市阿尔泰电瓷有限公司，萍乡 337244）

1 引言

电瓷是电工陶瓷的简称，也称为瓷绝缘子，是绝缘子中的一种，在电力输送系统中主要起电气绝缘和支撑导线的作用，广泛的应用在输变电线路中[1]。电瓷根据其使用的电压等级分为低电压电瓷（交流1000V 及以下，直流1500V 及以下）和高电压电瓷（交流1000V 以上，直流1500V 以上），其中高压电瓷中又有超高压（交流330kV 和500kV，直流500kV）和特高压（交流750kV 和1000kV，直流800kV）之分；根据电瓷材料的组成分为硅质瓷和铝质瓷，其中铝质瓷可分为普通铝质瓷和高强度铝质瓷[1-2]。

近年来，我国电力行业不断发展，电瓷仍然是最广泛使用的绝缘子，随着电瓷行业产量的增加，产生的电瓷废料也会增加，为了实现电瓷行业的可持续发展，将电瓷废料资源化利用有着重要意义。

2 电瓷废料

电瓷废料是电瓷制品经高温烧成后所产生的不合格品以及在储存、搬运等生产工序中的损坏而造成的废品[3]，高温烧成后的不合格品主要是瓷体开裂、过烧或欠烧、釉面质量不合格、力学性能检验以及电气性能检验不达标等，在实际生产过程中虽然会通过控制生产工艺参数和标准化作业流程来控制产品质量，提高产品良率，但是生产制造过程中出现不合格并需要报废的产品是无法避免的，因此将电瓷废料作为原料用于其他产品的生产制造，这样既能产生社会效益和经济效应，在能够大量处理电瓷废料的同时又可以为其他产品生产提供一种新的原料或者材料，从而实现电瓷废料的资源化利用并发展循环经济创造经济价值。

2.1 电瓷废料的加工方式

电瓷废料和大多数陶瓷一样是一种硬度较高的材料，但是其抗冲击能力较差，是种脆性材料，因此通常采用物理机械方法进行破碎，电瓷废料制备成粉料的主要方法是先将电瓷废料用颚式破碎机进行粗碎，再用锤式破碎机细碎，之后用雷蒙磨粗磨，将得到的粉末通过分筛机进行分级，根据需求选择100 目、200 目、250 目、300 目或320 目筛网分级，然后除铁，得到的粉末称为废电瓷粉末或者简称瓷粉[4]，所制备的瓷粉可作为其他产品生产制造的原料使用。

图1（a）和（b）分别是普通电瓷废料和高强电瓷废料破碎后所得到的粉末扫描电镜（SEM）形貌照片，同时通过激光粒度法测试出粉末颗粒的粒度D50（中位径）分别为28μm 和40μm，从图中可以看出破碎后的电瓷粉末形状以多角形颗粒状为主，少量呈现条状和片状，高强电瓷废料由于强度高，破碎难度也更高，在相似破碎条件下，其粉末颗粒粒度也较大些。

图1 电瓷废料破碎后的SEM 形貌

2.2 废电瓷粉的化学组成

电瓷是由坯体在其表面施釉后进行高温烧成而形成，因此电瓷废料的主要化学成分是由坯料和釉料的成分共同组成。电瓷坯料的主要组成是黏土、熔剂原料（如长石）、石英、高铝原料或其他矿物原料，由于电瓷坯料中的部分石英和长石类原料等烧成后形成玻璃相，在长期运行后电瓷的强度下降较快，在坯料中提高Al2O3的含量可以引入刚玉晶体，有很高的化学稳定性，通常电瓷的使用电压越高铝含量就越高[1]；电瓷釉料的主要成分一般以长石、石英、滑石和高岭土等各种矿物原料及化工原料组成，电瓷废料破碎后，釉料中的二氧化硅等矿物含量会影响电瓷废料的化学组成，并且釉料中的组成成分以低熔点物质为主。表1 为低压电瓷和高压电瓷废料的主要化学组成，从表中可以看出，低压电瓷和高压电瓷的化学组成差异较大，尤其是的SiO2和Al2O3的含量，因此在使用电瓷废料作为生产制造的原料使用时，按照化学成分需求进行选择。

表1 电瓷废料的化学组成（wt/%)

电瓷废料虽是电瓷原料经过高温烧成（电瓷烧成温度范围一般是1150~1350℃）后经一定原因造成的废料，但其在高温烧成时仍然发生了一系列的物理化学变化，形成的物相有莫来石、石英、方石英、刚玉和玻璃相等[4]，其物相中的莫来石、方石英和刚玉均具有较高的强度、硬度、耐磨性和良好的化学稳定性。

2.3 电瓷废料的工艺性能

电瓷废料加工成粉末后，硬度高且不具有可塑性，是一种瘠性原料。废瓷粉作为某些生产制造的原料时，可以调整配方的可塑性，降低烧成收缩率，但是当大量使用造成产品成形性变差甚至是坯体开裂时，考虑添加可塑性原料或者成形剂来改善产品成型性和工艺性能。当废瓷粉用在坯料或者釉料中，考虑到其小于2μm 颗粒很少，浆料的悬浮性和稳定性会变差，需配以高可塑性的原料来改善其性能[7-11]。

3 电瓷废料的资源化利用现状

3.1 电瓷废料在电瓷生产中的再利用

3.1.1 电瓷废料用于电瓷釉料中

电瓷废料磨成粉末后，作为瓷粉添加到釉料中，可以取代釉料中部分长石、石英及高岭土的用量[12]，可应用于电瓷釉料配方中，将电瓷废料用于电瓷生产中的再利用是已经非常成熟的技术，某些电瓷厂瓷粉在电瓷釉料的添加量可以达到了5~30%[13]，添加的废瓷粉在烧成过程中有利于形成较厚的坯釉中间层，提高坯釉适用性，且由于废瓷粉是经过高温烧成后的原料，其化学活性明显降低，作为釉料组分，提高了釉料的始熔温度和扩大了烧成温度范围，有利于烧成过程中形成的气体排出，从而釉面针孔及釉泡数量能够明显减少[12]，达到改善釉面质量的作用。

3.1.2 电瓷废料用于电瓷坯料中

废瓷的化学成分和电瓷坯料的化学成分相近，且废瓷是经过高温烧成，因此添加到坯料中后在烧成工序中不会再分解产生气体，可改善釉面质量[9]，且废瓷粉在电瓷坯料中起骨架作用，废瓷中由于含有一定的釉料成分，烧结温度比同类坯料低，会降低产品烧成温度，从而降低产品的生产成本。李玉平[4]等将废弃高铝电瓷加工成瓷粉，并将其替代高铝电瓷中的部分铝矾土，用于电瓷坯料的配方中，得到了工艺性能及瓷性能和原配方接近甚至是更好的新配方，其实验中添加的瓷粉用量达到了20%。

3.2 电瓷废料用于生产耐火材料

耐火材料是耐火度不低于1580℃的材料，一般是指由无机非金属材料构成的材料和制品[14]，是高温技术领域的基础材料，其中应用最为普遍的是在各种热工设备和高温容器中，作为抗高温作用的结构材料和内衬，从表1 中看出电瓷废料主要化学成分是SiO2和Al2O3，由于经过高温烧成，有较高的强度和耐火度，可作为骨料用于耐火材料中[15]。

3.2.1 生产不定形耐火材料

薛海涛等[2]用废瓷制备不定形耐火材料，包括用电瓷废料制备耐热混凝土和高炉基建用喷涂料，在这两种不定形耐火材料中普通铝质电瓷废料和高强度铝质电瓷废料的添加量分别达到了60%和50%，同时所制备出来试块的理化性能指标能够达到实际工况的使用要求，该方法可节约大量的矿生耐火材料资源。

3.2.2 生产定形耐火材料（耐火砖）

汪雷等[16]用废高压电瓷和黏土为主要原料，锯末为造孔剂，添加一定量的结合剂和水，混合均匀后困料、成形，在1400℃烧成，制备出成本低廉的莫来石轻质砖。吕振飞等[17]用废电瓷、铝矾土熟料细粉和黏土为原料，以不同硅溶胶结合剂制备免烧成废电瓷基耐高温材料，可用于1100~1300℃的耐高温材料。

3.3 电瓷废料在混凝土和水泥中的应用

由于陶瓷废料的物理化学性质与普通混凝土中的骨料相似，同时陶瓷废料粉磨后具有火山灰质混合材料的特性[18]，电瓷废料是陶瓷废料中的一种，因此将电瓷废料破碎后可用做混凝土的骨料[19-20]，粉磨后也可做水泥砂浆的掺和料[21-22]。

3.3.1 电瓷废料用于混凝土材料中

Campos M A 等[19]将电瓷废料替代混凝土中的细骨料（沙子），原料配比是水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶添加剂=1∶2∶3∶0.4∶0.0064，采用了电瓷废料替代细骨料的比例分别为0%、25%、50%、75%、100%，实验表明电瓷废料替代细骨料没有影响混凝土的坍落度；当样品在365天后测试抗压强度，电瓷废料100%替换混凝土的抗压强度提高了53%；由于电瓷废料有更细的颗粒尺寸和相似的颗粒形貌，电瓷废料替代普通细骨料具有更好的径向压缩抗拉强度，提高率达到了60%左右。将电瓷废料作为骨料加入到混凝土中，可以减少城市建筑常用骨料的使用，不仅起到节约资源的作用，还能创造经济效益。

3.3.2 电瓷废料用于水泥砂浆中

Hong-seok Jang 等[21]将研磨后不同粒径的电瓷废料粉末加入到水泥基砂浆中，研究了电瓷废料粉末的粒度和含量对其性能的影响，研磨后的电瓷废料粒度分别是16μm 和9μm，在水泥中电瓷废料的添加量分别为0%、3%、5%、10%，配方的混合料中水∶水泥=0.5，水泥∶沙子=1∶2.45，实验表明添加9μm 电瓷废料粉末的水泥砂浆和易性比添加16μm 的有所降低；添加5%电瓷废料的水泥砂浆有最好的抗压强度；在普通硅酸盐水泥中加入电瓷废料粉末可以有效地降低碱硅酸反应的体积膨大。

3.4 电瓷废料用于制备多孔陶瓷

用工业废料制备多孔陶瓷，在陶瓷废料的资源化利用中已经开展了很多研究及应用，现在也有将电瓷废料用于制备多孔陶瓷方面的研究[23-28]，张武日[28]采用发泡法制备废瓷多孔陶瓷，以废电瓷粉、铝矾土、黏土为原料，添加硅溶胶为结合剂，聚乙烯醇为稳泡剂，十六烷基三甲基溴化铵作为发泡剂，经高温烧成后得到废电瓷基多孔耐高温材料，具有结构稳定、孔隙率高、耐热等优越性能。张东亮等[29]利用球磨后电瓷废料粉体为主要原料研制透水砖，85%电瓷废料为主要原料，2%十二烷基磺酸钠为造孔剂，5%氧化钙为烧结助剂，8%高岭土为结合剂混合，水料比0.9，湿磨4h 发泡得到浆料，再注浆成型干燥得到透水砖坯体，经过高温烧成得到透水砖。徐娜娜[5]将高压电瓷废料制备莫来石轻质隔热砖，以达到回收利用电瓷废料的同时降低轻质耐火材料制备成本的目的。

3.5 电瓷废料的其他用途

为了拓宽电瓷废料的更广泛使用并开发其优越性能，国内科研工作者们已经开展了电瓷废料的其他用途的研究，如利用电瓷废料制备陶粒支撑剂[6][30]，原位合成莫来石陶瓷[25]，制备复合相变储热材料[28]，制备轻质骨料[18]等，使电瓷废料得到进一步的开发利用。

4 电瓷资源化利用的问题及发展方向

目前电瓷废料的资源化利用方面取得了一定成绩，在电瓷产业聚集区域已经有专业的相关企业进行电瓷废料回收并加工成原料，但是在技术和应用方面仍然存在一些困难和问题，综合考虑目前电瓷废料的利用现状，可从以下几个方面开展研究：

4.1 电瓷废料的成分和性能

电瓷由于其瓷体主要成分、釉面成分、产品规格尺寸等有差异，不同型号电瓷产品造成加工出来的电瓷废料有一定或较大的成分波动，目前电瓷废料的回收价格主要是取决于其氧化铝含量，因此在使用电瓷废料前需对其成分和性能进行深入了解，为电瓷废料的开发利用提供理论依据。

4.2 电瓷废料的釉层屏蔽技术

由于电瓷表面覆盖的釉层熔融温度较其坯体更低，将电瓷废料破碎后再利用高温烧成时，其低熔点组分容易发生液相迁移，降低烧成温度和劣化其高温性能，因此电瓷废料中的低熔点组成限制了其回收利用[17]，通过改良配方如添加高熔点超细微粉，对电瓷废料中低熔点组分的进行屏蔽，实现电瓷废料向高温材料的应用[2]。

4.3 电瓷废料的加工设备

电瓷废料的加工方式一般是粗碎→（中碎）→细碎→粉磨→筛分→除铁，然后球磨加工成可用粉料，将电瓷废料加工成粒度分布窄的大颗粒或制备超细粉体直接用于生产产品鲜有涉及，因此可开发专用于电瓷废料的磨粉工艺和设备，拓宽电瓷废料的应用领域。

4.4 开发电瓷废料的应用领域

目前电瓷废料的主要应用领域是在电瓷生产中的再利用和耐火材料中的应用，而在耐火材料中应用的主要是中低温耐火材料，因此开发电瓷废料的新应用领域，实现电瓷废料高附加值利用将是电瓷废料综合利用的一个发展方向。

4.5 制定相应的支持政策

随着我国可持续发展战略的实施，政府相关部门对电瓷废料回收再利用的厂家实行一定的优惠政策，鼓励其利用当地产业区的电瓷废料进行第二次开发，调动社会资源对环境保护及资源再利用的积极性，如在2019年3 月，萍乡市芦溪县出台了《关于加快电瓷产业集群发展的十条政策》，在政策的第(三十一)条，明确了对年综合利用电瓷废弃物10000 吨以上、5000 吨以上的企业给予10 万元、5 万元的奖励，该政策鼓励了当地电瓷废料回收企业加入到“变废为宝”的行动中。同时相关部门可再采取一定的鼓励措施和优惠政策，鼓励利用电瓷废料作为原料大量生产再生产品。