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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 河北省無(wú)機(jī)非金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210)

引言

我國(guó)是鋼鐵大國(guó)，也是礦業(yè)大國(guó)，在生產(chǎn)鋼鐵的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的鐵尾礦。這些鐵尾礦的大量推存，對(duì)土壤、水體及大氣均已造成嚴(yán)重的污染，給周邊人民的生存環(huán)境帶來(lái)了危害，甚至危及人們的財(cái)產(chǎn)及生命安全。

為了消除鐵尾礦的危害，國(guó)內(nèi)學(xué)者已開(kāi)展了大量的研究工作，尤其是在建筑材料中的應(yīng)用研究[1-5]。該項(xiàng)目對(duì)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(shí)也開(kāi)展了利用鐵尾礦制備陶粒的研究工作。

1試驗(yàn)用原材料

3種試驗(yàn)原料的化學(xué)組成如表1所示。

表1 鐵尾礦、粘土和煤矸石的化學(xué)組成/wt%

(1)鐵尾礦：利用實(shí)驗(yàn)室小型球磨機(jī)將其粉磨成具有不同細(xì)度的2種尾礦粉，分別為0.080 mm，方孔篩篩余2.1%(以下簡(jiǎn)稱(chēng)尾礦細(xì)粉)和9.5%(以下簡(jiǎn)稱(chēng)尾礦粗粉)。經(jīng)XRD分析，其主要礦物為鉀長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石、石英及少量磁鐵礦。

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

(3)煤矸石：用球磨機(jī)磨細(xì)，其細(xì)度為0.080 mm，方孔篩篩余4.5%。經(jīng)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(chēng)量原料，把稱(chēng)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(yàn)證明，將鐵尾礦磨細(xì)至一定細(xì)度，即使不加粘土類(lèi)物質(zhì)也可以成型。

2.2 試樣的煅燒

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

把烘干的小球放入電阻爐中，選擇已經(jīng)制定的煅燒溫度和保溫時(shí)間對(duì)其進(jìn)行煅燒。先從1 000 ℃、10 min開(kāi)始，根據(jù)每次的煅燒結(jié)果進(jìn)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(kāi)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(cè)試

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《輕集料及其試驗(yàn)方法—第一部分：輕集料》(GB/T 17431.1-2010)[14]及《輕集料及其試驗(yàn)方法—第二部分：輕集料試驗(yàn)方法》(GB/T 17431.2-2010)[15]對(duì)陶粒試樣進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的性能有包括表觀密度、吸水率、堆積密度、空隙率、筒壓強(qiáng)度和粒型系數(shù)。

4試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 陶粒試樣煅燒結(jié)果和分析

4.1.1陶粒試樣煅燒結(jié)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(jié)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(qiáng)度太低。由試樣的外觀可知試樣由于煅燒溫度低而未發(fā)生熔融現(xiàn)象；

S2：顏色比S1要稍微深一點(diǎn)，用手觸摸時(shí)表面掉落顆粒減少，強(qiáng)度稍有提高，初步顯示熔融現(xiàn)象；S3、S4、S5：與S2相比，顏色依次加深，強(qiáng)度也依次增大，熔融現(xiàn)象越來(lái)越明顯；

S6、S7、S8：3種試樣煅燒后結(jié)果相近，顏色呈黑色，強(qiáng)度大，不易碎，試樣燒結(jié)時(shí)表面發(fā)生熔融現(xiàn)象，試樣內(nèi)部幾乎沒(méi)有實(shí)心球氣孔；

S9：顏色為黑色，試樣表面光滑，強(qiáng)度大，內(nèi)部有少量氣孔，試樣幾乎無(wú)膨脹現(xiàn)象；

以上試樣是由于煅燒溫度低，試樣未達(dá)到燒結(jié)溫度所致；

(2)S12、S16、S17、S18、S20、S21：試樣顏色為黑色，表面光滑，強(qiáng)度大，內(nèi)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(shí)間不夠所致；

(3)S10、S13、S19、S22、S23、S29：顏色為黑色，試樣表面光滑，強(qiáng)度大，內(nèi)部有大量氣孔，試樣體積變大，發(fā)生膨脹現(xiàn)象。這些試樣煅燒結(jié)果比較好，在煅燒溫度和時(shí)間上都比較合適；

(4)S11：顏色呈黑色，試樣過(guò)分熔融變形并發(fā)生粘連，內(nèi)部氣孔較少，表面光滑，強(qiáng)度大。試樣保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；

(5)S14、S15：二者表面均有少量的熔融現(xiàn)象，除此之外與煅燒前的原料幾乎相同。說(shuō)明未經(jīng)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(shí)生成大量氣體，體積膨脹大，形成中空的球殼狀，強(qiáng)度小。說(shuō)明加入煤矸石，引入的氣體過(guò)多；

S27：顏色為土黃色，球體開(kāi)裂，未出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，強(qiáng)度小；

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

由以上煅燒結(jié)果可得：

(1)在鐵尾礦細(xì)度相差不大時(shí)，相同配比的原料燒制陶粒所需的煅燒溫度和保溫時(shí)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(shí)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(shí)間相同?？梢?jiàn)其煅燒溫度與原料所含成分有關(guān)；

(3)鐵尾礦顆粒未經(jīng)粉磨直接煅燒不能制得陶粒。

4.2 陶粒的性能測(cè)試

對(duì)煅燒效果比較好的S10、S22和S29幾種陶粒進(jìn)行了性能測(cè)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(jié)果如表4所示。

表4 陶粒性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《輕集料及其測(cè)試方法—第一部分：輕集料》(GB/T 17431.1-2010)規(guī)定，3種陶粒試樣的吸水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值；S10陶粒的密度等級(jí)為800，S22和S29陶粒的密度等級(jí)為900；3種陶粒的筒壓強(qiáng)度均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中S22和S29達(dá)到了高強(qiáng)輕集料的強(qiáng)度要求；3種陶粒試樣的平均粒型系數(shù)都小于2.0，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5結(jié)論

(1)利用鐵尾礦制備陶粒具有可行性。

(2)鐵尾礦磨細(xì)到一定細(xì)度，可不加其他成分而進(jìn)行成型和煅燒出合格的陶粒。

(3)鐵尾礦在煅燒陶粒過(guò)程中可以加入適量的粘結(jié)成分，例如粘土、煤矸石。

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