利用紅土鎳尾礦制備陶粒試驗研究

鄒偉娣潘榮偉譚旭升

（1.玉林市墻體材料改革辦公室，廣西 玉林 537000；2.廣西建筑材料科學(xué)研究設(shè)計院，廣西 南寧 530022）

利用紅土鎳尾礦制備陶粒試驗研究

鄒偉娣1潘榮偉2譚旭升2

（1.玉林市墻體材料改革辦公室，廣西 玉林 537000；2.廣西建筑材料科學(xué)研究設(shè)計院，廣西 南寧 530022）

文章中研究以紅土鎳尾礦和頁巖為主要原料制備陶粒，通過對原料化學(xué)成分進(jìn)行測試分析，研究原料配比及焙燒制度對陶粒性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)陶粒配比為：頁巖50%，紅土鎳尾礦40%，外加劑5%，木屑5%，通過正交試驗確定的最佳焙燒制度為：預(yù)熱溫度400℃，預(yù)熱時間20min；焙燒溫度1140℃，焙燒時間15min。在此條件下燒制出的陶粒表觀密度為686 kg/m3，筒壓強度為5.2 MPa，1小時吸水率為5.1%。

紅土鎳尾礦；頁巖；陶粒；焙燒制度

陶粒是一種新型建筑材料，它是利用粘土、泥質(zhì)巖石、工業(yè)廢料為主要原料，摻合少量外加劑、添加劑等，經(jīng)加工成粒或粉磨成球最后通過焙燒等工藝過程而制成的一種人造輕骨料[1]。它是一種外部為鐵褐色、棕紅色的堅硬外殼，表面有一層隔水保氣的釉層，內(nèi)部呈鉛灰色、灰黑色，且具有封閉式微孔結(jié)構(gòu)的陶質(zhì)粒狀材料[2]。陶粒作為一種輕骨料，具有密度小、強度高、保溫、隔熱性能好等優(yōu)點[3]。

目前，國內(nèi)陶粒生產(chǎn)工藝技術(shù)已經(jīng)非常成熟。隨著墻體材料革新和節(jié)能減排工作不斷推進(jìn)，越來越多廢棄物被用來制備建筑材料以達(dá)到資源循環(huán)利用的目的[4]。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，利用紅土鎳尾礦制備陶粒還鮮有研究。本試驗以紅土鎳尾礦為原料，摻合其他物料制備陶粒制品，重點研究燒結(jié)制度對陶粒性能影響，最終確定尾礦制陶粒的最佳焙燒條件。利用紅土鎳尾礦制備陶粒，一方面可以從根本上解決尾礦堆積帶來的環(huán)境污染、安全隱患等一系列問題，另一方面也為陶粒的制備提供一種新的原料來源，可降低生產(chǎn)其生產(chǎn)成本，提高市場競爭力，有助于新型建筑材料的推廣應(yīng)用。

1 原材料及試驗方法

1.1原材料

（1）紅土鎳尾礦：實驗紅土鎳尾礦來自廣西玉林市，化學(xué)成分見表1所示。

表1　紅土礦鎳尾礦化學(xué)成份（%）

SiO2、Al2O3、Fe2O3是陶粒制備的主要成陶組份，K2O、Na2O、MgO、CaO、Fe2O3是主要助熔成分。從表1可知，尾礦中SiO2和Al2O3含量均比較低，僅為41.52%和10.88%，如果單獨用尾礦燒制陶粒，則會因為骨架材料嚴(yán)重缺乏而不能成形，同時過高的助熔劑含量會導(dǎo)致陶粒熔點降低明顯，即很容易燒化。因此，必須在尾礦中添加其他SiO2和Al2O3含量比較高的材料，將原料中的化學(xué)成分調(diào)整至燒脹范圍。另外尾礦中含有一定的硫，可為陶粒燒脹提供一定的氣體，但需注意二次污染問題，實際生產(chǎn)應(yīng)配套脫硫設(shè)備。

（2）頁巖：頁巖材料可以調(diào)整陶粒制備原料的化學(xué)成分，使之滿足制備要求，試驗頁巖來自廣西玉林市，化學(xué)成分如表2所示。

表2　頁巖原料化學(xué)成分/%

（3）外加劑：試驗所用的外加劑主要為液態(tài)硅酸鈉水玻璃，是一種略帶淺灰色的粘稠物，其分子式為Na2O·nSiO2；添加劑作用為增加陶粒料球的可塑性，便于成球。

（4）木屑：起助燃的作用，使燒成溫度降低，縮短燒成時間，同時提供有機(jī)物碳，在高溫煅燒時，與其它化學(xué)成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致料球膨脹。

1.2試驗方法

試驗步驟：試驗利用頁巖、紅土鎳尾礦、木屑和外加劑為原料，采用手工成球法制備圓球型陶粒。試驗過程主要包括原材料處理、配料、混合、生料球制備、焙燒、成品的處理等工藝，試驗步驟如下所示：

（1）成球（粒）工藝

先用破碎機(jī)對頁巖原礦進(jìn)行破碎，然后用球磨機(jī)磨細(xì)（全部過20目篩網(wǎng)），將磨細(xì)的頁巖、紅土鎳尾礦、外加劑按適當(dāng)?shù)谋壤旌希右欢康淖詠硭鶆虬楹希止こ汕颍渲睆絛>5mm。

（2）料球的烘干：試驗生料球含水率在20%左右，制備好的料球（粒）先經(jīng)自然干燥，然后放于烘干箱爐內(nèi)并緩慢升溫至100～110℃，干燥時間為3～4h。

（3）預(yù)熱

預(yù)熱的作用主要是為了避免料球在燒結(jié)階段溫度急劇變化而引起爆裂，提高陶粒的成品率。

（4）焙燒與冷卻

焙燒過程是陶粒生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵步驟，是陶粒內(nèi)部發(fā)生一些列物理化學(xué)變化，使陶粒膨脹且具有強度的主要過程。燒結(jié)過后采用自然冷卻方法得到陶粒產(chǎn)品。

（5）測試方法

陶粒的筒壓強度、顆粒表觀密度、吸水率等性能的測定均按照中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)《輕集料試驗方法》（GB/T 17431.2-2010）進(jìn)行。

1.3試驗方案設(shè)計

（1）配合比確定

單一的紅土鎳尾礦經(jīng)過焙燒并不能得到性能優(yōu)良的燒脹陶粒。欲燒制出膨脹的陶粒，原料需滿足燒脹的兩個條件：一是在膨脹溫度下能夠產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼扯群捅砻鎻埩Γ桥c此同時產(chǎn)生足夠的氣體[5]。本試驗在滿足燒脹陶粒范圍內(nèi)，通過調(diào)整原料配合比，盡可能消耗尾礦，燒制出的具備一定強度同時密度較輕的陶粒。陶粒配合比設(shè)計見表3，在一定熱工條件下，對不同配合比陶粒性能進(jìn)行測試，結(jié)果如圖1所示。由圖可知，當(dāng)尾礦與頁巖質(zhì)量比為4：5（N4配方）時，顆粒強度最大，同時顆粒表觀密度最小，因此將N4配方確定為試驗基準(zhǔn)配合比。

表3　陶粒配合比/%

圖1　不同配料比對陶粒性能影響

（2）試驗因素水平確定

為進(jìn)一步減少試驗工作量而確定頁巖陶粒的最佳焙燒制度，依據(jù)前面確定的基準(zhǔn)配合比，采用正交試驗法對焙燒制度的相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行考核并對試驗結(jié)果分析。正交試驗設(shè)計作為一種能夠安排多因素多水平的試驗方法，具有實驗周期較短、誤差很小、任務(wù)量少、數(shù)據(jù)比較容易分析等優(yōu)點。

焙燒制度的主要因素有：預(yù)熱溫度（A）、預(yù)熱時間（B）、焙燒溫度（C）和焙燒時間（D）。試驗中采用L16（45），因素水平表如表4所示。

表4　試驗因素水平表

（3）正交試驗表征方法

在試驗過程中，將陶粒顆粒強度、表觀密度、吸水率作為正交試驗的主要考核指標(biāo)，確定其最佳焙燒溫度。試驗中陶粒的強度是指陶粒的單個顆粒的強度，其值為10～20個顆粒受力的平均值。測定出相關(guān)指標(biāo)的數(shù)值，應(yīng)用正交表對其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析各因素對陶粒性能的影響，確定陶粒的最佳焙燒制度。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1正交試驗結(jié)果

表5　正交試驗結(jié)果

表6　極差分析表

2.2正交試驗結(jié)果分析

（1）極差結(jié)果分析

預(yù)熱溫度和時間對陶粒性能影響分析：根據(jù)表6極差分析可知，隨著預(yù)熱溫度的提高和時間的延長，燒成陶粒顆粒強度及表觀密度呈增加趨勢；這是由于隨著預(yù)熱溫度的升高以及時間的延長，原料料球中碳酸鹽類和有機(jī)質(zhì)等組分在此階段分解或揮發(fā)較多，而且尾礦中礦物結(jié)晶水分解較多，進(jìn)入焙燒階段后，當(dāng)料球有一定粘度的條件下，可以產(chǎn)生氣體物質(zhì)較少，因此密度相應(yīng)增加，顆粒強度則提高[6]；而當(dāng)預(yù)熱溫度及時間到達(dá)一定值后，料球中有機(jī)質(zhì)和結(jié)晶水分解完全，陶粒強度和密度變化趨于平穩(wěn)。

焙燒溫度和時間對陶粒性能影響分析：由表6分析得出，隨陶粒焙燒溫度升高，保溫時間延長，陶粒的強度和密度呈先上升后下降趨勢，分析原因為：陶粒在合適的焙燒溫度和時間下達(dá)到最佳的膨脹狀態(tài)，如果再提升溫度并延長焙燒時間，生成的液相量將會增多，由于液相表面張力的作用，使固體顆粒相互接近，液相填充到氣孔中，促使坯體致密化，因此，陶粒的顆粒表觀密度變大，相應(yīng)陶粒顆粒的強度也提高，吸水率則會有所下降；但如果燒成溫度過高的話，陶粒表面將被燒穿，從而形成了很多的開口孔洞，因此，陶粒的顆粒強度和表觀密度相應(yīng)降低，而吸水率則升高。

（2）因素水平分析

通過表6中對預(yù)熱溫度（A）、預(yù)熱時間（B）、焙燒溫度（C）和焙燒時間（D）四個因素對陶粒強度、表觀密度和吸水率的影響結(jié)果進(jìn)行極差分析，最終確定陶粒最佳焙燒制度。

因素A：從因素的主次上來分析，在所有因素當(dāng)中，因素A基本占主要因素，即對試驗結(jié)果存在最顯著的影響；試驗確定最佳水平為A3和A2，當(dāng)取A3時，陶粒強度最大，表觀密度亦最大；當(dāng)取A2時，表觀密度最小，而陶粒強度與A3相差不大，考慮到燒制的陶粒以輕質(zhì)為目的，因此因素A最佳水平可取為A2。

因素B：在所有指標(biāo)中，因素B都排在最后，即對試驗結(jié)果沒有顯著影響。試驗確定最佳水平為B2和B4，當(dāng)因素B取B4時，陶粒強度最高，且表觀密度低，則因素B最佳水平為B4。

因素C：因素C對陶粒強度和吸水率是主要影響因素，而對表觀密度影響較小；試驗確定最佳水平為C1和C3，兩者相比，C3條件下陶粒吸水率最小，且強度更高，因此可選C3為最佳水平。

因素D：從極差結(jié)果分析，因素D對陶粒表觀密度產(chǎn)生一定影響，而對強度和吸水率的試驗結(jié)果影響都是次要的；試驗確定最佳水平為D1和D3，兩者相比，表觀密度相差不大，從強度和吸水率分析，D3強度高、吸水率更小，可選為最佳水平。

綜合以上分析，正交試驗得出最優(yōu)配合比為A2B4C3D3。

3 驗證試驗

根據(jù)正交試驗得出的最佳配合比燒制出批量尾礦陶粒產(chǎn)品，并測定其筒壓強度、表觀密度、一小時吸水率，檢測方法依據(jù)參照《輕集料試驗方法》（GB/T 17431.2-2010）進(jìn)行，結(jié)果見表7所示。

表7　正交最佳方案

由表7可以看出，驗證試驗所得的結(jié)果全部在正交試驗范圍內(nèi)，因而可確定該配合比為本試驗條件下最優(yōu)的組合方案，即利用鎳尾礦焙燒陶粒時，最佳熱工制度為：預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時間為20min，焙燒溫度為1140℃，焙燒時間為15min，燒制的陶粒產(chǎn)品密度達(dá)到700級。

4 結(jié)論

（1）本研究表明，利用紅土鎳尾礦燒制陶粒原理上是可行的；充分利用尾礦作為燒結(jié)制品原料，既能節(jié)約資源，又起到保護(hù)環(huán)境作用，同時可為當(dāng)?shù)匚驳V資源化利用開辟新的途徑。

（2）通過試驗原料分析得出，單獨采用紅土鎳尾礦燒制陶粒比較困難，本試驗中，當(dāng)在尾礦中配以一定的頁巖、外加劑、木屑，可以滿足燒制陶粒對原料成分的要求。

（3）當(dāng)原料配合比為頁巖∶紅土鎳尾礦∶外加劑∶木屑=50∶40∶5∶5時，通過正交試驗確定陶粒的最佳焙燒制度為：預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時間為20min；焙燒溫度1140℃，焙燒時間15min。在此條件下燒制出的陶粒筒壓強度為5.2 MPa，表觀密度為686 kg/m3，1小時吸水率為5.1%，達(dá)到700級高強輕粗集料要求。

[1] 李壽德.陶粒與固體廢棄物資源化利用[J].磚瓦,2006,(10): 106-111.

[2] 楊時元.陶粒原料性能及其找尋方向的探討[J].建材地質(zhì),1997,(4):14-19.

[3] 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(xué),2009,29(1):17-21.

[4] 劉紅梅,房靈占,陸曉燕,等.淤泥燒脹陶粒制備工藝[J].新型建筑材料,2011,(10):74-78.

[5] 張國偉,楊波,溪旦立.河道底泥制備陶粒濾料的研究[J].環(huán)保科技,2007,13(1):39-43.

[6] 劉淑賢,聶秩苗,牛福生,等.利用藍(lán)晶石尾礦制備陶粒的研究[J].非金屬礦,2012,35(4):19-20.

Research on preparation of ceramsite by laterite-nickel tailings

Ceramisite was prepared with laterite-nickel tailings and shale in this paper. The research tested the chemical constituents of raw materials and studied the effects of material ratio and sintering schedule on the performance of the ceramisite. The results showed that when the raw material ratio of ceramsite were shale 50%, laterite-nickel tailings 40%, admixture 5%, saw dust 5%, determined the best sintering schedule by orthogonal experimentthe was that preheating temperature 300℃, preheating time 20 min, roasting temperature 1140℃, roasting time 15 min. The apparent density of ceramsite was 686 kg/m3, the particle strength was 5.2 MPa, the one hour water absorption was 5.1%.

Laterite-nickel tailings; shale; ceramisite; roasting system

TQ17

A

1008-1151(2015)12-0023-03

2015-11-12

玉林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（玉科計[20141003]）。

鄒偉娣（1966-），女，廣西玉林人，玉林市墻體材料改革辦公室副主任，工程師，研究方向為墻材革新與建筑節(jié)能。