利用赞比亚铜尾矿制备高强陶粒及其机理研究

林 慧，宋晓岚

（中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083）

利用赞比亚铜尾矿制备高强陶粒及其机理研究

林 慧，宋晓岚

（中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083）

矿产资源对国民经济意义重大，但是尾矿问题一直难以解决。针对尾矿利用，本试验以赞比亚铜尾矿为主要原料，采用新型烧结法，在预热温度900 ℃，预热时间15 min，焙烧时间8 min的条件下，烧制出吸水率为3.8%，堆积密度为647 kg/m3，粒型系数为0.98，筒压强度为8.9 MPa的800级的高强陶粒，其各项指标均符合国标要求的新型建筑材料陶粒。同时，对其进行X射线荧光光谱，扫描电镜，X射线衍射等多种手段分析。本文很好地解决了目前国内普遍存在的尾矿难以利用等问题，拓宽了其应用领域，这为高效低成本地制备矿物材料提供了新的思路。

铜尾矿；高强陶粒；原料配比

0 引 言

虽然地球矿产资源丰富，但随着矿产的开发与利用，伴随而来的尾矿利用问题日益严重。截止到2014年底，我国尾矿堆存量接近200亿吨，并且仍以每年15亿吨左右的速度增长，尾矿利用率不足当年新增尾矿的17%［1, 2］。难以进行有效利用以及巨额管理成本，使尾矿给矿业工程带来了巨大负担。据统计，我国矿山尾矿库需要对每吨尾矿基建投资1-3元，生产管理费用3-5元［3］。同时，频发的大型尾矿库事故也给公众生命和财产造成巨大损失。可见，进行高附加值与高利用率的尾矿利用技术的研发迫在眉睫。

尾矿的主要成分为硅酸盐矿物，与水泥、玻璃、陶瓷等传统建筑材料较为接近。同时尾矿颗粒较细，制备建材时无需再破碎磨矿，能耗和成本较其他材料都低，因此具有良好的经济、环境和社会三重效益。陶粒是一种具有蜂窝状结构的建筑材料，拥有质轻、耐用和隔热等特性，同时价格低廉，应用广泛。我国在利用页岩、粘土、粉煤灰制备陶粒的研究上已有成熟技术，但在尾矿制备陶粒仍处于起步阶段。目前，已有研究者利用铜尾矿、铁尾矿、银尾矿、珍珠岩尾矿制备出各项性能指标满足要求的合格陶粒，这为本文提供了必要的借鉴［4-10］。

赞比亚是世界第四大产铜国，其尾矿问题十分严峻。而中南大学在生物提铜技术和资源再利用方面，位于国际领先水平。2010年6月，中南大学与赞比亚矿业部签署了尾矿处理的战略合作框架协议，此协议让双方在矿产资源与尾矿技术两方面进行优势互补，共同打造双赢局面。因此，这在矿产资源极度紧张的今天，赞比亚尾矿的综合利用研究具有积极意义。

本文以赞比亚铜尾矿、粉煤灰和高岭土为原料，采用新式烧结法，生产高强陶粒，考查工艺条件的改变对陶粒物理性能的影响。此项工作不仅有利于促进中赞双方资源的战略合作，并且符合当今国际倡导的绿色工业理念，具有重要的理论指导意义和应用价值。

1 实 验

1.1 实验原料

赞比亚铜尾矿样品取自卢阿罗尾矿库。样品属于细粒高硅铜尾矿，平均粒度在负200目60%以上。表1为尾矿X射线荧光光谱（XRF）的测试结果，图1为尾矿的X射线衍射图谱（XRD）。由表1和图1可知，尾矿主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3等，主要矿物相为石英、长石、方解石、磁铁矿、云母、绿泥石等。本实验选用湖南萍乡某发电厂粉煤灰作为调整剂，高岭土作为添加剂。

图1　赞比亚铜尾矿的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of Zambia copper tailing

图2　陶粒制备流程Fig.2 Preparation process of ceramsite from Zambia copper tailing

表1　赞比亚铜尾矿X射线荧光光谱测试结果（wt.%）Tab.1 XRF quantifcation of Zambia copper tailing

1.2 试验流程与试验方法

试验采用图2所示的流程制备陶粒。综合考虑原料的硅铝比及塑形，同时尾矿利用率要达到50%以上，选取原料配比为尾矿60%，粉煤灰30%，高岭土10%，制粒水分8%，制粒时间20 min［11］。将原料按照预定配比配好后，充分混匀1 h后用圆盘造球机造球。筛分出5-10 mm粒级的生球，然后将生球在105 ℃下干燥至水分含量小于10%。陶粒焙烧在两段式卧式管式炉中进行。将干燥后的生球在预热温度预热，然后推送至高温区焙烧。最后按照冷却制度冷却。

陶粒性能测试按照国标GB/T 17431.2-2010《轻集料及其试验方法》进行；其中在实验室条件下筒压强度采用文献［12］中的陶粒强度测试方法，即采用颗粒强度来表征。在实验中得到性能最好条件组合后，再进行颗粒级配、堆积密度、粒型系数、筒压强度和吸水率测试。

2 试验结果及分析探讨

2.1 焙烧温度的影响

陶粒的焙烧温度是其生产过程中最关键的因素。图4为焙烧温度对尾矿陶粒颗粒强度和吸水率的影响图。由图3可知，随着温度的升高，强度和吸水率的变化在1250 ℃处达到最佳条件。

图4为样品的电子显微镜图像（SEM）。由图可知，随着焙烧温度上升，成品陶粒内部微观结构由骸晶结构转变到熔融结构，再到交织结构。1200 ℃左右，内部晶粒发育不完善，只形成骨架并将硅酸盐粘结相填充其中，强度较差。温度升至1250 ℃度左右，矿物与粘结相彼此交织构成，此条件下形貌最好，强度最高。温度升至1290 ℃度左右，矿物被粘结相所熔融，晶粒过度发育。矿物与粘结相互溶，强度减弱［13, 14］。综合考虑，后续试验焙烧温度设定为1250 ℃。

图3　焙烧温度对陶粒强度和吸水率的影响Fig.3 Effect of sintering temperature on strength and water absorption

图4　1200 ℃，1250 ℃，1290 ℃陶粒的SEM图Fig.4 SEM photos of ceramsite prepared at 1200 ℃，1250 ℃，1290 ℃

2.2预热温度、预热时间、焙烧时间的影响

为了更好地探讨不同因素对烧结陶粒的影响，本实验设定3个不同的预热温度（800 ℃、850 ℃、900 ℃），3个不同预热时间（15 min、20 min、25 min），3个不同的焙烧时间（8 min、10 min、12 min）。正交试验设计见表2，正交试验结果见表3。

由正交试验结果可以看出，A3B1C1效果最好，对应的实验条件为预热温度900 ℃，预热时间15 min，焙烧时间8 min。预热温度设定为800-900 ℃。在800-900 ℃范围内，温度升高，K值上升，预热温度影响程度居中。预热时间设定为15-20 min。在15-20 min范围内，时间增加，成品陶粒强度下降，K值降低，R值达最小值，预热时间为最小影响因素。焙烧时设定为间为8-12 min。在8-12 min范围内，时间增加，成品陶粒强度快速下降，K值降低，R值达最大值，焙烧时间为最大影响因素。

2.3 XRD分析

图5　预热温度900 ℃，预热时间15 min，焙烧时间8 min条件下陶粒成品的XRD图谱Fig.5 XRD pattern of ceramsite after 15 min preheating at 900 ℃and 8 min calcination

表2　正交试验因素水平表Tab.2 Table of orthogonal experimental design

表3　正交试验结果Tab.3 Orthogonal experimental Results

成品陶粒的XRD图谱见图5。通过图1和图5的对比可以看出，焙烧前后的矿物物相发生了显著变化。原料中的石英、云母、长石等矿物物相在高温焙烧后含量有所提高。而绿泥石、白云石、滑石等矿物物相则明显减少。新的物相生成提高了陶粒的强度并改善了陶粒的性能（见表4）。

表4　陶粒性能检测结果Tab.4 Properties of ceramsite

3 结 论

（1）本试验采用新式烧结法，预热和焙烧过程在两段卧式管式炉中进行。此法在更加接近工业化生产的同时，避免了传统工艺中使用马弗炉所带来的升温速率慢、预热焙烧过程存在急冷等问题。新式烧结法通过矿物材料学和烧结球团学的有机融合，使制备的陶粒性质更加稳定均一，过程更加可控，有效地实现了实验室试验与工业化应用的有效衔接。

（2）本试验以赞比亚铜尾矿为主要原料，在预热温度900 ℃，预热时间15 min，焙烧温度1250 ℃，焙烧时间8 min的条件下，可以烧制出800级的高强陶粒，其各项指标均符合国标要求。焙烧时间对强度影响较大，而预热时间对强度影响较小。

［1］杨丽红, 李全明, 程五一, 等.国内外尾矿坝事故主要危险因素的分析研究［J］.中国安全生产科学技术, 2008, 4（5）： 28-31.YANG L H, LI Q M, CHENG W Y, et al.Journal of Safety Science and Technology, 2008, 4（5）： 28-31.

［2］刘欣, 李家科, 程凯.蛇纹石尾矿资源化制备发泡陶瓷的研究［J］.陶瓷学报, 2013, 34（4）： 461-466.LIU X, LI J K, CHENG K.Journal of Ceramics, 2013, 34（4）：461-466.

［3］朱胜元.尾矿综合利用是实现我国矿业可持续发展的重要途径［J］.铜陵财经专科学校学报：综合版, 2002, 4（1）： 38-40.ZHU S Y.Journal of Tongling University, 2002, 4（1）： 38-40.

［4］闫振甲, 何艳君.陶粒生产实用技术［M］.化学工业出版社, 2006.

［5］郑秀华, 张宝生.页岩陶粒预湿处理对轻集料混凝土的强度和抗冻性的影响［J］.硅酸盐学报, 2005, 33（6）： 758-762.ZHENG X H, ZHANG B S.Journal of the Chinese Ceramic Society, 2005, 33（6）： 758-762.

［6］温久然.免烧粉煤灰陶粒的工艺研究［D］.长安大学, 2003.

［7］成岳, 李燕孙, 唐燕超.利用铜矿尾砂研制陶粒［J］.新型建筑材料, 2002,（12）： 29-30.CHENG Y, LI Y S, TANG Y C.New Building Materials, 2002（12）： 29-30.

［8］杜芳, 刘阳生.铁尾矿烧制陶粒及其性能的研究［J］.环境工程, 2010,（S1）： 369-372.DU F, LIU Y S.Environmental Engineering, 2010（S1）： 369-372.

［9］陈炜.对银尾矿砂高强陶粒生产工艺的探索［J］.广东建材, 2013,（8）： 21-24.CHEN W.Guangdong Building Materials, 2013（8）： 21-24.

［10］张学亮.用珍珠岩尾矿粉生产陶粒和陶砂［J］.中国资源综合利用, 2000,（9）： 11-12.ZHANG X L.China Resources Comprehensive Utilization, 2000（9）： 11-12.

［11］RILEY C M.Relation of chemical properties to the bloating of clays ［J］.Journal of the American Ceramic Society, 2006, 34（4）： 121-128.

［12］陈佳, 陈铁军, 张一敏.利用钒尾矿制备高性能陶粒［J］.金属矿山, 2012, 41（1）： 161-165.CHEN J, CHEN T J, ZHANG Y M.Metal Mine, 2012, 41（1）：161-165.

［13］田玉明, 刘爱平, 赵鹏飞, 等.烧结温度对低密度陶粒支撑剂组织和性能的影响［J］.陶瓷学报, 2014, 35（5）： 483-486.TIAN Y M, LIU A P, ZHAO P F.Journal of Ceramics, 2014, 35（5）： 483-486.

［14］GESOGLU M, OZTURAN T, GUNEYISI E.Effects of fly ash properties on characteristics of cold-bonded fly ash lightweight aggregates ［J］.Construction & Building Materials, 2007, 21（9）：1869-1878.

date: 2016-01-24.Revised date: 2016-04-11.

Preparation and Mechanism of High-intensity Ceramsite with Zambia Copper Tailing

LΙN Hui，SONG Xiaolan
（Department of Ιnorganic Materials，School of Minerals Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China）

Although mineral processing holds great power for improving economy，it often misses the mark because of the generation of industrial wastes like tailing.To recycle the copper tailing，high-strength ceramsite with the density grade of 800，the water absorption of 3.8%，the bulk density of 647 kg/m3，the grain shape factor of 0.98，and the compressive strength of 8.9 MPa was prepared using Zambian copper tailings as the main raw material，after preheating at 900°C for 15 min and sintering at 1250°C for 8 min.The mechanical strength and moisture adsorption of the as-prepared novel ceramsite from Zambia copper tailing were tested.Scanning electron microscope，tensile tests and X-ray diffraction were used to characterize the experimental samples.All the performance indexes of the products generated in the optimum technical process can reach the international standard.This kind of ceramsite may have potential applications in structural material.

copper tailing；high-intensity ceramsite；ratio of materials

TQ174.75

A

1000-2278（2016）04-0404-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.04.015

2016-01-24.。

2016-04-11.。

湖南省国土资源2013-14号科研项目；2016年国家级（省级）研究性学习和创新实验计划项目。

通信联系人：林慧（1990-），男，硕士。

Correspondent author:LIN Hui（1990-），male，Master.

E-mail:lh524262341@163.com