矿产保护与利用   2018 Issue (2): 118-122, 129
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引用本文
杨航, 李伟光, 叶力佳, 申士富, 曹桂萍, 刘海营. 山西某碱铝硅质型铜尾矿制备高强陶粒的正交试验研究[J]. 矿产保护与利用, 2018(2): 118-122, 129. DOI: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2018.02.022
YANG Hang, LI Weiguang, YE Lijia, SHEN Shifu, CAO Guiping, LIU Haiying. Orthogonal Experimental Study on the Preparation of High Strength Ceramsite by Alkali-aluminum-siliceous Tailings in Shanxi[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2018(2): 118-122, 129. DOI: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2018.02.022
山西某碱铝硅质型铜尾矿制备高强陶粒的正交试验研究[PDF全文]
杨航1, 李伟光1, 叶力佳1, 申士富1, 曹桂萍2, 刘海营1     
1. 北京矿冶研究总院，北京 大兴 102628;
2. 中条山有色金属集团有限公司，山西 垣曲 043700
收稿日期：2017-12-28
基金项目：国家自然科学基金青年基金（51604029）
作者简介：杨航(1988-), 男, 硕士, 工程师, 主要从事尾矿资源化综合利用研究, E-mail:yanghang@bgrimm.com.
摘要：我国尾矿资源的综合利用一直是一个难题。以山西某碱铝硅质型铜尾矿为主要原料制备了高强陶粒轻集料。基于原料化学成分分析进行物料配比试验、粉磨试验、造粒试验及设计L16（45）烧成制度正交试验研究，结果表明，优选试验配方（质量配比）为：铜尾矿50%、长石25%、白云石10%、废弃土15%、黏结剂水玻璃的用量（原料质量比）为5%。确定最优烧成制度为：预热温度800℃、预热时间20 min、烧成温度1 170℃、烧成时间15 min。最终烧制出的尾矿陶粒轻集料堆积密度为874 kg/m3，筒压强度达到7.5 MPa，吸水率为2.1%，为铜尾矿的高附加值综合利用提供了一个新的解决方案。
关键词：铜尾矿；高强陶粒；正交试验
Orthogonal Experimental Study on the Preparation of High Strength Ceramsite by Alkali-aluminum-siliceous Tailings in Shanxi
YANG Hang1 , LI Weiguang1 , YE Lijia1 , SHEN Shifu1 , CAO Guiping2 , LIU Haiying1     
1. Beijing General Reaserch Institute of Minging & Metallurgy, Beijing 102628, China;
2. Zhongtiaoshan Nonferrous Metals Group Co. Ltd, Yuanqu 043700, China
Abstract: The comprehensive utilization of tailing resources in China has always been a challenge. Alkali-Aluminum-Siliceous tailings in Shanxi were used as the main raw material for the preparation of high strength ceramsite. The relationship among the material properties, the ratio of raw materials, grinding fineness, and L16(45) orthogonal research of sintering system were studied based on the chemical analysis. Comprehensive optimization program, to determine the optimal firing system:The final tailings fired ceramic tailings light aggregate bulk density of 874 kg/m3, cylinder pressure reached 7.5 MPa, water absorption of 2.1%, for the high value-added comprehensive utilization of copper tailings provides a new solution.The results showed that the optimum formula was as follows:50% of copper tailings, 25% of feldspar, 10% of dolomite, 15% of waste soil and 5% water glass was 5%. Based on these tests, the optimal firing system was determined as follows:preheating temperature of 800℃, preheating time of 20 min, firing temperature of 1 170℃ and firing time of 15 min. The bulk density of the final tailing ceramsite lightweight aggregate was 874 kg/m3, the compressive strength reached 7.5 MPa, and the water absorption rate was 2.1%. Therefore, this study provided a new solution for the high value-added and comprehensive utilization of copper tailings.
Key words: copper mine tailings; high strength ceramsite; orthogonal test
引言

随着经济的发展，中国铜资源的需求量日益增加，而我国原生铜矿资源相对较少，但铜尾矿二次资源量却相当大[1-2]。铜尾矿是铜矿石经粉碎精选后所剩下的细粉沙粒，一般含有较多的SiO2和Al2O3等成分，主要为非金属矿物如石英、长石、云母等[3-4]，利用金属尾矿的特性，铜尾矿可作为新型建材、化工、轻工及部分新型材料的原料[5-6]。合理利用铜尾矿，不仅是对资源的节约，更是对环境的保护，并且具有很高的经济效益和社会效益。

陶粒是表面有一层质地较硬的呈陶质或釉质的外壳，这层外壳不仅有隔水保气的作用，还可以赋予陶粒较高的强度[5]。陶粒的内部含有很多细小气孔和高强度的晶体及玻璃体，使陶粒具有筒压强度高、密度小、吸水率低、软化系数高、抗冻性良好等特点[6-7]。正是由于这些优异的性能，使得陶粒被广泛应用于建筑材料领域、石油化工领域、园艺园林领域等，随着砂石等天然资源的日益匮乏，目前陶粒的应用领域还在继续扩大，尤其作为轻集料在轻质混凝土和装配式建筑领域[8-11]。

通过对某碱铝硅质型铜尾矿(K2O+Na2O含量>10%、Al2O3含量>10%、SiO2含量>60%，按照化学成分分类)成分特性的研究，发现其适用于熔体发泡法制备高强陶粒。该尾矿中的硅、铝质组分可作为陶粒网络状骨架结构，同时其碱金属氧化物组分又能显著降低陶粒的烧成温度，促进玻璃体形成[12]。本文以铜尾矿为主要原料，添加长石、白云石、废弃土及KY发泡剂制备高强陶粒轻集料，通过原料配比试验、原料粉磨试验、原料造粒试验及烧成制度正交试验制备出性能合格的高强陶粒轻集料，为铜尾矿的高附加值综合利用提供一个新的解决方案。

1 试验原料及试验流程 1.1 试验原料

(1) 原料及预处理

试验用铜尾矿来源于山西垣曲地区铜矿，以矿山周边的长石尾矿、白云石废石及废弃土作为添加剂，同时添加少量无机化学KY发泡剂。

(2) 原料化学成分分析

试验用主要原料的主要化学成分分析结果见表 1。

表 1 原料的主要化学成分 Table 1 Chemical constituents of raw materials

1.2 高强陶粒轻集料的制备流程

试验流程如图 1所示，包括破碎、计量、干燥、打散、均化、造粒、干燥、烧成的试验过程，具体包括以下步骤：

图 1 试验流程图 Fig.1 Test flow chart

(1) 长石、白云石破碎到2 mm以下，将KY发泡剂粉磨到一定细度；

(2) 铜尾矿、白云石、长石、废弃土及KY发泡剂计量配比并混合；

(3) 混合好的各层物料湿法粉磨至一定细度制浆；

(4) 粉磨好的浆料在120 ℃烘干，然后将结块物料用高速混料机打散并过150目筛；

(5) 干燥粉料加水、黏结剂在圆盘造粒机造粒；

(6) 干燥好的陶粒生球在120 ℃烘干；

(7) 干燥后的陶粒生球置于高温箱式电阻炉中烧成，然后以一定的升温速率升温至烧成温度，保温后随炉冷却；

(8) 陶粒性能检测。

2 试验及结果分析 2.1 原料配比试验

陶粒主要是以硅、铝质原料烧制而成。SiO2和Al2O3是陶粒形成强度和结构的主要物质基础，此外还需要加入助熔剂来降低烧成温度和扩大烧成范围。在表 2中各原料化学成分分析的基础上，通过理论计算，控制SiO2含量在50%~70%，Al2O3含量在9%~15%，K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3等熔剂之和13%~26%，为挑选出最优性能的陶粒配方，设计了如表 2所示的10组试验配方，10组配方分别对应的化学成分见表 3。表中Rf=(SiO2+Al2O3)/(Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)=3.5~10，如Rf＜3.5，陶粒配方欠烧；如果Rf＞10，则陶粒过烧。其中熔剂和为Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O的值[13]。

表 2 原料配比试验   /% Table 2 Raw material ratio test

表 3 不同配方的主要化学成分   /% Table 3 Main chemical constituents of different formulations

上述10个配方，均粉磨40 min磨至粒径为200目以下，然后添加5%的水玻璃在相同的条件下造粒，在1 160 ℃烧成，烧成时间为30 min，最后检测陶粒的性能，试验结果见表 4。由试验结果可知，配方1、6、7、8由于熔剂组分含量较大，烧结温度大大降低，气体产生时，熔体黏度过小，使得气体从熔体逸出达不到膨胀效果；配方2、4、5号Rf值较小，烧成后陶粒的膨胀效果较差；配方3和9虽然强度较高，但是烧成后陶粒互相粘连严重；而配方10的SiO2和Al2O3的含量较高，烧结过程中陶粒形成了张力、黏度较好的面层，反应产生的气体被包裹在高温熔体中，不能逸出，膨胀效果较好。再综合陶粒强度、吸水率和表观密度三个性能，优选配方10进行下一步试验。

表 4 不同配方的陶粒性能测试结果 Table 4 Test results of different formulations of ceramsite properties

2.2 造粒试验

在试验室利用圆盘造粒机进行造粒试验，利用跌落法监测生球强度，每组粒级取15粒表面完整、较光滑颗粒进行强度检测，将颗粒从高度1.5 m处自由跌落，以不碎裂为合格，计算合格率。检测结果见表 5。由表 5可知，当黏结剂水玻璃的用量达到5%时，陶粒的1.5 m自由跌落合格率达到100%，后续试验加入5%的水玻璃为宜。

表 5 原料造粒试验 Table 5 Raw material granulation test

2.3 烧成制度正交试验

陶粒的预热和烧结是其生产过程中最关键的两个过程，因此确定影响陶粒烧结性能的四个因素为预热时间、预热温度、烧成温度和烧成时间。生料球的膨胀在一定程度上取决于物料在700~1 000 ℃预热温度的加热速度，一般来说，加热速度越快，陶粒膨胀性能越好，因此预热温度的四个水平分别取700、800、900和1 000 ℃。在确定原料配比时发现配方10在1 160℃左右时膨胀效果较好，因此烧成温度的4个水平取1 130、1 150、1 170和1 190 ℃。由上述各因素设计L16(45)正交试验表进行烧成制度试验，试验方案如表 6所示。

表 6 陶粒烧成制度正交试验因素水平表 Table 6 The system of ceramsite firing table of orthogonal experimental design

陶粒的性能指标很多，在这里只对陶粒的筒压强度、堆积密度和吸水率这三个重要指标进行分析，陶粒烧成制度正交试验结果见表 7。

表 7 陶粒烧成制度正交试验结果 Table 7 The system of ceramsite firing of orthogonal experimental Results

与《轻集料及其试验方法》(GB/T 17431—2010)要求对比可知，这16组试验的陶粒吸水率全部合格，筒压强度的检测值也都达到对应密度等级的筒压强度要求，进一步通过直观分析和方差分析最优烧成制度。

(1) 陶粒试验的筒压强度直观分析结果见表 7，由表 7的直观分析结果可知，极差C>D>A>B，影响陶粒筒压强度的因素(烧成制度参数)排名为：C烧成温度>D烧成时间>A预热温度>B预热时间。因为均值EC=19.532>ED=15.122>EB=13.64>EA=13.46，所以对于筒压强度的优方案为A2B3C1D1。筒压强度方差分析结果见表 8，通过F检验判断差异显著性，由8可知，烧成温度对应的F比>F(临界值)，表明烧成温度的改变对陶粒的筒压强度有显著影响。所以决定陶粒筒压强度的最关键因素为烧成温度。随着烧成温度的升高，试样出现的液相量增加，熔体表面张力和黏度增加，使得陶粒膨胀效果较好，具有较大的筒压强度。

表 8 筒压强度方差分析表 Table 8 Table of cylinder pressure strength variance analysis

(2) 陶粒试验的堆积密度直观分析结果见表 7，由表 7可知，极差C>A>D>B，影响陶粒堆积密度的因素(烧成制度参数)排名为：C烧成温度>A预热温度>D烧成时间>B预热时间。因为均值EC=592.25＜EA=820＜EB=865.25＜ED=873.5，所以对于堆积密度的优方案为A1B2C4D4。堆积密度方差分析结果见表 9，通过F检验判断差异显著性，由表 9可知，烧成温度对应的F比>F(临界值)，表明烧成温度的改变对陶粒的堆积密度有显著影响。

表 9 堆积密度方差分析表 Table 9 Table of stacking density variance analysis

(3) 陶粒试验的吸水率直观分析结果见表 7，由表 7的直观分析结果可知，极差C>A>B>D，影响陶粒吸水率的因素(烧成制度参数)排名为：C烧成温度>A预热温度>B预热时间>D烧成时间。因为均值EC=0.738＜EA=1.388＜EB=1.39＜ED=1.458，所以对于吸水率的优方案为A2B2C3D1。吸水率方差分析结果见表 10，通过F检验判断差异显著性，由表 10可知，烧成温度对应的F比>F(临界值)，表明烧成温度的改变对陶粒的吸水率有显著影响。

表 10 吸水率方差分析表 Table 10 Table of water absorption

由以上正交试验可知，烧成温度是影响陶粒筒压强度、堆积密度和吸水率的最主要因素。但当烧结温度过高时，可能导致气体突破熔体形成连通孔隙，导致吸水率过高。因此综合筒压强度、堆积密度、吸水率的优方案，综合考虑，见表 11，确定最优烧成制度为：预热温度800 ℃，预热时间20 min，烧成温度1 170 ℃，烧成时间15 min。

表 11 最优方案对比 Table 11 Optimal scheme comparison

3 结论

(1) 以铜尾矿为主要原料及一些辅助原料制备得到性能优良的陶粒，各项指标均超过《轻集料及其试验方法》(GB/T 17431—2010)的性能要求。陶粒试验配方为：铜尾矿50%、长石25%、白云石10%、废弃土15%，生球造粒黏结剂水玻璃用量为5%。

(2) 正交试验优化得到的最优烧成制度为：预热温度800 ℃，预热时间20 min，烧成温度1 170 ℃，烧成时间15 min。影响陶粒性能的最关键因素是烧成温度。

(3) 堆积密度为874 kg/m3，对应密度等级为900；筒压强度达到7.5 MPa；吸水率为2.1%。筒压强度、吸水率均优于密度等级900产品的指标要求。

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