拋光廢渣的結(jié)構(gòu)與性能分析

徐瑜

摘 要：本文對佛山東鵬陶瓷廠的拋光廢渣的理化性能及高溫?zé)尚阅苓M(jìn)行了系統(tǒng)研究。采用硅酸鹽成份快速測定、XRD等測試方法研究了其化學(xué)成份和物相組成。通過添加少量粘結(jié)劑，采用半干壓成型制得樣品，研究了拋光廢渣高溫?zé)尚阅埽⒅攸c(diǎn)探討了其發(fā)泡原因。研究表明：拋光廢渣中Al2O3含量為19.29%，SiO2含量為67.55%，晶相除含石英、莫來石外，還含有少量的SiC相及氫氧化鎂、氯化鎂水合物。拋光廢渣的燒成收縮呈先收縮后膨脹的趨勢，拋光廢渣的發(fā)泡原因主要是碳化硅的氧化所致。

關(guān)鍵詞：拋光廢渣；SiC發(fā)泡；結(jié)構(gòu)與性能；拋光磚

1 前言

陶瓷磚拋光廢渣主要是在陶瓷磚的研磨、拋光的過程中產(chǎn)生的，其成份主要是砂輪磨料中的碳化硅、氧化鎂、氯化鎂和磚屑等雜質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年我國拋光磚拋光廢渣的產(chǎn)出量高達(dá)700～800萬t，并呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。此外，陶瓷拋光廢渣是以漿狀廢料的形式排出，按拋光廢渣含水率約35%計(jì)算，陶瓷行業(yè)每年拋光廢料（包括拋光廢干渣和廢水）年排量約為1230萬t。廣東是我國陶瓷工業(yè)大省，建筑陶瓷產(chǎn)量占據(jù)了全國的半壁江山，隨之產(chǎn)生的陶瓷廢料數(shù)量驚人。僅廣東佛山地區(qū)一年產(chǎn)生400～500萬t的拋光廢渣[1]。陶瓷拋光廢渣在燒成中容易發(fā)泡、變形問題限制其回收利用生產(chǎn)墻地磚，大部分陶瓷廠是采用填埋方式來處理拋光廢渣。而拋光廢料的填埋，不但耗費(fèi)人力、物力，還會(huì)污染地下水質(zhì)。更有一些陶瓷廠違規(guī)私自傾倒拋光廢渣，造成十分惡劣的環(huán)境污染和社會(huì)影響[2]。

拋光廢料作為陶瓷原料循環(huán)再利用時(shí)，在燒成中會(huì)引起陶瓷嚴(yán)重發(fā)泡、變形，其發(fā)泡、變形問題是長期以來一直困擾拋光廢料資源化循環(huán)利用的關(guān)鍵性科學(xué)技術(shù)難題。因此，系統(tǒng)研究拋光廢渣的燒成性能及發(fā)泡機(jī)理很重要，也很有必要。

目前，系統(tǒng)研究拋光廢渣的報(bào)道并不多見。本文對佛山東鵬陶瓷廠的拋光廢渣的化學(xué)成份、物相組成進(jìn)行了分析。通過在拋光廢渣中添加少量粘結(jié)劑制得樣品，研究樣品高溫?zé)尚阅堋⑽锵嘧兓⑻接懥藪伖鈴U渣發(fā)泡原因。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 樣品制備的過程

（1） 原料的預(yù)處理

拋光廢渣經(jīng)烘干、破碎、均化后，使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)球磨機(jī)粉磨，拋光廢渣的粒徑在100～120目范圍內(nèi)，最后得到實(shí)驗(yàn)需要的拋光廢渣。

（2） 樣品制備的過程

在預(yù)處理的拋光廢渣中加入濃度為5%的PVA溶液（添加量為拋光廢渣的8wt%），經(jīng)造粒后，分別采用天津市科器高新技術(shù)公司產(chǎn)的769YP-24B粉末壓片機(jī)和咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院機(jī)械廠產(chǎn)的SY35B型實(shí)驗(yàn)室用壓樣機(jī)壓制成型，在15 MPa壓力下壓制成直徑為50 mm、厚度約9.7 mm的圓片，在20 MPa壓力下壓制成120 mm×80 mm×6 mm的小磚。將制備好的樣品分別在1040 ℃、1060 ℃、1080 ℃、1100 ℃、1120 ℃溫度點(diǎn)下燒結(jié)，以5 ℃/min升溫至1000 ℃，然后以4 ℃/min升溫至燒結(jié)溫度，保溫30 min制得樣品。

2.2 樣品的表征

根據(jù)阿基米德原理，采用靜力稱重法測定樣品的吸水率（Wa，%）、顯氣孔率（Pa，%）及體積密度（D，g/cm3）；采用佛山市華洋設(shè)備有限公司制型號(hào)為HYK-10000A的數(shù)顯式抗折儀測試樣品的抗折強(qiáng)度，測試跨距為100 mm，加載速度為0.5 mm/min；采用荷蘭帕納克公司的Panalytical Xpert PBO型X射線衍射儀分析樣品的晶相組成。實(shí)驗(yàn)條件為：CuKα輻射，管電流為40 mA，管電壓為40 kV，步長（2θ）為0.017°，停留時(shí)間為2 s，掃描范圍（2θ）為5～80°。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 拋光廢渣的研究

3.1.1拋光廢渣的化學(xué)組成

拋光磚在生產(chǎn)過程中經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光等一系列工序，磨削量達(dá)0.3～0.5 mm左右，從而產(chǎn)生大量的拋光廢渣。其成份主要是拋光磚表面被磨削的細(xì)屑和拋光磨頭磨損的廢屑。佛山東鵬陶瓷廠拋光廢渣的化學(xué)成份如表1所示。

由表1可知，拋光廢渣的主要成份是SiO2、Al2O3等，其余部分主要是堿金屬氧化物及堿土金屬氧化物，與磚坯底料的主要成份相近。此外，拋光廢渣的燒失量較大，其有兩個(gè)方面的原因：一方面是來源于磨頭水泥粘結(jié)劑的分解；另一方面由于拋光廢渣中有機(jī)物的分解。從表1可以看出，拋光廢渣的MgO含量略高，主要是因?yàn)閽伖鈴U料中含有氯氧鎂水泥磨料粘結(jié)劑的碎屑，在加熱過程中會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，釋放出水分及HCl氣體，最終生成產(chǎn)物為MgO，從而增加了拋光廢渣中MgO的含量。

3.1.2拋光廢渣的物相組成

通過對拋光廢渣進(jìn)行XRD分析，其詳情如圖1所示。

由圖1可知，拋光廢渣的物相中除了含有石英和少量的莫來石相外，還含有少量的SiC相及氫氧化鎂、氯化鎂水合物。其主要原因是拋光廢渣中含有拋光磚表面被磨削的細(xì)屑和拋光磨頭磨損的廢屑兩部分，而常用磨頭的磨料主要含有 SiC、金剛石和剛玉等。磨料粘結(jié)劑主要有輕燒鎂礦、氧化鎂、硫酸鎂及氫氧化鎂、氯化鎂水合物。

3.1.3拋光廢渣燒成性能的分析

為了解拋光廢渣燒成發(fā)泡特性，將采用拋光廢料制備好的樣品在1040～1120 ℃的溫度范圍內(nèi)燒成，并對燒成后的樣品進(jìn)行性能分析。

3.1.3.1燒成溫度對拋光廢渣體積密度的影響

圖2為不同溫度下拋光廢料的體積密度隨燒成溫度的變化曲線。

由圖2可知，拋光廢渣的體積密度在1060 ℃之前隨著溫度的升高逐漸增大，但在1060 ℃左右發(fā)生了轉(zhuǎn)折，樣品的體積密度隨燒成溫度的升高顯著下降。拋光廢渣在1060 ℃時(shí)開始發(fā)泡，故在1060～1120 ℃溫度下體積密度顯著下降，且溫度在1120 ℃時(shí)，體積密度達(dá)到最小，因?yàn)楫?dāng)溫度在1160 ℃時(shí)，拋光廢渣的孔結(jié)構(gòu)基本不再增大。故拋光廢渣的發(fā)泡溫度應(yīng)該在1060℃左右。

3.1.3.2燒成溫度對拋光廢渣燒成收縮和吸水率的影響

圖3為拋光廢渣的燒成收縮和吸水率隨燒成溫度的變化曲線。

由圖3所示，拋光廢渣的燒成收縮率呈先增加后減少的趨勢，最終收縮率為-23.26%，即樣品膨脹率為23.26%。拋光廢渣樣品從1040 ℃開始燒結(jié)，體積變小，收縮率增大，當(dāng)溫度達(dá)1060 ℃時(shí)，收縮率最大；當(dāng)溫度大于1060 ℃時(shí)，坯體開始形成氣孔，隨著氣孔增大，收縮率不斷減小；在溫度達(dá)到1120 ℃時(shí)，發(fā)泡膨脹率達(dá)到最大，為23.26%。

由圖3還可以看出，拋光廢渣的吸水率并沒有隨溫度的變化出現(xiàn)規(guī)律性變化。溫度在1060 ℃之前，隨著燒成溫度的升高，形成的玻璃相也將隨之增多，玻璃相的粘度隨之下降，流動(dòng)性增加，玻璃相將會(huì)填充更多的氣孔[3]，使得樣品的顯氣孔率降低，吸水率變小。當(dāng)燒成溫度為1080 ℃時(shí)，樣品的吸水率出現(xiàn)了一個(gè)拐點(diǎn)，此時(shí)的吸水率最大，為23.48%。之后樣品的吸水率逐漸變小，拋光廢渣由于燒結(jié)后仍有氣孔存在，當(dāng)溫度為1120 ℃時(shí)，吸水率為4.25%。

3.1.4樣品的XRD分析

圖4為不同燒成溫度下拋光廢渣的XRD圖譜。

由圖4可知，經(jīng)不同溫度煅燒后，拋光廢渣的主晶相為石英和莫來石，還含有少量的碳化硅。對比圖1和圖4可知，拋光廢渣經(jīng)高溫煅燒后，其氯化鎂水合物發(fā)生了分解，不存在于樣品中。此外，對比不同燒成溫度下樣品的碳化硅XRD特征峰可知，隨著燒成溫度的升高，樣品中碳化硅的特征峰峰強(qiáng)減弱。這可以理解為隨著燒成溫度的升高，樣品中的碳化硅出現(xiàn)不同程度的氧化，碳化硅的含量減少。

3.2 拋光廢渣發(fā)泡原因的探討

據(jù)拋光廢渣的燒成性能分析表明，拋光廢渣在高溫時(shí)會(huì)發(fā)泡膨脹。據(jù)拋光廢渣的XRD分析表明，拋光廢渣中含有SiC和氯氧鎂水泥。目前，普遍認(rèn)為拋光廢渣在高溫時(shí)發(fā)泡主要原因有：有機(jī)物發(fā)泡、氯氧鎂水泥發(fā)泡、SiC發(fā)泡[4]。本文將對拋光廢渣的發(fā)泡原因進(jìn)行分析。

3.2.1有機(jī)物發(fā)泡的可能性驗(yàn)證

拋光廢渣的有機(jī)物高溫分解產(chǎn)生氣體，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)泡。將拋光廢渣在1200 ℃保溫1 h使廢渣中的有機(jī)物等成份徹底分解，然后與未經(jīng)過煅燒的拋光廢渣在同樣的工藝條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（球磨30 min、15 MPa壓力成型、1160℃保溫30min燒成），對比其性能。結(jié)果表明：煅燒與未煅燒的樣品性能相近，無較大區(qū)別。可以斷定有機(jī)物并不是拋光廢渣中的主要發(fā)泡物質(zhì)。

3.2.2氯氧鎂水泥發(fā)泡的可能性驗(yàn)證

氯氧鎂水泥在高溫下發(fā)生分解，釋放出HCl氣體和水蒸氣[5]，有可能導(dǎo)致拋光廢渣發(fā)泡。以不含磨頭成份的陶瓷磚細(xì)粉為基礎(chǔ)料，分別添加了0wt%、2 wt%、4 wt%、6wt%的氯氧鎂水泥，其工藝條件為：球磨混合30 min；在15 MPa壓力下成型；煅燒溫度為1160 ℃，并保溫30 min，最后測試其性能。結(jié)果表明，隨著氯氧鎂水泥添加量的增加，試樣的體積密度有所減小，但幅度較小。由此可見，氯氧鎂水泥在高溫下分解對陶瓷磚發(fā)泡的影響程度較小，不是陶瓷拋光廢渣中的主要發(fā)泡物質(zhì)。

3.2.3 SiC發(fā)泡的可能性驗(yàn)證

拋光廢渣中SiC在高溫氧化氣氛下會(huì)發(fā)生氧化，產(chǎn)生了大量的CO或CO2氣體[6]被封閉在高溫液相中，形成的氣孔隨溫度的升高不斷膨脹長大，成為拋光廢渣發(fā)泡的主要原因。

4 結(jié)論

（1） 拋光廢渣的物相中除了含有石英和莫來石相外，還含有少量的SiC相及氫氧化鎂、氯化鎂水合物。拋光廢渣的主要成份是SiO2、Al2O3等，其余部分主要是堿金屬氧化物及堿土金屬氧化物，與磚坯底料的主要成份相近，但拋光廢渣的MgO含量比磚坯底料略高。

（2） 根據(jù)拋光廢渣的燒成性能研究表明：拋光廢渣在高溫時(shí)會(huì)發(fā)泡膨脹。拋光廢渣的燒成性能與一般的陶瓷原料相比有所不同，并不隨燒成溫度變化而呈規(guī)律性的變化。拋光廢渣的燒成收縮率呈先增加后減少的趨勢，當(dāng)溫度為1060 ℃時(shí)，收縮率達(dá)到最大；當(dāng)溫度高于1060 ℃時(shí)，收縮率不斷減小；當(dāng)溫度為1120 ℃時(shí)，發(fā)泡膨脹率達(dá)到最大值，為23.26%。拋光廢渣的吸水率隨溫度的升高逐漸減小，由于燒結(jié)后仍有氣孔存在，所以當(dāng)溫度達(dá)到1120 ℃時(shí)，其吸水率為4.25%。

（3） 陶瓷拋光廢渣在高溫下發(fā)泡是它不能得到有效利用的根本原因，抑制高溫發(fā)泡是利用陶瓷拋光廢渣的前提條件。拋光廢渣發(fā)泡的主要原因是由于廢渣中碳化硅的發(fā)泡。

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