焙烧温度和铝硅比对稀土尾矿陶粒性能的影响

徐 晶， 严义云，严 群，焦向科,，罗仙平

(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2. 江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；3. 江西理工大学稀土学院，江西 赣州 341000；4. 江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西 赣州 341000)

焙烧温度和铝硅比对稀土尾矿陶粒性能的影响

徐 晶1， 严义云1，严 群2，焦向科1,4，罗仙平3,4

(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2. 江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；3. 江西理工大学稀土学院，江西 赣州 341000；4. 江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西 赣州 341000)

为实现稀土矿冶固体废物的高效再利用，本研究以稀土尾矿为主要原料制备陶粒。在用氧化铝作为铝调整剂，用石英粉作为硅调整剂的条件下，研究焙烧温度和铝硅比对陶粒性能的影响，并通过SEM及XRD对陶粒样品的微观结构进行表征。结果表明：焙烧温度和铝硅比都对陶粒结构和性能都有较大影响，升高温度，陶粒的吸水率和气孔率下降，密度和压碎强度升高；而提高铝硅比，陶粒的吸水率和气孔率先降低后升高，而密度和压碎强度先升高后降低，所以可根据不同要求，调节焙烧温度和铝硅比改变陶粒的性能。

稀土尾矿；陶粒；焙烧温度；铝硅比

0 引 言

江西赣南地区稀土资源丰富，提取稀土后的尾矿堆积如山，给生态环境造成严重影响[1]。由于稀土矿中的稀土品位较低，故早期生产1吨稀土精矿一般会产生1500-3000 吨尾矿并需要30吨左右氯化钠。因此而产生的大量含氯化钠的尾矿造成土壤盐化，严重破坏植被和山体。后来提出的硫酸铵提取稀土的工艺，实现了低浓度溶液淋洗，虽然尾矿中残留的硫酸铵无毒，避免了浸取剂对土壤的侵害，但是大量使用硫酸铵等溶液淋洗，使产生的尾矿理化性质遭到一定程度破坏，造成水土流失和环境恶化。因此稀土尾矿的处理问题一直制约着稀土行业的发展。

从物质不灭定律和资源利用角度来看，世界上本不存在所谓的“废弃物”，所有的物质都可以被利用，参加到下一个物质循环之中去。如果依靠先进的工艺技术，通过对稀土尾矿进行资源化利用的手段将其转化为具有一定附加值的产品，那么不仅可以实现固体废物资源化、减量化的目的，而且可以带来巨大的经济效益和社会效益，是矿山企业走可持续发展道路的方向所在[2-7]。

陶粒是近几年我国发展最快的新型生态环境材料之一［8-14］。轻质性是陶粒许多优良性能中最重要的一点，这是它能够取代重质砂石作为人造轻骨料使用的主要原因。随着我国经济和工业的快速发展，人们对节能、环保的要求越来越高，迫切需要这种功能独特的生态环境材料。传统陶粒一般以粘土和页岩焙烧而成。这不仅需要大量开采优质粘土和页岩矿山，破坏耕地和自然环境，不符合节能和环保的原则。因此利用固体废弃物制备陶粒必然是大势所趋。本研究以赣南地区的典型离子型稀土尾矿作为主要原料(基质)，对其进行预处理后，采取一定的工艺手段制备陶粒，研究焙烧温度及铝硅比对其性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

(1)体质材料：稀土尾矿，取自江西龙南足洞矿区，为离子型稀土堆浸尾矿，其粒级分析结果见表1，主要化学成分分析结果见表2，XRD图谱见图1。由表1可知，该稀土尾矿中0.074 mm以下的颗粒仅占49.05%，因此需要对其进行球磨预处理，以提高其中Si、Al的活性；表2显示该稀土尾矿中SiO2、Al2O3含量较高，可为生球提供充足的硅、铝；图1显示稀土尾矿中主要含有石英、高岭石等。

(2)铝调整剂：氧化铝粉，化学纯，天津市大茂化学试剂厂生产。

(3)硅调整剂：石英粉，赣州石英砂公司生产。(4)水为实验室自来水。

1.2 陶粒的制备

首先对原状稀土尾矿进行球磨预处理，料球比为1∶2，球磨时间为20 min；再将球磨预处理后的稀土尾矿与铝硅调整剂、水混合，混合料倒入圆盘造粒机中造粒成球，制成直径约5-10 mm的球状颗粒，生料陶粒含水率约为20%；对生料陶粒在100℃下干燥预处理24 h后，置于SX2-10-13型箱式电阻炉中烧制，以5 ℃/min的升温速率，烧至一定的温度后在炉中保温10 min，焙烧后的陶粒置于炉中自然冷却即得最终陶粒产品。

表1 稀土尾矿粒级分析结果Tab.1 Size fraction of the rare earth tailings

图1 稀土尾矿的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of the rare earth tailings

表2 稀土尾矿的主要化学成分Tab.2 The main chemical components of the rare earth tailings

1.3 陶粒宏观性能分析及微观结构表征

采用煮沸法[15]测定稀土尾矿陶粒的气孔率、吸水率和体积密度；压碎强度利用SEK型数显示抗压强度试验机测得；借助D/MAX-Ⅲ型X射线衍射仪，对陶粒粉碎后100目以下粉料进行检测，并与稀土尾矿原料进行对比；借助JSM-5610LV型扫描电子显微镜对陶粒的断面形貌进行分析。

2 结果与讨论

2.1 焙烧温度对陶粒宏观性能的影响

将制得的陶粒在100 ℃下干燥预处理24 h，并将生陶粒分别在1000 ℃、1020 ℃、1040 ℃、1060 ℃和1080 ℃五个温度下焙烧10 min，焙烧后陶粒置于炉内自然冷却。对不同温度下陶粒的各项宏观物理性能进行测试，结果如图2、图3所示。

图2 焙烧温度对陶粒吸水率、气孔率和体积密度的影响Fig.2 Effect of calcination temperature on water absorption, porosity and bulk density of the ceramsite

图3 焙烧温度对陶粒压碎强度的影响Fig.3 Effect of calcination temperature on crushing strength of the ceramsite

结合图2和图3可以看出，从整体上看，吸水率和气孔率的变化趋势一致。在1020-1080 ℃温度区间随着焙烧温度的增加，气孔率呈迅速下降趋势，而压碎强度却逐渐增大。这是因为随着焙烧温度的提高，颗粒间接触面积扩大，使结合更为紧密，致密化程度提高。

图4为试样在烧成温度为1080 ℃下的SEM照片。由陶粒的断面形貌可以看出，其内部结构较为均匀、紧密，基本呈现熔融状态，气孔分布平均，呈三维贯穿，并且无明显的大气孔，晶粒间由玻璃相连接。

图5所示为稀土尾矿与陶粒的XRD对比图谱。由图5可见，稀土尾矿的晶体衍射峰更为尖锐，后者弥散峰较多，表明通过将稀土尾矿与其它矿物辅助原料混合并高温焙烧后，有部分晶体发生转变生成了非晶体；此外，陶粒中新生成的莫来石晶相可有效增强对陶粒的强度起支撑作用。

图4 烧成温度为1080 ℃时陶粒样品的SEM照片Fig.4 SEM image of the ceramsite sample calcined at 1080 ℃

图5 稀土尾矿与陶粒的XRD对比图谱（1. 稀土尾矿；2. 1080 ℃下烧制所得陶粒）Fig.5 XRD patterns of the rare earth tailings and the ceramsite (1. the rare earth tailings; 2. the ceramsite calcined at 1080 ℃)

2.2 铝硅比对陶粒性能的影响

取球磨预处理后的稀土尾矿与铝粉、石英粉混合，分别按照混和样中铝硅比为0.66、0.58、0.5和0.30进行配料(其中铝硅比为0.5时对应的是单纯稀土尾矿)，通过圆盘造粒机造粒成球。将制得的陶粒在100 ℃干燥预处理24 h，并将生陶粒在1080 ℃在进行焙烧10 min，焙烧结束后陶粒试样置于炉中自然冷却。测试不同铝硅比下陶粒的各项宏观性能，结果如图6、图7所示。

图6 铝硅比对陶粒吸水率、气孔率和体积密度的影响Fig.6 Effect of Al/Si ratio on water absorption, porosity and bulk density of the ceramsite

图7 铝硅比对陶粒压碎强度的影响Fig.7 Effect of Al/Si ratio on crushing strength of the ceramsite

从图6-图7可以看出，随着铝硅比的增加，陶粒的吸水率先降低后增加，体积密度起初无明显变化，但最后有所降低，气孔率先降低后增加，压碎强度先增加后降低。这是因为增加铝含量有利于提高陶粒的强度，但是铝含量越高，焙烧所需的温度越大，在达不到所需温度的条件下，陶粒中的铝大部分未参与反应，导致液相过少，颗粒之间粘结松散，压碎强度降低，气孔率和吸水率增加。图8为试样在铝硅比为0.58时的SEM照片。由图8可看出陶粒内部孔隙较大，形状极其不规则，成三维贯通，大部分气孔是由未反应的稀土尾矿颗粒堆积形成的。玻璃体起着粘结颗粒的作用，而晶体能起支撑的作用，而新生成的玻璃体及晶体均较少，故该条件下所制陶粒强度较低，这与图7中的分析结果一致。

图8 铝硅比为0.58时陶粒试样的SEM照片Fig.8 SEM image of the ceramsite sample on condition that the Al/Si ratio was 0.58

3 结 论

(1)本实验以稀土尾矿为主要原料，研究了焙烧温度及铝硅比对陶粒性能的影响。研究发现，陶粒吸水率和气孔率随焙烧温度的升高而减小，而体积密度随焙烧温度的升高而增加；而提高铝硅比，陶粒的吸水率和气孔率先降低后升高，而密度和压碎强度先升高后降低。故可通过调节焙烧温度和铝硅比来调节陶粒的性能，使之满足不同的需求。

(2)由XRD分析可知，稀土尾矿主要含石英、长石及高岭石，焙烧后，有莫来石生产，且出现弥散峰，说明同时生成了玻璃相。由SEM分析可知，陶粒内部孔隙发达，气孔较大，三维贯通，且发现新生成的玻璃体和晶相，进一步验证了前面的分析和实验。

(3)本实验证明用稀土尾矿制备陶粒具备可行性，从而为稀土尾矿的综合利用提供有效途径。

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Effect of Calcination Temperature and Al/Si Ratio on Performance of the Rare Earth Tailings Based Ceramsite

XU Jing1, YAN Yiyun1, YAN Qun2, JIAO Xiangke1,4, LUO Xianping3,4
(1. School of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China; 2. School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China; 3. School of Rare Earth, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China; 4. Jiangxi Key Laboratory of Mining & Metallurgy Environmental Pollution Control, Ganzhou 341000, Jiangxi, China)

To achieve efficient recycling of rare earth mining solid waste, rare earth tailings were used as the main source material for preparing ceramsite. On condition that Al2O3acted as an aluminum adjusting agent and quartz powder acted as a silicon adjusting agent, the effects of the calcination temperature and Al/Si ratio on the performance of ceramsite were investigated. The microstructure of the ceramsite was characterized by SEM and XRD analysis. Results indicated that tailoring the sintering temperature and the silica alumina ratio can both affect the structure and performance of the ceramsite; As the sintering temperature increases, the water absorption and porosity of the ceramsite are decreased, but the density and compression strength of the ceramsite are increased; as the Al/Si ratio increases, the water absorption and porosity of the ceramsite are frstly increased and then decreased, but the density and compression strength of the ceramsite are frstly decreased and then increased. Therefore, the performance of the ceramsite can be adjusted by changing the sintering temperature and Al/Si ratio.

rare earth tailings; ceramsite; calcination temperature; Al/Si ratio

TQ174.75

A

1000-2278(2014)06-0598-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.007

2014-06-11。

2014-06-30。

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAC11B07)；江西理工大学科研基金项目重点课题(编号：NSFJ2014-K01)；江西省教育厅项目(编号：GJJ14426)；江西省科技厅青年科学基金项目(编号：20142BAB216008)；“赣鄱英才555工程”领军人才培养计划项目。

罗仙平(1973-)，男，博士，教授。

Received date: 2014-06-11. Revised date: 2014-06-30.

Correspondent author:LUO Xianping(1973-), male, Doc., Professor.

E-mail:lxp9491@163.com