利用珍珠巖工業尾礦低溫快燒制備輕質陶瓷磚的研究

李衛東等

摘 要：本文以珍珠巖工業尾礦為主要原料，加入適量煉鋁赤泥、發泡劑和減水劑，采用低溫快燒工藝可制備既有裝飾效果，又有隔熱保溫功能的輕質陶瓷磚產品。實驗結果表明：珍珠巖尾礦適合用于低溫快速燒成的主體材料；赤泥中CaO、Na2O、Fe2O3含量較高，可以顯著降低燒成溫度。

關鍵詞：珍珠巖；工業尾礦；低溫快燒；輕質陶瓷；赤泥

1 前言

輕質陶瓷磚是指以陶瓷原料或工業廢料為主要原料，經成形、高溫燒成等生產工藝制成的低容重陶瓷磚（容重不大于1.50g/cm3）[1]。2001年，李小雷、韓復興、葉偉才 [2]首次利用建筑陶瓷工業廢棄物，如：耐磨磚磨邊料、原料污泥、釉料車間污泥、還原性造孔劑石墨粉及氧化性造孔劑硝酸鉀、二氧化錳等研制出多孔發泡輕質陶瓷材料。2004年，佛山歐神諾陶瓷有限公司首次利用拋光廢渣等研制出不加造孔劑的輕質陶瓷磚[3]。2010年，陳賢偉、路明忠、周子松等[4]首次利用拋光廢渣為主體原料研制出墻漆紋理的輕質保溫陶瓷磚。2011年，林偉、李小雷、韓復興[5]首次公開發表利用赤泥改性以拋光廢渣為主要原料的輕質保溫陶瓷磚技術。

珍珠巖的主要成分是SiO2、Al2O3，SiO2以玻璃質相存在，大量的玻璃相可加速石英顆粒的溶解，加快莫來石的發育生成，從而降低燒成溫度，可用作輕質陶瓷原料。黃英、李博文、何明生等[6]以珍珠巖尾礦為主要原料，添加適量平衡原料碳酸鈣及少量的成孔劑、粘結劑，制備出以硅灰石為主要物相的多孔陶瓷，充分利用了珍珠巖尾礦，降低了多孔陶瓷的生產成本。

河南信陽上天梯非金屬礦產資源儲量豐富，被稱為“亞洲第一礦”，其珍珠巖探明儲量為1.27億t，占我國珍珠巖工業儲量的70%以上。但目前，其珍珠巖的利用僅限于80目以上的礦砂，其余部分則作為尾礦丟棄，使礦砂資源沒有得到有效利用，這不僅浪費了有限的礦產資源，還對礦區周邊環境造成了嚴重污染[7]。因此，必須對珍珠巖尾礦礦產資源進行綜合的開發利用，尤其是高附加值產品的研究開發，以提高珍珠巖的綜合利用價值。本項目利用信陽豐富的珍珠巖尾礦資源，研究利用低溫快燒工藝制備輕質陶瓷磚，產品不僅具有瓷磚的裝飾效果，而且具有良好的保溫隔熱功能。

2 實驗原料及設備

2.1 原料選取

本實驗以信陽上天梯珍珠巖礦開采尾礦以及珍珠巖破碎、膨化等深加工產生工業固體廢棄物為主要原料，并部分消納周邊地區煉鋁赤泥。原料的取樣及制備依據如下：

（1） 1000 t以上尾礦堆。如果低于1000 t的尾礦需混合成1000 t以上再使用；

（2） 采樣點離頂部和底部不小于0.3 m，離表面不小于0.2 m；

（3） 采樣量不小于十萬分之一，行距與點距不小于0.2m，均勻分布于礦堆表面，在行距與點距的交叉點上取樣。

（4） 樣品自然晾曬后，采用四分法分樣；

（5） 去分樣品干燥箱烘干后，使用破碎機破碎；

（6） 采用四分法逐級縮減備份。

將代表性尾礦和工業固體廢棄物用代碼W01、W21、W35、A4（代表赤泥）、F11（代表珍珠巖制砂車間收塵器回收的粉塵）表示。

除了以工業尾礦、工業廢渣為原料外，還引入信陽方浩實業公司生產的發泡劑W801。為了改善泥漿的流動性，實驗還引入中國科學院廣州化學研究所的新型液體陶瓷減水劑N710。

2.2 原料化學成分

代表性尾礦渣和工業固體廢棄物W01、W21、W35、A4、F11化學質量百分組成見表1。

2.3 原料物性分析

珍珠尾礦產生在珍珠巖開采過程中，外觀和性能不同于主體礦床的伴生礦，這些伴生礦基本呈風化或半風化狀，伴生尾礦的堆放依據顏色、外觀及塑性特征堆放。由于珍珠巖尾礦均為土質，驗收時，采用粘土質陶瓷原料驗收方法。方法如下：量取100 mL水與200 g烘干過的樣品倒入高速攪拌機攪拌15 min，在攪拌前后，根據攪拌情況，適量加水，調整泥漿流出時間為20～40 s間，檢測泥漿的密度、含水率、篩余量，靜止24 h觀測泥漿穩定性。

2.4 主要儀器設備

（1） 電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG-9076A，上海精宏實驗設備有限公司；

（2） 電子萬能試驗機，WSM-20KB，濟南思達測試技術有限公司；

（3） 四柱液壓機，Ys-200t，佛山市南海區桂崗液壓機械廠；

（4） 電子天平，HZX-500，福州華志科學儀器有限公司；

（5） 導熱系數測定儀，DRH，湘潭湘儀儀器有限公司；

（6） 體視顯微鏡，XTL-340，上海光密儀器有限公司；

（7） 快速升溫箱式電爐，SSJ-I，洛陽市新奇實驗電爐廠；

（8） 涂4粘度計，LND-1，上海精暉；

（9） KM快速研磨機，KM-I，湘潭湘儀儀器有限公司。

3 實驗過程

實驗過程分為工藝技術路線的設計、坯體配方的研制、釉料配方及裝飾技術的研究和燒成制度的設計四個重點。實驗時，先對每種礦物原料進行泥漿性能測試、坯體性能測試、燒結性能測試及燒結礦樣微觀分析實驗。然后再研究組合配方的泥漿性能、坯體性能、燒結膨脹性能、裝飾性能。

3.1 配比設計

經過預實驗，依據低溫快速燒成、優選出一組配方，其配方組成質量百分組成見表3。

3.2 工藝技術路線

輕質陶瓷磚的制備工藝技術路線見圖1。

3.3 溫度燒成制度

輕質陶瓷磚的溫度燒成曲線見圖2。

4 實驗結果與討論

樣品的物理性能如表4所示。endprint

4.1 解膠問題

W01和W21尾礦膠體率高，A4赤泥尾礦電解質離子含量高，這些給泥漿解膠造成了困難。除了利用高效解膠劑N710外，調節配方組成結構解決解膠問題也是一條不錯的途徑。坯體配方P1109中，W35原料膠體率較低，F11為珍珠巖加工過程的微粉，這兩種原料的引入有利于提高坯體配方泥漿的容重、降低泥漿的流出時間，從而提高節能節時效率。

4.2 低溫快速燒成

F11固體廢棄物為珍珠巖破碎、篩分過程產生灰塵，顆粒細，K2O、Na2O、Fe2O3含量高，燒成溫度低；W35尾礦有一定塑性，膠體率適中，材料K2O、Al2O3含量高，而且燒失低，適合用于低溫快速燒成的主體材料；A4赤泥中CaO、Na2O、Fe2O3含量較高，可以大幅度降低燒成溫度；W01尾礦Al2O3含量低，原礦膠體含量高，顆粒細膩，CaO、K2O、Fe2O3含量也較高，同樣可以顯著降低燒成溫度。實驗以F11、W35、A4、W01四種原料為基礎，按照四角配位法，利用最低共熔點找到配方的適宜燒成制度。

4.3 產品性能及裝飾效果

輕質多孔陶瓷產品一直存在容重與抗彎強度、容重與裝飾效果之間的矛盾，為了解決產品的物理性能與裝飾效果，從輕質發泡陶瓷體組成、發泡劑、釉料和燒制窯具等四方面調整。燒制前先給窯具噴上一層球形α氧化鋁干粉，隨著坯體液相的增加和發泡劑的氧化，坯體開始膨脹，軟化。最后落在耐火具里成為具備一定形狀和容重的輕質陶瓷。釉料為啞光釉，通過不同色料和陰陽色噴施裝備，使得裝飾更加多樣化。

5 結論

通過對珍珠巖制砂車間收塵微粉以及具有一定塑性的珍珠巖尾礦、煉鋁赤泥的研究，研制出表面為啞光、凹凸形狀和陰陽色紋理的輕質陶瓷磚，不僅具有瓷磚的裝飾效果，而且具有良好的保溫隔熱功能。

（1） 研究表明，利用珍珠巖工業尾礦和珍珠巖制砂車間收塵微粉生產輕質陶瓷磚是可行的；

（2） 赤泥能顯著降低燒成溫度，以F11、W35、A4、W01四種原料為基礎的坯體配方具有顯著的低溫快燒發泡膨脹性能；

（3） W801發泡劑能適應低溫發泡工藝要求，赤泥和尾礦中氧化鐵成分有助于發泡劑充分反應；

（4） 通過一定的燒成制度，可以解決高溫燒結過程的一些反應和運動，蠕變和膨脹的性能解決了裝飾效果中的凹凸形狀的問題；啞光和陰陽色施釉技術解決色澤和紋飾的問題。

參考文獻

[1] 全國建筑衛生陶瓷標準化委員會，JC/T1095-2009，輕質陶瓷磚

[s].中國建材工業出版社，2010，5.

[2] 李小雷，韓復興，葉偉才. 建筑陶瓷廢料生產多孔陶瓷試驗[J].

河南建材，2002，（1）.

[3] 佛山歐神諾陶瓷有限公司，一種輕質陶瓷磚[P].專利號：

CN200420091245.1，2005，9.

[4] 陳賢偉，路明忠，周子松，韓復興等. 輕質陶瓷墻漆磚生產工藝研

究[J]. 陶瓷，2010，（10）.

[5] 林偉，李小雷，韓復興.拜耳法赤泥改性輕質陶瓷磚工藝研究

[J]. 陶瓷，2011，（8）

[6] 黃英， 李博文， 何明生等. 利用珍珠巖尾礦合成多孔硅灰石陶

瓷的實驗研究[J]. 硅酸鹽通報， 2003， （3）： 85～87.

[7] 李培啟. 關注“亞洲第一礦”的生態安全—信陽上天梯非金屬

礦生態環境問題調查[J].環境保護， 2006， （13）： 66～70.endprint

4.1 解膠問題

W01和W21尾礦膠體率高，A4赤泥尾礦電解質離子含量高，這些給泥漿解膠造成了困難。除了利用高效解膠劑N710外，調節配方組成結構解決解膠問題也是一條不錯的途徑。坯體配方P1109中，W35原料膠體率較低，F11為珍珠巖加工過程的微粉，這兩種原料的引入有利于提高坯體配方泥漿的容重、降低泥漿的流出時間，從而提高節能節時效率。

4.2 低溫快速燒成

F11固體廢棄物為珍珠巖破碎、篩分過程產生灰塵，顆粒細，K2O、Na2O、Fe2O3含量高，燒成溫度低；W35尾礦有一定塑性，膠體率適中，材料K2O、Al2O3含量高，而且燒失低，適合用于低溫快速燒成的主體材料；A4赤泥中CaO、Na2O、Fe2O3含量較高，可以大幅度降低燒成溫度；W01尾礦Al2O3含量低，原礦膠體含量高，顆粒細膩，CaO、K2O、Fe2O3含量也較高，同樣可以顯著降低燒成溫度。實驗以F11、W35、A4、W01四種原料為基礎，按照四角配位法，利用最低共熔點找到配方的適宜燒成制度。

4.3 產品性能及裝飾效果

輕質多孔陶瓷產品一直存在容重與抗彎強度、容重與裝飾效果之間的矛盾，為了解決產品的物理性能與裝飾效果，從輕質發泡陶瓷體組成、發泡劑、釉料和燒制窯具等四方面調整。燒制前先給窯具噴上一層球形α氧化鋁干粉，隨著坯體液相的增加和發泡劑的氧化，坯體開始膨脹，軟化。最后落在耐火具里成為具備一定形狀和容重的輕質陶瓷。釉料為啞光釉，通過不同色料和陰陽色噴施裝備，使得裝飾更加多樣化。

5 結論

通過對珍珠巖制砂車間收塵微粉以及具有一定塑性的珍珠巖尾礦、煉鋁赤泥的研究，研制出表面為啞光、凹凸形狀和陰陽色紋理的輕質陶瓷磚，不僅具有瓷磚的裝飾效果，而且具有良好的保溫隔熱功能。

（1） 研究表明，利用珍珠巖工業尾礦和珍珠巖制砂車間收塵微粉生產輕質陶瓷磚是可行的；

（2） 赤泥能顯著降低燒成溫度，以F11、W35、A4、W01四種原料為基礎的坯體配方具有顯著的低溫快燒發泡膨脹性能；

（3） W801發泡劑能適應低溫發泡工藝要求，赤泥和尾礦中氧化鐵成分有助于發泡劑充分反應；

（4） 通過一定的燒成制度，可以解決高溫燒結過程的一些反應和運動，蠕變和膨脹的性能解決了裝飾效果中的凹凸形狀的問題；啞光和陰陽色施釉技術解決色澤和紋飾的問題。

參考文獻

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4.1 解膠問題

W01和W21尾礦膠體率高，A4赤泥尾礦電解質離子含量高，這些給泥漿解膠造成了困難。除了利用高效解膠劑N710外，調節配方組成結構解決解膠問題也是一條不錯的途徑。坯體配方P1109中，W35原料膠體率較低，F11為珍珠巖加工過程的微粉，這兩種原料的引入有利于提高坯體配方泥漿的容重、降低泥漿的流出時間，從而提高節能節時效率。

4.2 低溫快速燒成

F11固體廢棄物為珍珠巖破碎、篩分過程產生灰塵，顆粒細，K2O、Na2O、Fe2O3含量高，燒成溫度低；W35尾礦有一定塑性，膠體率適中，材料K2O、Al2O3含量高，而且燒失低，適合用于低溫快速燒成的主體材料；A4赤泥中CaO、Na2O、Fe2O3含量較高，可以大幅度降低燒成溫度；W01尾礦Al2O3含量低，原礦膠體含量高，顆粒細膩，CaO、K2O、Fe2O3含量也較高，同樣可以顯著降低燒成溫度。實驗以F11、W35、A4、W01四種原料為基礎，按照四角配位法，利用最低共熔點找到配方的適宜燒成制度。

4.3 產品性能及裝飾效果

輕質多孔陶瓷產品一直存在容重與抗彎強度、容重與裝飾效果之間的矛盾，為了解決產品的物理性能與裝飾效果，從輕質發泡陶瓷體組成、發泡劑、釉料和燒制窯具等四方面調整。燒制前先給窯具噴上一層球形α氧化鋁干粉，隨著坯體液相的增加和發泡劑的氧化，坯體開始膨脹，軟化。最后落在耐火具里成為具備一定形狀和容重的輕質陶瓷。釉料為啞光釉，通過不同色料和陰陽色噴施裝備，使得裝飾更加多樣化。

5 結論

通過對珍珠巖制砂車間收塵微粉以及具有一定塑性的珍珠巖尾礦、煉鋁赤泥的研究，研制出表面為啞光、凹凸形狀和陰陽色紋理的輕質陶瓷磚，不僅具有瓷磚的裝飾效果，而且具有良好的保溫隔熱功能。

（1） 研究表明，利用珍珠巖工業尾礦和珍珠巖制砂車間收塵微粉生產輕質陶瓷磚是可行的；

（2） 赤泥能顯著降低燒成溫度，以F11、W35、A4、W01四種原料為基礎的坯體配方具有顯著的低溫快燒發泡膨脹性能；

（3） W801發泡劑能適應低溫發泡工藝要求，赤泥和尾礦中氧化鐵成分有助于發泡劑充分反應；

（4） 通過一定的燒成制度，可以解決高溫燒結過程的一些反應和運動，蠕變和膨脹的性能解決了裝飾效果中的凹凸形狀的問題；啞光和陰陽色施釉技術解決色澤和紋飾的問題。

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