利用銅尾礦制備陶質內墻磚試驗研究*

呂俊棟

(中條山有色金屬集團有限公司 山西 垣曲 043700)

前言

有色金屬礦的尾礦產出率通常高達90%以上，大量的尾礦堆積不僅占用了大量耕地，而且尾礦庫每年的維護也耗費了不少的人力和財力。大量的尾礦堆積，灘涂的干尾沙大風揚塵，嚴重污染環境。采礦選銅在給國家帶來經濟效益的同時，也產生了極為嚴重的環境和社會問題。實現尾礦綜合利用，資源與環境的協調發展，已經成為擺在我們面前的迫切課題。

中條山有色金屬集團有限公司選銅后的尾礦每年約700多萬噸全部排放到十八河尾礦庫，尾礦庫的運行維護產生高額成本。尾礦的粒度達到200目顆粒占70%左右。利用尾礦研制建筑陶瓷不僅符合國家提倡的綠色發展要求，而且由于尾礦本身粒度較細，為后續破碎球磨工序節約相當可觀的能耗。

我國是建筑陶瓷生產和消費大國，傳統的陶瓷原料正以每年超過億噸的數量高速消耗著；雜質含量較少，品質優良的陶瓷原料儲量急劇減少。開發新型建筑陶瓷原料顯得極為重要。

1 銅尾礦組分構成分析

1.1 銅尾礦的化學成分

用撿塊法從尾礦庫干灘選10個采樣點位，共取銅尾礦10 kg，實驗室用堆混法將其充分均化混合后進行化學成分分析。其化學成分如表1所示。

表1 銅尾礦主要化學分析(質量%)

表1顯示銅尾礦中主要氧化物為SiO2和Al2O3，占總成分80%以上，接近建筑陶瓷坯料中硅和鋁的成分，適合開發建筑陶瓷材料。但銅尾礦中的鐵含量過高會嚴重影響到坯體的白度，試驗過程考慮磁棒物理除鐵。

1.2 銅尾礦的礦物組成

銅尾礦的XRD衍射圖譜見圖1。

圖1 銅尾礦XRD衍射圖譜

從圖1可以看出，該尾礦主要由絹云母、綠泥石、石英、長石、方解石及少量磁鐵礦等礦物組成。絹云母、綠泥石、石英、長石、方解石含量占總量的98.5%，都是制備陶瓷的常用原料。銅尾礦物組成及含量見表2。

表2 銅尾礦的物相組成及含量(%)

銅尾礦的主要礦物組成顯示，除磁鐵礦外，銅尾礦中的其他礦物均可以作為建筑陶瓷生產用礦物原料，且尾礦中0.4%的方解石在配方體系中一定程度上起到礦化劑的作用，可以增強燒成時的反應能力，加速高溫固相合成。

1.3 銅尾礦的放射性檢測

銅尾礦的放射性檢測結果見表3。

表3 銅尾礦放射性檢測結果

從表3可以看出，該種銅尾礦的放射性檢測結果遠低于國家限制標準，制備出的陶瓷材料不會對人體健康構成危害，可放心使用。

2 銅尾礦墻地磚配方試驗

2.1 主要原料

2.1.1 銅尾礦

取自中條山有色金屬集團有限公司十八河尾礦庫，銅尾礦引入墻地磚坯料中，主要作熔劑原料。

2.1.2 鋁礬土

取自垣曲本地，鋁礬土引入墻地磚坯料中，主要提升配方中的鋁含量。

2.1.3 石英石

取自垣曲本地，石英石引入墻地磚坯料中，主要提升配方中的硅含量，同時作為高溫骨料存在。

2.1.4 葉蠟石

取自山西五臺，葉蠟石引入墻地磚坯料中，主要作為中溫料存在，同時兼有其它功效。

2.1.5 白云石

取自垣曲本地，白云石引入墻地磚坯料中，主要作為高溫鈣、鎂質原料存在，同時兼有其它功效。

該試驗配方所用到原料的化學成分分析如表4所示。

2.2 配方擬定

根據陶瓷墻地磚配方設計原則，結合建筑陶瓷配方和各種原料的化學組成，擬定陶瓷內墻磚試驗用配方見表5；各配方的化學成分見表6。

表4 配方原料的化學成分分析(%)

續表4

表5 試驗用配方的原料組成(%)

表6 試驗用配方的化學組成(%)

2.3 工藝流程

工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

2.4 試驗步驟及工藝參數

1)將石英石、葉蠟石、白云石預先破碎成小顆粒料烘干備用，銅尾礦、球土烘干備用，所有原料按設計比例稱量配料。

2)按原料質量的2～3倍加入直徑為20 mm的高鋁瓷球，加入0.5%的三聚磷酸鈉，使漿料含水率為36%，快速球磨機研磨12 min。

3)漿料過100目標準篩，篩下漿料用10 000高斯磁棒攪拌2 min除鐵，用流速杯、比重杯和秒表按測漿料密度、流速，球磨加工的泥漿細度要求控制為萬孔篩余1.0%～1.3%，流速控制20～50 s，密度控制在1.68左右。

4)泥漿放入鼓風干燥箱，180 ℃烘干2 h。干燥的漿料研碎后按干粉料質量的6%～8%噴入定量的自來水，粉料過20目標準篩，然后將粉料裝入試樣袋中封口陳腐48 h。

5)稱量40 g陳腐好的物料，裝填于50 mm的鋼質模具中，以液壓壓片機表頭40 MPa的壓力干壓成形，粉體的壓縮率為50%～60%。

6)坯體成形以后，用不銹鋼托盤將坯體放入干燥箱里烘干，烘干溫度110 ℃，時間大于2 h，隨機取5個干燥試樣進行生坯強度試驗，干燥強度≧0.8 MPa。

7)本試驗為了盡量貼近生產實際，將電阻爐預先預熱到800 ℃左右，然后打開爐膛，用長臂火鉗將墊有耐火材料的坯體放入爐膛中，迅速關閉爐門繼續升溫，高溫燒成結束后，試樣隨爐冷卻。

8)用游標卡尺測量計算試樣的燒成收縮；用白度儀測量坯體白度；用真空吸水率儀測量坯體吸水率；對成品外觀質量進行觀察。

3 試驗結果

試驗性能檢測結果見表7。

表7 性能檢測結果

從表7可以看出：①坯體呈土黃色，白度變化規律明顯，隨銅尾礦添加量增加而逐步降低，高比例添加尾礦試樣出現黑邊，主要由配方成分中的氧化鐵造成。氧化鐵為強熔劑物質，當其含量較高時，坯體加速高溫液相生成，縮窄配方燒成范圍，故試樣燒成時邊緣部溫度高于內部溫度，出現黑邊現象。②陶質坯體燒成溫度1 150 ℃，保溫10 min坯體微燒結，燒成收縮較小，總體控制在燒成收縮≦1%，側面反應坯體燒成過程的熱膨脹系數變化較小，成品磚型可控。③內墻磚吸水率介于10%～20%，試驗測得坯體燒成后吸水率部分試樣超過高限僅為參考值，上生產線生產時，磚坯表面淋釉。釉面將單面阻隔水分向坯體內部滲透，成品吸水率可控制在標準范圍內。

圖3 燒成坯體效果圖

燒結后外觀形貌如圖3所示。

4 結語

從上述探究結果可知，利用中條山銅尾礦部分取代內墻磚配方中的瘠性原料開發建筑陶瓷內墻磚制品是可行的，且漿料和坯體整體性能滿足整個工藝過程的各項要求，燒成試樣性能優良，增加廢物綜合利用率，減少優質原料消耗，節約生產成本，為銅尾礦的綜合利用開辟了新途徑。