拜耳法赤泥改性陶瓷轻质砖工艺研究＊

林 伟 李小雷 韩复兴 王太华

（1佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司研发中心 广东 佛山 528031）（2河南理工大学材料科学与工程学院 河南 焦作 454000）

拜耳法赤泥改性陶瓷轻质砖工艺研究＊

林 伟1李小雷2韩复兴1王太华1

（1佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司研发中心 广东 佛山 528031）（2河南理工大学材料科学与工程学院 河南 焦作 454000）

继国务院发出《有色金属产业调整和振兴规划》，2010年8月10日，工信部和科技部联合发出《赤泥综合利用指导意见》，要求：提高赤泥综合利用率和综合利用技术水平，减少赤泥堆存对环境、安全造成的影响，促进赤泥综合利用工作。传统陶瓷轻质砖如抛光废渣陶瓷轻质砖和页岩陶瓷轻质砖存在保温效果差，抗折强度低，抗静电能力差等弱点，利用拜耳法炼铝赤泥改性抛光废渣轻质陶瓷砖进行了研究探索，并在佛山石湾鹰牌有限公司生产线上制得了样品。

氧化铝 赤泥 资源化利用 轻质陶瓷 改性 抛光废渣 页岩

前言

氧化铝冶炼方法主要有3种，即：拜耳法、烧结法和联合法，3种不同的方法产生的赤泥成分、性质、物相各异。烧结法冶炼氧化铝时，首先是在原料铝矾土中配合一定量的碳酸钠，然后在回转窑内经高温煅烧制成以铝酸钠为主要矿物的中间产品，即铝酸钠熟料，再经溶解、结晶、焙烧等工序制取氧化铝，溶解后分离出的浆状废渣便是烧结法赤泥。采用烧结法冶炼氧化铝，赤泥外排量平均为0.7～0.8t氧化铝。联合法是拜耳法和烧结法的联合使用，联合法所用的原料是拜耳法排出的赤泥，然后采用烧结法再制取氧化铝，排出的赤泥为烧结法赤泥。

拜耳法是由奥地利化学家拜耳（K·J·Bayer）于1889～1892年发明的一种从铝土矿中提取氧化铝的方法。拜耳法包括两个主要过程。首先是在一定条件下氧化铝自铝土矿中的溶出（即浸出）过程，然后是氢氧化铝自过饱和的铝酸钠溶液中水解析出的过程，这就是拜耳提出的两项专利。拜耳法的实质就是以湿法冶炼的方法，从铝土矿中提取氧化铝。拜耳法冶炼氧化铝采用的是强碱NaOH溶出高铝、高铁、一水软铝石型和三水铝石型铝土矿。作为主要原料的铝矾土经过高温煅烧环节被直接用来溶解、分离、结晶、焙烧等工序得到氧化铝，溶解后分离出的浆状废渣是拜耳法赤泥。采用拜尔法冶炼氧化铝，赤泥外排量平均为1～1.1t氧化铝。

赤泥是铝土矿提炼氧化铝过程中产生的废弃物。在拜耳法流程中，铝土矿经破碎后和石灰、循环母液一起进入湿磨，制成合格矿浆。矿浆经预脱硅之后预热至溶出温度进行溶出。溶出后的矿浆再经过自蒸发降温后进入稀释及赤泥（溶出后的固相残渣）的沉降分离工序。自蒸发过程产生的二次汽用于矿浆的前期预热。沉降分离后，赤泥经洗涤进入赤泥堆场，而分离出的粗液（含有固体浮游物的铝酸钠溶液）送往过滤。

随着铝工业的发展，目前全世界每年产生的赤泥约5 500万t，我国每年产生的赤泥为300万t以上。由于大量的赤泥未得到充分利用，长期占用大量土地，造成土地碱化，地下水受到污染，危害人们的健康。我国对赤泥的处理大都采用平地高台、凹地填充等方法。

近年来，由于国家节能减排要求严格，大部分厂放弃了联合法生产工艺，使得拜尔法生产工艺成为目前国内氧化铝生产的主要方法。由于国内铝矿资源为高硅高铝的粉煤灰、煤矸石、铝矾土，造成氧化铝生产效率低，赤泥排放量高的现象，也造成国内氧化铝厂成为冶金行业污染最严重的企业。另外拜尔法赤泥细度低、流动性好，极难沉淀和堆积，造成拜尔法普遍堆积度低，而拜尔法赤泥产出率又高，但也造成工厂四周成为有毒有害物质大量侵占农田，污染水源，危害社会的现象。目前我国已成为全球最大氧化铝生产国，2009年氧化铝产量2385万t，占全球总产量的30%；同时赤泥产生数量也最多，近3 000万t，约占全球1/3以上。巨大的生产量使赤泥处理问题在中国显得尤为突出。由于我国缺乏赤泥综合利用的可行技术，赤泥的利用率一直处于较低水平，仅为4%左右，远低于全国工业固体废物65%的平均利用水平，造成我国赤泥大量堆存。有专家估计，目前我国赤泥累积存量约2亿t，而到2015年，累计存量预计将达3.5亿t。

1 原料

拜尔法赤泥，广西某氧化铝厂干法赤泥，颜色深褐色，块状，质轻。其化学质量百分组成见表1，矿物组成见表2。其他原料有：石英粉、页岩、膨润土、高铝砂、白泥等，其化学质量百分组成见表3。

表1 广西某铝厂拜耳法赤泥的化学组成（质量%）

表2 烧结法赤泥的矿物组成%

表3 其他原料的化学质量百分组成（质量/%）

烧结赤泥的物理性质：密度为2.7～2.9g/cm3；颗粒直径为0.08～0.25mm；塑性系数为16.8；该熔点为1 220～1 250℃。

2 试验与结果

2.1 试验装备及工艺方法

试验采用试验室球磨、制粉、制样、烘干，生产窑炉烧成、试验室磨抛工艺的方法。目的是试验更接近生产实际条件。试验采用的试验装备见表4，试验所采用的配方见表5，试验采用的工艺流程图见图1，烧成温度曲线见图2，轻度陶瓷砖改性前后对比见图3。

图1 样品制备工艺流程图

图2 样品的烧制温度曲线

图3 轻质陶瓷材料改性前后对照图

表4 试验装备表

表5 试验所采用的工艺配方和工艺参数（质量 %）

2.2 检测结果

表6 理化性能检测结果

表7 改性前后材料的关键技术指标对照表

3 实验结果分析

由于赤泥结合的化学碱难以脱除且含量大，又含有氟、铝及其他多种杂质等原因，对于赤泥的无害化利用一直难以进行。多年来世界各国专家对赤泥的综合利用进行了大量的科学研究，但此类研究进展不大。因此，赤泥废渣的处理和综合利用成为一个世界性的大难题。而目前对赤泥的消纳主要采取的是海底或陆地堆放处置的方法，但随着铝工业的发展，生产氧化铝排出的赤泥量也日益增加，堆存处置所带来的一系列问题随之而出，造成了严重的环境问题。

由于赤泥中含有大量的强碱性化学物质，稀释10倍后其pH值仍为11.25～11.50（原土为12以上），极高的pH值决定了赤泥对生物和金属、硅质材料的强烈腐蚀性。高碱度的污水渗入地下或进入地表水，使水体pH值升高，以致超出国家规定的相应标准，同时由于pH值的高低常常影响水中化合物的毒性，因此还会造成更为严重的水污染。一般认为碱含量为30～400mg/L是公共水源的适合范围，而赤泥附液的碱度高达26348mg/L，如此高碱度的赤泥附液进入水体，其污染不言而语，赤泥对生态环境的不良影响必须给予高度的重视和认真的研究。

作为危害社会安全的大宗冶金固体废弃物，加强对其资源化利用，彰显的是企业和大学的社会责任和科技实力。保护好母亲河西江，既是广西氧化铝厂的责任与义务，也是佛山政府和企业的责任与义务。资源化利用珠江上游的大宗有色金属有毒固体废弃物，既可保护广西、广东水资源，又可化废为宝，生产可调空气湿度的功能陶瓷地砖，是一件利国益民的大事。

赤泥单独应用于生产轻质陶瓷砖，由于赤泥含大量的碱和石膏，导致容易出现烧制时体积密度较大、气孔为开孔的、甚至为畅通孔的大孔，易释碱粘辊和粘耐火板等缺陷，导致制品保温性能差，吸水率高和几乎无法生产等危害。赤泥与抛光废渣轻质粉料按一定比例混合后，气孔不再是开孔，而是闭孔，同时使抛光废渣轻质材料气孔增大，由于赤泥发泡材料有较高的硅和铝含量，改性后可大大提高抗折强度和硬度等物理性能。

4 结语

赤泥发泡材料掺杂抛光废渣轻质陶瓷砖具有以下几点意义：

1）可以资源化利用赤泥，可减少赤泥对环境的危害；

2）可以增大抛光废渣轻质陶瓷砖的气孔体积，但不破坏闭孔的结构并可以降低体积密度、降低导热系数；

3）由于所研制的赤泥发泡材料含有较高比例的硅和铝，高比例的骨架组分可以改善孔壁的力学性能，从而大大提高断裂模数和材料硬度

1 韩复兴，路静贤，李小雷，李存运.多种工业矿渣微晶玻璃的研制.佛山陶瓷，2005（4）：20～22

2 李小雷，韩复兴，叶伟才.建筑陶瓷废料生产多孔陶瓷试验.河南建材，2002（1）：31～33

3 韩复兴.工业废渣生产西式屋面瓦.中小企业科技，2002（7）：17～20

4 韩复兴，李小雷，李永林，马小娥，郭昕.陶瓷工业废渣生产一次烧釉面砖的实验.佛山陶瓷，2002（10）：9～12

5 韩复兴，李小雷.利用四会本地劣质原料生产二次烧内墙砖.佛山陶瓷，2008（7）：50～52

6 陈贤伟，路明忠，周子松，韩复兴，邹国文.轻质陶瓷墙漆砖生产工艺研究.全国性建材科技期刊——陶瓷，2010（10）：41～43

7 孙国梁，梁立强，等.具有调湿功能的新型环境材料的研究.陶瓷学报，2006（6）：56～57

8 吴宏伟等.调湿材料在建筑节能中的应用前景.制冷与空调，2009（6）：40～41

9 冉茂宇.调湿材料动态调湿性能的评价方法.华侨大学学报，2006（10）：23～25

10 李小雷，等.赤泥在环境保护中的应用研究.科技创业月刊，2010（3）：8～10

11 李小雷，等.赤泥的特性及其在建材方面的应用.科协论坛，2010（3）：11～13

12 李小雷，等.利用赤泥研制低温快烧瓷质外墙砖.企业技术开发，2010（3）：7～9

13 李小雷，等.义翔铝业拜耳法赤泥常压石灰法脱碱工艺研究.科技信息，2010（5）：10～11

14 罗曦云.调湿材料的开发.化工新型材料，1997（3）：5～8

15 王一萍.无机调湿材料的制备与性能研究：［硕士学位论文］.武汉：武汉理工大学，2007

16 康玉梨.调湿涂料的研究与实验研究：［硕士学位论文］.北京工业大学，2007

17 张秀梅.调湿墙体材料及其调湿性能的研究：［硕士学位论文］.天津：天津大学，2005

18 李双安.多孔材料添加废玻璃调湿陶瓷之探讨：［博士学位论文］.台北：台湾国立中央大学，2009

Modification of Red Mud in Bayer Process for Ceramic Brick

Lin Wei1，LI Xiaolei2，Han Fuxing1Wang Taihua1（1Shiwan Eagle Brand Ceramic Co.，Ltd，Guangdong ，Foshan，528031）（2 Henan Polytechnic University，School of Materials Science and Engineering，Henan，Jiaozuo，454000）

Following the State Council issued a"non－ferrous metals industry restructuring and revitalization plan"，August 10，2010，the Ministry of Industry and the Ministry of Science jointly issued a"guidance on the comprehensive utilization of red mud"，request：to improve the comprehensive utilization and comprehensive utilization of red mud technology to reduce red mud dumps on the environment，security implications，and promote comprehensive utilization of red mud.Meanwhile，the traditional ceramic light ceramic tiles such as polishing residue shale lightweight ceramic tiles and insulation light the existence of bad blocks，bending slightly lower capacity and poor antistatic weaknesses，this paper Bayer process red mud modified aluminum lightweight ceramic tile polishing waste were investigated to explore，and in the production line Shiwan Eagle Limited had been prepared samples.

Alumina；Red mud；Resource utilization；Light ceramic；Modification；Polishing residue；Shale

TQ174.9

A

1002－2872－（2011）08－0022－04

林伟（1967－），高级工程师；目前从事建筑陶瓷企业管理和技术开发工作。E－mail：hanfx@eagleceamics.com