抛光废渣的结构与性能分析.doc

抛光废渣的结构与性能分析徐 瑜（佛山市东鹏陶瓷有限公司，佛山 528000）摘 要：对佛山东鹏陶瓷厂的抛光废渣的理化性能及高温烧成性能进行了系统研究。采用硅酸盐成分快速测定、XRD等测试方法研究了其化学成分和物相组成。通过添加少量粘结剂，采用半干压成型制得样品，研究了抛光废渣高温烧成性能，并重点探讨了其发泡原因。研究表明：抛光废渣中Al2O3含量为19.29%，SiO2含量为67.55%，晶相除含石英，莫来石外，还含有少量的SiC相及氢氧化镁、氯化镁水合物。抛光废渣的烧成收缩呈先收缩后膨胀的趋势，抛光废渣的发泡原因主要是碳化硅的氧化所致。关键词：抛光废渣；SiC发泡；结构与性能；抛光砖中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：陶瓷砖抛光废渣主要是在陶瓷砖的研磨、抛光的过程中产生的，其成分主要是砂轮磨料中的碳化硅、氧化镁、氯化镁和砖屑等杂质。据统计，2011年我国抛光砖抛光废渣的产出量高达700800万吨，并呈现逐年递增的趋势。此外，陶瓷抛光废渣是以浆状废料的形式排出，按抛光废渣含水率约35计算，陶瓷行业每年抛光废料(包括抛光废干渣和废水)年排量约为1230万吨。广东是我国陶瓷工业大省，建筑陶瓷产量占据了全国的半壁江山，随之产生的陶瓷废料数量也惊人不已。仅广东佛山地区一年产生400500万吨的抛光废渣1。陶瓷抛光废渣在烧成中容易发泡、变形问题限制其回收利用生产墙地砖，大部分陶瓷厂是采用填埋方式来处理抛光废渣。而抛光废料的填埋，不但耗费人力、物力，还会污染地下水质。更有一些陶瓷厂违规私自倾倒抛光废渣，造成十分恶劣的环境污染和社会影响2。抛光废料作为陶瓷原料循环再利用时，在烧成中会引起陶瓷严重发泡、变形，其发泡、变形问题一直是长期以来困扰抛光废料资源化循环利用的关键性科学技术难题。因此，系统研究抛光废渣的烧成性能及发泡机理很重要，也很有必要。本文对佛山东鹏陶瓷厂的抛光废渣的化学成分、物相组成进行了分析。通过在抛光废渣中添加少量粘结剂制得样品，研究样品高温烧成性能、物相变化，并探讨了抛光废渣发泡原因。目前，系统研究抛光废渣的报道并不多见。1 实 验1.1 样品制备（1）原料的预处理：抛光废渣经烘干、破碎、均化后，使用标准实验球磨机粉磨，抛光废渣的粒径在100120目范围内，最后得到实验需要的抛光废渣。（2）样品制备：在预处理的抛光废渣中加入浓度为5%的PVA溶液（添加量为抛光废渣的8wt%），经造粒后，分别采用天津市科器高新技术公司产的769YP-24B粉末压片机和咸阳陶瓷研究设计院机械厂产的SY35B型实验室用压样机压制成型，在15MPa压力下压制成直径为50mm、厚度约9.7mm的圆片，在20MPa压力下压制成120mm80mm6mm的小砖。将制备好的样品分别在1040、1060、1080、1100、1120温度点下烧结，以5/min升温至1000，然后以4/min升温至烧结温度，保温30min制得样品。1.2 样品的表征根据阿基米德原理，采用静力称重法测定样品的吸水率(Wa，)、显气孔率(Pa，%)及体积密度(D，g/cm3)；采用佛山市华洋设备有限公司制型号为HYK-10000A的数显式抗折仪测试样品的抗折强度，测试跨距为100mm，加载速度为0.5mm/min；采用荷兰帕纳克公司的Panalytical Xpert PBO型X射线衍射仪分析样品的晶相组成。实验条件为：CuK辐射，管电流40mA，管电压40kV，步长(2)为0.017，停留时间为2s，扫描范围(2)为5-80。2 结果与讨论2.1 抛光废渣的研究2.1.1 抛光废渣的化学组成抛光砖在生产过程中经粗磨、细磨、抛光等一系列工序，磨削量达0.30.5mm左右，从而产生大量的抛光废渣。其成分主要是抛光砖表面被磨削的细屑和抛光磨头磨损的废屑。佛山东鹏陶瓷厂抛光废渣的化学成分如表1所示。由表1可知，抛光废渣的主要成分是SiO2、Al2O3等，其余部分主要是碱金属氧化物及碱土金属氧化物，与砖坯底料的主要成分相近。此外，抛光废渣的烧失量较大，其原因有两个方面：一方面是来源于磨头水泥粘结剂的分解；另一方面由于抛光废渣中有机物的分解。从表1还可以看出，抛光废渣的MgO含量略高，主要是因为抛光废料中含有氯氧镁水泥磨料粘结剂的碎屑，在加热过程中会发生分解反应释放出水分及HCl气体，最终生成产物为MgO，从而增加了抛光废渣中的MgO含量。表1 佛山东鹏陶瓷厂抛光废渣的化学组成（wt%）原料SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2OI.L抛光废渣67.5519.290.580.230.842.542.783.72.642.1.2 抛光废渣的物相组成通过对抛光废渣进行XRD分析，得到如图1所示XRD图谱。如图1所示，抛光废渣的物相中除了含有石英和少量的莫来石相外，还含有少量的SiC相及氢氧化镁氯化镁水合物。其主要原因是抛光废渣主要包括抛光砖表面被磨削的细屑和抛光磨头磨损的废屑两部分，而常用磨头的磨料主要含有 SiC、金刚石和刚玉等。磨料粘结剂主要有轻烧镁矿、氧化镁、硫酸镁及氢氧化镁、氯化镁水合物。图1 抛光废渣的XRD图谱2.1.3 抛光废渣烧成性能的分析为了解抛光废渣烧成发泡特性，将抛光废料制备样品在1040到1120之间不同温度下烧成，并对其烧成性能进行分析。2.1.3.1 烧成温度对抛光废渣体积密度的影响图2为不同温度下抛光废料的体积密度随烧成温度的变化曲线。由图2可知，抛光废渣的体积密度在1060之前随着温度的升高逐渐增大，但在1060左右发生了转折，样品的体积密度随烧成温度的升高显著下降。抛光废渣在1060开始发泡，故10601120体积密度显著下降，1120体积密度达到最小，是因为1160时抛光废渣的孔结构基本不再增大。故抛光废渣的发泡温度应该在1060左右。 图2 抛光废渣的体积密度随烧成温度的变化曲线2.1.3.2 烧成温度对抛光废渣烧成收缩和吸水率的影响图3为抛光废渣的烧成收缩和吸水率随烧成温度的变化曲线。如图3所示，抛光废渣的烧成收缩率呈先增加后减少的趋势，最终收缩率为-23.26%，即样品膨胀23.26%。抛光废渣样品从1040开始烧结，体积变小，收缩率增大，1060达到最大收缩率；大于1060之后坯体开始形成气孔，随着气孔增大，收缩率不断减小，最终在1120达到最大发泡膨胀率23.26%。由图3可知，抛光废渣的吸水率并没有随温度的变化出现规律性变化。在1060之前，随着烧成温度的升高，形成的玻璃相也将随之增多，玻璃相的粘度随之下降，流动性增加，玻璃相将会填充更多的气孔3，使得样品的显气孔率降低，吸水率变小。当烧成温度为1080时，样品的吸水率出现了一个拐点，此时的吸水率达到最大，为23.48%，之后样品的吸水率逐渐变小，抛光废渣由于烧结后仍有气孔的存在，使得1120达到吸水率为4.25%。图3 抛光废渣的烧成收缩和吸水率随烧成温度的变化曲线2.1.4 样品的XRD分析图4为不同烧成温度下抛光废渣的XRD图谱。由图4可知，经不同温度煅烧后，抛光废渣的主晶相为石英和莫来石，还含有少量的碳化硅。对比图1和图4可知，抛光废渣经高温煅烧后，其氯化镁水合物发生了分解，不存在于样品中。此外，对比不同烧成温度下样品的碳化硅XRD特征峰可知，随着烧成温度的升高，样品中碳化硅的特征峰峰强减弱。这可以理解为随着烧成温度的升高，样品中的碳化硅出现不同程度的氧化，碳化硅的含量减少。图4 不同烧成温度下抛光废渣的XRD图谱2.2 抛光废渣发泡原因探讨抛光废渣的烧成性能分析实验表明抛光废渣在高温时会发泡膨胀。抛光废渣的XRD分析证明抛光废渣中含有SiC和氯氧镁水泥。目前，普遍认为抛光废渣在高温时发泡主要原因有：有机物发泡、氯氧镁水泥发泡、SiC发泡4，下面将对抛光废渣的发泡原因进行分析。2.2.1 有机物发泡的可能性验证抛光废渣的有机物高温分解，产生气体，可能会导致发泡。将抛光废渣在1200保温1h使废渣中的有机物等成分彻底分解，然后与未经过煅烧的抛光废渣分别在同样的条件下球磨30min、15MPa压力成型、1160保温30min烧成，性能测试对比，结果表明：煅烧与未煅烧的样品性能相近，无较大区别。可以断定有机物并不是抛光废渣中的主要发泡物质。2.2.2 氯氧镁水泥发泡的可能性验证氯氧镁水泥在高温下发生分解，释放出HCl气体和水蒸气5，有可能导致抛光废渣发泡。以不含磨头成分的陶瓷砖细粉为基础料，分别添加了0wt%、2 wt%、4 wt%、6wt%的氯氧镁水泥，球磨混合30min、15MPa压力成型、在1160保温30min烧成，测试性能。结果表明，随着氯氧镁水泥添加量的增加，试样的体积密度有所减小，但幅度较小。由此可见，氯氧镁水泥的高温下分解对陶瓷砖发泡的影响程度较小，不是陶瓷抛光废渣中的主要发泡物质。2.2.3 SiC发泡的可能性抛光废渣中的SiC在高温氧化气氛下会发生氧化，产生了大量的CO或CO2气体6被封闭在高温液相中，形成的气孔随温度的升高不断膨胀长大，成为抛光废渣发泡的主要原因。3 结 论（1）抛光废渣的物相中除了含有石英和莫来石相外，还含有少量的SiC相及氢氧化镁氯化镁水合物。抛光废渣的主要成分是SiO2、Al2O3等，其余部分主要是碱金属氧化物及碱土金属氧化物，与砖坯底料的主要成分相近，但抛光废渣的MgO含量比砖坯底料略高。（2）抛光废渣的烧成性能研究表明：抛光废渣在高温时会发泡膨胀。抛光废渣的烧成性能与一般的陶瓷原料相比，有所不同，并不是随烧成温度变化而呈规律性的变化。抛光废渣的烧成收缩率呈先增加后减少的趋势，1060达到最大收缩率；大于1060之后收缩率不断减小，1120达到最大发泡膨胀率23.26%。抛光废渣的吸水率都随温度的升高逐渐减小，由于烧结后仍有气孔的存在，抛光废渣在1120吸水率为4.25%。（3）陶瓷抛光废渣在高温下发泡是它不能得到有效利用的根本原因，抑制高温发泡是利用陶瓷抛光废渣的前提条件。抛光废渣发泡的主要原因是由于废渣中碳化硅的发泡。参考文献1 黄惠宁，柯善军，张国涛，等. 抛光废渣在陶瓷砖中的应用及现状J. 佛山陶瓷，2012， (7):1-9.2 税安泽，夏海斌，曾令可，等. 利用抛光砖废料制备多孔保温建筑材料J