利用某尾礦為主要原料制備陶瓷的試驗(yàn)研究*

李香梅 汪 洋，3 裴德健 華紹廣3

（1．中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2．國家環(huán)境保護(hù)礦山固體廢物處理與處置工程技術(shù)中心；3．國家冶金工業(yè)鐵精礦質(zhì)量監(jiān)督檢測中心）

經(jīng)過數(shù)十年大規(guī)模的開采，我國目前堆存有百億噸級的采選廢石和尾礦，被利用的還不到10%，與歐美等發(fā)達(dá)國家60%的利用率差距太遠(yuǎn)，這些廢石和尾礦普遍呈露天堆存狀態(tài)。如何高效利用，解決礦產(chǎn)資源的浪費(fèi)和土地占用，以及生態(tài)環(huán)境問題迫在眉睫［1-3］。

我國是建筑陶瓷的生產(chǎn)大國和出口大國，其傳統(tǒng)原料黏土已被禁止開采［4］。如果廢石和尾礦能夠用于生產(chǎn)建筑陶瓷，則不僅大大拓寬陶瓷的原料來源，還能解決尾礦的出路問題，其意義深遠(yuǎn)［2］。

鐵礦山的尾礦通常是黏土組分很少、以風(fēng)化巖為主的選礦廢渣，F(xiàn)e2O3含量一般超過5%，Al2O3含量低于15%。用此類尾礦生產(chǎn)陶瓷，不得不面對2大問題：其一，黏土礦物含量低會導(dǎo)致陶瓷胚體塑性變差；其二，F(xiàn)e2O3等含量高（要求小于1%）會導(dǎo)致陶瓷燒結(jié)溫度低，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

在利用尾礦、尾渣制備建筑陶瓷的研究中，不少學(xué)者進(jìn)行了大膽而有益的嘗試［5-10］，提出了新的硅鈣系陶瓷思路，其固廢利用量一般超過30%。這種新體系可以利用一些劣質(zhì)陶瓷原料，甚至鐵含量較高的尾礦。

本研究以某尾礦為主要原料，配合一些當(dāng)?shù)爻Ｒ姷脑线M(jìn)行陶瓷磚的生產(chǎn)試驗(yàn)，并借助XRD、SEM、顯微分析和物理性能測試探討陶瓷的燒結(jié)機(jī)理。

1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料來自山東和貴州等，主要原料成分XRF分析結(jié)果見表1。

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2 制備方法與性能分析

2.1 制備方法

試驗(yàn)按預(yù)設(shè)配方配料，球磨機(jī)粉磨（全部過80目篩），加入9%左右的水后用篩子造粒，陰涼密封陳腐12 h（確保水分均勻）后置于模具中壓制成型，在烘干箱中烘至含水量小于1%，生坯送到高溫試驗(yàn)爐內(nèi)進(jìn)行燒制，高溫試驗(yàn)爐內(nèi)按升溫速率5℃/min升溫至預(yù)設(shè)溫度（1 100、1 120、1 130、1 140和1 150℃），并保溫0.5 h。完成燒結(jié)后以10℃/min的降溫速率降至1 000℃以下，然后隨爐冷卻至室溫。制備步驟見圖1。

2.2 性能分析

性能分析內(nèi)容主要包括收縮率和抗折強(qiáng)度；通過X射線衍射和掃描電鏡等手段分析樣品的晶相組成和微觀特征。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 燒結(jié)溫度對收縮率和抗折強(qiáng)度的影響

燒結(jié)溫度對收縮率和抗折強(qiáng)度的影響見圖2。

由圖2可見，樣品的收縮率和抗折強(qiáng)度均隨燒結(jié)溫度的提高而提高，1 100℃時(shí)的收縮率為3.99%，1 150℃時(shí)的收縮率為6.80%；1 100℃時(shí)的抗折強(qiáng)度為2.5 MPa，1 150℃時(shí)的抗折強(qiáng)度為29.67 MPa。說明升高溫度樣品的致密程度提高，尤其在1 100～1 140℃，其部分孔隙或收縮或被填充。1 130℃以后繼續(xù)提高燒結(jié)溫度，樣品的抗折強(qiáng)度和收縮率變化速度下降。因此，適宜的溫度為1 130℃。

3.2 礦相轉(zhuǎn)變分析

不同燒結(jié)溫度下樣品的XRD圖譜見圖3，不同燒結(jié)溫度下樣品的微觀結(jié)構(gòu)見圖4。

由圖3可見，燒結(jié)溫度為1 100℃時(shí)樣品的主晶相為石英（Si O2）；燒結(jié)溫度升高，樣品的石英峰減弱，莫來石和赤鐵礦的峰顯著增強(qiáng)。表明燒結(jié)溫度超過1 100℃以后，原料中的物相開始發(fā)生重組，具有較好強(qiáng)度的莫來石開始形成。

由圖4可見，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 100℃時(shí)，視野中均為松散的塊狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1 120℃時(shí)，視野中出現(xiàn)了致密的大面積塊狀結(jié)構(gòu)；燒結(jié)溫度進(jìn)一步提高，致密結(jié)構(gòu)組織進(jìn)一步增加，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 150℃時(shí)，視野中全部為致密的組織。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)以某鐵尾礦為主要原料，按預(yù)設(shè)配方配料，經(jīng)粉磨、造粒、陳腐、壓制、烘干、高溫?zé)Y(jié)，獲得了陶瓷樣品。

（2）樣品的收縮率和抗折強(qiáng)度均隨燒結(jié)溫度的提高而提高，這是因?yàn)樯邷囟葮悠返闹旅艹潭忍岣?，部分孔隙或收縮或被填充之故。

（3）燒結(jié)溫度超過1 100℃以后，原料中的物相開始發(fā)生變化，石英轉(zhuǎn)變成了莫來石，樣品的結(jié)構(gòu)由松散轉(zhuǎn)向致密。