銅尾礦與鉀長石對石英石燒結程度的影響及利用銅尾礦開發(fā)建筑陶瓷的試驗探究

呂俊棟

（中條山有色金屬集團有限公司 山西 運城 044000）

前言

據(jù)統(tǒng)計，目前有色金屬行業(yè)銅礦石品位低，銅尾礦產出率高達99%以上。中條山集團銅礦峪選銅后尾礦每年以高于700萬噸數(shù)量全部排放入十八河尾礦庫。多年來的尾礦堆積不僅占用了大量土地，而且尾礦庫的運行維護耗費了不少的人力和經濟資源。干灘涂的尾礦還會產生大風揚塵，帶來環(huán)境污染。銅礦采掘、浮選在給國家?guī)斫洕б娴耐瑫r，也產生了較為嚴重的環(huán)境和社會問題。發(fā)展綠色礦山，實現(xiàn)資源綜合利用，已經成為擺在我們面前的迫切課題。

我國是建筑陶瓷生產和消費大國，隨著建陶行業(yè)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的陶瓷原料正以每年超過億噸的數(shù)量高速消耗著，雜質含量較少，品質優(yōu)良的陶瓷原料儲量急劇減少，開發(fā)新型建筑陶瓷原料顯得極為重要。銅尾礦的物理、化學性能與陶瓷原料鉀長石非常接近，用銅尾礦部分取代建筑陶瓷配方中的鉀長石可以獲得較好的經濟、社會和環(huán)境效益。

1 實驗方法

1.1 試驗原料

圖1 銅尾礦XRD衍射圖譜

銅尾礦的XRD衍射圖譜見圖1，從圖中可以看出，該尾礦主要由絹云母、綠泥石、石英、長石、方解石及少量磁鐵礦等礦物組成。SiO2和Al2O3兩種氧化物占銅尾礦化學成分總量80%以上，化學成分比例適合開發(fā)建筑陶瓷材料。

本試驗選用摻量10%的球土作為塑性原料，保證圓餅試樣中各種原料在生料成型時粘結在一起，后期烘干、測量、燒結等過程中，試樣不易破損造成試驗結果偏差。表1為各種原料的化學成分分析結果。

表1 試驗原料的化學成分分析

從表1.1中對比銅尾礦和鉀長石的化學成分較為接近，銅尾礦中鈣、鎂、鐵含量較高，預計對其燒結溫度產生影響。石英石（單樣熔點1750攝氏度）在陶瓷原料中屬于高溫料，本試驗以石英石試樣設計（10%球土結合90%石英石）為基礎樣，石英石試樣1200℃燒結結果如圖2所示，銅尾礦與鉀長石按質量比例10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%對基礎樣進行外摻，對比溶劑性原料鉀長石和銅尾礦不同摻比下石英石試樣的燒結性能影響。

圖2顯示石英石試樣1200℃燒后基本無燒結，燒后收縮僅有0.1%。

圖2 石英石試樣1200℃燒后圖像

1.2 試驗步驟及工藝參數(shù)

第一步：將石英石、鉀長石預先破碎成小顆粒料烘干備用，銅尾礦、球土烘干備用，所有原料按設計比例稱量配料。

第二步：按原料質量的2～3倍配加入直徑20mm的高鋁瓷球，加入0.5%的三聚磷酸鈉，漿料含水率36%，快速球磨機研磨12min。

第三步：漿料過100目標準篩，篩下漿料用10000高斯磁棒攪拌兩分鐘除鐵，用流速杯、比重杯和秒表按測漿料比重、流速，球磨加工的泥漿細度要求控制為萬孔篩余1.0%～1.3%。

第四步：泥漿放入鼓風干燥箱，180℃烘干2小時。干燥的漿料研碎后按干粉料質量的6%～8%噴入定量的自來水，粉料過20目標準篩，然后將粉料裝入試樣袋中封口陳腐48小時。

第五步：稱取35克陳腐好的粉料，置于直徑50mm的圓形不銹鋼模具中，液壓成型壓力40MP，保壓1min，制做試樣生坯。

第六步：坯體成型以后，用不銹鋼托盤將坯體放入干燥箱里烘干，烘干溫度110℃，時間大于2h，隨機取5個干燥試樣進行生坯強度試驗。

第七步：生坯試樣用長臂火鉗放入預先升溫至800℃的箱式電阻爐中，以5℃/min的升溫速率繼續(xù)升溫至1200度，保溫10min，完成高溫燒結后自然冷卻。

第八步：WSB-2A型數(shù)顯白度儀檢測燒成試樣白度，根據(jù)試樣尺碼變化，計算燒成試樣收縮率，根據(jù)試樣質量變化，計算燒成試樣燒失量。

2 試驗結果

銅尾礦與鉀長石的不同摻比下，1200℃高溫燒結結果見表2和表3，外貌圖片見圖3和圖4。

從燒結結果來看，外摻銅尾礦和鉀長石對石英石試樣燒結性能的影響為：隨外摻比例的升高，石英石試樣的燒成收縮逐步變大；燒后白度逐步降低。同樣配比下銅尾礦對石英石的降溫效果比鉀長石更加顯著，當銅尾礦外摻比為30%時，試樣收縮明顯，瓷化度增加，達到基本相同的效果，鉀長石的外摻比為50%。銅尾礦外摻比達到80%時，石英石試樣燒結收縮突然變大，證明該試樣已經過度燒結。銅尾礦添加石英石試樣對燒結白度影響顯著。主要影響元素是化學成分中的Fe2O3，試驗開始階段的制漿過程已經用10000高斯除鐵棒進行除鐵，所以剩余鐵元素基本上是以非磁性鐵形式存在的化合物。

表2 銅尾礦不同外摻比石英石試樣燒結結果

圖3 銅尾礦不同外摻比石英石試樣燒結外貌

表3 鉀長石不同外摻比石英石試樣燒結結果

圖4 鉀長石不同外摻比石英石試樣燒結外貌

3 配方驗證

根據(jù)銅尾礦和鉀長石的物理化學性能，搭配黏土作為塑性原料、石英作為高溫骨料，結合“SiO2—Al2O3—CaO”三相圖，進行坯體配方設計，參考北方瓷區(qū)瓷質磚示性坯式如式3.1。

最終，本試驗就30%銅尾礦和50%鉀長石分別與其它傳統(tǒng)陶瓷原料搭配，開發(fā)地磚坯體銅尾礦配方一和鉀長石配方二，燒后形貌如圖5所示。

圖5 銅尾礦配方與長石配方坯體燒結外貌

圖6 銅尾礦配方與長石配方各半坯體燒結外貌

表4 試樣測試結果

圖6為確認的銅尾礦配方一和鉀長石配方二，兩個配方體系各半共壓、共燒的形貌圖，從圖中可以看出，兩個配方體系燒成后結合較好，沒有相互分離形成界面。

銅尾礦配方一和鉀長石配方二試樣制備和燒成后檢測結果如表4所示。

4 結論

（1）從上述探究結果可知，銅尾礦和鉀長石都可以降低石英石試樣的燒結溫度，銅尾礦中鈣、鎂、鉀、鈉、鐵的多種氧化物的存在致使該種原料易形成低溫共熔點，對石英石試樣燒結溫度的降低效果更為明顯。

（2）設計銅尾礦配方試驗和鉀長石配方實驗，驗證了利用中條山銅尾礦制備建筑陶瓷瓷質磚開發(fā)方案可行，試樣燒成吸水率低，燒結度高，坯體其他性能優(yōu)良。

（3）銅尾礦中的鐵元素含量較高，鐵元素的存在致使坯體的燒成白度不高。

（4）試樣的生坯強度、漿料的含水率、漿料的流速、漿料的比重指標測試結果均接近或優(yōu)于一般陶瓷廠相應性能數(shù)據(jù)，說明銅尾礦制備建筑陶瓷瓷質磚不會影響球磨制漿、坯體輸送等工序過程。