燒結制度對釩尾礦陶粒性能及結構的影響

陳 佳 陳鐵軍 張一敏

(1.臨滄師范高等專科學校數理系，云南臨滄677000;2.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北武漢430081)

近年來，新型陶粒因質輕、強度高、保溫性好而廣受建材等行業關注［1-5］。由于陶粒原料的組成及理化性質各不相同，因此，其性能和燒結制度也存在較大差異。燒結作為陶粒制備工藝中的一個關鍵環節［6］，其燒結制度對陶粒質量的影響較大。

湖北某石煤提釩尾礦是一種優質陶粒原料，前期已完成了生陶粒的制備工藝技術研究，本試驗將著重對其燒結制度進行研究。

1 試驗原料

釩尾礦取自湖北某礦業公司，其主要組成礦物有石英、云母、高嶺石等;粉煤灰取自湖北某電廠;試劑型黏土取自廣東茂名某礦。各原料主要化學成分分析結果見表1。

表1 各原料主要化學成分分析結果Table 1 Main chemical composition of the main raw materials %

2 陶粒的制備與性能測試

2.1 陶粒的制備

用球磨機將釩尾礦、粉煤灰、黏土分別磨至－0.074 mm占80%，然后按照質量比6∶3∶1混合均勻，按水灰比0.15∶1加水調勻、陳化1 h，在800 mm×210 mm型圓盤造球機中造球(造球機轉速為30 r/min、傾角為45°)，自然風干，選取粒度為15～5 mm的生陶粒置于3段式臥式管爐中，以8℃/min的升溫速率升至預熱溫度，并保溫一定時間，再按同一升溫速率升至設定的燒結溫度，并保溫一定時間，最后自然冷卻至室溫，得到燒結陶粒樣品。

2.2 陶粒的性能測試

根據GB/T 17431.1—1998檢測陶粒樣品的顆粒強度和吸水率，并利用D/MAX－Ⅲ型X射線衍射儀和JSM－5610LV型掃描電子顯微鏡對樣品進行物相組成和微觀結構表征。

3 試驗結果與討論

3.1 預熱溫度對陶粒性能的影響

在陶粒燒結過程中，預熱可以一定程度上減少生球的水分，初步提高生球的溫度，使其在臥式管爐的高溫區不至于因內外溫度差太大而爆裂。故確定適當的預熱溫度和預熱時間十分重要。預熱溫度試驗固定預熱時間為30 min，燒結溫度為1 160℃，燒結時間為12 min，試驗結果見圖1。

由圖1可見，在試驗溫度范圍內，預熱溫度升高，吸水率上升、顆粒強度下降。綜合考慮，確定預熱溫度為400℃。

3.2 預熱時間對陶粒性能的影響

預熱時間試驗固定預熱溫度為400℃，燒結溫度為1 160℃，燒結時間為12 min，試驗結果見圖2。

圖1 預熱溫度對陶粒顆粒強度和吸水率的影響Fig.1 Effect of preheating temperature on the particle strength and water absorption of ceramsites

圖2 預熱時間對陶粒顆粒強度和吸水率的影響Fig.2 Effect of preheating time on the particle strength and water absorption of ceramsites

由圖2可見，預熱時間延長，陶粒的吸水率先顯著下降后小幅下降，顆粒強度先微幅下降后有所加速。綜合考慮，確定預熱時間為30 min。

3.3 燒結溫度對陶粒性能的影響

在陶粒的燒結過程中，其含有的硅鋁礦物發生反應形成凝膠相，使陶粒強度增大［7］。燒結溫度試驗固定預熱溫度為400℃，預熱時間為30 min，燒結時間為12 min，試驗結果見圖3，不同燒結溫度下陶粒的XRD圖譜和SEM照片見圖4、圖5。

圖3 燒結溫度對陶粒顆粒強度和吸水率的影響Fig.3 Effect of roasting temperature on the particle strength and water absorption of ceramsites

由圖3可見，燒結溫度對陶粒強度的影響較大，燒結溫度升高，陶粒的顆粒強度先升高后降低，吸水率下降。綜合考慮，確定陶粒的燒結溫度為1 130℃。

圖4 不同燒結溫度下陶粒XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of ceramsites at different roasting temperatures

由圖4可見，燒結溫度從1 090℃上升至1 170℃，石英及赤鐵礦的衍射峰逐漸減弱，說明在燒結過程中，石英及赤鐵礦逐漸熔融在液相中，陶粒內部液相區域的擴大與蔓延有利于增大陶粒的強度;在燒結溫度為1 130℃時產生了莫來石的衍射峰，說明陶粒中有少量的有利于陶粒強度增長的莫來石生成;燒結溫度從1 090℃上升至1 130℃，長石的衍射峰增強，說明陶粒中有有利于陶粒強度增長的長石形成，燒結溫度從1 130℃上升至1 170℃，長石的衍射峰減弱，而沒有新的衍射峰生成，說明在燒結溫度達到1 130℃以上，長石類礦物熔融形成多元低共熔物［8-9］。

圖5 不同燒結溫度下陶粒的SEM照片Fig.5 SEM photographs of ceramsites at different roasting temperatures

由圖5可見，陶粒的結構受燒結溫度的影響較大，燒結溫度為1 090℃時，陶粒中生成的少量液相填充在顆粒縫隙間，此時陶粒中的孔隙度很大，凝膠骨架尚未成形，因此該溫度下燒成的陶粒強度不高;燒結溫度達1 130℃時，陶粒內部形成了大量的液相，將組成陶粒的微觀顆粒聚合在一起，并形成封閉氣孔，因而該溫度下燒成的陶粒質輕、強度高、隔熱性好;燒結溫度進一步升至1 170℃時，陶粒內部液相的流動性提高，液相的不均勻流動與分布造成局部孔隙兼并增大，結構逐漸疏松，因而引起陶粒強度的下降。結合XRD圖譜，可以認為，長石類物質的生成提高了陶粒的強度、降低了吸水率;多元低共熔物的不均勻流動，造成陶粒內部孔隙的不均勻，進而造成陶粒強度下降、吸水率上升。

3.4 燒結時間對陶粒性能的影響

燒結時間試驗固定預熱溫度為400℃，預熱時間為30 min，燒結溫度為1 130℃，試驗結果見圖6，不同燒結時間下陶粒的SEM照片見圖7，試驗確定條件下陶粒的顆粒級配見表2、性能指標見表3。

圖6 燒結時間對陶粒顆粒強度和吸水率的影響Fig.6 Effect of roasting time on the particle strength and water absorption of ceramsites

由圖6可見，延長燒結時間，陶粒的顆粒強度先增大后減小，吸水率下降。綜合考慮，確定燒結時間為10 min。對應的顆粒強度為3.27 kN、吸水率為1.89%。

圖7 不同燒結時間下陶粒的SEM照片Fig.7 SEM photographs of ceramsites at different roasting time

表2 試驗確定條件下陶粒的顆粒級配Table 2 Grain size distribution of ceramsites under a certain condition

表3 試驗確定條件下陶粒的性能指標Table 3 Performance indicators of ceramsites under a certain condition

由圖7可見，燒結時間為6 min時，陶粒坯體未充分燒結，還可見許多未參與反應的片狀硅酸鹽類礦物［10］，并且形成的氣孔多為開口型連通氣孔，因此陶粒的強度不高;燒結時間為10 min時，陶粒坯體內液相明顯增多，大量的液相填充在晶體顆粒間，形成大塊的非晶態凝膠相，使坯體結構致密，且陶粒內部孔隙已轉化為不連通的閉口氣孔，因而該條件下的陶粒不僅強度高，而且堆積密度較低;燒結時間為16 min時，陶粒內部液相量未見明顯增加，但有些原本未連通的氣孔開始增大，且有部分轉變為開口型氣孔，使構成陶粒骨架的結構塌陷，這對于陶粒強度形成不利影響。

由表2、表3可見，預熱溫度為400℃，預熱時間為30 min，燒結溫度為1 130℃，燒結時間為10 min情況下的陶粒性能指標均達到GB/T 17431.1—1998要求。

4 結論

(1)與預熱溫度和預熱時間相比，燒結溫度和燒結時間對湖北某石煤提釩尾礦燒結陶粒性能的影響更顯著，提高燒結溫度、延長燒結時間，陶粒的顆粒強度先上升后下降，吸水率下降。

(2)在預熱溫度為400℃，預熱時間為30 min，燒結溫度為1 130℃，燒結時間為10 min情況下，所得陶粒吸水率、筒壓強度、粒型系數、堆積密度及顆粒級配均達到GB/T 17431.1—1998要求。

(3)XRD和SEM分析結果表明:①構成該石煤提釩尾礦燒結陶粒骨架的主要晶相為石英、長石及赤鐵礦。②適當提高燒結溫度或延長燒結時間，均有利于生成新的長石，新生成的長石與石英等硅鋁酸鹽礦物形成低共熔物，填充在坯體顆粒間，使陶粒內部形成相對均勻的不連通的氣孔，因而有利于提高陶粒的強度、降低陶粒的吸水率;過高的燒結溫度或過長燒結時間會使陶粒內部形成的多元低共熔物發生不均勻流動，導致氣孔兼并、結構疏松，陶粒強度下降。

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