利用钒尾矿制备高性能陶粒

利用钒尾矿制备高性能陶粒
陈佳;陈铁军;张一敏
【摘要】Took stone-coal vanadium tailing as the main Si-Al materials for ceramsite synthesis, the influence of the content of the clay and the fly ash.pellitezation parameters and roasting conditions was studied. The results show that when the ratio of vanadium tailing,fly ash and clay is 6:3: 1,granulating water is 8% .granulating time is 20 min,the green balls are roasted when preheating temperature is 350 ℃, the time is 30 min and the roasting temperature is 1 180 ℃ and the time 12 min. The bulk density of porcelain granule is 691 kg/m3, the water absorption is 1. 4% and the compression strength is 10. 7 Mpa. XRD and SEM analysis indicate that in the process of ceramsite synthesis, mullite and amorphous state has been generated,which significantly affects the strength of ceramsite.%以钒尾矿为主要硅铝原料制备陶粒,对粉煤灰和黏土的添加比例、制粒工艺参数、焙烧制度进行了系统的研究.结果表明,质量比为6:3:1的钒尾矿、粉煤灰、黏土混合料,在制粒水分为8％,制粒时间为20 min,生陶粒预热温度为350℃,预热时间为30 min,焙烧温度为1 180℃,焙烧时间为12 min时,制得的陶粒堆积密度为691kg/m3,吸水率为1.4％,筒压强度为10.7 MPa.XRD和SEM分析表明,在由钒尾矿生成陶粒的过程中生成了莫来石,并产生了对陶粒强度起支撑作用的非晶态凝胶相.
【期刊名称】《金属矿山》
【年(卷),期】2012(000)001
【总页数】5页(P161-165)
【关键词】钒尾矿;陶粒;原料配比;性能指标
【作者】陈佳;陈铁军;张一敏
【作者单位】武汉科技大学资源与环境工程学院;冶金矿产资源高效利用与造块湖
北省重点实验室;武汉科技大学资源与环境工程学院;冶金矿产资源高效利用与造块
湖北省重点实验室;武汉科技大学资源与环境工程学院;冶金矿产资源高效利用与造
块湖北省重点实验室
【正文语种】中文
近年来，随着墙体材料的改革，陶粒以其质轻、高强、保温等性能越来越受到社会的广泛关注［1-2］。

当前制作陶粒的主要原料为铝硅酸盐矿物或工业固体废弃物。

在国内外研究中，主要采用黏土，页岩或粉煤灰为原料制备陶粒［3-5］，而使用钒尾矿为原料制备陶粒的研究鲜见报道。

石煤提钒尾矿(以下简称钒尾矿)是石煤经过焙烧、浸出等工艺，提取了金属钒后残余的废渣，其主要成分为Si和Al，经过高温焙烧，具备一定的活性，可以作为制备陶粒的基础材料。

目前，我国石煤提钒厂产生的废渣大多作为废物堆存，大量尾矿露天堆放或掩埋会占用土地、污染环境和浪费资源。

本研究以钒尾矿为基质制备陶粒，以实现二次资源回收利用和环保的目的。

钒尾矿原料取自湖北某矿业公司，粉煤灰取自湖北某电厂，试剂型黏土取自广东茂名，各原料主要化学成分分析结果见表1。

由表1可知，钒尾矿主要化学成分为SiO2和Al2O3，且SiO2含量偏高;黏土中
主要成分也为SiO2和Al2O3，加入黏土不仅可以调整原料比例，降低烧结温度，满足钒尾矿硅酸盐陶粒的配方要求，而且黏土具有黏性，在一定程度上可以作为造球原料的黏结剂［6］;粉煤灰有着与黏土矿物较为近似的化学成分，但黏性较小，
可降低原料的塑性，提高成球性。

钒尾矿粒度为－3 mm占80%，粒度较粗，不能满足造粒要求［6］，需粉磨至－0.074 mm占80%以上;粉煤灰和黏土粒度较细，无需粉磨就能满足造粒要求。

3种陶粒原料的粒度组成见表2。

2.1 试验流程
试验采用图1所示的流程制备陶粒。

2.2 试验方法
将3种原料按预定配比配好，充分混匀陈化1 h，在φ800 mm×210 mm圆盘造球机中造球。

造球机转速30 r/min、倾角45°，陶粒粒度控制在5～15 mm。

由于陶粒生球没有统一的检测标准，参照铁矿球团生球的检测方法，测定生陶粒的落下强度及抗压强度［7］，落下试验高度为500 mm，陶粒生球抗压采用电子秤测试。

陶粒焙烧在3段式卧式管炉中进行。

根据GB/T 17431.1—1998，轻粗集料的检验项目为颗粒级配、堆积密度、粒型系数、筒压强度和吸水率。

由于GB/T 17431.1—1998中测定筒压强度的承压筒体积过大，为节省原料，在条件试验中先测定陶粒的颗粒强度，得到性能最好的1组陶粒再按GB/T 17431.1—1998中的方法测定筒压强度。

3.1 原料配比的影响
陶粒原料配比需满足 SiO2占 53% ～79%，Al2O3占10% ～23%［8］，尾矿利用率要达到50%以上，故选取原料质量比分别为钒尾矿∶粉煤灰∶黏土
=6∶3∶1(配方代号为 A)，7∶2∶1(配方代号为 B)，8∶1∶1(配方代号为 C)，9∶0∶1(配方代号为 D)。

在混合料水分为8%、制粒时间为20 min情况下制成的不同配比的生陶粒在350℃下预热30 min，再在1 180℃下焙烧12 min，各配比的陶粒平均性能指标见图2。

由图2可知，随着钒尾矿比例的增加，陶粒的颗粒强度呈下降趋势，吸水率呈上
升趋势，A组陶粒成品能获得较高的颗粒强度和较低的吸水率。

因此，后续试验仅研究A组配比的陶粒。

3.2 制粒工艺参数的影响
制粒工艺参数影响试验是在钒尾矿、粉煤灰、黏土质量比为6∶3∶1情况下进行的。

3.2.1 制粒时间的影响
制粒时间影响试验在混合料水分为8%的情况下进行，不同制粒时间对生陶粒平均抗压强度及落下强度的影响见图3。

由图3可知，制粒时间越长，生陶粒的落下强度和抗压强度越高，考虑制粒成本
因素，确定后续试验的制粒时间20 min。

3.2.2 制粒水分的影响
制粒水分影响试验在制粒时间为20 min的条件下进行，不同制粒水分对生陶粒平均抗压强度及落下强度的影响见图4。

由图4可知，生陶粒的落下强度及抗压强度随着制粒水分的增加都呈先增大后减
小的趋势;且当制粒水分为8.0%时，落下强度及抗压强度均达最大值。

因此，确定后续制粒水分为8.0%。

3.3 焙烧制度的影响
焙烧制度影响试验的生陶粒中钒尾矿、粉煤灰、黏土的质量比为6∶3∶1，制粒水分为8%，制粒时间为20 min。

3.3.1 预热温度的影响
预热温度影响试验的预热时间为30 min，焙烧温度为1 180℃，焙烧时间为12 min，试验结果见图5。

由图5可知，在试验温度范围内，吸水率随预热温度的升高小幅增大;而颗粒强度
随预热温度的影响很小。

综合考虑，选择后续试验的预热温度为350℃。

3.3.2 预热时间的影响
预热时间影响试验的预热温度为350℃，焙烧温度为1 180℃，焙烧时间为12 min，试验结果见图6。

由图6可知，延长预热时间，陶粒的吸水率先显著增大后显著减小;而颗粒强度则呈小幅下降趋势。

综合考虑，确定预热时间为30 min。

3.3.3 焙烧温度的影响
陶粒焙烧过程的主要反应是使Si、Al质材料形成凝胶相，使其具有较高的强度。

焙烧温度影响试验的预热温度为350℃，预热时间为30 min，焙烧时间为12 min，试验结果见图7。

由图7可知，焙烧温度在1 160～1 190℃时，陶粒的颗粒强度随着温度的升高呈先增大后减小的趋势;而吸水率呈先减小后增大的趋势。

1 180℃有最大的颗粒强度和最小的吸水率，因此，确定后续试验的焙烧温度为1 180℃。

3.3.4 焙烧时间的影响
焙烧时间影响试验的预热温度为350℃，预热时间为30 min，焙烧温度为1 180℃，试验结果见图8。

由图8可知，陶粒的颗粒强度随焙烧时间的延长先升高后下降，高点在焙烧时间为12 min时;陶粒的吸水率随焙烧时间的延长先快速下降而后降速缓慢。

综合考虑，确定陶粒焙烧时间以12 min为宜。

3.4 陶粒性能检测
对按上述试验确定的条件制成的陶粒进行了性能测定，由于试验陶粒的堆积密度为691 kg/m3，故与国标密度等级为700的标准进行比较，结果见表3、表4。

由表3、表4可知，试验陶粒的各项性能指标均达到国标标准中密度等级为700的陶粒的优等级别。

3.5 陶粒表征及分析
试验所得成品陶粒外形美观、圆润有光泽，见图9;钒尾矿与成品陶粒的XRD图谱
见图10;扫描电子显微镜下的陶粒图片见图11。

由图10可以看出，钒尾矿中的主要矿物成分为石英，成品陶粒中石英含量减少，并且有莫来石生成。

由图11可以看出，陶粒内部大都为硅酸盐和铝硅酸盐所形成的凝胶相，所构成的疏松多孔的结构网包含有大量的气孔和空洞，这些气孔分布均匀、少连通，因而陶粒具有较小的体积密度、较高的颗粒强度和较好的隔热性能。

(1)试验研究表明，钒尾矿配以一定的粉煤灰、黏土，可以满足烧制陶粒的原料要求。

(2)以矾尾矿、粉煤灰、黏土为原料，在原料配比为6∶3∶1，制粒水分为8%，造球时间为20 min，生陶粒预热温度为350℃，预热时间为30 min，焙烧温度为1 180℃，焙烧时间为12 min时，所得陶粒堆积密度为691 kg/m3，吸水率为1.4%，筒压强度为10.7 MPa，颗粒级配等各项性能均能达到 GB/T 17431.1—1998要求，可以达到密度等级为700的陶粒中的优等级别。

(3)XRD及SEM分析表明，成品陶粒中有莫来石生成，并且生成了对陶粒强度起支撑作用的非晶态凝胶相。

【相关文献】
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