利用礦山廢棄高塑性紅黏土制備輕質(zhì)陶粒的研究
    摘要：生產(chǎn)上多取用農(nóng)田黏土制備輕質(zhì)陶粒,以紅黏土為主要原料的技術(shù)還未見報道。某礦山在開采過程產(chǎn)生大量剝離紅黏土,長期堆存無法利用。以該紅黏土為主要原料,添加普通黏土、化合物L、石灰石、煤粉進行輕質(zhì)陶粒制備試驗,考察原料配比及焙燒制度對燒成陶粒性能的影響。結(jié)果表明,加入適量普通黏土、化合物L可有效降低陶粒燒制過程中的炸裂率,燒成陶粒強度、表觀密度隨普通黏土、化合物L、煤粉的添加量及焙燒溫度的增加而降低,適量添加石灰石可增強燒成陶粒強度;以紅黏土、普通黏土、化合物L、石灰石、煤粉質(zhì)量比為85.5∶7.0∶3.5∶3.0∶1.0混合制得陶粒生球,在105℃下干燥4h、450℃預(yù)熱30min、1170℃焙燒12min,可制得輕質(zhì)陶粒。工業(yè)投籠試驗所得成品陶粒的關(guān)鍵性能指標均達到GB/T17431.1—2010中對500級陶粒的質(zhì)量要求,說明該技術(shù)具有實際生產(chǎn)應(yīng)用價值。研究成果突破了輕質(zhì)陶粒對原料的嚴格限制,為礦山剝離高塑性紅黏土的高附加值利用提供了新途徑。
    關(guān)鍵詞：高塑性;紅黏土;輕質(zhì)陶粒;焙燒制度

    我國許多礦山在開采過程中會產(chǎn)生大量剝離紅黏土而未得到利用，其堆存困擾國內(nèi)礦山的發(fā)展，甚至威脅礦山的生存［1］。輕質(zhì)陶粒具有低密、高強、保溫、耐腐蝕等特性［2-3］，但國內(nèi)企業(yè)多采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)，消耗大量農(nóng)田黏土，因此更大限度地利用固體廢棄物生產(chǎn)輕質(zhì)陶粒成為當前研究的主要方向［4］。近年來國內(nèi)科研人員以海洋疏浚泥［5］、太湖竺山灣底泥［6］、高嶺土尾礦［7］、廢棄日用陶瓷［8］等為主要原料制備出符合國家標準的輕質(zhì)陶粒，紅黏土因可膨脹性很差［9］，尚無利用其為主要原料制備輕質(zhì)陶粒的文獻報道。本研究擬以某礦山廢棄高塑性紅黏土為主要原料制備出符合國家標準的輕質(zhì)陶粒，這將突破輕質(zhì)陶粒對原料的嚴格限制，為處理礦山剝離土和提高其附加值提供新思路。

    試驗原料與試驗方法
    ．1試驗原料紅黏土。取自某礦山的廢棄紅黏土，經(jīng)檢測其塑性指數(shù)＞17，屬高塑性黏土。其主要化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，由此可知，該紅黏土、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO等含量位于Ｒiley相圖的可膨脹范圍，但并不在輕質(zhì)陶粒的最佳化學(xué)成分范圍內(nèi)［10］，CaO、MgO可通過添加該礦山生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的石灰石廢料補充。
    表1紅黏土化學(xué)成分分析結(jié)果成分含量其他原料:化合物L，為市售化學(xué)藥劑;石灰石，與紅黏土取自同一礦山，其CaCO3含量大于，過60目篩待用;煤粉，與紅黏土取自同一礦山，過60目篩待用;普通黏土，取自校園，過60目篩待用;試驗用水為自來水。
    試驗方法陶粒制備方法按一定比例稱取各原料并混勻，將混合料置于500mm圓盤造球機中造球，篩取粒徑為10～的生球，在105℃下干燥3～4h后，置于SX8－1型馬弗爐中預(yù)熱30min，迅速放入SHY－I型回轉(zhuǎn)窯中焙燒12min，制得陶粒。試驗工藝流程如圖1所示。
    圖1試驗工藝流程．工業(yè)投籠試驗方法工業(yè)試驗地點為湖南某陶粒生產(chǎn)廠，經(jīng)調(diào)研，其陶粒生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯直徑1.6m，長30.5m，生產(chǎn)能力為40m3/d，窯內(nèi)預(yù)熱段溫度400～500℃，物料停留時間約120min;焙燒段溫度1160～1180℃，物料停留時間約20min。定制2520型耐高溫不銹鋼籠(不銹鋼管管長、直徑均100mm，兩端為同直徑可拆卸鑄鐵蓋，鋼管、鐵蓋打滿直徑為8mm的圓孔，孔間距。
    試驗時，將預(yù)先制好的生球裝填至料籠內(nèi)，充填率約30%，按照投籠頻率為2籠/(次·h)將料籠投入生產(chǎn)線生球輸送口，隨生產(chǎn)線原物料一同焙燒，在回轉(zhuǎn)窯出料口回收料籠。用該方法燒成陶粒待檢?；剞D(zhuǎn)窯、耐高溫不銹鋼籠如圖2、圖3所示。
    圖2回轉(zhuǎn)窯．2Ｒ圖3耐高溫不銹鋼籠．檢測方法根據(jù)GB/T17431.1—2010測定陶粒的表觀密度，小試產(chǎn)品用HXQT－10D型全自動球團壓力機測定單球抗壓強度，每組試樣取50粒測量數(shù)據(jù)并取平均值;投籠試驗樣品送至湖北省建材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，按照—2010規(guī)定的方法測定相應(yīng)指標。
    試驗結(jié)果與討論
    陶粒原料配比試驗陶粒原料配比試驗時，造球后的陶粒在105℃下干燥4h，然后在450℃預(yù)熱30min，1170℃焙燒。
    普通黏土添加量對陶粒炸裂的影響固定石灰石、煤粉的添加量分別為固體原料總質(zhì)量的3%和1%，普通黏土添加量分別為0%、3.5%、、10.5%，對應(yīng)紅黏土添加量分別為96.0%、、89.0%、85.5%，普通黏土添加量對陶粒炸裂由圖4可知，陶粒預(yù)熱階段及焙燒階段的炸裂率隨普通黏土添加量的增加逐漸降低，在普通黏土添加量超過7．0%后變化不明顯。
    化合物L添加量對陶粒炸裂的影響固定普通黏土、石灰石、煤粉的添加量分別為固體原料總質(zhì)量的7%、3%和1%，化合物L添加量分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%，對應(yīng)紅黏土添加量分別為86.5%、86.0%、85.5%、85.0%，化合物L添加量對陶粒炸裂的影響如圖5所示。
    圖5化合物L添加量對陶粒炸裂的影響．
    ◆—預(yù)熱階段炸裂率
    ●—焙燒階段炸裂率由圖5可知，陶粒預(yù)熱階段不再炸裂，焙燒階段炸裂率隨化合物L添加量的增加逐漸降低?；衔锾砑恿看笥?.5%后焙燒階段不再炸裂。添加化合物L可以改善陶粒表面通透性，促進大量低熔點共熔混合物的產(chǎn)生，并擴大陶粒軟化溫度范圍，因此，隨著化合物L添加量的增加陶粒炸裂率逐漸降低。
    化合物L添加量對陶粒性能的影響固定普通黏土、石灰石、煤粉的添加量分別為固體原料總質(zhì)量的7%、3%和1%，化合物L添加量分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%，對應(yīng)紅黏土添加量分別為86.5%、86.0%、85.5%、85.0%，化合物L添加量對陶粒性能的影響如圖6所示。
    圖6化合物L添加量對陶粒性能的影響．
    ●—陶粒表觀密度
    ◆—單球抗壓強度由圖6可知:陶粒的表觀密度、單球抗壓強度均隨化合物L添加量的增加逐漸降低;在化合物L添加量超過3.5%后陶粒單球抗壓強度隨化合物L添加量增加降低不明顯。綜合考慮，確定化合物L添加量為固體原料總質(zhì)量的3.5%。
    普通黏土添加量對陶粒性能的影響固定化合物L、石灰石、煤粉的添加量分別為固體原料總質(zhì)量的3.5%、3%和1%，普通黏土添加量分別為5%、6%、7%、8%，對應(yīng)紅黏土添加量分別為、86.5%、85.5%、84.5%，普通黏土添加量對陶粒性能的影響如圖7所示。
    圖7普通黏土添加量對陶粒性能的影響．
    ●—陶粒表觀密度
    ◆—單球抗壓強度由圖7可知:陶粒的表觀密度、單球抗壓強度均隨普通黏土添加量的增加逐漸降低;在普通黏土添加量超過7%后，陶粒表觀密度隨普通黏土添加量增加降低不明顯。添加普通黏土可以調(diào)整陶粒原料的塑性指數(shù)，使陶粒具有適宜膨脹的表面張力和軟化黏度，因此，陶粒表觀密度及單球抗壓強度隨普通黏土添加量的增加逐漸降低。綜合考慮，確定普通黏土添加量為固體原料總質(zhì)量的7.0%。
    石灰石添加量對陶粒性能的影響固定普通黏土、化合物L、煤粉的添加量分別為固體原料總質(zhì)量的7%、3.5%和1%，石灰石添加量分別為2.0%、2.5%、3.0%、3.5%，對應(yīng)紅黏土添加量分別為86.5%、86.0%、85.5%、85.0%，石灰石添加量對陶粒性能的影響如圖8所示。
    圖8石灰石添加量對陶粒性能的影響．
    ●—陶粒表觀密度
    ◆—單球抗壓強度由圖8可知:隨著石灰石添加量的增加，陶粒的表觀密度幾乎沒有變化，陶粒單球抗壓強度在石灰石添加量為3%時最高。因此，確定石灰石添加量為固體原料總質(zhì)量的3.0%。
    煤粉添加量對陶粒性能的影響普通黏土、化合物L、石灰石的添加量分別為固體原料總質(zhì)量的7%、3.5%和3%，煤粉添加量分別為、0.5%、1.0%、1.5%，對應(yīng)紅黏土添加量分別為、86.0%、85.5%、85.0%，煤粉添加量對陶粒性能的影響如圖9所示。
    圖9煤粉添加量對陶粒性能的影響．
    ●—陶粒表觀密度
    ◆—單球抗壓強度由圖9可知:陶粒的表觀密度、單球抗壓強度均隨煤粉添加量的增加逐漸降低，在煤粉添加量超過后，陶粒表觀密度隨煤粉添加量增加降低幅度變小。添加煤粉可以為陶粒內(nèi)外創(chuàng)造還原氣氛以促使焙燒階段陶粒內(nèi)部的Fe2O3發(fā)生產(chǎn)氣反應(yīng)，因此，陶粒表觀密度隨煤粉添加量增加逐漸降低。綜合考慮，確定煤粉添加量為固體原料總質(zhì)量的1.0%。
    綜上可得:紅黏土、普通黏土、化合物L、石灰石、煤粉的最佳質(zhì)量比為85.5∶7.0∶3.5∶3.0∶1.0。
    按照該配比均勻混合制得土樣，測其塑性指數(shù)，屬粉質(zhì)黏土，原紅黏土的高塑性得到降低，成球性良好。
    焙燒制度試驗預(yù)熱溫度對陶粒性能的影響按原料最佳配比制備陶粒，在預(yù)熱溫度分別為、400、450、500℃，焙燒溫度為1170℃條件下，考察預(yù)熱溫度對陶粒性能的影響，結(jié)果如圖10所示。
    圖10預(yù)熱溫度對陶粒性能的影響．
    ●—陶粒表觀密度
    ◆—單球抗壓強度由圖10可知:隨著預(yù)熱溫度的升高，陶粒的表觀密度無明顯變化，單球抗壓強度在預(yù)熱溫度為450℃時最高。因此，取預(yù)熱溫度為450℃。
    焙燒溫度對陶粒性能的影響按原料最佳配比制備陶粒，在預(yù)熱溫度為℃，焙燒溫度分別為1110、1140、1170、1200℃條件下，考察焙燒溫度對陶粒性能的影響，結(jié)果如圖11所示。
    圖11焙燒溫度對陶粒性能的影響．
    ●—陶粒表觀密度
    ◆—單球抗壓強度由圖11可知:隨著焙燒溫度的升高，陶粒的表觀密度、單球抗壓強度均逐漸降低，焙燒溫度超過℃后，陶粒表觀密度隨焙燒溫度升高降低不明顯。因此，取焙燒溫度為1170℃。
    綜上可得以最佳質(zhì)量配比所制陶粒的焙燒制度為:450℃預(yù)熱30min，1170℃焙燒12min。
    工業(yè)試驗成品陶粒性能分析委托湖北省建材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站對工業(yè)投籠試驗制得陶粒進行物理性能分析，結(jié)果見表2。由表2可知，成品陶粒的各項關(guān)鍵性能指標均達到《GB/T17431．1—2010輕集料及其試驗方法》中級陶粒的技術(shù)標準。
    產(chǎn)業(yè)化可行性分析
    產(chǎn)生廢棄紅黏土的礦山有一條閑置石灰石煅燒生產(chǎn)線，對其稍加改造即可用于生產(chǎn)陶粒。其回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑2m、長44m、斜度3.5%、轉(zhuǎn)速0.25～，按陶粒在窯中停留2h、每工作日24h、每年工作日、窯容積率30%計，該生產(chǎn)線可年產(chǎn)輕質(zhì)陶粒約15萬m3。石灰石粉取自該礦除塵灰，煤粉取自現(xiàn)有煤粉生產(chǎn)系統(tǒng)。按照以上工藝，考慮原料、能耗、人工、修理等費用，該陶粒生產(chǎn)線年經(jīng)營成本約萬元?？紤]礦區(qū)周邊市場的供需狀態(tài)、稅收、生產(chǎn)原材料價格波動等影響價格的各種因素，預(yù)測售價約元/m3，年銷售收入3300萬元，年利稅額約萬元。
    結(jié)論
    加入適量普通黏土、化合物L可有效降低陶粒燒制過程中的炸裂率，燒成陶粒強度、表觀密度隨普通黏土、化合物L、煤粉的添加量及焙燒溫度的增加而降低，適量添加石灰石可增強燒成陶粒強度。按紅黏土、普通黏土、化合物L、石灰石、煤粉質(zhì)量比為∶7.0∶3.5∶3.0∶1.0混合制得陶粒生球，在℃下干燥4h、450℃預(yù)熱30min、1170℃焙燒，可制得輕質(zhì)陶粒。
    對陶粒進行工業(yè)投籠試驗表明，所得陶粒經(jīng)檢測，各項關(guān)鍵性能指標符合《GB/T17431.1—輕集料及其試驗方法》對500級陶粒的要求，該技術(shù)擁有實際應(yīng)用價值。

    紅黏土制備輕質(zhì)陶粒的工藝簡單、適用性強，按該工藝所建陶粒生產(chǎn)線投資小、生產(chǎn)成本低，預(yù)計年利稅額約1810萬元，既有效減少了礦山剝離土的堆存量，又可為相關(guān)企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

本文由 武漢陶粒價格 整理編輯。