呂俊棟

(中條山有色金屬集團(tuán)有限公司 山西 垣曲 043700)

前言

有色金屬礦的尾礦產(chǎn)出率通常高達(dá)90%以上，大量的尾礦堆積不僅占用了大量耕地，而且尾礦庫每年的維護(hù)也耗費(fèi)了不少的人力和財(cái)力。大量的尾礦堆積，灘涂的干尾沙大風(fēng)揚(yáng)塵，嚴(yán)重污染環(huán)境。采礦選銅在給國家?guī)斫?jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也產(chǎn)生了極為嚴(yán)重的環(huán)境和社會(huì)問題。實(shí)現(xiàn)尾礦綜合利用，資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，已經(jīng)成為擺在我們面前的迫切課題。

中條山有色金屬集團(tuán)有限公司選銅后的尾礦每年約700多萬噸全部排放到十八河尾礦庫，尾礦庫的運(yùn)行維護(hù)產(chǎn)生高額成本。尾礦的粒度達(dá)到200目顆粒占70%左右。利用尾礦研制建筑陶瓷不僅符合國家提倡的綠色發(fā)展要求，而且由于尾礦本身粒度較細(xì)，為后續(xù)破碎球磨工序節(jié)約相當(dāng)可觀的能耗。

我國是建筑陶瓷生產(chǎn)和消費(fèi)大國，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(zhì)含量較少，品質(zhì)優(yōu)良的陶瓷原料儲(chǔ)量急劇減少。開發(fā)新型建筑陶瓷原料顯得極為重要。

1 銅尾礦組分構(gòu)成分析

1.1 銅尾礦的化學(xué)成分

用撿塊法從尾礦庫干灘選10個(gè)采樣點(diǎn)位，共取銅尾礦10 kg，實(shí)驗(yàn)室用堆混法將其充分均化混合后進(jìn)行化學(xué)成分分析。其化學(xué)成分如表1所示。

表1 銅尾礦主要化學(xué)分析(質(zhì)量%)

表1顯示銅尾礦中主要氧化物為SiO2和Al2O3，占總成分80%以上，接近建筑陶瓷坯料中硅和鋁的成分，適合開發(fā)建筑陶瓷材料。但銅尾礦中的鐵含量過高會(huì)嚴(yán)重影響到坯體的白度，試驗(yàn)過程考慮磁棒物理除鐵。

1.2 銅尾礦的礦物組成

銅尾礦的XRD衍射圖譜見圖1。

圖1 銅尾礦XRD衍射圖譜

從圖1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。絹云母、綠泥石、石英、長石、方解石含量占總量的98.5%，都是制備陶瓷的常用原料。銅尾礦物組成及含量見表2。

表2 銅尾礦的物相組成及含量(%)

銅尾礦的主要礦物組成顯示，除磁鐵礦外，銅尾礦中的其他礦物均可以作為建筑陶瓷生產(chǎn)用礦物原料，且尾礦中0.4%的方解石在配方體系中一定程度上起到礦化劑的作用，可以增強(qiáng)燒成時(shí)的反應(yīng)能力，加速高溫固相合成。

1.3 銅尾礦的放射性檢測

銅尾礦的放射性檢測結(jié)果見表3。

表3 銅尾礦放射性檢測結(jié)果

從表3可以看出，該種銅尾礦的放射性檢測結(jié)果遠(yuǎn)低于國家限制標(biāo)準(zhǔn)，制備出的陶瓷材料不會(huì)對(duì)人體健康構(gòu)成危害，可放心使用。

2 銅尾礦墻地磚配方試驗(yàn)

2.1 主要原料

2.1.1 銅尾礦

取自中條山有色金屬集團(tuán)有限公司十八河尾礦庫，銅尾礦引入墻地磚坯料中，主要作熔劑原料。

2.1.2 鋁礬土

取自垣曲本地，鋁礬土引入墻地磚坯料中，主要提升配方中的鋁含量。

2.1.3 石英石

取自垣曲本地，石英石引入墻地磚坯料中，主要提升配方中的硅含量，同時(shí)作為高溫骨料存在。

2.1.4 葉蠟石

取自山西五臺(tái)，葉蠟石引入墻地磚坯料中，主要作為中溫料存在，同時(shí)兼有其它功效。

2.1.5 白云石

取自垣曲本地，白云石引入墻地磚坯料中，主要作為高溫鈣、鎂質(zhì)原料存在，同時(shí)兼有其它功效。

該試驗(yàn)配方所用到原料的化學(xué)成分分析如表4所示。

2.2 配方擬定

根據(jù)陶瓷墻地磚配方設(shè)計(jì)原則，結(jié)合建筑陶瓷配方和各種原料的化學(xué)組成，擬定陶瓷內(nèi)墻磚試驗(yàn)用配方見表5；各配方的化學(xué)成分見表6。

表4 配方原料的化學(xué)成分分析(%)

續(xù)表4

表5 試驗(yàn)用配方的原料組成(%)

表6 試驗(yàn)用配方的化學(xué)組成(%)

2.3 工藝流程

工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

2.4 試驗(yàn)步驟及工藝參數(shù)

1)將石英石、葉蠟石、白云石預(yù)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(shè)計(jì)比例稱量配料。

2)按原料質(zhì)量的2～3倍加入直徑為20 mm的高鋁瓷球，加入0.5%的三聚磷酸鈉，使?jié){料含水率為36%，快速球磨機(jī)研磨12 min。

3)漿料過100目標(biāo)準(zhǔn)篩，篩下漿料用10 000高斯磁棒攪拌2 min除鐵，用流速杯、比重杯和秒表按測漿料密度、流速，球磨加工的泥漿細(xì)度要求控制為萬孔篩余1.0%～1.3%，流速控制20～50 s，密度控制在1.68左右。

4)泥漿放入鼓風(fēng)干燥箱，180 ℃烘干2 h。干燥的漿料研碎后按干粉料質(zhì)量的6%～8%噴入定量的自來水，粉料過20目標(biāo)準(zhǔn)篩，然后將粉料裝入試樣袋中封口陳腐48 h。

5)稱量40 g陳腐好的物料，裝填于50 mm的鋼質(zhì)模具中，以液壓壓片機(jī)表頭40 MPa的壓力干壓成形，粉體的壓縮率為50%～60%。

6)坯體成形以后，用不銹鋼托盤將坯體放入干燥箱里烘干，烘干溫度110 ℃，時(shí)間大于2 h，隨機(jī)取5個(gè)干燥試樣進(jìn)行生坯強(qiáng)度試驗(yàn)，干燥強(qiáng)度≧0.8 MPa。

7)本試驗(yàn)為了盡量貼近生產(chǎn)實(shí)際，將電阻爐預(yù)先預(yù)熱到800 ℃左右，然后打開爐膛，用長臂火鉗將墊有耐火材料的坯體放入爐膛中，迅速關(guān)閉爐門繼續(xù)升溫，高溫?zé)山Y(jié)束后，試樣隨爐冷卻。

8)用游標(biāo)卡尺測量計(jì)算試樣的燒成收縮；用白度儀測量坯體白度；用真空吸水率儀測量坯體吸水率；對(duì)成品外觀質(zhì)量進(jìn)行觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)性能檢測結(jié)果見表7。

表7 性能檢測結(jié)果

從表7可以看出：①坯體呈土黃色，白度變化規(guī)律明顯，隨銅尾礦添加量增加而逐步降低，高比例添加尾礦試樣出現(xiàn)黑邊，主要由配方成分中的氧化鐵造成。氧化鐵為強(qiáng)熔劑物質(zhì)，當(dāng)其含量較高時(shí)，坯體加速高溫液相生成，縮窄配方燒成范圍，故試樣燒成時(shí)邊緣部溫度高于內(nèi)部溫度，出現(xiàn)黑邊現(xiàn)象。②陶質(zhì)坯體燒成溫度1 150 ℃，保溫10 min坯體微燒結(jié)，燒成收縮較小，總體控制在燒成收縮≦1%，側(cè)面反應(yīng)坯體燒成過程的熱膨脹系數(shù)變化較小，成品磚型可控。③內(nèi)墻磚吸水率介于10%～20%，試驗(yàn)測得坯體燒成后吸水率部分試樣超過高限僅為參考值，上生產(chǎn)線生產(chǎn)時(shí)，磚坯表面淋釉。釉面將單面阻隔水分向坯體內(nèi)部滲透，成品吸水率可控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖3 燒成坯體效果圖

燒結(jié)后外觀形貌如圖3所示。

4 結(jié)語

從上述探究結(jié)果可知，利用中條山銅尾礦部分取代內(nèi)墻磚配方中的瘠性原料開發(fā)建筑陶瓷內(nèi)墻磚制品是可行的，且漿料和坯體整體性能滿足整個(gè)工藝過程的各項(xiàng)要求，燒成試樣性能優(yōu)良，增加廢物綜合利用率，減少優(yōu)質(zhì)原料消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，為銅尾礦的綜合利用開辟了新途徑。