工业废料在建筑陶瓷生产中的应用

7．4　工业废料在建筑陶瓷生产中的应用

工业废料中有相当一部分可以成为无机非金属材料的原料，可用于建筑陶瓷的生产。目前得到较多研究与推广应用的有煤矸石、粉煤灰、硫磺废碴、铜矿尾砂、高炉矿碴等。

7．4．1　煤矸石

煤矸石是夹在煤层间的脉石，是含碳岩石(碳质页岩、碳质灰岩等和少量煤块)和其他岩石(页岩、砂岩等)的混杂物。成分较复杂，波动较大。一般以高岭石、伊利石和石英为主要矿物，含少量的黄铁矿、云母，细粉碎后具有一定的可塑性。配方中用量在60%～80%或更多。煤矸石的主要化学成分是SiO₂、Al₂O₃，占60%～80%，其次含Fe、Ti、K、Na、Ca、Mg、SO₃等。煤矸石占全国工业固体废弃物总量的40%。煤矸石的主要工艺性能如下:

1．可塑性:粉碎至250目筛筛余为2%，可塑性指标为2．8～3，相应含水率23%～25%，进一步粉碎至300目筛筛余小于2%时，可塑性提高。

2．黏度:随颗粒比表面积增大，基本上可以采用可塑法成形。泥浆黏度在1．1左右，可用于注浆成形。

3．比重及硬度:煤矸石比重为2．6g/cm³。含页岩多的硬度为2～3，含砂岩多的硬度为4～5。自然休止角为40°～50°。

4．收缩性:收缩较小，一般线收缩率2．5%～3%，烧结后线收缩率2．2%～2．4%，相应吸水率17%～19%。

5．烧结范围:烧结温度约1050℃，900℃左右一次膨胀，1120℃～1160℃收缩至最小，1160℃后出现二次膨胀，由固相到固液相或完全熔融。

6．脱碳温度:在1000℃上下，低于最佳烧结温度。脱碳时间为200～250分钟，在整个脱碳过程中，应保持氧化气氛。

7．耐火度:1300℃～1350℃，和具体化学组成相关。

7．4．2　粉煤灰

我国为世界燃煤发电第一大国，排出粉煤灰量为世界第一，21世纪初总排放量达到1．9亿t。目前利用率30%，主要用于筑基与回填，建筑行业主要用于制作免烧砖。储存1t粉煤灰所需建库及运输费用约需10～100元不等。粉煤灰可用于生产墙体、砖体材料，已有一些企业用以生产合格的墙地砖制品。有人利用粉煤灰制备黑陶泥浆，用碳酸钠和多聚磷酸钠为混合解胶剂(5∶6)，加入总量0．55%，稀释效果好。

武汉青山热电厂粉煤灰容重639kg/m³，矿物组成:玻璃相70%～80%，石英与莫来石少量。化学成分中SiO₂与Al₂O₃总量约80%，Fe₂O₃含量高，如表7．11所示。在砖坯中加入量40%～50%。

表7．11　青山电厂粉煤灰化学组成(wt%)

7．4．3　各种尾矿及矿渣

磷尾矿与磷矿渣、萤石矿渣、高岭土和瓷石尾砂、高炉矿渣、硼泥、铜矿尾渣、钒矿尾渣、金矿尾渣、铁矿尾渣、铬盐废渣等在建筑陶瓷配方中都得到利用。尾矿及矿渣的使用，一方面为废物的处理提供了一条有效的途径，利于环境保护;另一方面又拓展了建筑陶瓷用原料的选择面，是一项十分有意义的工作。

1．磷尾矿与磷矿渣

磷尾矿为开采磷矿的副产物，主要成分是白云石，含大量Ca、Mg及少量P。坯体中引入后，烧成温度大于900℃时，白云石分解，CaO、MgO与坯体中的SiO₂生成透辉石，可以显著降低砖的吸湿膨胀。

磷矿渣是制磷的副产物，其主要化学成分类似于硅灰石，含SiO₂41%～44%、CaO43%～47%。烧成中与硅作用，形成硅酸钙。

2Ca(PO₄)₂+6SiO₂+10C→6CaSiO₃+10CO+4P

生产1t黄磷，副生产出7．5t磷矿碴。可用于釉面砖生产，作为熔剂使用。

2．高炉矿渣

高炉矿渣是炼铁的副产物，经水淬形成废渣。主要成分是玻璃相，部分钙铝黄长石、硅灰石、钙长石等，化学组成类似于硅灰石(见表7．12)。其种类有粒状矿渣、粉碎矿渣、膨胀矿渣、棉矿渣等，釉面砖坯料以粒状与粉碎矿渣为主。利用高炉矿渣，上海宝钢、鞍山等地生产出优质釉面砖和抛光砖。日本用炼钢粉尘开发出黑、褐色釉料，有多项专利。

表7．12　高炉矿渣化学组成(wt%)

3．萤石矿渣

开采加工萤石后形成的矿渣。主要成分为硅酸钙(见表7．13)，可代替硅灰石作瓷砖坯料，或作其釉料的助熔剂。

表7．13　萤石矿渣化学组成(wt%)

4．高岭土和瓷石尾砂

高岭土尾砂是高岭土矿山在开采高岭土中排放的尾砂，有的矿可达80%。如江西抚州高岭土矿尾砂，主要矿物组成为白云母、石英、长石、高岭石等，外观呈浅黄色，颗粒较粗，肉眼可见石英、长石、白云母等矿物，并夹杂着一定量的高岭土。

瓷石尾砂是瓷石矿山在生产精矿后排放的尾砂，可达原矿的30%。如江西贵溪上祝瓷石尾砂，主要矿物组成为石英，其次是绢云母及长石，微量的高岭土、褐(赤)铁矿、黄铁矿等。(见表7．14)

表7．14　高岭土和瓷石尾砂的化学组成(wt%)

5．硼泥

硼泥为生产硼砂排出的废渣，主要矿物为蛇纹石、菱镁矿、硼镁铁矿、石英等(见表7．15)，具有中等可塑性。

表7．15硼泥化学组成(wt%)

表7．16　铜矿尾渣化学组成(wt%)

6．铜矿尾渣

浮选铜精矿废弃的一次尾砂，无可塑性，无收缩。可部分取代石英、长石。

7．钒矿尾渣

我国是生产金属钒的大国，炼钒的钒矿尾渣数量巨大，可用于制造黑胎瓷砖产品，黑胎瓷砖可与天然花岗岩相媲美。钒矿尾渣又称提矾矿渣，目前在建筑陶瓷玻化砖中得到广泛的应用，用量达到60%左右，采用压制、挤制法成形均可。

8．金矿尾渣

山东招远耿家金矿日产尾砂3000t，尾砂含水率9%～17%不等。主要矿物为石英、钠长石、钾长石、高岭石(见表7．17)。可用于生产陶瓷釉面墙地砖。

表7．17　金矿尾渣化学组成(wt%)

9．铁矿尾渣

铁矿尾渣为细粒状，略有烧结性。浅棕黄色，烧后深棕色。铁矿石属于变质岩系，主要含赤铁矿和磁铁矿及花岗岩、正长岩等。铁矿尾渣可以用于制作内墙面砖和卫生洁具(表7．8)。

表7．18　铁矿尾渣化学组成(wt%)

10．铬盐废渣

长沙铬盐厂排放的铬渣主要矿物组成为Mg(OH)₂和CaCO₃，pH值12．7，其化学组成见表7．19。可用其制作建筑陶瓷坯用色料。

表7．19　铬盐废渣化学组成(wt%)

11．其他废渣

钼尾矿、炼锑、炼铝、合成化肥、炼硫黄等形成的废渣与河流和湖泊污泥等都可以制作建陶、陶粒等。城镇垃圾可以通过多功能焚化炉处理，用于建筑陶瓷的生产，是一种环保型原材料。