成型條件對(duì)鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚性能的影響

黃 杰 王 星 徐名特

(1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410011；

0 引言

鉬礦是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源，產(chǎn)量巨大，但平均品位較低，增大了分選難度，選別指標(biāo)較差。這就導(dǎo)致鉬尾礦中伴生的長(zhǎng)石、石英、白鎢礦等組分得不到高效利用，進(jìn)一步增大鉬尾礦的堆存量，帶來(lái)一系列環(huán)境問(wèn)題[1]。因此，如何對(duì)鉬尾礦資源進(jìn)行合理利用，不僅可以改善環(huán)境生態(tài)問(wèn)題，解決鉬尾礦的大量堆積，而且對(duì)于礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大[2]。通過(guò)合理利用此類尾礦資源，達(dá)到環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益共贏的目的。

粉煤灰是火力發(fā)電廠的粉煤燃燒后所產(chǎn)生的一種工業(yè)副產(chǎn)品，其主要成分是氧化鋁和二氧化硅[3]，可用于制備建筑材料等，這在一定程度上為粉煤灰資源的高效開發(fā)利用提供了有力保障[4]。因此，本論文在制備鉬尾礦燒結(jié)磚時(shí)，添加了一定比例的粉煤灰，彌補(bǔ)了鉬尾礦中鋁含量相對(duì)較低的缺陷，優(yōu)化了鉬尾礦燒結(jié)磚的化學(xué)成分，進(jìn)一步提高了其各項(xiàng)性能。

1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)所用鉬尾礦取自洛南某地，采用200目標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)其進(jìn)行篩分，以除去雜質(zhì)及大顆粒，然后置于105 ℃烘箱中烘干，儲(chǔ)存于密封袋中備用。試驗(yàn)所用粉煤灰自購(gòu)于河南某建材公司。鉬尾礦和粉煤灰的化學(xué)組成分析如表1所示。

表1 原料的化學(xué)組成 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

由表1可知，該鉬尾礦中SiO2含量較高，為72.96%，符合燒結(jié)磚制備的硅含量要求。Fe2O3含量較高，為10.85%，屬于高硅高鐵型鉬尾礦，過(guò)高的鐵含量會(huì)導(dǎo)致燒制的產(chǎn)品密度過(guò)大。Al2O3含量偏低，僅為4.05%，會(huì)影響燒結(jié)磚制備過(guò)程中低共熔體系的形成。因此，為了彌補(bǔ)該鉬尾礦高鐵低鋁這一缺陷，本試驗(yàn)采用鋁含量高而鐵含量較低的粉煤灰與鉬尾礦混合，達(dá)到優(yōu)化燒結(jié)磚化學(xué)成分的目的。同時(shí)，該粉煤灰中還含有少量的K2O、Na2O等堿性金屬氧化物，可起到助融的作用。

1.2 試驗(yàn)方法

鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的燒制流程如下：

(1)配料：采用200目標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)鉬尾礦進(jìn)行篩分，除去雜質(zhì)及大顆粒，然后置于105 ℃烘箱中烘干，稱取一定質(zhì)量，與粉煤灰按一定比例混合均勻后，再加入一定量的去離子水，攪拌均勻，陳化30 min。

(2)成型干燥：將陳化好的混合料倒入模具內(nèi)，利用壓片機(jī)壓制成型，得到濕磚坯。然后將其放入105 ℃烘箱中烘干10 h。

(3)燒制：將烘干好的試樣置于馬弗爐中，1 050 ℃條件下燒制120 min，樣品隨爐冷卻后進(jìn)行性能測(cè)試。

(4)性能測(cè)試：對(duì)所制備燒結(jié)磚進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、吸水率、體積密度和燒失重測(cè)試，獲得最佳成型條件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響

由于該鉬尾礦中鋁含量偏低，鐵含量偏高，而鋁含量偏低會(huì)影響燒結(jié)磚制備過(guò)程中低共熔體系的形成，鐵含量偏高會(huì)導(dǎo)致燒制的產(chǎn)品密度過(guò)大。因此，在制備鉬尾礦燒結(jié)磚時(shí)加入一定量的粉煤灰，以優(yōu)化燒結(jié)磚化學(xué)成分，增強(qiáng)其各項(xiàng)性能指標(biāo)。

將鉬尾礦與粉煤灰按不同質(zhì)量比進(jìn)行混合，在成型水分12%、成型壓力15 MPa，燒成溫度1 050 ℃、燒結(jié)時(shí)間120 min條件下，進(jìn)行鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的制備，并對(duì)所制備產(chǎn)品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、吸水率、體積密度和燒失重測(cè)試。

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

對(duì)所制備鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 粉煤灰摻量對(duì)鉬尾礦燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度保持在14.32～22.78 MPa之間。當(dāng)粉煤灰摻量為5%時(shí)，燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度最大，為22.78 MPa。當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度最低，僅為14.32 MPa?？梢?，適量的粉煤灰摻入量可以提高鉬尾礦燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度。

2.1.2 吸水率

對(duì)所制備鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚進(jìn)行吸水率測(cè)試，其與粉煤灰摻量的關(guān)系如圖2所示，可見，樣品的吸水率隨著粉煤灰摻量的不斷增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。不摻加粉煤灰時(shí)，樣品的吸水率最大，為19.91%。而當(dāng)粉煤灰摻量為5%時(shí)，燒結(jié)磚的吸水率降低，為15.56%，符合尾礦燒結(jié)磚的制備要求。

圖2 粉煤灰摻量對(duì)鉬尾礦燒結(jié)磚吸水率的影響

2.1.3 體積密度

對(duì)所制備鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚進(jìn)行體積密度測(cè)試，得到體積密度與粉煤灰摻量的關(guān)系如圖3所示。可見，鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的體積密度隨著粉煤灰摻量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，體積密度在1.75～1.83 g/cm3之間，符合燒結(jié)磚體積密度的要求。在粉煤灰摻量為5%時(shí)，燒結(jié)磚體積密度最大，為1.827 g/cm3。

圖3 粉煤灰摻量對(duì)鉬尾礦燒結(jié)磚體積密度的影響

2.1.4 燒失重

對(duì)所制備鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚進(jìn)行燒失重測(cè)試，得到燒失重與粉煤灰摻量的關(guān)系如圖4所示?？梢?，所制備樣品的燒失重隨著粉煤灰的摻量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，最大燒失量為8.185%，符合制備燒結(jié)磚的要求。結(jié)合抗壓強(qiáng)度、吸水率、體積密度這三項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)考慮到對(duì)于鉬尾礦最大限度的使用，最終確定最佳的粉煤灰摻量為5%。此時(shí)，鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的燒失重為8.125%。

圖4 粉煤灰摻量對(duì)鉬尾礦燒結(jié)磚燒失重的影響

2.2 成型水分對(duì)燒結(jié)磚性能的影響

適量的成型水分有助于顆粒充分混勻結(jié)合，增強(qiáng)混合料的可塑性，提高燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度。成型水分較低時(shí)，影響混合顆粒的密實(shí)度，導(dǎo)致生磚坯的結(jié)構(gòu)松散，難以成型。成型水分較高時(shí)，成型過(guò)程中生坯容易發(fā)生形變。另外，在干燥和燒制階段，過(guò)高的水量被蒸發(fā)掉后，造成磚體內(nèi)部形成較多孔隙，嚴(yán)重影響燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度。因此，適當(dāng)?shù)某尚退钟欣谔岣邿Y(jié)磚的性能。

固定粉煤灰摻量5%，成型壓力15 MPa，燒成溫度1 050 ℃、燒結(jié)時(shí)間120 min，在成型水分分別為8%、10%、12%、14%、16%條件下，進(jìn)行鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的制備，并對(duì)所制備產(chǎn)品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、吸水率、體積密度和燒失重測(cè)試。

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

成型水分對(duì)鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示。由圖5可以看出，在成型水分從8%增加至12%的過(guò)程中，鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，且在成型水分為12%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，為24.82 MPa。當(dāng)成型水分為8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅為14.21 MPa，這是由于混合料密實(shí)度差，生坯的結(jié)構(gòu)松散，難以成型。當(dāng)成型水分為14%時(shí)，鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度迅速下降，降至16.43 MPa。當(dāng)成型水分增加至16%時(shí)，抗壓強(qiáng)度緩慢下降，為15.78 MPa。

圖5 成型水分對(duì)鉬尾礦燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.2 吸水率

對(duì)所制備鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚進(jìn)行吸水率測(cè)試，得到成型水分與燒結(jié)磚吸水率的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，燒結(jié)磚吸水率隨著成型水分的增大而呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。這是由于高的成型水分伴隨高的蒸發(fā)量，使得燒結(jié)磚坯體內(nèi)部空隙變大，導(dǎo)致吸水率逐漸增大。當(dāng)成型水分為8%時(shí)，燒結(jié)磚吸水率最低，為13.25%；當(dāng)成型水分為16%時(shí)，吸水率最大，為16.26%；當(dāng)成型水分為12%時(shí)，吸水率為14.51%。

圖6 成型水分對(duì)鉬尾礦燒結(jié)磚吸水率的影響

2.2.3 體積密度

對(duì)所制備鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚進(jìn)行體積密度測(cè)試，得到燒結(jié)磚體積密度與成型水分的關(guān)系如圖7所示。可見，鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的體積密度隨著成型水分的增加呈下降趨勢(shì)。因?yàn)槌尚退衷礁?，燒制過(guò)程的蒸發(fā)量越大，致使燒結(jié)磚內(nèi)部空隙增加，體積密度減小。當(dāng)成型水分為8%時(shí)，體積密度最大，為1.92 g/cm3；成型水分為16%時(shí)，燒結(jié)磚體積密度最小，為1.76 g/cm3；當(dāng)成型水分為12%時(shí)，燒結(jié)磚體積密度1.83 g/cm3。均符合燒結(jié)磚的密度要求。

圖7 成型水分對(duì)鉬尾礦燒結(jié)磚體積密度的影響

2.2.4 燒失重

對(duì)所制備鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚進(jìn)行燒失重測(cè)試，得到燒失重與成型水分的關(guān)系如圖8所示?？梢?，所制備樣品的燒失重隨著成型水分的增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，最大燒失量為8.82%。這是由于高溫?zé)七^(guò)程中，磚坯內(nèi)部產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，成型水分含量越高，蒸發(fā)量越大，導(dǎo)致坯體內(nèi)部空隙也越大，使得燒結(jié)磚的燒失重也逐漸增大。當(dāng)成型水分為12%時(shí)，鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的燒失重為7.81%。

圖8 成型水分對(duì)鉬尾礦燒結(jié)磚燒失重的影響

綜合考慮抗壓強(qiáng)度、吸水率、體積密度、燒失重這四項(xiàng)指標(biāo)，最終確定最佳的成型水分為12%。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)該鉬尾礦SiO2含量為72.96%，F(xiàn)e2O3含量為10.85%，屬于高硅高鐵型鉬尾礦，符合燒結(jié)磚制備的硅含量要求。摻加一定量的粉煤灰，可在一定程度上優(yōu)化燒結(jié)磚的化學(xué)成分，提高鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的各項(xiàng)性能。

(2)采用該鉬尾礦，并摻加一定量粉煤灰，在成型壓力15 MPa，燒成溫度1 050 ℃、燒結(jié)時(shí)間120 min條件下，進(jìn)行燒結(jié)磚的制備，得到最佳的成型條件為：粉煤灰摻量5%，成型水分12%。

(3)最佳成型條件下所得鉬尾礦粉煤灰燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度為24.82 MPa，吸水率為14.51%，體積密度為1.83 g/cm3，燒失重為7.81%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足普通燒結(jié)磚的要求，可在一定程度上為鉬尾礦及粉煤灰的綜合利用提供借鑒意義。