粉煤灰在陶瓷板中的應用*

潘利敏

（蒙娜麗莎集團股份有限公司 廣東 佛山 528211）

前言

粉煤灰是煤或煤粉在鍋爐中經過1 100～1 500℃燃燒后，再由除塵器收集得到的細粒分散狀殘余物質。它主要來源于火力發電廠所用的煤粉爐及沸騰爐［1～2］。隨著我國電力工業的迅速發展，導致粉煤灰的排放量急劇增加，此類發電廠粉煤灰的排放量每年達2.2億t以上［3～4］。

粉煤灰的化學成分與陶瓷板原料成分相似。因此，根據其所含的特有成分研制出相應的陶瓷板產品，開拓出工業廢渣綜合利用的新途徑，既降低了產品的生產成本、提高了市場競爭力，又可治理環境污染，利于環境，具有重要的經濟意義和社會意義。

1 粉煤灰理化性能研究

1.1 粉煤灰物理性能研究

本研究所采用的粉煤灰來源于山西朔州，其中粉煤灰的比重與流速的測試條件為取500g烘干后的粉煤灰，加入水300g﹑三聚磷酸鈉3g，球磨16min，用比重杯﹑50ml流速杯分別測得漿料比重為1.57g／cm3，流速為31s。

1.2 粉煤灰化學成分分析

對粉煤灰樣品進行熒光分析，其化學成分如表1所示。

表1 粉煤灰的化學成分（質量%）

朔州粉煤灰的主要成分是：Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3，其中CaO﹑MgO的含量偏高，這會影響球磨后漿料的流動性，具體表征為漿料流速慢或流不盡，從而影響噴霧干燥的粉體收成率。

1.3 粉煤灰的物相及顯微結構分析

粉煤灰是晶體礦物和非晶體礦物的混合物，其礦物組成的波動范圍較大。研究采用的粉煤灰礦物成分分析結果如圖1所示。

圖1（a）為粉煤灰的XRD圖譜。從圖1（a）可以看出，其礦物組成以玻璃相為主，約占70%～80%，同時，還含有少量的結晶礦物石英和莫來石。從圖1（b）掃描電鏡研究表明，粉煤灰的微觀形態為球狀玻璃微珠。這種球狀微珠具有較高的硬度和較高的熔點，在瓷體中發揮著重要作用［5～7］。

圖1 粉煤灰的XRD圖譜及SEM照片

1.4 粉煤灰的粒度分析

粉煤灰的粒度經馬爾文激光粒度分布儀分析可得知，其粒度分布曲線見圖2。

圖2 粉煤灰粒度分布曲線

從圖2可知，粉煤灰D50＝58.54μm，與現有建筑陶瓷原料的中位徑（30～50μm）基本接近，作為建筑陶瓷基料可以節約球磨時間，提高球磨效率。

2 粉煤灰在陶瓷板中的應用

2.1 坯體配方研究

摻入粉煤灰的陶瓷板的配方設計要遵循陶瓷板的配方原則，配方的化學成分應與常規配方設計一致。另外，粉煤灰含鐵量高（Fe2O3：3.28%），較難氧化且易出現黑心和鼓包現象，因此使用時要進行嚴格的除鐵處理［8］。

經試驗確定了摻粉煤灰陶瓷板配方，并對燒制后樣品進行物理、化學性能檢測，表2為設計坯體配方，表3為坯體配方的化學成分。試驗采用德國耐馳DIL402PC型熱膨脹儀測試燒 結溫度范圍，測試結果見圖3。

表2 坯體配方（質量%）

表3 坯體配方的化學成分（質量%）

圖3 燒結溫度范圍對比

其中a試樣是未添加粉煤灰坯體燒結溫度范圍，燒結點為1 296.7℃，燒結溫度為1 283.3～1 308.5℃。b試樣為添加粉煤灰坯體燒結溫度范圍，其燒結點為1 295.3℃，燒結溫度為1 280.4～1 308.6℃（根據經驗實際燒結溫度比測試溫度要低90℃左右）?？梢娞砑臃勖夯业呐黧w燒結范圍比普通坯體略寬，可能是由于鋁含量較高使坯體燒成時高溫液相粘度增大，熔融范圍增寬，其燒結范圍越寬，越有利于燒成工序的調節。

2.2 燒成制度研究

相比于現有的陶瓷板產品燒成制度，加入粉煤灰后窯爐需要適當調整。在設計燒成曲線時，應該考慮氧化帶的溫度時間設計，適當延長氧化段保溫時間，以確保氧化完全，燒成溫度曲線見圖4。

圖4 普通陶瓷板和摻雜粉煤灰陶瓷板的燒成曲線對比

2.3 產品性能

摻雜粉煤灰后的產品的理化性能如表4所示。

表4 普通陶瓷板和摻雜粉煤灰陶瓷板的部分性能對比

由表4可知，摻雜粉煤灰的陶瓷板吸水率基本保持不變，斷裂模數、熱穩定性與普通生產的陶瓷板相差不大。但當加入粉煤灰后，會降低產品的白度，因此，這僅適用于生產顏色較暗的陶瓷板產品。

3 結論

1）對山西朔州粉煤灰的物理性能、化學組成、物相及顯微結構以及相關工藝性能進行了研究。朔州粉煤灰的主要成分是：SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等；其礦物組成以玻璃相為主，約占70%～80%，并含有少量的結晶礦物石英和莫來石；粉煤灰的微觀形態為球狀玻璃微珠。

2）由于粉煤灰中鐵含量高，較難氧化導致產生黑心和鼓包，用于陶瓷板中要進行嚴格的除鐵處理；加入粉煤灰后燒成制度需要適當調整，應適當延長氧化段保溫時間，以確保氧化完全。

3）摻入粉煤灰的陶瓷板與普通生產的陶瓷板相比，吸水率、斷裂模數、熱穩定性等產品內在性能指標基本保持穩定，但加入粉煤灰后，可降低產品的白度。

1 韓敏芳，原建民，李伯濤.粉煤灰綜合利用技術進展［J］.中國非金屬礦工業導刊，2004，41（21）：44～46

2 Radomir Sokolar，Lucie Vodova.The effect of fluidized fly ash on the properties of dry pressed ceramic tiles based on fly ash－clay body［J］.Ceramics International，2011，37：2 879～2 885

3 Zimmer A，Bergmann C P.Fly ash of mineral coal as ceramic tiles raw material［J］.Waste Management，2007，27：59～68

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5 Bhasin S，Amritphale S S，Chandra N.Effect of pyrophyllite additions on sintering characteristics of fly ash based ceramic wall tiles［J］.British Ceramic Transactions，2003，12：83～86

6 梁天仁.粉煤灰礦物相及顯微結構的形成機理［J］.硅酸鹽通報，1984，4（5）：28～35

7 汪慶剛，潘炳宇，潘利敏，等.粉煤灰在有釉瓷質磚中的應用［J］.佛山陶瓷，2014（5）：25～27

8 邢偉宏.粉煤灰陶瓷墻地磚黑芯及鼓泡形成原因分析［J］.全國性科技核心期刊——陶瓷，1999（1）：40～41