利用贊比亞銅尾礦制備高強(qiáng)陶粒及其機(jī)理研究

林 慧，宋曉嵐

（中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

利用贊比亞銅尾礦制備高強(qiáng)陶粒及其機(jī)理研究

林 慧，宋曉嵐

（中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

礦產(chǎn)資源對(duì)國民經(jīng)濟(jì)意義重大，但是尾礦問題一直難以解決。針對(duì)尾礦利用，本試驗(yàn)以贊比亞銅尾礦為主要原料，采用新型燒結(jié)法，在預(yù)熱溫度900 ℃，預(yù)熱時(shí)間15 min，焙燒時(shí)間8 min的條件下，燒制出吸水率為3.8%，堆積密度為647 kg/m3，粒型系數(shù)為0.98，筒壓強(qiáng)度為8.9 MPa的800級(jí)的高強(qiáng)陶粒，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合國標(biāo)要求的新型建筑材料陶粒。同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行X射線熒光光譜，掃描電鏡，X射線衍射等多種手段分析。本文很好地解決了目前國內(nèi)普遍存在的尾礦難以利用等問題，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域，這為高效低成本地制備礦物材料提供了新的思路。

銅尾礦；高強(qiáng)陶粒；原料配比

0 引 言

雖然地球礦產(chǎn)資源豐富，但隨著礦產(chǎn)的開發(fā)與利用，伴隨而來的尾礦利用問題日益嚴(yán)重。截止到2014年底，我國尾礦堆存量接近200億噸，并且仍以每年15億噸左右的速度增長，尾礦利用率不足當(dāng)年新增尾礦的17%［1, 2］。難以進(jìn)行有效利用以及巨額管理成本，使尾礦給礦業(yè)工程帶來了巨大負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國礦山尾礦庫需要對(duì)每噸尾礦基建投資1-3元，生產(chǎn)管理費(fèi)用3-5元［3］。同時(shí)，頻發(fā)的大型尾礦庫事故也給公眾生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大損失?？梢姡M(jìn)行高附加值與高利用率的尾礦利用技術(shù)的研發(fā)迫在眉睫。

尾礦的主要成分為硅酸鹽礦物，與水泥、玻璃、陶瓷等傳統(tǒng)建筑材料較為接近。同時(shí)尾礦顆粒較細(xì)，制備建材時(shí)無需再破碎磨礦，能耗和成本較其他材料都低，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)三重效益。陶粒是一種具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的建筑材料，擁有質(zhì)輕、耐用和隔熱等特性，同時(shí)價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛。我國在利用頁巖、粘土、粉煤灰制備陶粒的研究上已有成熟技術(shù)，但在尾礦制備陶粒仍處于起步階段。目前，已有研究者利用銅尾礦、鐵尾礦、銀尾礦、珍珠巖尾礦制備出各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求的合格陶粒，這為本文提供了必要的借鑒［4-10］。

贊比亞是世界第四大產(chǎn)銅國，其尾礦問題十分嚴(yán)峻。而中南大學(xué)在生物提銅技術(shù)和資源再利用方面，位于國際領(lǐng)先水平。2010年6月，中南大學(xué)與贊比亞礦業(yè)部簽署了尾礦處理的戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，此協(xié)議讓雙方在礦產(chǎn)資源與尾礦技術(shù)兩方面進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，共同打造雙贏局面。因此，這在礦產(chǎn)資源極度緊張的今天，贊比亞尾礦的綜合利用研究具有積極意義。

本文以贊比亞銅尾礦、粉煤灰和高嶺土為原料，采用新式燒結(jié)法，生產(chǎn)高強(qiáng)陶粒，考查工藝條件的改變對(duì)陶粒物理性能的影響。此項(xiàng)工作不僅有利于促進(jìn)中贊雙方資源的戰(zhàn)略合作，并且符合當(dāng)今國際倡導(dǎo)的綠色工業(yè)理念，具有重要的理論指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

贊比亞銅尾礦樣品取自盧阿羅尾礦庫。樣品屬于細(xì)粒高硅銅尾礦，平均粒度在負(fù)200目60%以上。表1為尾礦X射線熒光光譜（XRF）的測試結(jié)果，圖1為尾礦的X射線衍射圖譜（XRD）。由表1和圖1可知，尾礦主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3等，主要礦物相為石英、長石、方解石、磁鐵礦、云母、綠泥石等。本實(shí)驗(yàn)選用湖南萍鄉(xiāng)某發(fā)電廠粉煤灰作為調(diào)整劑，高嶺土作為添加劑。

圖1　贊比亞銅尾礦的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of Zambia copper tailing

圖2　陶粒制備流程Fig.2 Preparation process of ceramsite from Zambia copper tailing

表1　贊比亞銅尾礦X射線熒光光譜測試結(jié)果（wt.%）Tab.1 XRF quantifcation of Zambia copper tailing

1.2 試驗(yàn)流程與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用圖2所示的流程制備陶粒。綜合考慮原料的硅鋁比及塑形，同時(shí)尾礦利用率要達(dá)到50%以上，選取原料配比為尾礦60%，粉煤灰30%，高嶺土10%，制粒水分8%，制粒時(shí)間20 min［11］。將原料按照預(yù)定配比配好后，充分混勻1 h后用圓盤造球機(jī)造球。篩分出5-10 mm粒級(jí)的生球，然后將生球在105 ℃下干燥至水分含量小于10%。陶粒焙燒在兩段式臥式管式爐中進(jìn)行。將干燥后的生球在預(yù)熱溫度預(yù)熱，然后推送至高溫區(qū)焙燒。最后按照冷卻制度冷卻。

陶粒性能測試按照國標(biāo)GB/T 17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》進(jìn)行；其中在實(shí)驗(yàn)室條件下筒壓強(qiáng)度采用文獻(xiàn)［12］中的陶粒強(qiáng)度測試方法，即采用顆粒強(qiáng)度來表征。在實(shí)驗(yàn)中得到性能最好條件組合后，再進(jìn)行顆粒級(jí)配、堆積密度、粒型系數(shù)、筒壓強(qiáng)度和吸水率測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析探討

2.1 焙燒溫度的影響

陶粒的焙燒溫度是其生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的因素。圖4為焙燒溫度對(duì)尾礦陶粒顆粒強(qiáng)度和吸水率的影響圖。由圖3可知，隨著溫度的升高，強(qiáng)度和吸水率的變化在1250 ℃處達(dá)到最佳條件。

圖4為樣品的電子顯微鏡圖像（SEM）。由圖可知，隨著焙燒溫度上升，成品陶粒內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)由骸晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到熔融結(jié)構(gòu)，再到交織結(jié)構(gòu)。1200 ℃左右，內(nèi)部晶粒發(fā)育不完善，只形成骨架并將硅酸鹽粘結(jié)相填充其中，強(qiáng)度較差。溫度升至1250 ℃度左右，礦物與粘結(jié)相彼此交織構(gòu)成，此條件下形貌最好，強(qiáng)度最高。溫度升至1290 ℃度左右，礦物被粘結(jié)相所熔融，晶粒過度發(fā)育。礦物與粘結(jié)相互溶，強(qiáng)度減弱［13, 14］。綜合考慮，后續(xù)試驗(yàn)焙燒溫度設(shè)定為1250 ℃。

圖3　焙燒溫度對(duì)陶粒強(qiáng)度和吸水率的影響Fig.3 Effect of sintering temperature on strength and water absorption

圖4　1200 ℃，1250 ℃，1290 ℃陶粒的SEM圖Fig.4 SEM photos of ceramsite prepared at 1200 ℃，1250 ℃，1290 ℃

2.2預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、焙燒時(shí)間的影響

為了更好地探討不同因素對(duì)燒結(jié)陶粒的影響，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定3個(gè)不同的預(yù)熱溫度（800 ℃、850 ℃、900 ℃），3個(gè)不同預(yù)熱時(shí)間（15 min、20 min、25 min），3個(gè)不同的焙燒時(shí)間（8 min、10 min、12 min）。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2，正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，A3B1C1效果最好，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件為預(yù)熱溫度900 ℃，預(yù)熱時(shí)間15 min，焙燒時(shí)間8 min。預(yù)熱溫度設(shè)定為800-900 ℃。在800-900 ℃范圍內(nèi)，溫度升高，K值上升，預(yù)熱溫度影響程度居中。預(yù)熱時(shí)間設(shè)定為15-20 min。在15-20 min范圍內(nèi)，時(shí)間增加，成品陶粒強(qiáng)度下降，K值降低，R值達(dá)最小值，預(yù)熱時(shí)間為最小影響因素。焙燒時(shí)設(shè)定為間為8-12 min。在8-12 min范圍內(nèi)，時(shí)間增加，成品陶粒強(qiáng)度快速下降，K值降低，R值達(dá)最大值，焙燒時(shí)間為最大影響因素。

2.3 XRD分析

圖5　預(yù)熱溫度900 ℃，預(yù)熱時(shí)間15 min，焙燒時(shí)間8 min條件下陶粒成品的XRD圖譜Fig.5 XRD pattern of ceramsite after 15 min preheating at 900 ℃and 8 min calcination

表2　正交試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Table of orthogonal experimental design

表3　正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Orthogonal experimental Results

成品陶粒的XRD圖譜見圖5。通過圖1和圖5的對(duì)比可以看出，焙燒前后的礦物物相發(fā)生了顯著變化。原料中的石英、云母、長石等礦物物相在高溫焙燒后含量有所提高。而綠泥石、白云石、滑石等礦物物相則明顯減少。新的物相生成提高了陶粒的強(qiáng)度并改善了陶粒的性能（見表4）。

表4　陶粒性能檢測結(jié)果Tab.4 Properties of ceramsite

3 結(jié) 論

（1）本試驗(yàn)采用新式燒結(jié)法，預(yù)熱和焙燒過程在兩段臥式管式爐中進(jìn)行。此法在更加接近工業(yè)化生產(chǎn)的同時(shí)，避免了傳統(tǒng)工藝中使用馬弗爐所帶來的升溫速率慢、預(yù)熱焙燒過程存在急冷等問題。新式燒結(jié)法通過礦物材料學(xué)和燒結(jié)球團(tuán)學(xué)的有機(jī)融合，使制備的陶粒性質(zhì)更加穩(wěn)定均一，過程更加可控，有效地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與工業(yè)化應(yīng)用的有效銜接。

（2）本試驗(yàn)以贊比亞銅尾礦為主要原料，在預(yù)熱溫度900 ℃，預(yù)熱時(shí)間15 min，焙燒溫度1250 ℃，焙燒時(shí)間8 min的條件下，可以燒制出800級(jí)的高強(qiáng)陶粒，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合國標(biāo)要求。焙燒時(shí)間對(duì)強(qiáng)度影響較大，而預(yù)熱時(shí)間對(duì)強(qiáng)度影響較小。

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date: 2016-01-24.Revised date: 2016-04-11.

Preparation and Mechanism of High-intensity Ceramsite with Zambia Copper Tailing

LΙN Hui，SONG Xiaolan
（Department of Ιnorganic Materials，School of Minerals Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China）

Although mineral processing holds great power for improving economy，it often misses the mark because of the generation of industrial wastes like tailing.To recycle the copper tailing，high-strength ceramsite with the density grade of 800，the water absorption of 3.8%，the bulk density of 647 kg/m3，the grain shape factor of 0.98，and the compressive strength of 8.9 MPa was prepared using Zambian copper tailings as the main raw material，after preheating at 900°C for 15 min and sintering at 1250°C for 8 min.The mechanical strength and moisture adsorption of the as-prepared novel ceramsite from Zambia copper tailing were tested.Scanning electron microscope，tensile tests and X-ray diffraction were used to characterize the experimental samples.All the performance indexes of the products generated in the optimum technical process can reach the international standard.This kind of ceramsite may have potential applications in structural material.

copper tailing；high-intensity ceramsite；ratio of materials

TQ174.75

A

1000-2278（2016）04-0404-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.04.015

2016-01-24.。

2016-04-11.。

湖南省國土資源2013-14號(hào)科研項(xiàng)目；2016年國家級(jí)（省級(jí)）研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目。

通信聯(lián)系人：林慧（1990-），男，碩士。

Correspondent author:LIN Hui（1990-），male，Master.

E-mail:lh524262341@163.com