江西某銅尾礦制備發(fā)泡陶瓷的正交試驗(yàn)研究

楊 航，李偉光，申士富，黃良金，龔維強(qiáng)

（1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 大興 102628；2.江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332000）

1 引言

尾礦是我國年產(chǎn)量最大的固體廢棄物［1］，由于尾礦庫儲(chǔ)量有限，大部分新產(chǎn)出尾礦面臨無處存放的情況，尾礦的隨意堆放，存在造成泥石流、滑坡及崩塌等災(zāi)害的安全隱患；部分堆存的尾礦在選礦過程中殘余酸性化學(xué)試劑和重金屬或放射性元素，其有害組分會(huì)滲透入土壤，進(jìn)入地下水庫，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染［2-4］。此外，尾礦長期堆存會(huì)增加企業(yè)的庫存成本，加重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，為尾礦提供合理出路刻不容緩。

我國墻體保溫材料種類眾多，主要為有機(jī)保溫材料和無機(jī)保溫材料兩大類［5］。其中有機(jī)保溫材料較為普遍，占我國市場(chǎng)份額的絕大多數(shù)。有機(jī)保溫材料具有隔音、質(zhì)輕和隔熱等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在強(qiáng)度低、耐久性差、耐火等級(jí)低和施工過程復(fù)雜等嚴(yán)重缺點(diǎn)；無機(jī)保溫材料雖然種類龐雜，但占市場(chǎng)份額比重小，主要分為纖維類、無機(jī)砂漿類和發(fā)泡水泥、泡沫混凝土以及蒸壓加氣混凝土砌塊等［6-7］?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推行和能源危機(jī)問題的突出，使得新型建筑墻體材料受到了更多的關(guān)注。

發(fā)泡陶瓷是一種性能優(yōu)良的兼具保溫隔熱及輕質(zhì)高強(qiáng)的多孔陶瓷材料。它的主要原料硅鋁氧化物、一些堿金屬氧化物和發(fā)泡劑。參考其化學(xué)成分組成特性，其主要原料可以選用一些尾礦及其他固體廢棄物代替，也可以選用陶瓷廢渣熟料，既可以實(shí)現(xiàn)廢物的二次利用，節(jié)約資源，又可以增強(qiáng)發(fā)泡陶瓷性能的穩(wěn)定性。發(fā)泡陶瓷坯料在燒成過程中，會(huì)在一定的溫度下產(chǎn)生液相，此時(shí)發(fā)泡劑會(huì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣體，產(chǎn)生的氣體在液相中分散成多個(gè)獨(dú)立的空間，最終產(chǎn)生均勻氣孔結(jié)構(gòu)［8-9］。

2 試驗(yàn)原材料分析

2.1 原料主要化學(xué)成分分析

試驗(yàn)所用原料為來自江西某礦山尾礦庫及周邊采礦場(chǎng)的尾礦和廢石，其化學(xué)成分見表1。

由表1分析結(jié)果可知，選銅尾礦的硅鋁含量相對(duì)適中，且氧化鉀含量較高，適于制備發(fā)泡陶瓷，但尾礦含硫1.96%，可能對(duì)發(fā)泡陶瓷發(fā)泡過程產(chǎn)生不利影響，需在后續(xù)試驗(yàn)中驗(yàn)證。廢石-8中硅含量相對(duì)較低，鐵含量較高，不僅可以降低發(fā)泡陶瓷體系燒成溫度，還可以起到穩(wěn)定發(fā)泡陶瓷氣孔結(jié)構(gòu)的作用。因此通過分析，本試驗(yàn)初步確定以尾礦為制備發(fā)泡陶瓷的主原料，以廢石-8為主要輔助原料，鈉長石用于補(bǔ)充熔劑組分，白云石用于校正鈣質(zhì)熔劑組分。

表1 原料的主要化學(xué)成分分析結(jié)果

圖1 原料的X射線衍射圖譜

2.2 主要原料物相分析

主要分析了尾礦、鈉長石及廢石-8的物相，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由分析結(jié)果可知，尾礦的主要礦物以石英和鉀長石居多，其次是白云母、高嶺石、蒙脫石、黃鐵礦等；鈉長石的主要礦相是石英、微斜長石及鈉長石；廢石-8的礦相主要是石英、水鈉錳礦等。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

采用高溫熔融發(fā)泡法制備發(fā)泡陶瓷的工藝過程如圖2所示，具體步驟如下。

圖2 高溫發(fā)泡陶瓷的制備工藝流程

試驗(yàn)步驟如下。

（1）將各種-2mm的原料按照設(shè)定配比稱重后加入球磨機(jī)，然后加入發(fā)泡劑、水等，在球磨機(jī)中球磨至一定時(shí)間。

（2） 將球磨漿料過80目篩后放入干燥箱中干燥。

（3）將干燥后的物料打散，然后均勻布料于耐高溫匣缽中。

（4）將匣缽置入馬弗爐中，在設(shè)定的燒成制度下燒成后隨爐冷卻。

（5）將燒成后的發(fā)泡陶瓷從匣缽中取出，用切割機(jī)將燒成后的毛坯板切割加工為規(guī)格尺寸試塊，檢測(cè)其主要性能指標(biāo)。

3 正交試驗(yàn)及結(jié)論

3.1 探索實(shí)驗(yàn)研究

3.1.1 球磨時(shí)間探索試驗(yàn)

制備發(fā)泡陶瓷的原料需基本通過0.058mm（即250目）。尾礦是幾種原料中的難磨原料，為了初步探索細(xì)度與球磨時(shí)間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)采用50%的濃度，進(jìn)行了尾礦不同球磨時(shí)間的探索試驗(yàn)。不同球磨時(shí)間的尾礦粒度分布見表2。由試驗(yàn)結(jié)果可知，4組球磨時(shí)間的漿料粒度都能達(dá)到90%在0.058mm（即250目）以下。因此可初步確定后續(xù)正交實(shí)驗(yàn)的球磨時(shí)間水平設(shè)置。

表2 不同球磨時(shí)間的尾礦粒度分布

3.1.2 物料配比探索試驗(yàn)

燒制發(fā)泡陶瓷時(shí)，需要根據(jù)坯料的化學(xué)成分組成找出可以滿足發(fā)泡劑產(chǎn)氣速率與坯料液相粘度和表面張力相契合的最佳燒成制度，因此配方的設(shè)計(jì)需要遵循一定的化學(xué)成分組成規(guī)則。相關(guān)文獻(xiàn)表明［10-11］，發(fā)泡陶瓷適宜的化學(xué)成分組成見表3。

表3 發(fā)泡陶瓷的適宜化學(xué)成分組成/wt%

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)置四組配比進(jìn)行尾礦制備發(fā)泡陶瓷材料的探索實(shí)驗(yàn)，表4為中四種物料配比。四組探索試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的主要化學(xué)成分見表5。四組探索試驗(yàn)的試驗(yàn)條件為：發(fā)泡劑外摻量0.3%，球磨時(shí)間為2h，燒成溫度1200℃，保溫時(shí)間為60min。燒成試驗(yàn)樣塊的外觀形貌見圖2。

表4 探索試驗(yàn)的物料配比

表5 不同配方的主要化學(xué)成分

圖3 探索試驗(yàn)發(fā)泡陶瓷的表觀形貌

由圖3可知，探索試驗(yàn)的四組配方在該試驗(yàn)條件下的物料配比均在可以燒制發(fā)泡陶瓷的范圍內(nèi)，發(fā)氣過程與燒成熔融軟化過程匹配，但是制備的發(fā)泡陶瓷氣孔分布不均勻，存在貫通缺陷的現(xiàn)象，制備工藝參數(shù)仍需要進(jìn)一步優(yōu)化。在上述探索試驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證制備工藝參數(shù)。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)探索試驗(yàn)初步得到的發(fā)泡陶瓷配比和工藝參數(shù)范圍，設(shè)計(jì)L18（37）正交實(shí)驗(yàn)表優(yōu)化工藝參數(shù)（見表6和表7和表8）。由表8可知18組正交實(shí)驗(yàn)配方化學(xué)成分組成均在發(fā)泡陶瓷坯料適宜的化學(xué)成分范圍內(nèi)，正交實(shí)驗(yàn)因素和水平設(shè)置合理。

表6 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)置

分析檢測(cè)18組正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)下制備的發(fā)泡陶瓷的主要性能，包括孔隙率、表觀密度、抗壓強(qiáng)度及吸水率。通過直觀分析和方差分析研究工藝參數(shù)與性能之間的關(guān)系，同時(shí)得到對(duì)應(yīng)的優(yōu)選方案和最優(yōu)工藝參數(shù)范圍。

表7 正交實(shí)驗(yàn)表L18（37）

表8 不同試驗(yàn)組的主要化學(xué)成分

表9為18組正交實(shí)驗(yàn)組制備的發(fā)泡陶瓷材料的性能指標(biāo)孔隙率、表觀密度、抗壓強(qiáng)度及吸水率的測(cè)試結(jié)果。K1、K2和K3分別是因素A、B、C、D、E、F、G的第1水平、第2水平和第3水平試驗(yàn)均值；極差是同一因素的考察指標(biāo)的最大值與最小值之差，其大小代表因素的水平改變對(duì)考察指標(biāo)的影響大小，極差越大說明該因素對(duì)考察指標(biāo)的影響越大。

3.2.1 表觀密度分析

正交實(shí)驗(yàn)的表觀密度直觀分析結(jié)果見表9。由表9結(jié)果可知，燒成溫度F的極差最大為275.9，表明燒成溫度是對(duì)發(fā)泡陶瓷表觀密度影響最大的因素；發(fā)泡陶瓷的表觀密度應(yīng)在滿足小于950kg/m3的條件下越小越好，因此三個(gè)均值中，水平三所代表的均值536.2kg/m3最小，所以取它的第三水平。以此類推，極差F＞E＞C＞G＞A＞B＞D，即影響發(fā)泡陶瓷表觀密度的因素排名依次為：F燒成溫度、E發(fā)泡劑摻量、C廢石-8摻量、G燒成時(shí)間、A尾礦摻量、B鈉長石摻量、D球磨時(shí)間；再通過比較各因素表觀密度的均值，確定最優(yōu)方案為A2B1C3D2E3F3G2。

表觀密度的方差分析見表10，通過F檢驗(yàn)結(jié)果表明，燒成溫度及發(fā)泡劑用量的F比＞F臨界值，表明燒成溫度和發(fā)泡劑用量是影響表觀密度的顯著性因素。

3.2.2 抗壓強(qiáng)度分析

正交實(shí)驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度直觀分析結(jié)果見表9。由表9結(jié)果可知，燒成溫度F的極差最大為6.201，表明燒成溫度是對(duì)發(fā)泡陶瓷抗壓強(qiáng)度影響最大的因素；發(fā)泡陶瓷的抗壓強(qiáng)度應(yīng)在滿足大于3.5MPa的條件下越大越好，由于三個(gè)均值中水平一所代表的均值9.513MPa最大，所以取它的第一水平。以此類推，極差F＞E＞A＞C＞G＞D＞B，即影響發(fā)泡陶瓷抗壓強(qiáng)度的因素排名依次為：F燒成溫度、E發(fā)泡劑摻量、A尾礦摻量、C廢石-8摻量、G燒成時(shí)間、D球磨時(shí)間、B鈉長石摻量。通過比較各因素表觀密度的均值，確定最優(yōu)方案為A1B1C2D2E1F1G1。

表9 發(fā)泡陶瓷配方及工藝正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 正交實(shí)驗(yàn)發(fā)泡陶瓷切塊照片樣塊

圖5 正交實(shí)驗(yàn)發(fā)泡陶瓷表觀形貌

抗壓強(qiáng)度的方差分析見表11，通過F檢驗(yàn)判斷對(duì)發(fā)泡陶瓷抗壓強(qiáng)度影響較大的顯著性因素。由表11可知，燒成溫度的F比＞F臨界值，表明燒成溫度是影響抗壓強(qiáng)度的顯著性因素。備注：“*”代表顯著，下同

表10 表觀密度方差分析

表11 抗壓強(qiáng)度方差分析

3.2.3 吸水率分析

正交實(shí)驗(yàn)的吸水率直觀分析結(jié)果見表9。由表9結(jié)果可知，鈉長石用量的極差最大為1.297，表明鈉長石摻量是對(duì)發(fā)泡陶瓷抗壓吸水率影響最大的因素；發(fā)泡陶瓷的吸水率應(yīng)在滿足小于3%的條件下越小越好，因此三個(gè)均值中，水平二所代表的均值1.405最小，所以取它的第二水平。以此類推，極差B＞F＞C＞D＞G＞E＞A，即影響發(fā)泡陶瓷吸水率的因素排名依次為：B鈉長石摻量、F燒成溫度、C廢石-8摻量、D球磨時(shí)間、G燒成時(shí)間、E、發(fā)泡劑用量、A尾礦摻量。通過比較各因素吸水率的均值，確定最優(yōu)方案為A3B2C2D3E1F2G2。

吸水率的方差分析見表12，通過F檢驗(yàn)判斷對(duì)發(fā)泡陶瓷吸水率影響較大的顯著性因素。由表12可知，鈉長石摻量、廢石-8摻量及燒成溫度的F比＞F臨界值，表明鈉長石用量、廢石-8摻量和燒成溫度是影響抗壓強(qiáng)度的顯著性因素，而鈉長石是最顯著影響因素。

表12 吸水率方差分析

3.2.4 孔隙率分析

正交實(shí)驗(yàn)的孔隙率的直觀分析結(jié)果見表9。由表9結(jié)果可知，燒成溫度F的極差最大為12.75，表明燒成溫度是對(duì)發(fā)泡陶瓷孔隙率影響最大的因素；發(fā)泡陶瓷的孔隙率越大越好，因此三個(gè)均值中，水平三所代表的均值77.29最大，所以取它的第三水平。以此類推，極差F＞E＞C＞B＞A＞G＞D，即影響發(fā)泡陶瓷孔隙率的因素排名依次為：F燒成溫度、E發(fā)泡劑摻量、C廢石-8摻量、B鈉長石摻量、A尾礦摻量、G燒成時(shí)間、D球磨時(shí)間。通過比較各因素表觀密度的均值，確定最優(yōu)方案為A2B1C3D2E3F3G3。

孔隙率的方差分析見表13，通過F檢驗(yàn)判斷對(duì)發(fā)泡陶瓷孔隙率影響較大的顯著性因素。由表13可知，燒成溫度及發(fā)泡劑用量的F比＞F臨界值，表明燒成溫度和發(fā)泡劑用量是影響孔隙率的顯著性因素。因此，決定發(fā)泡陶瓷表觀密度的關(guān)鍵因素為燒成溫度和發(fā)泡劑用量。分別分析得到的表觀密度、抗壓強(qiáng)度、吸水率及孔隙率的優(yōu)方案見表14。兼顧各個(gè)性能得到綜合優(yōu)方案A2B1C2D2E1F3G2，即：銅尾礦摻量55%，鈉長石摻量20%、廢石-8摻量25%，白云石外摻量5%，發(fā)泡劑外摻量0.3%；最佳工藝流程為球磨時(shí)間1.5h，燒成溫度1200℃，保溫時(shí)間60min。

表13 孔隙率方差分析

表14 優(yōu)方案對(duì)比

3.3 最優(yōu)工藝參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)

按照正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出的最優(yōu)物料配比和工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，其發(fā)泡陶瓷切塊照片見圖6。由圖可知，該批次試驗(yàn)樣塊孔分布均勻。性能檢測(cè)結(jié)果為：表觀密度605kg/m3，抗壓強(qiáng)度5.3MPa，孔隙率72.7%，吸水率1.4%。GB/T 23451-2009《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》中只有面密度的要求，面密度≤90kg/m2對(duì)應(yīng)的表觀密度≤900kg/m3。因此本試驗(yàn)制備出的發(fā)泡陶瓷結(jié)果符合要求。

圖6 最佳工藝參數(shù)制備的發(fā)泡陶瓷切面照片

4 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)用選銅尾礦的硅鋁含量相對(duì)適中，且氧化鉀含量較高；主要礦物為石英和鉀長石，其次是白云母、高嶺石、蒙脫石、黃鐵礦等；摻入鈉長石等輔料調(diào)整熔劑組分可用于制備發(fā)泡陶瓷材料。

（2）正交實(shí)驗(yàn)表明，燒成溫度是影響強(qiáng)度和密度的最顯著性因素。影響發(fā)泡陶瓷表觀密度的因素排名依次為：燒成溫度、發(fā)泡劑摻量、廢石-8摻量、燒成時(shí)間、尾礦摻量、鈉長石摻量、球磨時(shí)間；影響發(fā)泡陶瓷強(qiáng)度的因素排名依次為：燒成溫度、發(fā)泡劑摻量、尾礦摻量、廢石-8摻量、燒成時(shí)間、球磨時(shí)間、鈉長石摻量。

（3）本試驗(yàn)制備發(fā)泡陶瓷的最優(yōu)配方為選銅尾礦摻量55%，鈉長石摻量20%、廢石-8摻量25%，白云石摻量為5%，發(fā)泡劑摻量0.3%；正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后工藝參數(shù)為球磨細(xì)度為90% -0.054mm，馬弗爐燒成溫度1200℃，保溫時(shí)間60min。本試驗(yàn)制備的發(fā)泡陶瓷表觀密度605kg/m3，抗壓強(qiáng)度5.3MPa，孔隙率72.7%，吸水率1.4%。密度和強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。