CN111119977A - 一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于抑爆材料技术领域，尤其涉及一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料及其制备方法和应用。所述方法为：1)将钢渣微粒、能够溶解出钢渣中铝、铁元素的酸溶液、过硫酸盐混合后在加热条件下搅拌，然后将反应液的pH调节为碱性，静置后得到上层絮状浊液和下层残渣；然后将絮状浊液、残渣分离出来；2)将絮状浊液用水搅拌洗涤，滴加氨基改性聚二甲基硅氧烷进行反应，分离出固体产物干燥后粉磨，得超细填充粉；3)将残渣洗涤后蒸养，然后碳化，得多孔残渣；4)采用真空抽滤法将所述超细填充粉装进多所述孔残渣的孔隙中，加入钙矾石、水泥和水进行拌合成颗粒进行干燥，即得。本发明以钢渣为基础制备原料，得到的抑爆材料具有良好的抑爆效果。

Description

一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于抑爆材料技术领域，尤其涉及一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料及其制备方法和应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

煤尘爆炸是在高温或一定点火能的热源作用下，空气中氧气与煤尘急剧氧化的反应过程，属于矿井中的重大灾害事故。其复杂的链式反应包括以下四个过程：(1)当可燃性煤以粉末飘尘状态存在时，由于总表面积显著增加，一旦遇见火源，氧化反应迅速发生；(2)当温度达到300～400℃时，煤的干馏现象急剧增强，放出甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氢和1％左右的其他碳氢化合物等可燃性气体；(3)生成的可燃气体在高温下吸收能量后，在尘粒周围形成气体外壳，即活化中心。当活化中心的能量达到一定程度后，链反应过程开始，游离基迅速增加，发生了尘粒的闪燃；(4)闪燃所形成的热量的传递给周围的尘粒，并使之参与链反应，导致燃烧过程急剧地循环发生。当燃烧不断加剧使火焰速度达到每秒数百米后，煤尘的燃烧便在一定临界条件下跳跃式地转变为爆炸。因此，煤尘爆炸发生的必不可少的前提分别是能够爆炸的悬浮煤尘浓度、点燃引爆煤尘的高温热源和足够的氧气含量。

针对如何控制爆炸，国内外学者分别从抑爆、泄爆和隔爆等方面对预防和降低爆炸危害开展研究，并取得丰硕成果。目前，最广泛使用的抑爆材料大多是具有灭火性能的固体粉末，主要利用其对火焰的熄灭作用来阻止爆炸火焰的传播。然而，本发明人在使用过程中发现：一些现有的这类抑爆材料的抑爆作用与爆炸机理和历程不匹配，从而造成抑爆效果不佳。因此，有必要进一步探索研究具有更好抑爆效果的抑爆材料。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料及其制备方法和应用，本发明以钢渣这种固废为基础制备原料，得到的抑爆材料不仅具有良好的抑爆效果，而且使钢渣废弃物变废为宝，实现了钢渣的资源化利用。

本发明的第一目的：提供抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法。

本发明的第二目的：提供该方法制备的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料。

本发明的第三目的：提供所述抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将钢渣微粒，能够溶解出钢渣中铝、铁元素的酸溶液，过硫酸盐混合后在加热条件下搅拌，然后将反应液的pH调节为碱性，静置后得到上层絮状浊液和下层残渣；然后将絮状浊液、残渣分离出来，备用；

(2)将步骤(1)得到的絮状浊液用水搅拌洗涤，然后向其中滴加氨基改性聚二甲基硅氧烷进行反应，且滴加过程中进行加热，反应完成后分离出固体产物，对该固体产物干燥后粉磨，得到超细填充粉，备用；

(3)将步骤(1)得到的残渣洗涤后在加压加热条件下进行蒸养，完成后将残渣继续在二氧化碳气氛和加热条件下进行碳化，得到多孔残渣，备用；

(4)采用真空抽滤的方法将所述超细填充粉装进多所述孔残渣的孔隙中，然后加入钙矾石、水泥和水进行拌合，对得到的颗粒进行干燥，即得钢渣基抑爆材料。

进一步地，步骤(1)中，所述钢渣微粒和过硫酸盐的添加比例为40-70重量份：0.5-1重量份。

可选地，所述酸溶液为盐酸溶液，其质量浓度为20-40％。所述酸溶液的添加量能够溶解出钢渣微粒中的铝、铁元素即可。

可选地，所述过硫酸盐包括过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾等中的任意一种。在过硫酸铵的氧化作用下，由盐酸从钢渣中溶解出的亚铁离子转变为铁离子，便于后续形成盐的氢氧化物微晶絮状体。

进一步地，步骤(1)中，所述碱性为pH＝8.5-9.5，可选地，采用氨水、氢氧化钠、氢氧化钾等进行所述pH值的调节，采用这三种物质进行pH的调节即可以将溶解出的铝、铁离子沉淀下来，又不会引入新的杂质。

进一步地，步骤(1)中，所述加热条件为：在50-60℃下搅拌1-1.5h。在低温加热条件下反应更有利于钢渣微粒中的铝、铁元素的快速溶出。

进一步地，步骤(1)中，还可以对得到的残渣进行多次提取(优选为3-5次)，方法同步骤(1)对钢渣微粒的处理过程，以进一步溶出残渣中的铝、铁元素，充分利用钢渣。

进一步地，步骤(2)中，所述氨基改性聚二甲基硅氧烷的添加量为：钢渣微粒：氨基改性聚二甲基硅氧烷＝40-70重量份：0.5-2重量份。

进一步地，步骤(2)中，所述加热的温度为30-55℃，反应时间为7-9h。

进一步地，步骤(2)中，所述超细填充粉的粒度在300目以上。

进一步地，步骤(3)中，所述加压加热条件下进行蒸养的条件为：在150-200℃、1.2-1.6MPa下蒸养9-12h。

进一步地，步骤(3)中，所述在二氧化碳气氛和加热条件下进行碳化的条件为：在2-3MPa、不低于80％的二氧化碳浓度和30-55℃条件下碳化2.5-4h；通过压蒸和碳化作用，多孔残渣颗粒表层附着了大量的氢氧化钙、氢氧化镁及碳酸钙、碳酸镁，其能够在遇热后分解出水蒸气或二氧化碳，起到终止爆炸的作用。

进一步地，步骤(4)中，所述钙矾石、水泥、水的添加量为：钙矾石：水泥：水：钢渣微粒＝100-120重量份：10-15重量份：3-10重量份：40-70重量份。

进一步地，步骤(4)中，所述干燥的方法为：将得到的颗粒至于筛网上，然后从下方引入45-65℃热风烘干，即得。

其次，本发明公开上述制备方法得到的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料。

进一步地，所述钢渣基抑爆材料结构为：超细填充粉填充、包裹在多孔残渣颗粒的孔隙中，由钙矾石和水泥硬化体组成的包裹层将填充、包裹有超细填充粉的孔残渣颗粒包裹在其中，从而形成了具有双壳层结构的核壳式钢渣基抑爆材料，其能够在抑爆过程中高度地与爆炸机理和历程进行匹配。

最后，本发明公开所述抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料在采矿领域中的应用。

本发明制备抑爆材料的特点之一为：当爆炸燃烧火焰与抑爆材料相遇后，由钙矾石和水泥硬化体组成包裹层首先发挥作用：含有32个结晶水的钙矾石在75℃时开始吸收热量并分解出大量结晶水，结晶水继续吸热蒸发成水蒸气，该过程吸收热量快速降低煤尘爆炸前驱火焰温度至最低着火温度以下，同时水蒸气使煤尘团聚降低可燃物浓度，使爆炸无法继续传播。

本发明制备抑爆材料的特点之二为：超细填充粉为氢氧化铁和氢氧化铝微晶体与氨基改性聚二甲基硅氧烷的所复合形成的有机-无机杂化体。当包裹层开裂并脱落后，氢氧化铁和氢氧化铝微晶体在150℃左右开始吸热分解出自由水，自由水瞬间变成水蒸气，再次使煤尘团聚降低可燃物浓度。而氨基改性聚二甲基硅氧烷中硅氧烷含有硅氧键、氨基和硅氧烷会快速附着到煤尘表层，隔热隔氧，中断燃烧反应链，阻止爆炸进一步发展。

本发明制备抑爆材料的特点之三为：多孔残渣颗粒，通过压蒸和碳化作用，多孔残渣颗粒表层附着了大量的氢氧化钙、氢氧化镁及碳酸钙、碳酸镁。其中：氢氧化钙、氢氧化镁在350-450℃时能够脱水生产大量水蒸气，再次使煤尘团聚降低可燃物浓度至煤尘爆炸下限，从而终止爆炸；而碳酸钙、碳酸镁在600-700℃时发生热分解，放出二氧化碳气体，稀释了空气中氧气浓度，中断燃烧反应链。

本发明制备抑爆材料的特点之四为：由于氢氧化钙、氢氧化镁、碳酸钙、碳酸镁的分解使多孔残渣颗粒内部形成特殊的微孔和缝隙，当维持燃烧所必须的活性游离基·OH和·H进入后由于冷壁效应失去反应活性而消亡，使传播通过的火焰发生淬熄，中断爆炸反应链，从而进一步抑制爆炸发展。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明以钢渣这种固废为基础原料，钢渣在盐酸的侵蚀作用下一方面玻璃体结构分解，活性离子增多，另一方面部分铁单质转变亚铁盐，在过硫酸铵的氧化作用下进而转变为铁盐，然后在碱性环境下生成大量的铁盐和铝盐的氢氧化物微晶絮状体；本发明的方法有效利用钢渣废弃物，变废为宝，且整个制备工艺简单，成本低廉。

(2)本发明制备的抑爆材料的抑爆作用与爆炸机理和历程高度匹配，从而形成了优异的抑爆效果。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如前文所述，现有的一些抑爆材料的抑爆作用与爆炸机理和历程不匹配，从而造成抑爆效果不佳。因此，本发明提出了一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料及其制备方法；现结合具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1

一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将40重量份钢渣微粒、3重量份质量浓度为20％的盐酸溶液和0.5重量份过硫酸铵作氧化剂加入到四口烧瓶中，在50℃下搅拌1小时，采用质量浓度为10％的氨水将pH值调整到9.0，静止10分钟，分离上层絮状浊液和下层残渣；

对得到的残渣进行多次提取：将残渣、3重量份质量浓度为20％的盐酸溶液和0.5重量份过硫酸铵再次加入到四口烧瓶中，在50℃下搅拌1小时，静止10分钟，分离，重复3次，将多次提取得到的絮状浊液合并，多次提取得到的残渣合并，备用；

(2)将步骤(1)得到的将絮状浊液用蒸馏水搅拌洗涤，然后移入四口烧瓶并滴加0.5重量份的氨基改性聚二甲基硅氧烷，温度30℃，反应时间为8h，然后过滤出固体产物，烘干，粉磨至300目以上，得到超细填充粉。

(3)将步骤(1)得到的残渣用蒸馏水洗涤，然后在150℃和1.2MPa下蒸养12小时，然后在2MPa、85％的二氧化碳浓度和30℃条件下碳化4小时，得到多孔残渣。

(4)采用真空抽滤的方法将超细填充粉装进多孔残渣孔隙，然后投入100重量份钙矾石、10重量份水泥和3重量份水拌合浆体，搅拌2分钟后，将颗粒至于筛网，然后从下方引入45℃热风烘干，得到钢渣基抑爆材料。

实施例2

一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将70重量份钢渣微粒、10重量份质量浓度为40％的盐酸溶液和1重量份过硫酸铵作氧化剂加入到四口烧瓶中，在60℃下搅拌1.5小时，用1mol/L的氢氧化钠将pH值调整到9.5，静止20分钟，分离上层絮状浊液和下层残渣。

对得到的残渣进行多次提取：将残渣、10重量份质量浓度为40％的盐酸溶液和1重量份过硫酸铵再次加入到四口烧瓶中，在60℃下搅拌1.5小时，静止10分钟，分离，重复5次，将多次提取得到的絮状浊液合并，多次提取得到的残渣合并，备用；

(2)将步骤(1)得到的絮状浊液用蒸馏水搅拌洗涤，移入四口烧瓶并滴加2重量份氨基改性聚二甲基硅氧烷(大约0.5h滴加完)，温度55℃，反应时间为7h，然后过滤出固体产物，烘干，粉磨至300目以上，得到超细填充粉。

(3)将步骤(1)得到的残渣用蒸馏水洗涤，然后在200℃和1.6MPa下蒸养9小时，然后在3MPa、80％的二氧化碳浓度和55℃条件下碳化2.5小时，得到多孔残渣。

(4)采用真空抽滤的方法将超细填充粉装进多孔残渣孔隙，然后投入120重量份钙矾石、15重量份水泥和10重量份水拌合浆体，搅拌5分钟后，将颗粒至于筛网，然后从下方引入65℃热风烘干，得到钢渣基抑爆材料。

实施例3

一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将50重量份钢渣微粒、8重量份质量浓度30％的盐酸溶液和0.8重量份过硫酸钠作氧化剂加入到四口烧瓶中，在55℃下搅拌1.5小时，用质量浓度为10％的氨水将pH值调整到8.5，静止15分钟，分离上层絮状浊液和下层残渣。

对得到的残渣进行多次提取：将残渣、8重量份质量浓度30％的盐酸溶液和0.8重量份过硫酸铵再次加入到四口烧瓶中，在55℃下搅拌1.5小时，静止10分钟，分离，重复5次，将多次提取得到的絮状浊液合并，多次提取得到的残渣合并，备用；

(2)将步骤(1)得到的絮状浊液用蒸馏水搅拌洗涤，移入四口烧瓶并滴加1.5重量份的氨基改性聚二甲基硅氧烷(大约0.5h滴加完)，温度40℃，反应时间为10h，然后过滤，烘干，粉磨至300目以上，得到超细填充粉。

(3)将步骤(1)得到的残渣用蒸馏水洗涤，然后在180℃和1.5MPa下蒸养10小时，然后在3MPa、90％的二氧化碳浓度和45℃条件下碳化3小时，得到多孔残渣。

(4)采用真空抽滤的方法将超细填充粉装进多孔残渣孔隙，然后投入110重量份钙矾石、13重量份水泥和5重量份水拌合浆体，搅拌5分钟后，将颗粒至于筛网，然后从下方引入55℃热风烘干，得到钢渣基抑爆材料。

性能测试：

以申请号为201810692866.1的专利文献中提出的方法制备的赤泥基粉体抑爆材料作为对比；对该赤泥基粉体抑爆材料和实施例1-3制备的抑爆材料的抑爆性能进行测试，其中该赤泥基粉体抑爆材料的数据采集自上述专利文献，测试结果如表1所示。

表1

	吸收热量(kJ/kg)	火焰传播速率(m/s)	最大爆炸压力(mbar)
				实施例1	1395	36	72.1
实施例2	1372	38	70.6
				实施例3	1436	32	74.4
对照例	985	60	89.8

由表1的检测数据可以看出，本发明制备的抑爆材料在爆炸过程中吸收热量高，最大爆炸压力小，火焰传播速率低，因此，具有良好阻爆性能，对爆炸的吸附能力强，这主要是本发明制备的这种具有双壳层结构的核壳式钢渣基抑爆材料具有与爆炸机理和历程更高的匹配度，从而形成了优异的抑爆效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，其特征在于，步骤为：

(1)将钢渣微粒，能够溶解出钢渣中铝、铁元素的酸溶液，过硫酸盐混合后在加热条件下搅拌，然后将反应液的pH调节为碱性，静置后得到上层絮状浊液和下层残渣；然后将絮状浊液、残渣分离出来，备用；

(2)将步骤(1)得到的絮状浊液用水搅拌洗涤，然后向其中滴加氨基改性聚二甲基硅氧烷进行反应，且滴加过程中进行加热，反应完成后分离出固体产物，对该固体产物干燥后粉磨，得到超细填充粉，备用；

(3)将步骤(1)得到的残渣洗涤后在加压加热条件下进行蒸养，完成后将残渣继续在二氧化碳气氛和加热条件下进行碳化，得到多孔残渣，备用；

(4)采用真空抽滤的方法将所述超细填充粉装进多所述孔残渣的孔隙中，然后加入钙矾石、水泥和水进行拌合，对得到的颗粒进行干燥，即得钢渣基抑爆材料。

2.如权利要求1所述的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钢渣微粒和过硫酸盐的添加比例为40-70重量份：0.5-1重量份；

优选地，所述酸溶液为盐酸溶液，其质量浓度为20-40％；

优选地，所述过硫酸盐包括过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾中的任意一种。

3.如权利要求1所述的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碱性为pH＝8.5-9.5，优选地，采用氨水、氢氧化钠或氢氧化钾进行所述pH值的调节。

4.如权利要求1所述的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述加热条件为：在50-60℃下搅拌1-1.5h；

或者，步骤(2)中，所述加热的温度为30-55℃，反应时间为7-9h；

或者，步骤(2)中，所述超细填充粉的粒度在300目以上。

5.如权利要求1所述的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述在二氧化碳气氛和加热条件下进行碳化的条件为：在2-3MPa、不低于80％的二氧化碳浓度和30-55℃条件下碳化2.5-4h。

6.如权利要求1所述的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氨基改性聚二甲基硅氧烷的添加量为：钢渣微粒：氨基改性聚二甲基硅氧烷＝40-70重量份：0.5-2重量份；

或者，步骤(3)中，所述加压加热条件下进行蒸养的条件为：在150-200℃、1.2-1.6MPa下蒸养9-12h；

或者，步骤(4)中，所述钙矾石、水泥、水的添加量为：钙矾石：水泥：水：钢渣微粒＝100-120重量份：10-15重量份：3-10重量份：40-70重量份。

7.如权利要求1所述的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述干燥的方法为：将得到的颗粒至于筛网上，然后从下方引入45-65℃热风烘干，即得。

8.如权利要求1-7任一项所述的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，对得到的残渣进行多次提取，方法同步骤(1)对钢渣微粒的处理过程；优选为提取3-5次。

9.权利要求1-8任一项所述的制备方法得到的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料；优选地，所述钢渣基抑爆材料结构为：由钙矾石和水泥硬化体组成的包裹层将填充、包裹有超细填充粉的孔残渣颗粒包裹在其中，形成具有双壳层结构的核壳式钢渣基抑爆材料。

10.如权利要求9所述的抑制煤尘爆炸的钢渣基抑爆材料在采矿领域中的应用。