燒結(jié)制度對釩尾礦陶粒性能及結(jié)構(gòu)的影響

陳 佳 陳鐵軍 張一敏

(1.臨滄師范高等專科學校數(shù)理系，云南臨滄677000;2.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢430081)

近年來，新型陶粒因質(zhì)輕、強度高、保溫性好而廣受建材等行業(yè)關(guān)注［1-5］。由于陶粒原料的組成及理化性質(zhì)各不相同，因此，其性能和燒結(jié)制度也存在較大差異。燒結(jié)作為陶粒制備工藝中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)［6］，其燒結(jié)制度對陶粒質(zhì)量的影響較大。

湖北某石煤提釩尾礦是一種優(yōu)質(zhì)陶粒原料，前期已完成了生陶粒的制備工藝技術(shù)研究，本試驗將著重對其燒結(jié)制度進行研究。

1 試驗原料

釩尾礦取自湖北某礦業(yè)公司，其主要組成礦物有石英、云母、高嶺石等;粉煤灰取自湖北某電廠;試劑型黏土取自廣東茂名某礦。各原料主要化學成分分析結(jié)果見表1。

表1 各原料主要化學成分分析結(jié)果Table 1 Main chemical composition of the main raw materials %

2 陶粒的制備與性能測試

2.1 陶粒的制備

用球磨機將釩尾礦、粉煤灰、黏土分別磨至－0.074 mm占80%，然后按照質(zhì)量比6∶3∶1混合均勻，按水灰比0.15∶1加水調(diào)勻、陳化1 h，在800 mm×210 mm型圓盤造球機中造球(造球機轉(zhuǎn)速為30 r/min、傾角為45°)，自然風干，選取粒度為15～5 mm的生陶粒置于3段式臥式管爐中，以8℃/min的升溫速率升至預(yù)熱溫度，并保溫一定時間，再按同一升溫速率升至設(shè)定的燒結(jié)溫度，并保溫一定時間，最后自然冷卻至室溫，得到燒結(jié)陶粒樣品。

2.2 陶粒的性能測試

根據(jù)GB/T 17431.1—1998檢測陶粒樣品的顆粒強度和吸水率，并利用D/MAX－Ⅲ型X射線衍射儀和JSM－5610LV型掃描電子顯微鏡對樣品進行物相組成和微觀結(jié)構(gòu)表征。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 預(yù)熱溫度對陶粒性能的影響

在陶粒燒結(jié)過程中，預(yù)熱可以一定程度上減少生球的水分，初步提高生球的溫度，使其在臥式管爐的高溫區(qū)不至于因內(nèi)外溫度差太大而爆裂。故確定適當?shù)念A(yù)熱溫度和預(yù)熱時間十分重要。預(yù)熱溫度試驗固定預(yù)熱時間為30 min，燒結(jié)溫度為1 160℃，燒結(jié)時間為12 min，試驗結(jié)果見圖1。

由圖1可見，在試驗溫度范圍內(nèi)，預(yù)熱溫度升高，吸水率上升、顆粒強度下降。綜合考慮，確定預(yù)熱溫度為400℃。

3.2 預(yù)熱時間對陶粒性能的影響

預(yù)熱時間試驗固定預(yù)熱溫度為400℃，燒結(jié)溫度為1 160℃，燒結(jié)時間為12 min，試驗結(jié)果見圖2。

圖1 預(yù)熱溫度對陶粒顆粒強度和吸水率的影響Fig.1 Effect of preheating temperature on the particle strength and water absorption of ceramsites

圖2 預(yù)熱時間對陶粒顆粒強度和吸水率的影響Fig.2 Effect of preheating time on the particle strength and water absorption of ceramsites

由圖2可見，預(yù)熱時間延長，陶粒的吸水率先顯著下降后小幅下降，顆粒強度先微幅下降后有所加速。綜合考慮，確定預(yù)熱時間為30 min。

3.3 燒結(jié)溫度對陶粒性能的影響

在陶粒的燒結(jié)過程中，其含有的硅鋁礦物發(fā)生反應(yīng)形成凝膠相，使陶粒強度增大［7］。燒結(jié)溫度試驗固定預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時間為30 min，燒結(jié)時間為12 min，試驗結(jié)果見圖3，不同燒結(jié)溫度下陶粒的XRD圖譜和SEM照片見圖4、圖5。

圖3 燒結(jié)溫度對陶粒顆粒強度和吸水率的影響Fig.3 Effect of roasting temperature on the particle strength and water absorption of ceramsites

由圖3可見，燒結(jié)溫度對陶粒強度的影響較大，燒結(jié)溫度升高，陶粒的顆粒強度先升高后降低，吸水率下降。綜合考慮，確定陶粒的燒結(jié)溫度為1 130℃。

圖4 不同燒結(jié)溫度下陶粒XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of ceramsites at different roasting temperatures

由圖4可見，燒結(jié)溫度從1 090℃上升至1 170℃，石英及赤鐵礦的衍射峰逐漸減弱，說明在燒結(jié)過程中，石英及赤鐵礦逐漸熔融在液相中，陶粒內(nèi)部液相區(qū)域的擴大與蔓延有利于增大陶粒的強度;在燒結(jié)溫度為1 130℃時產(chǎn)生了莫來石的衍射峰，說明陶粒中有少量的有利于陶粒強度增長的莫來石生成;燒結(jié)溫度從1 090℃上升至1 130℃，長石的衍射峰增強，說明陶粒中有有利于陶粒強度增長的長石形成，燒結(jié)溫度從1 130℃上升至1 170℃，長石的衍射峰減弱，而沒有新的衍射峰生成，說明在燒結(jié)溫度達到1 130℃以上，長石類礦物熔融形成多元低共熔物［8-9］。

圖5 不同燒結(jié)溫度下陶粒的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photographs of ceramsites at different roasting temperatures

由圖5可見，陶粒的結(jié)構(gòu)受燒結(jié)溫度的影響較大，燒結(jié)溫度為1 090℃時，陶粒中生成的少量液相填充在顆?？p隙間，此時陶粒中的孔隙度很大，凝膠骨架尚未成形，因此該溫度下燒成的陶粒強度不高;燒結(jié)溫度達1 130℃時，陶粒內(nèi)部形成了大量的液相，將組成陶粒的微觀顆粒聚合在一起，并形成封閉氣孔，因而該溫度下燒成的陶粒質(zhì)輕、強度高、隔熱性好;燒結(jié)溫度進一步升至1 170℃時，陶粒內(nèi)部液相的流動性提高，液相的不均勻流動與分布造成局部孔隙兼并增大，結(jié)構(gòu)逐漸疏松，因而引起陶粒強度的下降。結(jié)合XRD圖譜，可以認為，長石類物質(zhì)的生成提高了陶粒的強度、降低了吸水率;多元低共熔物的不均勻流動，造成陶粒內(nèi)部孔隙的不均勻，進而造成陶粒強度下降、吸水率上升。

3.4 燒結(jié)時間對陶粒性能的影響

燒結(jié)時間試驗固定預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時間為30 min，燒結(jié)溫度為1 130℃，試驗結(jié)果見圖6，不同燒結(jié)時間下陶粒的SEM照片見圖7，試驗確定條件下陶粒的顆粒級配見表2、性能指標見表3。

圖6 燒結(jié)時間對陶粒顆粒強度和吸水率的影響Fig.6 Effect of roasting time on the particle strength and water absorption of ceramsites

由圖6可見，延長燒結(jié)時間，陶粒的顆粒強度先增大后減小，吸水率下降。綜合考慮，確定燒結(jié)時間為10 min。對應(yīng)的顆粒強度為3.27 kN、吸水率為1.89%。

圖7 不同燒結(jié)時間下陶粒的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photographs of ceramsites at different roasting time

表2 試驗確定條件下陶粒的顆粒級配Table 2 Grain size distribution of ceramsites under a certain condition

表3 試驗確定條件下陶粒的性能指標Table 3 Performance indicators of ceramsites under a certain condition

由圖7可見，燒結(jié)時間為6 min時，陶粒坯體未充分燒結(jié)，還可見許多未參與反應(yīng)的片狀硅酸鹽類礦物［10］，并且形成的氣孔多為開口型連通氣孔，因此陶粒的強度不高;燒結(jié)時間為10 min時，陶粒坯體內(nèi)液相明顯增多，大量的液相填充在晶體顆粒間，形成大塊的非晶態(tài)凝膠相，使坯體結(jié)構(gòu)致密，且陶粒內(nèi)部孔隙已轉(zhuǎn)化為不連通的閉口氣孔，因而該條件下的陶粒不僅強度高，而且堆積密度較低;燒結(jié)時間為16 min時，陶粒內(nèi)部液相量未見明顯增加，但有些原本未連通的氣孔開始增大，且有部分轉(zhuǎn)變?yōu)殚_口型氣孔，使構(gòu)成陶粒骨架的結(jié)構(gòu)塌陷，這對于陶粒強度形成不利影響。

由表2、表3可見，預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時間為30 min，燒結(jié)溫度為1 130℃，燒結(jié)時間為10 min情況下的陶粒性能指標均達到GB/T 17431.1—1998要求。

4 結(jié)論

(1)與預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間相比，燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間對湖北某石煤提釩尾礦燒結(jié)陶粒性能的影響更顯著，提高燒結(jié)溫度、延長燒結(jié)時間，陶粒的顆粒強度先上升后下降，吸水率下降。

(2)在預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時間為30 min，燒結(jié)溫度為1 130℃，燒結(jié)時間為10 min情況下，所得陶粒吸水率、筒壓強度、粒型系數(shù)、堆積密度及顆粒級配均達到GB/T 17431.1—1998要求。

(3)XRD和SEM分析結(jié)果表明:①構(gòu)成該石煤提釩尾礦燒結(jié)陶粒骨架的主要晶相為石英、長石及赤鐵礦。②適當提高燒結(jié)溫度或延長燒結(jié)時間，均有利于生成新的長石，新生成的長石與石英等硅鋁酸鹽礦物形成低共熔物，填充在坯體顆粒間，使陶粒內(nèi)部形成相對均勻的不連通的氣孔，因而有利于提高陶粒的強度、降低陶粒的吸水率;過高的燒結(jié)溫度或過長燒結(jié)時間會使陶粒內(nèi)部形成的多元低共熔物發(fā)生不均勻流動，導致氣孔兼并、結(jié)構(gòu)疏松，陶粒強度下降。

［1］ 金宜英，杜 欣，王志玉，等.采用污水廠污泥制陶粒的燒結(jié)工藝及配方研究［J］.中國環(huán)境科學，2009，29(1):17-21.Jin Yiying，Du Xin，Wang Zhiyu，et al.Research on technology and batch formula of sintering municipal sewage for manufacturing haydite［J］.China Environmental Science，2009，29(1):17-21.

［2］ 劉景明，陳立穎，宋存義，等.由化工脫水污泥燒制陶粒［J］.北京科技大學學報，2008，30(10):1090-1094.Liu Jingming，Chen Liying，Song Cunyi，et al.Manufacturing aggregates by sintering chemical industrial dewatering sludge［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2008，30(10):1090-1094.

［3］ 林文莊.由粉煤灰污泥制備陶粒的研究［J］.能源環(huán)境保護，2002，16(2):32-34.Lin Wenzhuang.Experimental study on fly ash ceramsite removal of chronium iron in wastewater［J］.Energy Environmental Protection，2002，16(2):32-34.

［4］ 陳 琳，潘如意，沈曉冬，等.粉煤灰－礦渣－水泥復(fù)合膠凝材料強度和水化性能［J］.建筑材料學報 ，2010(3):380-384.Chen Lin，Pan Ruyi，Shen Xiaodong，et al.Strength and hydration property of fly ash-slag-cement composite cementitious material［J］.Journal of Building Materials，2010(3):380-384.

［5］ 王 艷，宋少民.粉煤灰高強輕骨料的研制［J］.粉煤灰綜合利用，2004(4):49-51.Wang Yan，Song Shaomin.Research and production of high strength light aggregate with fly ash［J］.Fly Ash Comprehensive Utilization，2004(4):49-51.

［6］ 陳 佳，陳鐵軍，張一敏.利用釩尾礦制備高性能陶粒［J］.金屬礦山，2012(1):161-165.Chen Jia，Chen Tiejun，Zhang Yimin.Vanadium tailing for high performance ceramsite synthesis［J］.Metal Mine，2012(1):161-165.

［7］ 田玉梅，肖 慶，劉艷梅.鐵礦尾礦制磚燒成特性的研究［J］.硅酸鹽通報，2004(6):41-44.Tian Yumei，Xiao Qing，Liu Yanmei.Study on the technology of sintering porous bricks with iron ore［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2004(6):41-44.

［8］ 佟志芳，康立武，李英杰，等.粉煤灰中硅酸鹽燒結(jié)反應(yīng)過程的研究［J］.硅酸鹽通報，2009(3):450-453.Tong Zhifang，Kang Liwu，Li Yingjie，et al.Studies on the sintering reactions process of coal fly ash［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2009(3):450-453.

［9］ 陳 佳.石煤提釩尾礦制備燒結(jié)陶粒的工藝及機理研究［D］.武漢:武漢科技大學，2013.Chen Jia.Research on Process and Mechanism of Vanadium Tailing for Roasting Ceramsite［D］.Wuhan:Wuhan University of science and technology，2013.

［10］ 陳永亮，陳鐵軍，張一敏，等.溫度制度對尾礦燒結(jié)磚性能及結(jié)構(gòu)的影響［J］.硅酸鹽通報，2010(6):1343-1347.Chen Yongliang，Chen Tiejun，Zhang Yimin，et al.Preparation and mechanism of fired bricks and tiles with low-silicon iron tailing［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2010(6):1343-1347.