拜耳法赤泥改性陶瓷輕質磚工藝研究＊

林 偉 李小雷 韓復興 王太華

（1佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司研發(fā)中心 廣東 佛山 528031）（2河南理工大學材料科學與工程學院 河南 焦作 454000）

拜耳法赤泥改性陶瓷輕質磚工藝研究＊

林 偉1李小雷2韓復興1王太華1

（1佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司研發(fā)中心 廣東 佛山 528031）（2河南理工大學材料科學與工程學院 河南 焦作 454000）

繼國務院發(fā)出《有色金屬產業(yè)調整和振興規(guī)劃》，2010年8月10日，工信部和科技部聯(lián)合發(fā)出《赤泥綜合利用指導意見》，要求：提高赤泥綜合利用率和綜合利用技術水平，減少赤泥堆存對環(huán)境、安全造成的影響，促進赤泥綜合利用工作。傳統(tǒng)陶瓷輕質磚如拋光廢渣陶瓷輕質磚和頁巖陶瓷輕質磚存在保溫效果差，抗折強度低，抗靜電能力差等弱點，利用拜耳法煉鋁赤泥改性拋光廢渣輕質陶瓷磚進行了研究探索，并在佛山石灣鷹牌有限公司生產線上制得了樣品。

氧化鋁 赤泥 資源化利用 輕質陶瓷 改性 拋光廢渣 頁巖

前言

氧化鋁冶煉方法主要有3種，即：拜耳法、燒結法和聯(lián)合法，3種不同的方法產生的赤泥成分、性質、物相各異。燒結法冶煉氧化鋁時，首先是在原料鋁礬土中配合一定量的碳酸鈉，然后在回轉窯內經高溫煅燒制成以鋁酸鈉為主要礦物的中間產品，即鋁酸鈉熟料，再經溶解、結晶、焙燒等工序制取氧化鋁，溶解后分離出的漿狀廢渣便是燒結法赤泥。采用燒結法冶煉氧化鋁，赤泥外排量平均為0.7～0.8t氧化鋁。聯(lián)合法是拜耳法和燒結法的聯(lián)合使用，聯(lián)合法所用的原料是拜耳法排出的赤泥，然后采用燒結法再制取氧化鋁，排出的赤泥為燒結法赤泥。

拜耳法是由奧地利化學家拜耳（K·J·Bayer）于1889～1892年發(fā)明的一種從鋁土礦中提取氧化鋁的方法。拜耳法包括兩個主要過程。首先是在一定條件下氧化鋁自鋁土礦中的溶出（即浸出）過程，然后是氫氧化鋁自過飽和的鋁酸鈉溶液中水解析出的過程，這就是拜耳提出的兩項專利。拜耳法的實質就是以濕法冶煉的方法，從鋁土礦中提取氧化鋁。拜耳法冶煉氧化鋁采用的是強堿NaOH溶出高鋁、高鐵、一水軟鋁石型和三水鋁石型鋁土礦。作為主要原料的鋁礬土經過高溫煅燒環(huán)節(jié)被直接用來溶解、分離、結晶、焙燒等工序得到氧化鋁，溶解后分離出的漿狀廢渣是拜耳法赤泥。采用拜爾法冶煉氧化鋁，赤泥外排量平均為1～1.1t氧化鋁。

赤泥是鋁土礦提煉氧化鋁過程中產生的廢棄物。在拜耳法流程中，鋁土礦經破碎后和石灰、循環(huán)母液一起進入濕磨，制成合格礦漿。礦漿經預脫硅之后預熱至溶出溫度進行溶出。溶出后的礦漿再經過自蒸發(fā)降溫后進入稀釋及赤泥（溶出后的固相殘渣）的沉降分離工序。自蒸發(fā)過程產生的二次汽用于礦漿的前期預熱。沉降分離后，赤泥經洗滌進入赤泥堆場，而分離出的粗液（含有固體浮游物的鋁酸鈉溶液）送往過濾。

隨著鋁工業(yè)的發(fā)展，目前全世界每年產生的赤泥約5 500萬t，我國每年產生的赤泥為300萬t以上。由于大量的赤泥未得到充分利用，長期占用大量土地，造成土地堿化，地下水受到污染，危害人們的健康。我國對赤泥的處理大都采用平地高臺、凹地填充等方法。

近年來，由于國家節(jié)能減排要求嚴格，大部分廠放棄了聯(lián)合法生產工藝，使得拜爾法生產工藝成為目前國內氧化鋁生產的主要方法。由于國內鋁礦資源為高硅高鋁的粉煤灰、煤矸石、鋁礬土，造成氧化鋁生產效率低，赤泥排放量高的現(xiàn)象，也造成國內氧化鋁廠成為冶金行業(yè)污染最嚴重的企業(yè)。另外拜爾法赤泥細度低、流動性好，極難沉淀和堆積，造成拜爾法普遍堆積度低，而拜爾法赤泥產出率又高，但也造成工廠四周成為有毒有害物質大量侵占農田，污染水源，危害社會的現(xiàn)象。目前我國已成為全球最大氧化鋁生產國，2009年氧化鋁產量2385萬t，占全球總產量的30%；同時赤泥產生數(shù)量也最多，近3 000萬t，約占全球1/3以上。巨大的生產量使赤泥處理問題在中國顯得尤為突出。由于我國缺乏赤泥綜合利用的可行技術，赤泥的利用率一直處于較低水平，僅為4%左右，遠低于全國工業(yè)固體廢物65%的平均利用水平，造成我國赤泥大量堆存。有專家估計，目前我國赤泥累積存量約2億t，而到2015年，累計存量預計將達3.5億t。

1 原料

拜爾法赤泥，廣西某氧化鋁廠干法赤泥，顏色深褐色，塊狀，質輕。其化學質量百分組成見表1，礦物組成見表2。其他原料有：石英粉、頁巖、膨潤土、高鋁砂、白泥等，其化學質量百分組成見表3。

表1 廣西某鋁廠拜耳法赤泥的化學組成（質量%）

表2 燒結法赤泥的礦物組成%

表3 其他原料的化學質量百分組成（質量/%）

燒結赤泥的物理性質：密度為2.7～2.9g/cm3；顆粒直徑為0.08～0.25mm；塑性系數(shù)為16.8；該熔點為1 220～1 250℃。

2 試驗與結果

2.1 試驗裝備及工藝方法

試驗采用試驗室球磨、制粉、制樣、烘干，生產窯爐燒成、試驗室磨拋工藝的方法。目的是試驗更接近生產實際條件。試驗采用的試驗裝備見表4，試驗所采用的配方見表5，試驗采用的工藝流程圖見圖1，燒成溫度曲線見圖2，輕度陶瓷磚改性前后對比見圖3。

圖1 樣品制備工藝流程圖

圖2 樣品的燒制溫度曲線

圖3 輕質陶瓷材料改性前后對照圖

表4 試驗裝備表

表5 試驗所采用的工藝配方和工藝參數(shù)（質量 %）

2.2 檢測結果

表6 理化性能檢測結果

表7 改性前后材料的關鍵技術指標對照表

3 實驗結果分析

由于赤泥結合的化學堿難以脫除且含量大，又含有氟、鋁及其他多種雜質等原因，對于赤泥的無害化利用一直難以進行。多年來世界各國專家對赤泥的綜合利用進行了大量的科學研究，但此類研究進展不大。因此，赤泥廢渣的處理和綜合利用成為一個世界性的大難題。而目前對赤泥的消納主要采取的是海底或陸地堆放處置的方法，但隨著鋁工業(yè)的發(fā)展，生產氧化鋁排出的赤泥量也日益增加，堆存處置所帶來的一系列問題隨之而出，造成了嚴重的環(huán)境問題。

由于赤泥中含有大量的強堿性化學物質，稀釋10倍后其pH值仍為11.25～11.50（原土為12以上），極高的pH值決定了赤泥對生物和金屬、硅質材料的強烈腐蝕性。高堿度的污水滲入地下或進入地表水，使水體pH值升高，以致超出國家規(guī)定的相應標準，同時由于pH值的高低常常影響水中化合物的毒性，因此還會造成更為嚴重的水污染。一般認為堿含量為30～400mg/L是公共水源的適合范圍，而赤泥附液的堿度高達26348mg/L，如此高堿度的赤泥附液進入水體，其污染不言而語，赤泥對生態(tài)環(huán)境的不良影響必須給予高度的重視和認真的研究。

作為危害社會安全的大宗冶金固體廢棄物，加強對其資源化利用，彰顯的是企業(yè)和大學的社會責任和科技實力。保護好母親河西江，既是廣西氧化鋁廠的責任與義務，也是佛山政府和企業(yè)的責任與義務。資源化利用珠江上游的大宗有色金屬有毒固體廢棄物，既可保護廣西、廣東水資源，又可化廢為寶，生產可調空氣濕度的功能陶瓷地磚，是一件利國益民的大事。

赤泥單獨應用于生產輕質陶瓷磚，由于赤泥含大量的堿和石膏，導致容易出現(xiàn)燒制時體積密度較大、氣孔為開孔的、甚至為暢通孔的大孔，易釋堿粘輥和粘耐火板等缺陷，導致制品保溫性能差，吸水率高和幾乎無法生產等危害。赤泥與拋光廢渣輕質粉料按一定比例混合后，氣孔不再是開孔，而是閉孔，同時使拋光廢渣輕質材料氣孔增大，由于赤泥發(fā)泡材料有較高的硅和鋁含量，改性后可大大提高抗折強度和硬度等物理性能。

4 結語

赤泥發(fā)泡材料摻雜拋光廢渣輕質陶瓷磚具有以下幾點意義：

1）可以資源化利用赤泥，可減少赤泥對環(huán)境的危害；

2）可以增大拋光廢渣輕質陶瓷磚的氣孔體積，但不破壞閉孔的結構并可以降低體積密度、降低導熱系數(shù)；

3）由于所研制的赤泥發(fā)泡材料含有較高比例的硅和鋁，高比例的骨架組分可以改善孔壁的力學性能，從而大大提高斷裂模數(shù)和材料硬度

1 韓復興，路靜賢，李小雷，李存運.多種工業(yè)礦渣微晶玻璃的研制.佛山陶瓷，2005（4）：20～22

2 李小雷，韓復興，葉偉才.建筑陶瓷廢料生產多孔陶瓷試驗.河南建材，2002（1）：31～33

3 韓復興.工業(yè)廢渣生產西式屋面瓦.中小企業(yè)科技，2002（7）：17～20

4 韓復興，李小雷，李永林，馬小娥，郭昕.陶瓷工業(yè)廢渣生產一次燒釉面磚的實驗.佛山陶瓷，2002（10）：9～12

5 韓復興，李小雷.利用四會本地劣質原料生產二次燒內墻磚.佛山陶瓷，2008（7）：50～52

6 陳賢偉，路明忠，周子松，韓復興，鄒國文.輕質陶瓷墻漆磚生產工藝研究.全國性建材科技期刊——陶瓷，2010（10）：41～43

7 孫國梁，梁立強，等.具有調濕功能的新型環(huán)境材料的研究.陶瓷學報，2006（6）：56～57

8 吳宏偉等.調濕材料在建筑節(jié)能中的應用前景.制冷與空調，2009（6）：40～41

9 冉茂宇.調濕材料動態(tài)調濕性能的評價方法.華僑大學學報，2006（10）：23～25

10 李小雷，等.赤泥在環(huán)境保護中的應用研究.科技創(chuàng)業(yè)月刊，2010（3）：8～10

11 李小雷，等.赤泥的特性及其在建材方面的應用.科協(xié)論壇，2010（3）：11～13

12 李小雷，等.利用赤泥研制低溫快燒瓷質外墻磚.企業(yè)技術開發(fā)，2010（3）：7～9

13 李小雷，等.義翔鋁業(yè)拜耳法赤泥常壓石灰法脫堿工藝研究.科技信息，2010（5）：10～11

14 羅曦云.調濕材料的開發(fā).化工新型材料，1997（3）：5～8

15 王一萍.無機調濕材料的制備與性能研究：［碩士學位論文］.武漢：武漢理工大學，2007

16 康玉梨.調濕涂料的研究與實驗研究：［碩士學位論文］.北京工業(yè)大學，2007

17 張秀梅.調濕墻體材料及其調濕性能的研究：［碩士學位論文］.天津：天津大學，2005

18 李雙安.多孔材料添加廢玻璃調濕陶瓷之探討：［博士學位論文］.臺北：臺灣國立中央大學，2009

Modification of Red Mud in Bayer Process for Ceramic Brick

Lin Wei1，LI Xiaolei2，Han Fuxing1Wang Taihua1（1Shiwan Eagle Brand Ceramic Co.，Ltd，Guangdong ，F(xiàn)oshan，528031）（2 Henan Polytechnic University，School of Materials Science and Engineering，Henan，Jiaozuo，454000）

Following the State Council issued a"non－ferrous metals industry restructuring and revitalization plan"，August 10，2010，the Ministry of Industry and the Ministry of Science jointly issued a"guidance on the comprehensive utilization of red mud"，request：to improve the comprehensive utilization and comprehensive utilization of red mud technology to reduce red mud dumps on the environment，security implications，and promote comprehensive utilization of red mud.Meanwhile，the traditional ceramic light ceramic tiles such as polishing residue shale lightweight ceramic tiles and insulation light the existence of bad blocks，bending slightly lower capacity and poor antistatic weaknesses，this paper Bayer process red mud modified aluminum lightweight ceramic tile polishing waste were investigated to explore，and in the production line Shiwan Eagle Limited had been prepared samples.

Alumina；Red mud；Resource utilization；Light ceramic；Modification；Polishing residue；Shale

TQ174.9

A

1002－2872－（2011）08－0022－04

林偉（1967－），高級工程師；目前從事建筑陶瓷企業(yè)管理和技術開發(fā)工作。E－mail：hanfx@eagleceamics.com