燒成溫度對干法造粒拋光廢渣性能影響的研究

張博燁，黃劍鋒，陶曉文，李 轉(zhuǎn)，汪慶剛，費(fèi) 杰，閆開放，劉 純

（1.陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710021；2.咸陽陶瓷研究設(shè)計院，陜西 咸陽 712000）

燒成溫度對干法造粒拋光廢渣性能影響的研究

張博燁1，黃劍鋒1，陶曉文2，李 轉(zhuǎn)2，汪慶剛1，費(fèi) 杰1，閆開放2，劉 純2

（1.陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710021；2.咸陽陶瓷研究設(shè)計院，陜西 咸陽 712000）

對拋光磚廢渣干法造粒工藝后壓制成型，在1100 ℃-1250 ℃溫度下進(jìn)行燒成，研究了燒成溫度對廢渣發(fā)泡性能的影響，為拋光廢渣綜合利用提供研究基礎(chǔ)。結(jié)果表明：隨燒成溫度升高拋光廢渣線性膨脹率和吸水率逐漸升高，抗折強(qiáng)度和容重逐漸降低，且抗折強(qiáng)度和容重變化趨勢相似。1100 ℃時出現(xiàn)線性收縮；在1160 ℃產(chǎn)生明顯氣孔，抗折強(qiáng)度11.3 MPa，容重為0.74 g/cm3；1200 ℃燒成性能變化明顯，出現(xiàn)玻璃光澤，1250 ℃試樣繼續(xù)膨脹，平均孔徑達(dá)到1.53 mm，容重趨于穩(wěn)定為0.48 g/cm3。

拋光磚廢渣；燒成溫度；干法造粒

0 引 言

我國陶瓷產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，總產(chǎn)量位居世界第一，但同時也對環(huán)境造成了污染。在拋光磚的生產(chǎn)中，通常會從磚坯表面切掉0.5-0.7 mm厚的表面層，甚至可能達(dá)到1-2 mm，生產(chǎn)1 m2的拋光磚，將產(chǎn)生1.5 kg的碎屑，刀具和拋光磨具產(chǎn)生0.6 kg的碎屑損耗，共計產(chǎn)生2.1 kg的拋光廢渣。整個陶瓷行業(yè)每年產(chǎn)生的陶瓷拋光廢渣超過2300萬噸。由于陶瓷拋光廢渣中含有SiC拋光磨料等雜質(zhì)，在燒成中會引起陶瓷坯體發(fā)泡，難以循環(huán)利用[1]。目前陶瓷墻地磚行業(yè)生產(chǎn)的造粒環(huán)節(jié)中，普遍采用噴霧造粒濕法制粉工藝，但噴霧干燥制粉工藝必須把陶瓷泥漿中約35-45%的水分干燥至5-7%，整個過程消耗大量熱能和水資源，且產(chǎn)生CO2和SO2對環(huán)境造成污染。干法造粒技術(shù)可以解決上述問題，具有投資低，能耗小的優(yōu)點(diǎn)。其只需將含水量10%-12%的陶瓷粉料干燥成含水量6%-8%的陶瓷粉料，相對于傳統(tǒng)噴霧造粒濕法工藝具有節(jié)約水資源、能耗低、污染小的優(yōu)點(diǎn)，雖然從工藝及裝備方面還需進(jìn)一步完善，但從能源節(jié)省和投資費(fèi)用等方面看，可以解決上述問題[2-3]。目前對于拋光廢渣的研究主要在少量回收利用方面[4-6]，并未形成綜合利用的綜合技術(shù)。本文以拋光廢渣為研究對象，討論了不同段拋光廢渣的發(fā)泡性能和性能差異原因。并利用自制干法造粒機(jī)，對不同段拋光廢渣混合后進(jìn)行干法造粒再干壓成型，最后在電爐中燒成，研究不同燒成溫度對拋光廢渣燒成性能的影響規(guī)律。通過對拋光廢渣燒成性能進(jìn)行研究，為拋光廢渣綜合利用提供理論依據(jù)。

通信聯(lián)系人：黃劍鋒(1970-)，男，博士，教授。

Correspondent author:HUANG Jianfeng(1970-), male, Doc., Professor

E-mail:huangjfsust@126.com

1 實(shí) 驗(yàn)

以陶瓷企業(yè)拋光磚生產(chǎn)線粗拋段(FZ-C)、中拋段(FZ-Z)、精拋段(FZ-J)拋光廢渣作為研究對象，其化學(xué)成分分析如表1所示，實(shí)驗(yàn)將不同段拋光廢渣混勻后使用，以減少不同段拋光廢渣成分差異的影響。

使用GKF-IV硅酸鹽成分快速測定儀進(jìn)行化學(xué)成分分析；使用臺灣安鵬科技股份有限公司生產(chǎn)的AM-412數(shù)碼光學(xué)顯微鏡，對燒成試樣的斷面氣孔形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察；采用湘潭湘儀儀器有限公司的SGW數(shù)顯式工程陶瓷強(qiáng)度綜合試驗(yàn)儀測定試樣抗折強(qiáng)度；采用日本Rigaku X-射線衍射儀進(jìn)行物相分析，型號為D/max 2200X。測試條件為Cu Kα，2θ=15-70 °。根據(jù)國標(biāo)GB/T3810.1-16-2006《陶瓷磚試驗(yàn)方法》中提供的方法，測定燒成試樣的線性膨脹率、吸水率、顯氣孔率、容重。分別從陶瓷企業(yè)拋光磚生產(chǎn)線粗拋段(FZ-C)、中拋段(FZ-Z)、精拋段(FZ-J)三個工藝段末尾處廢渣排入廢水池的入水口取拋光廢渣污泥，清洗后并用80目標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行過濾除去雜質(zhì)，得到不同段的拋光廢渣。將不同拋光段拋光廢渣進(jìn)行混勻處理，添加0.3wt.%改性淀粉作為坯體增強(qiáng)劑，采用自制干法造粒機(jī)進(jìn)行干法造粒[7-8]，造粒完畢后陳腐12 h，在12 MPa壓力下壓制成型，坯體尺寸為81×120×7.8 mm，放入烘箱110 ℃烘干3 h，將干燥好的試樣放入快速升溫電阻爐中控制在1100-1260 ℃燒成，保溫時間20 min。對燒成試樣進(jìn)行一系列的測試，研究不同燒成溫度對拋光廢渣燒成性能的影響。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示。

2 分析與討論

2.1 拋光廢渣XRD分析

混勻后拋光廢渣試樣的XRD圖譜如圖2所示，從圖中可以看出，石英相(PDF:85-0794)衍射峰非常尖銳，說明燒成后拋光磚中存在大量石英相并且結(jié)晶性能很好，廢渣中石英占絕大部分。還有部分的鈉長石相(Na(AlSi3O8))，此外還有SiC的衍射峰，這是由于拋光磨具是由SiC以及氯氧鎂水泥粘結(jié)劑按照一定比例混合制成，拋光磨頭中的SiC隨著磨削作用進(jìn)入拋光廢渣導(dǎo)致的。

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖Fig. 1 Flowchart of experiment

圖2 拋光廢渣的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of tile polishing waste

表1 各拋光段拋光磚廢渣的化學(xué)全分析 /wt.%Tab. 1 Bulk chemical analysis of tile polishing waste from different stages /wt.%

2.2 燒成溫度對拋光廢渣性能的影響

燒成溫度對拋光廢渣燒成性能影響如圖3所示。由圖3可知，線膨脹率和吸水率隨燒成溫度升高而逐漸升高；試樣在1100 ℃時線性收縮達(dá)10.25%，之后隨燒成溫度升高逐漸膨脹，并且1140-1160 ℃試樣的性能出現(xiàn)明顯變化，在1160 ℃線膨脹率迅速增加，達(dá)到21.4%，在1160-1180 ℃階段性能變化穩(wěn)定，線膨脹率增大并不明顯，吸水率有一定程度下降。在1200 ℃時，線膨脹率和吸水率變化明顯，線膨脹率達(dá)到29.9%，吸水率達(dá)到5.1%。1200-1250 ℃范圍內(nèi)隨著溫度升高，試樣線膨脹率和吸水率持續(xù)增加，線膨脹率在1250 ℃后趨于穩(wěn)定為35.3%，吸水率在1260℃為7.1%且有繼續(xù)增大的趨勢。

圖3 燒成溫度對拋光磚廢渣線膨脹率和吸水率的影響Fig.3 Variation of linear expansion ratio and water absorption of specimens prepared from tile polishing waste with sintering temperature

圖4 燒成溫度對拋光磚廢渣抗折強(qiáng)度和容重的影響Fig. 4 Variation of bending strength and bulk density of specimens prepared from tile polishing waste with sintering temperature with sintering temperature

燒成溫度對拋光廢渣燒成性能影響如圖4所示。由圖中可以看出燒成試樣的容重和抗折強(qiáng)度不斷降低，且變化規(guī)律相同。這是由于多孔陶瓷單位體積骨架含量對其抗折強(qiáng)度其決定性的作用，單位體積骨架含量越多，所能承受的斷裂應(yīng)力越大，抗折強(qiáng)度就越大，容重即反應(yīng)單位體積內(nèi)陶瓷骨架的含量。試樣在1100 ℃時抗折強(qiáng)度和容重均達(dá)到最大值，其中容重為2.13 g/cm3，之后隨燒成溫度升高容重和抗折強(qiáng)度也迅速降低，并且1140-1160 ℃試樣的抗折強(qiáng)度和容重變化明顯，在1160 ℃抗折強(qiáng)度為11.3 MPa，容重0.74 g/cm3，在1160-1190 ℃階段容重和抗折強(qiáng)度變化較小，在1200 ℃時，抗折強(qiáng)度和容重再次出現(xiàn)明顯變化，抗折強(qiáng)度迅速降低為5.7 MPa，容重降低至0.51 g/cm3，1200-1260 ℃隨著溫度升高，容重和抗折強(qiáng)度降低并趨于穩(wěn)定，在1250 ℃時，試樣抗折強(qiáng)度為3.3 MPa，容重為0.39 g/cm3。

2.3 燒成溫度對燒成試樣斷面形貌的影響

圖5為不同燒成溫度拋光廢渣試樣的斷面形貌照片，由圖可知，燒成試樣氣孔尺寸隨著燒成溫度的升高逐漸變大。從圖中可以看出1100 ℃時燒成的試樣斷面致密，無可見氣孔，此時試樣并沒有產(chǎn)生發(fā)泡；在1140 ℃試樣中出現(xiàn)微小氣孔，分布不均勻，沒有形成連續(xù)的氣孔；而當(dāng)溫度為1160 ℃試樣中出現(xiàn)了明顯的氣孔，產(chǎn)生明顯的發(fā)泡現(xiàn)象，此時氣孔大小約為0.16 mm左右，存在少量較大氣孔。1190 ℃試樣的氣孔變大，其中較大的氣孔明顯增多。在1200 ℃時平均孔徑為0.23 mm，試樣斷面出現(xiàn)明顯玻璃光澤，存在少量較大的氣孔，表明此時產(chǎn)生大量玻璃相。1250 ℃試樣的斷面孔徑繼續(xù)增大，平均孔徑達(dá)到1.53 mm，斷面發(fā)黑。

2.4 拋光廢渣發(fā)泡原理分析

玻璃質(zhì)原料在加熱軟化或熔融冷卻時，具有很高的粘度，若在此階段體系內(nèi)有氣體產(chǎn)生，則會使具有粘度的玻璃液相發(fā)生膨脹，冷卻固化后形成氣孔結(jié)構(gòu)。為了獲得大量、均勻的氣泡，就需要發(fā)泡劑生成氣體的溫度恰好位于玻璃質(zhì)原料的軟化溫度內(nèi)，放氣數(shù)量應(yīng)能保證產(chǎn)生足夠的氣體壓力，從而克服玻璃質(zhì)液相的粘滯阻力產(chǎn)生膨脹，又不至于使氣泡破裂、合并或逸出[9]。拋光磨具由拋光廢渣中含有大量由于拋光磨具磨削作用掉落的SiC顆粒，同時瓷質(zhì)磚磨削下來的料又是很好的玻璃質(zhì)原料，在高溫下產(chǎn)生液相。拋光廢渣中的SiC在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氣體，高溫下由于液相的形成，使得反應(yīng)釋放的氣體被液相包裹形成封閉氣孔，SiC反應(yīng)產(chǎn)生氣體有反應(yīng)見公式(1-6)[10-13]：

圖5 不同燒成溫度的拋光磚廢渣燒成斷面形貌照片(a): 1100 ℃; (b): 1140 ℃ ; (c): 1160 ℃ ; (d): 1190 ℃ ; (e): 1200 ℃ ; (f): 1250 ℃Fig.5 Cross-section photos of specimens prepared from tile polishing waste sintered at different sintering temperatures(a) 1100 ℃; (b) 1140 ℃; (c) 1160 ℃; (d) 1190 ℃; (e) 1200 ℃; (f) 1250 ℃

圖6為SiC顆粒在堿性條件下的氧化示意圖，在陶瓷制品的處于高溫?zé)蓽囟认聲r，拋光廢渣中的SiC發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生CO2等氣體并生成無定形SiO2薄膜層。在高溫下與陶瓷制品中堿性熔體或堿性鹽進(jìn)行反應(yīng)生成硅酸鹽液相，使SiO2保護(hù)層被腐蝕或或破壞，內(nèi)部的SiC不斷地與O2發(fā)生反應(yīng)，隨著反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，廢渣中的碳化硅顆粒尺寸不斷減小，直至完全氧化。反應(yīng)生成大量的CO2，被封閉在由于高溫熔融的液相中，氣體不斷膨脹，形成氣孔，并且伴隨燒成溫度的升高提供的熱量，不斷膨脹導(dǎo)致燒成試樣膨脹，冷卻后氣孔留在試樣內(nèi)部產(chǎn)生發(fā)泡[12-14]。

圖6 堿性條件下SiC顆粒氧化示意圖Fig.6 Oxidation diagram of SiC particles under alkaline condition

結(jié)合燒成試樣性能和斷面形貌對拋光廢渣燒成性能隨燒成溫度的變化作出分析：試樣在1100 ℃時線性收縮達(dá)10.25%，抗折強(qiáng)度和容重均達(dá)到最大值，之后隨燒成溫度升高逐漸產(chǎn)生膨脹，容重和抗折強(qiáng)度也迅速降低，表明試樣在1100 ℃開始已經(jīng)逐漸開始發(fā)泡；1140-1160 ℃試樣的性能出現(xiàn)明顯變化，在1160 ℃線膨脹率達(dá)到21.4%，斷面形貌中出現(xiàn)明顯氣孔，可能是由于廢渣中的長石類原料如鈉長石等開始熔融產(chǎn)生液相，且SiC在此溫度階段顯著反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體被液相包裹引起膨脹導(dǎo)致的；1160-1190 ℃階段性能變化穩(wěn)定，線膨脹率增大并不明顯，表明此階段液相粘度較高，且隨溫度升高粘度逐漸降低并鋪開在試樣表面，封閉表面開氣孔，吸水率有一定的下降；1200 ℃時，發(fā)泡程度再次明顯提高，抗折強(qiáng)度迅速降低為5.7 MPa，此時斷面出現(xiàn)明顯玻璃光澤，可能是由于溫度升高玻璃液相充分熔融，液相大量產(chǎn)生并且粘度降低，內(nèi)部產(chǎn)生的氣孔進(jìn)一步膨脹，導(dǎo)致發(fā)泡性能顯著提高。吸水率增加可能是由于試樣表層玻璃液相粘度降低或者揮發(fā)，表層液相不足以維持內(nèi)部氣體產(chǎn)生的壓力，內(nèi)部氣體撐破表層逸出而形成開氣孔導(dǎo)致的；1200-1250 ℃隨著溫度升高，試樣持續(xù)發(fā)泡，導(dǎo)致吸水率和線膨脹率持續(xù)增大，容重和抗折強(qiáng)度降低并趨于穩(wěn)定[15,16]。

3 結(jié) 論

本文研究了拋光廢渣的發(fā)泡規(guī)律，為拋光廢渣綜合利用提供基礎(chǔ)，得出如下結(jié)論：

(1)隨燒成溫度升高拋光廢渣線性膨脹率和吸水率逐漸升高，抗折強(qiáng)度和容重逐漸降低，且抗折強(qiáng)度和容重變化趨勢相同。

(2)燒成溫度在1100 ℃出現(xiàn)線性收縮，1160 ℃明顯發(fā)泡，可能是由于廢渣中的長石類原料如鈉長石等大量熔融產(chǎn)生液相，SiC氧化反應(yīng)產(chǎn)生氣體被液相包裹從而引起發(fā)泡導(dǎo)致的。在1200 ℃時，可能是由于此時試樣產(chǎn)生大量玻璃相且玻璃液相粘度降低或者揮發(fā)，導(dǎo)致表層液相減少不足以維持內(nèi)部氣體產(chǎn)生的壓力，內(nèi)部氣孔膨脹并撐破表層液相逸出而形成開氣孔，產(chǎn)生顯著發(fā)泡現(xiàn)象且吸水率增大。1200-1250 ℃試樣繼續(xù)膨脹，斷面發(fā)黑，平均孔徑達(dá)到1.53 mm，容重趨于穩(wěn)定為0.48 g/cm3。

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Influence of Sintering Temperature on Foaming Properties of Ceramics Prepared from Tile Polishing Waste by Dry Granulation Process

ZHANG Boye1, HUANG Jianfeng1, TAO Xiaowen2, LI Zhuan2, WANG Qinggang1, FEI Jie1, YAN Kaifang2, LIU Chun2
(1. School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, Shaanxi, China; 2. Xianyang Research & Design Institute of Ceramic, Xianyang 712000, Shaanxi, China)

Specimens were prepared from tile polishing waste by dry granulation and pressing and then sintered at 1100-1250°C. Influence of different sintering temperatures on their foaming properties was discussed, which provides a research basis for comprehensive utilization of tile polishing waste. The results showed that linear expansion ratio and water absorption increased with sintered temperature while bending strength and bulk density decreased. The specimens linearly shrank when sintered at 1100 ℃; apparent pores appeared, and the bending strength and bulk density reached 11.3 MPa and 0.74 g/cm3respectively when sintered at 1160 ℃; foaming properties changed significantly when sintered at 1200°C and glassy gloss occurred; the specimens expanded continually with the average pore size and bulk density up to 0.48 g/cm3and 1.53 respectively when the sintering temperature increased to 1250 ℃.

tile polishing waste; sintering temperature; dry granulation process

date: 2015-06-19. Revised date: 2015-07-20.

10.13957/j.cnki.tcxb.2015.06.004

TQ174.76

A

1000-2278(2015)06-0589-05

2015-06-19。

2015-07-20。

國家科技支撐計劃項(xiàng)目(2013BAF09B02)；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2013KCT-06)。