利用紅土鎳尾礦制備燒結(jié)墻體材料試驗(yàn)研究

鄒智秀，歐天安，譚旭升，潘榮偉（廣西建筑材料科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，廣西 南寧　530022）

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利用紅土鎳尾礦制備燒結(jié)墻體材料試驗(yàn)研究

鄒智秀，歐天安，譚旭升，潘榮偉
（廣西建筑材料科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，廣西 南寧530022）

以紅土鎳尾礦和頁巖為原料制備燒結(jié)墻體材料。分別對(duì)原材料的性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試分析，研究了紅土鎳尾礦摻量、成型含水率、燒結(jié)制度對(duì)燒結(jié)制品性能的影響，并對(duì)燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行了闡述分析。結(jié)果表明，紅土鎳尾礦的最佳摻量為40%，最佳成型含水率為18%，最佳燒結(jié)溫度為1050～1100℃，保溫時(shí)間為1.0～1.5 h，中試產(chǎn)品符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

紅土鎳尾礦；頁巖；燒結(jié)墻體材料；最佳工藝

0　引言

鎳是一種銀白色金屬，主要應(yīng)用于鋼鐵、金屬合金及化工等行業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位［1］。隨著鎳資源的不斷開發(fā)利用，產(chǎn)生的鎳尾礦也越來越多。目前，鎳尾礦的利用率不高，大量堆積的尾礦不僅占用了土地，若處置不當(dāng)還對(duì)環(huán)境造成污染［2］。利用尾礦制備建筑材料是實(shí)現(xiàn)尾礦綜合利用的有效途徑。

不同尾礦的化學(xué)成分、物理性質(zhì)差異大，很難有統(tǒng)一的制備工藝，需要進(jìn)行具有針對(duì)性的試驗(yàn)研究。目前，利用紅土鎳尾礦制備燒結(jié)墻體材料的研究較少，本研究以紅土鎳尾礦為主要原料制備燒結(jié)磚，考察了紅土鎳尾礦摻量、成型含水率及燒結(jié)制度對(duì)燒結(jié)磚的性能影響，為制定紅土鎳尾礦燒結(jié)磚合理的制備工藝提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。試驗(yàn)中的紅土鎳尾礦鈣、鎂、硫含量高，如何避免燒結(jié)磚泛霜、爆裂問題是本研究的主要難點(diǎn)。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)以廣西玉林市龍?zhí)懂a(chǎn)業(yè)園的紅土鎳尾礦及當(dāng)?shù)仨搸r為原料，尾礦的粒度級(jí)配見表1，化學(xué)成分見表2。

表1　紅土鎳尾礦的粒度級(jí)配

表2　紅土鎳尾礦的化學(xué)成分　%

從表1可知，原料較細(xì)，制磚時(shí)需要摻入部分骨架顆粒。從表2可以看出，紅土鎳尾礦的SiO2和Al2O3含量偏低，會(huì)影響到燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度，MgO和CaO含量較高，容易引起燒結(jié)磚的泛霜問題［3］。硫含量高，要注意燒成過程硫的二次污染問題，實(shí)際應(yīng)用中需配套脫硫設(shè)備；從化學(xué)成分來看，單純利用紅土鎳尾礦制磚存在一定的困難。為了滿足原材料的制磚要求，需要配入一定量的頁巖，頁巖的化學(xué)成分見表3。

表3　頁巖的化學(xué)成分　%

紅土鎳尾礦的XRD衍射圖譜見圖1。

圖1 紅土鎳尾礦的XRD衍射圖譜

由圖1可見，紅土鎳尾礦中主要礦物為石英、鈣（鎂）黃長石、石膏等。其中石英相（SiO2）、二水石膏相（CaSO4·2H2O）所占比例最高。石英的主要作用是提供SiO2成分，長石在高溫下熔融后形成長石玻璃相填充于坯體顆粒之間，使坯體變得致密，并能熔解其它礦物，有助于提高制品的機(jī)械強(qiáng)度。

利用尾礦制燒結(jié)磚時(shí)，原料的塑性指數(shù)是一項(xiàng)重要的工藝性能指標(biāo)，不但直接關(guān)系到粉料的成型性能及其摻入比例，而且影響到坯體的致密性及最終產(chǎn)品質(zhì)量。采用塑性指數(shù)測(cè)試儀對(duì)紅土鎳礦尾礦進(jìn)行可塑性測(cè)定，紅土鎳尾礦的塑性指數(shù)為13.9，可以滿足燒結(jié)磚的要求。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)流程為：取樣→晾干→破碎→篩分→混料→加水?dāng)嚢琛惢尚汀稍铩鸁Y(jié)→產(chǎn)品檢測(cè)。

鑒于尾礦中MgO、CaO、SO3的含量偏高，為了防止泛霜及爆裂發(fā)生，試驗(yàn)中將尾礦全部通過1 mm篩，將篩分后的尾礦與頁巖定量混合，摻入頁巖調(diào)整配方顆粒級(jí)配和塑性，同時(shí)降低配方中MgO、CaO、SO3的含量，使其滿足制磚要求。混合后攪拌均勻，然后再加入定量的水并攪拌，使水分分布均勻。陳化24 h后將泥料放入真空練泥機(jī)，在真空度-0.08 MPa，壓力3 MPa下擠壓成直徑5 cm的圓柱型長條，再切割成5 cm小段自然放置2 d，之后放入恒溫干燥箱，在（105±5）℃溫度下干燥至恒重，最后對(duì)試樣進(jìn)行燒結(jié)，并進(jìn)行性能測(cè)試。試驗(yàn)燒結(jié)采取的升溫制度如表4所示。

表4　燒結(jié)升溫制度

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1原材料配比試驗(yàn)

經(jīng)過前期試驗(yàn)摸索，將焙燒溫度固定為1050℃，成型水分為18%，于3.0 MPa、真空度-0.08 MPa下擠出成型，在干燥箱中于105℃干燥至恒重條件下進(jìn)行紅土鎳尾礦摻量單因素試驗(yàn)，結(jié)果見圖2和圖3。

圖2　不同尾礦摻量燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度

圖3　不同尾礦摻量燒結(jié)磚的吸水率及體積密度

由圖2可知，隨著尾礦摻量的增加，制品的抗壓強(qiáng)度呈逐漸降低的趨勢(shì)。尾礦摻量小于30%時(shí)，制品的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到MU30，尾礦摻量為40%～50%時(shí)，強(qiáng)度能達(dá)到MU25，尾礦摻量為60%時(shí)，強(qiáng)度急劇下降。

由圖3可知，隨著尾礦摻量的增加，制品的體積密度先增大后減小，吸水率逐漸增大。制品的體積密度為1.86～1.96 g/cm3，比普通燒結(jié)磚的密度略微偏大。除了紅土鎳尾礦摻量為60%試樣吸水率過高外，其它制品的吸水率為12.4%～17.5%，在普通燒結(jié)磚允許的范圍內(nèi)。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紅土鎳尾礦摻量達(dá)到50%時(shí)，坯體在干燥表面出現(xiàn)泛灰白現(xiàn)象，燒成后制品表面保留灰白顏色，繼續(xù)加大尾礦摻量，燒成后表面出現(xiàn)輕微掉皮甚至爆裂。為防止制品泛霜及爆裂并盡可能增加尾礦摻量，紅土鎳尾礦最佳摻量為40%。

2.2成型含水率試驗(yàn)

成型含水率是影響燒結(jié)制品的重要因素之一，適當(dāng)?shù)暮视兄谔岣咴系目伤苄?，使坯體顆粒粘合在一起，保證試樣成型效果，但成型含水率過高或過低都會(huì)影響燒結(jié)制品的綜合性能。成型含水率對(duì)燒結(jié)磚性能的影響見圖4。

圖4　不同成型含水率燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度及吸水率

由圖4可知，試樣的抗壓強(qiáng)度隨著成型含水率的增加而提高，當(dāng)含水率大于18%時(shí)，隨著成型含水率進(jìn)一步增加，試樣抗壓強(qiáng)度有所下降，試樣的吸水率則是隨著成型含水率的增加而增大。坯體的成型含水率越大，一方面，有助于坯體顆粒穩(wěn)固粘結(jié)，在燒結(jié)過程中使試樣反應(yīng)穩(wěn)步進(jìn)行，試樣抗壓強(qiáng)度增大；另一方面，在干燥和燒結(jié)過程中由于水分蒸發(fā)留下的空隙變大，從而導(dǎo)致試樣吸水率增高，抗壓強(qiáng)度下降，試樣的最佳成型含水率為18%。

2.3最佳焙燒溫度試驗(yàn)

選取紅土鎳尾礦的摻量為40%，焙燒溫度范圍為850～1150℃，溫度梯度為50℃。對(duì)焙燒樣品進(jìn)行燒成收縮率和吸水率測(cè)試，以確定該混合料的最佳燒成溫度。燒成收縮率和吸水率隨焙燒溫度的變化曲線見圖5。

圖5　燒成收縮率和吸水率隨焙燒溫度的變化曲線

由圖5可以看出，試樣的收縮率隨著焙燒溫度的升高而增大，吸水率隨著焙燒溫度的升高而逐漸降低。這是因?yàn)楸簾郎囟仍礁?，磚塊內(nèi)部就會(huì)因融化而產(chǎn)生越多的液相，液相可填充磚塊內(nèi)部孔隙，使磚塊變得小而密實(shí)，進(jìn)而使燒結(jié)磚的燒成收縮率增大，使吸水率減?。?］。為保證燒結(jié)制品的質(zhì)量，燒成收縮率不宜過大，否則會(huì)使磚塊在燒結(jié)過程中變形，因此燒成收縮不宜超過5%，而吸水率也應(yīng)該控制在20%以下，以保證燒結(jié)磚的使用壽命，綜合考慮，焙燒溫度在1050～1100℃時(shí)最佳。

2.4保溫時(shí)間試驗(yàn)

紅土鎳尾礦摻量為40%，成型含水率為18%，焙燒溫度為1050℃條件下，保溫時(shí)間對(duì)燒結(jié)制品性能的影響見圖6。

圖6　不同保溫時(shí)間對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度及吸水率的影響

由圖6可知，當(dāng)保溫時(shí)間小于1 h時(shí)，燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度隨著保溫時(shí)間的延長而快速提高；當(dāng)保溫時(shí)間大于1 h后，燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度基本不變。燒結(jié)磚的吸水率隨著保溫時(shí)間的延長而逐漸減少。從燒結(jié)磚的性能及節(jié)能降耗方面綜合考慮，最佳保溫時(shí)間為1.0～1.5 h。

2.5最佳工藝燒結(jié)磚的性能

在最佳工藝條件下對(duì)制備的紅土鎳尾礦燒結(jié)磚進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見表5。

表5　紅土鎳尾礦燒結(jié)磚的性能

2.6中試試驗(yàn)

表6　中試產(chǎn)品性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)小試試驗(yàn)確定的工藝條件，參照企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行紅土鎳尾礦制備燒結(jié)墻材中試試驗(yàn)，產(chǎn)品尺寸為240 mm×190 mm×90 mm，性能測(cè)試結(jié)果見表6。中試產(chǎn)品表面光潔，形狀規(guī)整，顏色基本為紅褐色；經(jīng)測(cè)試，所測(cè)各項(xiàng)性能均符合GB 13544—2011《燒結(jié)多孔磚和多孔砌塊》要求，產(chǎn)品質(zhì)量合格。

3　燒結(jié)機(jī)理分析

紅土鎳尾礦燒結(jié)磚的燒結(jié)過程分為2個(gè)階段。第一階段為燒結(jié)溫度小于900℃時(shí)，試樣失去吸附水、結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水，部分礦物晶格破壞，開始分解，燒結(jié)以固相表面的擴(kuò)散傳質(zhì)為主。第二階段為燒結(jié)溫度大于900℃以后，磚坯開始燒成，非結(jié)晶物質(zhì)重結(jié)晶形成新的結(jié)晶態(tài)長石，結(jié)晶態(tài)長石是燒結(jié)磚的骨架顆粒之一［5］。同時(shí)，部分長石與石英及硅酸鹽形成低共熔物，填充于坯體的骨架顆粒之間。在表面張力的作用下，固體顆粒距離拉近，坯體體積收縮［6］。燒結(jié)中后期是以熔融液相作用下的固體顆粒重排和塑性流動(dòng)傳質(zhì)為主。燒結(jié)冷卻之后，熔融液相轉(zhuǎn)變成玻璃相，將骨架顆粒粘結(jié)在一起，使磚體具有強(qiáng)度［7-8］。

4　結(jié)語

（1）以紅土鎳尾礦與頁巖為原料，在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，可以生產(chǎn)出符合GB 13544—2011的燒結(jié)制品。尾礦制備燒結(jié)磚符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，可為當(dāng)?shù)匦滦蛪Σ馁Y源綜合利用提供新方向。

（2）紅土鎳尾礦中鈣、鎂含量偏高，使用過程需對(duì)原料進(jìn)行一定處理，并嚴(yán)格控制尾礦摻量，從而將有害成分控制在合理范圍內(nèi)，防止燒結(jié)制品出現(xiàn)泛霜及爆裂現(xiàn)象；另外，由于尾礦中硫含量高，需注意燒成過程中二次污染問題，實(shí)際應(yīng)用需配套脫硫設(shè)備。

（3）在本試驗(yàn)條件下，紅土鎳尾礦制備燒結(jié)磚最佳工藝為：尾礦摻量40%，成型含水率18%，燒成溫度范圍1050～1100℃，保溫時(shí)間1.0～1.5 h。制備的燒結(jié)試樣強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到MU30。中試制備的燒結(jié)多孔磚各項(xiàng)性能均符合GB 13544—2011中MU15的要求。

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Research on making sintering wall materials with laterite-nickel tailings

ZOU Zhixiu，OU Tianan，TAN Xusheng，PAN Rongwei
（Guangxi Building Materials Research-Design Institute，Nanning 530022，China）

Sintering wall materials were prepared with laterite-nickel tailings and shale in this paper.The research tested properties of the raw materials and studied the effects of content of laterite-nickel tailings，molding moisture content and sintering system factors on the performance of the sintering products.And the sintering mechanism was also analyzed.The results show the optimum process are that content of laterite-nickel tailings is 40%，molding moisture content is 18%，the best sintering temperature and holding time are in the range of 1050～1100℃ and 1.0～1.5 h.Pilot product conforms to the requirements of the relevant national standards.

laterite-nickel tailings，shale，sintering wall materials，optimum process

TU522.1

A

1001-702X（2016）06-0060-04

玉林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（玉科計(jì)［20141003］）

2015-12-07；

2016-03-11

鄒智秀，女，1965年生，廣西桂林人，工程師，研究方向：新型建筑材料。地址：南寧市星湖路南二里6號(hào)，E-mail：jcjc068@163. com。