拋光廢渣的結構與性能分析

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燒成性能進行了系統研究。采用硅酸鹽成份快速測定、XRD等測試方法研究了其化學成份和物相組成。通過添加少量粘結劑，采用半干壓成型制得樣品，研究了拋光廢渣高溫燒成性能，并重點探討了其發泡原因。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，拋光廢渣的發泡原因主要是碳化硅的氧化所致。

關鍵詞：拋光廢渣；SiC發泡；結構與性能；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。據統計，2011年我國拋光磚拋光廢渣的產出量高達700～800萬t，并呈現逐年遞增的趨勢。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%計算，陶瓷行業每年拋光廢料（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大省，建筑陶瓷產量占據了全國的半壁江山，隨之產生的陶瓷廢料數量驚人。僅廣東佛山地區一年產生400～500萬t的拋光廢渣[1]。陶瓷拋光廢渣在燒成中容易發泡、變形問題限制其回收利用生產墻地磚，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，不但耗費人力、物力，還會污染地下水質。更有一些陶瓷廠違規私自傾倒拋光廢渣，造成十分惡劣的環境污染和社會影響[2]。

拋光廢料作為陶瓷原料循環再利用時，在燒成中會引起陶瓷嚴重發泡、變形，其發泡、變形問題是長期以來一直困擾拋光廢料資源化循環利用的關鍵性科學技術難題。因此，系統研究拋光廢渣的燒成性能及發泡機理很重要，也很有必要。

目前，系統研究拋光廢渣的報道并不多見。本文對佛山東鵬陶瓷廠的拋光廢渣的化學成份、物相組成進行了分析。通過在拋光廢渣中添加少量粘結劑制得樣品，研究樣品高溫燒成性能、物相變化，并探討了拋光廢渣發泡原因。

2 實驗內容

2.1 樣品制備的過程

（1） 原料的預處理

拋光廢渣經烘干、破碎、均化后，使用標準實驗球磨機粉磨，拋光廢渣的粒徑在100～120目范圍內，最后得到實驗需要的拋光廢渣。

（2） 樣品制備的過程

在預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%），經造粒后，分別采用天津市科器高新技術公司產的769YP-24B粉末壓片機和咸陽陶瓷研究設計院機械廠產的SY35B型實驗室用壓樣機壓制成型，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 ℃溫度點下燒結，以5 ℃/min升溫至1000 ℃，然后以4 ℃/min升溫至燒結溫度，保溫30 min制得樣品。

2.2 樣品的表征

根據阿基米德原理，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）；采用佛山市華洋設備有限公司制型號為HYK-10000A的數顯式抗折儀測試樣品的抗折強度，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。實驗條件為：CuKα輻射，管電流為40 mA，管電壓為40 kV，步長（2θ）為0.017°，停留時間為2 s，掃描范圍（2θ）為5～80°。

3 結果分析與討論

3.1 拋光廢渣的研究

3.1.1拋光廢渣的化學組成

拋光磚在生產過程中經粗磨、細磨、拋光等一系列工序，磨削量達0.3～0.5 mm左右，從而產生大量的拋光廢渣。其成份主要是拋光磚表面被磨削的細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，其有兩個方面的原因：一方面是來源于磨頭水泥粘結劑的分解；另一方面由于拋光廢渣中有機物的分解。從表1可以看出，拋光廢渣的MgO含量略高，主要是因為拋光廢料中含有氯氧鎂水泥磨料粘結劑的碎屑，在加熱過程中會發生分解反應，釋放出水分及HCl氣體，最終生成產物為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 ℃的溫度范圍內燒成，并對燒成后的樣品進行性能分析。

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 ℃左右發生了轉折，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 ℃時開始發泡，故在1060～1120 ℃溫度下體積密度顯著下降，且溫度在1120 ℃時，體積密度達到最小，因為當溫度在1160 ℃時，拋光廢渣的孔結構基本不再增大。故拋光廢渣的發泡溫度應該在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，體積變小，收縮率增大，當溫度達1060 ℃時，收縮率最大；當溫度大于1060 ℃時，坯體開始形成氣孔，隨著氣孔增大，收縮率不斷減小；在溫度達到1120 ℃時，發泡膨脹率達到最大，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規律性變化。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，流動性增加，玻璃相將會填充更多的氣孔[3]，使得樣品的顯氣孔率降低，吸水率變小。當燒成溫度為1080 ℃時，樣品的吸水率出現了一個拐點，此時的吸水率最大，為23.48%。之后樣品的吸水率逐漸變小，拋光廢渣由于燒結后仍有氣孔存在，當溫度為1120 ℃時，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，拋光廢渣經高溫煅燒后，其氯化鎂水合物發生了分解，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不同程度的氧化，碳化硅的含量減少。

3.2 拋光廢渣發泡原因的探討

據拋光廢渣的燒成性能分析表明，拋光廢渣在高溫時會發泡膨脹。據拋光廢渣的XRD分析表明，拋光廢渣中含有SiC和氯氧鎂水泥。目前，普遍認為拋光廢渣在高溫時發泡主要原因有：有機物發泡、氯氧鎂水泥發泡、SiC發泡[4]。本文將對拋光廢渣的發泡原因進行分析。

3.2.1有機物發泡的可能性驗證

拋光廢渣的有機物高溫分解產生氣體，可能會導致產品發泡。將拋光廢渣在1200 ℃保溫1 h使廢渣中的有機物等成份徹底分解，然后與未經過煅燒的拋光廢渣在同樣的工藝條件下進行實驗（球磨30 min、15 MPa壓力成型、1160℃保溫30min燒成），對比其性能。結果表明：煅燒與未煅燒的樣品性能相近，無較大區別。可以斷定有機物并不是拋光廢渣中的主要發泡物質。

3.2.2氯氧鎂水泥發泡的可能性驗證

氯氧鎂水泥在高溫下發生分解，釋放出HCl氣體和水蒸氣[5]，有可能導致拋光廢渣發泡。以不含磨頭成份的陶瓷磚細粉為基礎料，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泡的影響程度較小，不是陶瓷拋光廢渣中的主要發泡物質。

3.2.3 SiC發泡的可能性驗證

拋光廢渣中SiC在高溫氧化氣氛下會發生氧化，產生了大量的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，成為拋光廢渣發泡的主要原因。

4 結論

（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） 根據拋光廢渣的燒成性能研究表明：拋光廢渣在高溫時會發泡膨脹。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，當溫度為1060 ℃時，收縮率達到最大；當溫度高于1060 ℃時，收縮率不斷減小；當溫度為1120 ℃時，發泡膨脹率達到最大值，為23.26%。拋光廢渣的吸水率隨溫度的升高逐漸減小，由于燒結后仍有氣孔存在，所以當溫度達到1120 ℃時，其吸水率為4.25%。

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

參考文獻

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金剛石與磨料磨具工程，2009，（5）：78-81.