江西某銅尾礦制備發泡陶瓷的正交試驗研究

楊 航，李偉光，申士富，黃良金，龔維強

（1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 大興 102628；2.江西銅業集團有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332000）

1 引言

尾礦是我國年產量最大的固體廢棄物［1］，由于尾礦庫儲量有限，大部分新產出尾礦面臨無處存放的情況，尾礦的隨意堆放，存在造成泥石流、滑坡及崩塌等災害的安全隱患；部分堆存的尾礦在選礦過程中殘余酸性化學試劑和重金屬或放射性元素，其有害組分會滲透入土壤，進入地下水庫，對環境造成嚴重污染［2-4］。此外，尾礦長期堆存會增加企業的庫存成本，加重經濟負擔。因此，為尾礦提供合理出路刻不容緩。

我國墻體保溫材料種類眾多，主要為有機保溫材料和無機保溫材料兩大類［5］。其中有機保溫材料較為普遍，占我國市場份額的絕大多數。有機保溫材料具有隔音、質輕和隔熱等優點，同時也存在強度低、耐久性差、耐火等級低和施工過程復雜等嚴重缺點；無機保溫材料雖然種類龐雜，但占市場份額比重小，主要分為纖維類、無機砂漿類和發泡水泥、泡沫混凝土以及蒸壓加氣混凝土砌塊等［6-7］。可持續發展戰略的推行和能源危機問題的突出，使得新型建筑墻體材料受到了更多的關注。

發泡陶瓷是一種性能優良的兼具保溫隔熱及輕質高強的多孔陶瓷材料。它的主要原料硅鋁氧化物、一些堿金屬氧化物和發泡劑。參考其化學成分組成特性，其主要原料可以選用一些尾礦及其他固體廢棄物代替，也可以選用陶瓷廢渣熟料，既可以實現廢物的二次利用，節約資源，又可以增強發泡陶瓷性能的穩定性。發泡陶瓷坯料在燒成過程中，會在一定的溫度下產生液相，此時發泡劑會發生反應產生氣體，產生的氣體在液相中分散成多個獨立的空間，最終產生均勻氣孔結構［8-9］。

2 試驗原材料分析

2.1 原料主要化學成分分析

試驗所用原料為來自江西某礦山尾礦庫及周邊采礦場的尾礦和廢石，其化學成分見表1。

由表1分析結果可知，選銅尾礦的硅鋁含量相對適中，且氧化鉀含量較高，適于制備發泡陶瓷，但尾礦含硫1.96%，可能對發泡陶瓷發泡過程產生不利影響，需在后續試驗中驗證。廢石-8中硅含量相對較低，鐵含量較高，不僅可以降低發泡陶瓷體系燒成溫度，還可以起到穩定發泡陶瓷氣孔結構的作用。因此通過分析，本試驗初步確定以尾礦為制備發泡陶瓷的主原料，以廢石-8為主要輔助原料，鈉長石用于補充熔劑組分，白云石用于校正鈣質熔劑組分。

表1 原料的主要化學成分分析結果

圖1 原料的X射線衍射圖譜

2.2 主要原料物相分析

主要分析了尾礦、鈉長石及廢石-8的物相，試驗結果見圖1。由分析結果可知，尾礦的主要礦物以石英和鉀長石居多，其次是白云母、高嶺石、蒙脫石、黃鐵礦等；鈉長石的主要礦相是石英、微斜長石及鈉長石；廢石-8的礦相主要是石英、水鈉錳礦等。

2.3 實驗流程

采用高溫熔融發泡法制備發泡陶瓷的工藝過程如圖2所示，具體步驟如下。

圖2 高溫發泡陶瓷的制備工藝流程

試驗步驟如下。

（1）將各種-2mm的原料按照設定配比稱重后加入球磨機，然后加入發泡劑、水等，在球磨機中球磨至一定時間。

（2） 將球磨漿料過80目篩后放入干燥箱中干燥。

（3）將干燥后的物料打散，然后均勻布料于耐高溫匣缽中。

（4）將匣缽置入馬弗爐中，在設定的燒成制度下燒成后隨爐冷卻。

（5）將燒成后的發泡陶瓷從匣缽中取出，用切割機將燒成后的毛坯板切割加工為規格尺寸試塊，檢測其主要性能指標。

3 正交試驗及結論

3.1 探索實驗研究

3.1.1 球磨時間探索試驗

制備發泡陶瓷的原料需基本通過0.058mm（即250目）。尾礦是幾種原料中的難磨原料，為了初步探索細度與球磨時間的關系，實驗室試驗采用50%的濃度，進行了尾礦不同球磨時間的探索試驗。不同球磨時間的尾礦粒度分布見表2。由試驗結果可知，4組球磨時間的漿料粒度都能達到90%在0.058mm（即250目）以下。因此可初步確定后續正交實驗的球磨時間水平設置。

表2 不同球磨時間的尾礦粒度分布

3.1.2 物料配比探索試驗

燒制發泡陶瓷時，需要根據坯料的化學成分組成找出可以滿足發泡劑產氣速率與坯料液相粘度和表面張力相契合的最佳燒成制度，因此配方的設計需要遵循一定的化學成分組成規則。相關文獻表明［10-11］，發泡陶瓷適宜的化學成分組成見表3。

表3 發泡陶瓷的適宜化學成分組成/wt%

根據經驗初步設置四組配比進行尾礦制備發泡陶瓷材料的探索實驗，表4為中四種物料配比。四組探索試驗對應的主要化學成分見表5。四組探索試驗的試驗條件為：發泡劑外摻量0.3%，球磨時間為2h，燒成溫度1200℃，保溫時間為60min。燒成試驗樣塊的外觀形貌見圖2。

表4 探索試驗的物料配比

表5 不同配方的主要化學成分

圖3 探索試驗發泡陶瓷的表觀形貌

由圖3可知，探索試驗的四組配方在該試驗條件下的物料配比均在可以燒制發泡陶瓷的范圍內，發氣過程與燒成熔融軟化過程匹配，但是制備的發泡陶瓷氣孔分布不均勻，存在貫通缺陷的現象，制備工藝參數仍需要進一步優化。在上述探索試驗基礎上設計正交實驗進一步驗證制備工藝參數。

3.2 正交試驗結果

根據探索試驗初步得到的發泡陶瓷配比和工藝參數范圍，設計L18（37）正交實驗表優化工藝參數（見表6和表7和表8）。由表8可知18組正交實驗配方化學成分組成均在發泡陶瓷坯料適宜的化學成分范圍內，正交實驗因素和水平設置合理。

表6 正交實驗因素與水平設置

分析檢測18組正交實驗參數下制備的發泡陶瓷的主要性能，包括孔隙率、表觀密度、抗壓強度及吸水率。通過直觀分析和方差分析研究工藝參數與性能之間的關系，同時得到對應的優選方案和最優工藝參數范圍。

表7 正交實驗表L18（37）

表8 不同試驗組的主要化學成分

表9為18組正交實驗組制備的發泡陶瓷材料的性能指標孔隙率、表觀密度、抗壓強度及吸水率的測試結果。K1、K2和K3分別是因素A、B、C、D、E、F、G的第1水平、第2水平和第3水平試驗均值；極差是同一因素的考察指標的最大值與最小值之差，其大小代表因素的水平改變對考察指標的影響大小，極差越大說明該因素對考察指標的影響越大。

3.2.1 表觀密度分析

正交實驗的表觀密度直觀分析結果見表9。由表9結果可知，燒成溫度F的極差最大為275.9，表明燒成溫度是對發泡陶瓷表觀密度影響最大的因素；發泡陶瓷的表觀密度應在滿足小于950kg/m3的條件下越小越好，因此三個均值中，水平三所代表的均值536.2kg/m3最小，所以取它的第三水平。以此類推，極差F＞E＞C＞G＞A＞B＞D，即影響發泡陶瓷表觀密度的因素排名依次為：F燒成溫度、E發泡劑摻量、C廢石-8摻量、G燒成時間、A尾礦摻量、B鈉長石摻量、D球磨時間；再通過比較各因素表觀密度的均值，確定最優方案為A2B1C3D2E3F3G2。

表觀密度的方差分析見表10，通過F檢驗結果表明，燒成溫度及發泡劑用量的F比＞F臨界值，表明燒成溫度和發泡劑用量是影響表觀密度的顯著性因素。

3.2.2 抗壓強度分析

正交實驗的抗壓強度直觀分析結果見表9。由表9結果可知，燒成溫度F的極差最大為6.201，表明燒成溫度是對發泡陶瓷抗壓強度影響最大的因素；發泡陶瓷的抗壓強度應在滿足大于3.5MPa的條件下越大越好，由于三個均值中水平一所代表的均值9.513MPa最大，所以取它的第一水平。以此類推，極差F＞E＞A＞C＞G＞D＞B，即影響發泡陶瓷抗壓強度的因素排名依次為：F燒成溫度、E發泡劑摻量、A尾礦摻量、C廢石-8摻量、G燒成時間、D球磨時間、B鈉長石摻量。通過比較各因素表觀密度的均值，確定最優方案為A1B1C2D2E1F1G1。

表9 發泡陶瓷配方及工藝正交實驗結果

圖4 正交實驗發泡陶瓷切塊照片樣塊

圖5 正交實驗發泡陶瓷表觀形貌

抗壓強度的方差分析見表11，通過F檢驗判斷對發泡陶瓷抗壓強度影響較大的顯著性因素。由表11可知，燒成溫度的F比＞F臨界值，表明燒成溫度是影響抗壓強度的顯著性因素。備注：“*”代表顯著，下同

表10 表觀密度方差分析

表11 抗壓強度方差分析

3.2.3 吸水率分析

正交實驗的吸水率直觀分析結果見表9。由表9結果可知，鈉長石用量的極差最大為1.297，表明鈉長石摻量是對發泡陶瓷抗壓吸水率影響最大的因素；發泡陶瓷的吸水率應在滿足小于3%的條件下越小越好，因此三個均值中，水平二所代表的均值1.405最小，所以取它的第二水平。以此類推，極差B＞F＞C＞D＞G＞E＞A，即影響發泡陶瓷吸水率的因素排名依次為：B鈉長石摻量、F燒成溫度、C廢石-8摻量、D球磨時間、G燒成時間、E、發泡劑用量、A尾礦摻量。通過比較各因素吸水率的均值，確定最優方案為A3B2C2D3E1F2G2。

吸水率的方差分析見表12，通過F檢驗判斷對發泡陶瓷吸水率影響較大的顯著性因素。由表12可知，鈉長石摻量、廢石-8摻量及燒成溫度的F比＞F臨界值，表明鈉長石用量、廢石-8摻量和燒成溫度是影響抗壓強度的顯著性因素，而鈉長石是最顯著影響因素。

表12 吸水率方差分析

3.2.4 孔隙率分析

正交實驗的孔隙率的直觀分析結果見表9。由表9結果可知，燒成溫度F的極差最大為12.75，表明燒成溫度是對發泡陶瓷孔隙率影響最大的因素；發泡陶瓷的孔隙率越大越好，因此三個均值中，水平三所代表的均值77.29最大，所以取它的第三水平。以此類推，極差F＞E＞C＞B＞A＞G＞D，即影響發泡陶瓷孔隙率的因素排名依次為：F燒成溫度、E發泡劑摻量、C廢石-8摻量、B鈉長石摻量、A尾礦摻量、G燒成時間、D球磨時間。通過比較各因素表觀密度的均值，確定最優方案為A2B1C3D2E3F3G3。

孔隙率的方差分析見表13，通過F檢驗判斷對發泡陶瓷孔隙率影響較大的顯著性因素。由表13可知，燒成溫度及發泡劑用量的F比＞F臨界值，表明燒成溫度和發泡劑用量是影響孔隙率的顯著性因素。因此，決定發泡陶瓷表觀密度的關鍵因素為燒成溫度和發泡劑用量。分別分析得到的表觀密度、抗壓強度、吸水率及孔隙率的優方案見表14。兼顧各個性能得到綜合優方案A2B1C2D2E1F3G2，即：銅尾礦摻量55%，鈉長石摻量20%、廢石-8摻量25%，白云石外摻量5%，發泡劑外摻量0.3%；最佳工藝流程為球磨時間1.5h，燒成溫度1200℃，保溫時間60min。

表13 孔隙率方差分析

表14 優方案對比

3.3 最優工藝參數驗證試驗

按照正交實驗優選出的最優物料配比和工藝參數進行驗證試驗，其發泡陶瓷切塊照片見圖6。由圖可知，該批次試驗樣塊孔分布均勻。性能檢測結果為：表觀密度605kg/m3，抗壓強度5.3MPa，孔隙率72.7%，吸水率1.4%。GB/T 23451-2009《建筑用輕質隔墻條板》中只有面密度的要求，面密度≤90kg/m2對應的表觀密度≤900kg/m3。因此本試驗制備出的發泡陶瓷結果符合要求。

圖6 最佳工藝參數制備的發泡陶瓷切面照片

4 結論

（1）本試驗用選銅尾礦的硅鋁含量相對適中，且氧化鉀含量較高；主要礦物為石英和鉀長石，其次是白云母、高嶺石、蒙脫石、黃鐵礦等；摻入鈉長石等輔料調整熔劑組分可用于制備發泡陶瓷材料。

（2）正交實驗表明，燒成溫度是影響強度和密度的最顯著性因素。影響發泡陶瓷表觀密度的因素排名依次為：燒成溫度、發泡劑摻量、廢石-8摻量、燒成時間、尾礦摻量、鈉長石摻量、球磨時間；影響發泡陶瓷強度的因素排名依次為：燒成溫度、發泡劑摻量、尾礦摻量、廢石-8摻量、燒成時間、球磨時間、鈉長石摻量。

（3）本試驗制備發泡陶瓷的最優配方為選銅尾礦摻量55%，鈉長石摻量20%、廢石-8摻量25%，白云石摻量為5%，發泡劑摻量0.3%；正交實驗優化后工藝參數為球磨細度為90% -0.054mm，馬弗爐燒成溫度1200℃，保溫時間60min。本試驗制備的發泡陶瓷表觀密度605kg/m3，抗壓強度5.3MPa，孔隙率72.7%，吸水率1.4%。密度和強度符合標準要求。