利用鐵尾礦制備陶粒研究

劉剛，封孝信，胡晨光，賈援，安宇坤

(1. 華北理工大學 材料科學與工程學院，河北 唐山 063210；2. 河北省無機非金屬材料重點實驗室，河北 唐山 063210)

引言

我國是鋼鐵大國，也是礦業大國，在生產鋼鐵的同時，也產生了大量的鐵尾礦。這些鐵尾礦的大量推存，對土壤、水體及大氣均已造成嚴重的污染，給周邊人民的生存環境帶來了危害，甚至危及人們的財產及生命安全。

為了消除鐵尾礦的危害，國內學者已開展了大量的研究工作，尤其是在建筑材料中的應用研究[1-5]。該項目對利用鐵尾礦砂石代替天然砂石制備混凝土做了大量的研究工作[6-13]。同時也開展了利用鐵尾礦制備陶粒的研究工作。

1試驗用原材料

3種試驗原料的化學組成如表1所示。

表1 鐵尾礦、粘土和煤矸石的化學組成/wt%

(1)鐵尾礦：利用實驗室小型球磨機將其粉磨成具有不同細度的2種尾礦粉，分別為0.080 mm，方孔篩篩余2.1%(以下簡稱尾礦細粉)和9.5%(以下簡稱尾礦粗粉)。經XRD分析，其主要礦物為鉀長石、鈣長石、石英及少量磁鐵礦。

(2)粘土：經烘干箱烘干后，用球磨機磨細，細度為0.080 mm，方孔篩篩余4%。經XRD分析，其主要礦物是高嶺石和石英。

(3)煤矸石：用球磨機磨細，其細度為0.080 mm，方孔篩篩余4.5%。經XRD分析，其主要礦物也是高嶺石和石英。

2陶粒的制備

2.1 陶粒的原料配合及成型

原料配比如表2所示，其中C、D、E是100%使用鐵尾礦。

表2 原料的配合比/wt%

按上述配比稱量原料，把稱量的各種原料裝入搖籃罐中，混合均勻。在粉料中加入適量的水，制成粒徑為5～15 mm的小球，放入烘干箱中烘干2～4 h，備用。

試驗證明，將鐵尾礦磨細至一定細度，即使不加粘土類物質也可以成型。

2.2 試樣的煅燒

首先對原料進行差熱分析(DTA)以確定初始煅燒制度。根據差熱分析初步確定煅燒溫度在1 000～1 200 ℃之間，保溫時間在10～50 min之間。

把烘干的小球放入電阻爐中，選擇已經制定的煅燒溫度和保溫時間對其進行煅燒。先從1 000 ℃、10 min開始，根據每次的煅燒結果進而判斷下一組試樣的煅燒制度。試樣煅燒制度如表3所示。其中的慢速升溫是指從常溫開始加熱，快速升溫是指將小球直接放入接近煅燒溫度的電爐中。

表3 試樣的煅燒制度

3陶粒的性能測試

按照國家標準《輕集料及其試驗方法—第一部分：輕集料》(GB/T 17431.1-2010)[14]及《輕集料及其試驗方法—第二部分：輕集料試驗方法》(GB/T 17431.2-2010)[15]對陶粒試樣進行測量，測量的性能有包括表觀密度、吸水率、堆積密度、空隙率、筒壓強度和粒型系數。

4試驗結果及分析

4.1 陶粒試樣煅燒結果和分析

4.1.1陶粒試樣煅燒結果

煅燒所得陶粒試樣如圖1～圖5所示，其中每一張圖片代表一種煅燒制度下所得陶粒的典型外觀狀況。

圖1 S1-S6陶粒煅燒試樣

圖2 S7-S12陶粒煅燒試樣

圖3 S13-S18陶粒煅燒試樣

圖4 S19-S24陶粒煅燒試樣

圖5 S25-S31陶粒煅燒試樣

4.1.2試樣煅燒結果分析

觀察煅燒所得陶粒，大致分為以下幾種情況：

(1)S1：顏色呈土黃色，觸摸試樣，表面粗糙且有顆粒掉下，從1 m高處自由落下輕易被摔碎，表明其強度太低。由試樣的外觀可知試樣由于煅燒溫度低而未發生熔融現象；

S2：顏色比S1要稍微深一點，用手觸摸時表面掉落顆粒減少，強度稍有提高，初步顯示熔融現象；S3、S4、S5：與S2相比，顏色依次加深，強度也依次增大，熔融現象越來越明顯；

S6、S7、S8：3種試樣煅燒后結果相近，顏色呈黑色，強度大，不易碎，試樣燒結時表面發生熔融現象，試樣內部幾乎沒有實心球氣孔；

S9：顏色為黑色，試樣表面光滑，強度大，內部有少量氣孔，試樣幾乎無膨脹現象；

以上試樣是由于煅燒溫度低，試樣未達到燒結溫度所致；

(2)S12、S16、S17、S18、S20、S21：試樣顏色為黑色，表面光滑，強度大，內部有少量氣孔，試樣煅燒前后體積變化不大。這些試樣是由于煅燒溫度足夠，但是保溫時間不夠所致；

(3)S10、S13、S19、S22、S23、S29：顏色為黑色，試樣表面光滑，強度大，內部有大量氣孔，試樣體積變大，發生膨脹現象。這些試樣煅燒結果比較好，在煅燒溫度和時間上都比較合適；

(4)S11：顏色呈黑色，試樣過分熔融變形并發生粘連，內部氣孔較少，表面光滑，強度大。試樣保溫時間過長；

(5)S14、S15：二者表面均有少量的熔融現象，除此之外與煅燒前的原料幾乎相同。說明未經粉磨、成型加工的原料直接煅燒不能制得陶粒；

(6)S24、S25、S26、S28、S30、S31：試樣顏色呈灰色，煅燒時生成大量氣體，體積膨脹大，形成中空的球殼狀，強度小。說明加入煤矸石，引入的氣體過多；

S27：顏色為土黃色，球體開裂，未出現熔融現象，強度小；

加入煤矸石成分的試樣必須在電阻爐為室溫時放入，煤矸石成分的燒結溫度比較低，易燒結，并生成大量氣體。

由以上煅燒結果可得：

(1)在鐵尾礦細度相差不大時，相同配比的原料燒制陶粒所需的煅燒溫度和保溫時間基本相同；

(2)在鐵尾礦中加入煤矸石成分的試樣和未加其它成分的試樣所需煅燒溫度和保溫時間分別相同，而加入粘土成分的試樣煅燒溫度比其它兩種要稍高，保溫時間相同。可見其煅燒溫度與原料所含成分有關；

(3)鐵尾礦顆粒未經粉磨直接煅燒不能制得陶粒。

4.2 陶粒的性能測試

對煅燒效果比較好的S10、S22和S29幾種陶粒進行了性能測試。其中S10為95%的尾礦粗粉和5%的粘土，S22為100%的尾礦粗粉，S29為95%的尾礦粗粉和5%的煤矸石。結果如表4所示。

表4 陶粒性能測試結果

根據國家標準《輕集料及其測試方法—第一部分：輕集料》(GB/T 17431.1-2010)規定，3種陶粒試樣的吸水率遠遠小于標準中的規定值；S10陶粒的密度等級為800，S22和S29陶粒的密度等級為900；3種陶粒的筒壓強度均滿足標準要求，其中S22和S29達到了高強輕集料的強度要求；3種陶粒試樣的平均粒型系數都小于2.0，符合標準要求。

5結論

(1)利用鐵尾礦制備陶粒具有可行性。

(2)鐵尾礦磨細到一定細度，可不加其他成分而進行成型和煅燒出合格的陶粒。

(3)鐵尾礦在煅燒陶粒過程中可以加入適量的粘結成分，例如粘土、煤矸石。

(4)以鐵尾礦為主要原料燒制陶粒時適宜溫度在1 200 ℃左右，適宜保溫時間為15 min左右。