利用礦山廢棄高塑性紅黏土制備輕質陶粒的研究

賈曉釗 雷國元 余曉東 向 銳 毛紹波 季佳善

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2.武鋼資源集團有限公司，湖北 武漢 430080)

我國許多礦山在開采過程中會產生大量剝離紅黏土而未得到利用，其堆存困擾國內礦山的發展，甚至威脅礦山的生存[1]。輕質陶粒具有低密、高強、保溫、耐腐蝕等特性[2-3]，但國內企業多采用傳統工藝生產，消耗大量農田黏土，因此更大限度地利用固體廢棄物生產輕質陶粒成為當前研究的主要方向[4]。近年來國內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陶粒，這將突破輕質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。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試驗原料

(1)紅黏土。取自某礦山的廢棄紅黏土，經檢測其塑性指數Ip=23.95>17，屬高塑性黏土。其主要化學成分分析結果如表1所示，由此可知，該紅黏土SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO等含量位于Riley相圖的可膨脹范圍，但并不在輕質陶粒的最佳化學成分范圍內[10]，CaO、MgO可通過添加該礦山生產過程中產生的石灰石廢料補充。

表1 紅黏土化學成分分析結果Table 1 Chemical compositions analysisresults of the red clay %

(2)其他原料：化合物L，為市售化學藥劑；石灰石，與紅黏土取自同一礦山，其CaCO3含量大于98%，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。

1.2 試驗方法

1.2.1 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φ500 mm圓盤造球機中造球，篩取粒徑為10～15 mm的生球，在105 ℃下干燥3～4 h后，置于SX8-1型馬弗爐中預熱30 min，迅速放入SHY-I型回轉窯中焙燒12 min，制得陶粒。試驗工藝流程如圖1所示。

圖1 試驗工藝流程Fig.1 Technical process of the experiment

1.2.2 工業投籠試驗方法

工業試驗地點為湖南某陶粒生產廠，經調研，其陶粒生產線回轉窯直徑1.6 m，長30.5 m，生產能力為40 m3/d，窯內預熱段溫度400～500 ℃，物料停留時間約120 min；焙燒段溫度1 160～1 180 ℃，物料停留時間約20 min。定制2520型耐高溫不銹鋼籠(不銹鋼管管長、直徑均100 mm，兩端為同直徑可拆卸鑄鐵蓋，鋼管、鐵蓋打滿直徑為8 mm的圓孔，孔間距20 mm)。

試驗時，將預先制好的生球裝填至料籠內，充填率約30%，按照投籠頻率為2籠/(次·h)將料籠投入生產線生球輸送口，隨生產線原物料一同焙燒，在回轉窯出料口回收料籠。用該方法燒成陶粒50 kg待檢。回轉窯、耐高溫不銹鋼籠如圖2、圖3所示。

圖2 回轉窯Fig.2 Rotary kiln

圖3 耐高溫不銹鋼籠Fig.3 Cage of heat-resisting stainless steel

1.3 檢測方法

根據GB/T 17431.1—2010測定陶粒的表觀密度，小試產品用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粒測量數據并取平均值；投籠試驗樣品送至湖北省建材產品質量監督檢驗站，按照GB/T 17431.1—2010規定的方法測定相應指標。

2 試驗結果與討論

2.1 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4 h，然后在450 ℃預熱30 min，1 170 ℃焙燒12 min。

2.1.1 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量的3%和1%，普通黏土添加量分別為0%、3.5%、7.0%、10.5%，對應紅黏土添加量分別為96.0%、92.5%、89.0%、85.5%，普通黏土添加量對陶粒炸裂的影響如圖4所示。

圖4 普通黏土添加量對陶粒炸裂的影響Fig.4 Effect of ordinary clay dosageon cracking of the ceramsite ◆—預熱階段炸裂率；●—焙燒階段炸裂率

由圖4可知，陶粒預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。

2.1.2 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Fig.5 Effect of compound L dosageon cracking of the ceramsite ◆—預熱階段炸裂率；●—焙燒階段炸裂率

由圖5可知，陶粒預熱階段不再炸裂，焙燒階段炸裂率隨化合物L添加量的增加逐漸降低。化合物L添加量大于3.5%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。

2.1.3 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Fig.6 Effect of compound L dosage onperformance of the ceramsite ●—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量的3.5%。

2.1.4 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量的3.5%、3%和1%，普通黏土添加量分別為5%、6%、7%、8%，對應紅黏土添加量分別為87.5%、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Fig.7 Effect of ordinary clay dosage onperformance of the ceramsite ●—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整陶粒原料的塑性指數，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量的7.0%。

2.1.5 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Fig.8 Effect of limestone dosage onperformance of the ceramsite ●—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量的3.0%。

2.1.6 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量的7%、3.5%和3%，煤粉添加量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%，對應紅黏土添加量分別為86.5%、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Fig.9 Effect of coal dosage on performanceof the ceramsite ●—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1.0%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外創造還原氣氛以促使焙燒階段陶粒內部的Fe2O3發生產氣反應，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Ip=15.78，屬粉質黏土，原紅黏土的高塑性得到降低，成球性良好。

2.2 焙燒制度試驗

2.2.1 預熱溫度對陶粒性能的影響

按原料最佳配比制備陶粒，在預熱溫度分別為350、400、450、500 ℃，焙燒溫度為1 170 ℃條件下，考察預熱溫度對陶粒性能的影響，結果如圖10所示。

圖10 預熱溫度對陶粒性能的影響Fig.10 Effect of preheating temperature onperformance of the ceramsite ●—陶粒表觀密度；◆—單球抗壓強度

由圖10可知：隨著預熱溫度的升高，陶粒的表觀密度無明顯變化，單球抗壓強度在預熱溫度為450 ℃時最高。因此，取預熱溫度為450 ℃。

2.2.2 焙燒溫度對陶粒性能的影響

按原料最佳配比制備陶粒，在預熱溫度為450 ℃，焙燒溫度分別為1 110、1 140、1 170、1 200 ℃條件下，考察焙燒溫度對陶粒性能的影響，結果如圖11所示。

圖11 焙燒溫度對陶粒性能的影響Fig.11 Effect of calcining temperature onperformance of the ceramsite ●—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1 170 ℃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1 170 ℃。

綜上可得以最佳質量配比所制陶粒的焙燒制度為：450 ℃預熱30 min，1 170 ℃焙燒12 min。

2.3 工業試驗成品陶粒性能分析

委托湖北省建材產品質量監督檢驗站對工業投籠試驗制得陶粒進行物理性能分析，結果見表2。

表2 標準要求及制品性能測試結果Table 2 Standard requirement and test results of product′s performance

由表2可知，成品陶粒的各項關鍵性能指標均達到《GB/T 17431.1—2010 輕集料及其試驗方法》中500級陶粒的技術標準。

3 產業化可行性分析

產生廢棄紅黏土的礦山有一條閑置石灰石煅燒生產線，對其稍加改造即可用于生產陶粒。其回轉窯內徑2 m、長44 m、斜度3.5%、轉速0.25～1.25 r/min，按陶粒在窯中停留2 h、每工作日24 h、每年300工作日、窯容積率30%計，該生產線可年產輕質陶粒約15萬m3。石灰石粉取自該礦除塵灰，煤粉取自現有煤粉生產系統。按照以上工藝，考慮原料、能耗、人工、修理等費用，該陶粒生產線年經營成本約1 490萬元。考慮礦區周邊市場的供需狀態、稅收、生產原材料價格波動等影響價格的各種因素，預測售價約220元/m3，年銷售收入3 300萬元，年利稅額約1 810萬元。

4 結 論

(1)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4 h、450 ℃預熱30 min、1 170 ℃焙燒12 min，可制得輕質陶粒。

(2)對陶粒進行工業投籠試驗表明，所得陶粒經檢測，各項關鍵性能指標符合《GB/T 17431.1—2010 輕集料及其試驗方法》對500級陶粒的要求，該技術擁有實際應用價值。

(3)紅黏土制備輕質陶粒的工藝簡單、適用性強，按該工藝所建陶粒生產線投資小、生產成本低，預計年利稅額約1 810萬元，既有效減少了礦山剝離土的堆存量，又可為相關企業創造可觀的經濟效益。

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