煤矸石是采煤和洗煤过程中产生的固体废弃物，是目前我国年排放量和累积存量最大的工业废渣。我国煤矸石年排放量约占当年煤炭产量的10%，约占全国工业废渣排放量的1/4。据统计，2003年，全国共有煤矸石山1600多座，堆积煤矸石40多亿吨，面积1.47万hm2，每年以1.3亿吨左右的速度递增，占用耕地面积每年以400hm2的速度递增。
煤矸石是自然地质体和人工开发过程综合作用的产物。它具有双重性。一方面是煤炭生产过程中排出的固体废物；另一方面，由岩石和矿物组成的非金属矿产资源具有综合利用的性质。含碳量低(低于13%)的碳质页岩和煤矸石可用于烧制轻骨料。轻集料是一种重量轻、保温性能好的新型建筑材料，具有非常广阔的发展前景。据统计，我国堆积煤矸石中约有40%适合烧制轻集料，应用前景广阔。
根据四川广元唐家河煤矿煤矸石的物质组成和基本特性，制备了具有优良基本性能的高强陶粒，并探讨了陶粒生产的最佳工艺参数。
一、实验原料及性能
(1)煤矸石
煤矸石取自四川广元唐家河煤矿，为炭质页岩、炭质泥岩等粘土岩质煤矸石。x射线衍射分析表明，煤矸石主要是粘土矿物，含有高岭石、伊利石、应时、方解石，少量绿泥石、长石、云母、黄铁矿等。考虑到烧制陶粒所需的煤矸石含碳量低的要求，本实验选用煤矸石作为含碳量低的掘进煤矸石，其化学成分见表1。
开挖废石放射性监测结果表明，内照射指数Ira为0.47，外照射指数IR为0.66，低于国家放射性废物IRa≤1.0、Ir≤1.3的规定，符合A类材料应用范围的要求，可用于建筑材料的生产。
根据实验分析，研究区煤矸石的塑性指数为1l.3，一般线性收缩率为2.5% ~ 3%，干燥敏感指数约为L，熔点为1030 ~ 1150℃，容重为1452kg/m3。
(2)辅助原料
为了降低原料的含碳量，提高膨胀性能，选用页岩、氧化铁、白云石、碳酸钠作为配料。页岩的化学成分见表1，塑性指数为14.1，容重为1175kg/m3。
实验中发泡剂为白云石和碳酸钠，质量比为1:1，氧化铁为纯度为99.9%的Fe2O3红棕色粉末。
二。实验设备和方法
(1)实验设备
颚式破碎机，型号100×60，给料粒度20 ~ 50 mm，出料粒度5 ~ 10 mm，用于破碎块状煤矸石；QM-1SP行星球磨机，用于研磨煤矸石；烘箱型号为HS881-1，额定功率3kW，控制温度为室温~ 300℃；箱式电阻炉分为预热炉和焙烧炉:预热炉型号为SX-2.5-10，额定功率8kW，额定温度1000℃；焙烧炉型号为SX-12-16，额定功率12kW，额定温度1600℃。
(2)实验方法
煤矸石的生产过程有三个工序，即原料处理、造粒和热加工。本实验采用研磨成球的方法，即将煤矸石或煤矸石与配料按所需比例研磨干燥，加水造粒，然后预热焙烧。
1.原材料加工
各种原料经颚式破碎机破碎，球磨机研磨，过100目筛，然后105℃烘干备用。按照煤矸石与页岩4:1的比例，分别加入少量发泡剂(0.5% ~ 2%)和氧化铁，然后混合均匀，加水。在这个过程中，原料必须充分混合均匀。如果不均匀，烧结后的陶粒会出现壳厚不均，内部气孔分布不均的现象。
2.造粒和干燥
采用人工搓球。球的直径在10 ~ 10 ~ 15mm之间。造粒后放入烘箱中，加热至105℃干燥1 ~ 2h，然后按样品编号放入样品缸中灼烧。
3.预热和焙烧
陶粒样品的预热和焙烧在预热炉和焙烧炉中进行。当样品达到设计预热温度的预热时间后，立即从预热炉中取出，放入已经达到设计焙烧温度的焙烧炉中进行焙烧。
根据初步试验结果，本研究对预热温度、预热时间、焙烧温度和焙烧时间四个影响因素设置四个水平，采用四因素四水平正交试验设计试验方案，获得最佳参数。
三。实验结果和讨论
(1)测试结果
据初步测试，纯煤矸石制备的陶粒容重在916 ~ 985kg/m3之间，产品颜色浅，外壳厚，中间膨胀小，黑心现象严重，达不到建筑陶粒的技术要求。这与煤矸石含碳量过高导致陶粒膨胀性能差有关，需要添加其他成分。
在原料中添加0.5%、1.0%和2.0%发泡剂制备的陶粒容重明显下降，达到813 ~ 893 kg/m3。在相同的试验条件下，随着发泡剂含量的增加，产品的堆积密度相应降低，但当发泡剂添加到2.0%时，产品的堆积密度无明显变化，说明在本试验条件下，煤矸石添加1%发泡剂后基本达到最大膨胀效果，发泡剂的用量选择为1%。
为了降低原料中的含碳量，提高发泡效果，在煤矸石中添加了约20%的页岩、1%的发泡剂和少量的氧化铁。根据确定的影响因素和水平，进行正交试验，以陶粒的容重作为陶粒的主要技术参数，寻找最佳工艺参数。正交试验结果如表2所示。
表2中，K1、K2、K3、K4分别代表A、B、C、D因子取不同值时陶粒的平均堆积密度，R为A、B、C、D因子取不同值时陶粒堆积密度的极差。
(2)讨论
根据表2中的试验结果，16组试验制备的陶粒容重小于900 kg/m3，9组试验制备的陶粒容重小于800 kg/m3。最小容重试验条件为9号A3B1C3D4，容重为736kg/m3。所有陶粒的吸水率小于8.0%，圆柱体抗压强度大于> 6.0MPa，符合800级煤矸石陶粒的技术指标要求，属于高强度陶粒范围。
1.效果曲线的直观分析
效果曲线见图1。从图L可以看出，预热温度、预热时间、焙烧时间三条曲线平缓，说明以上三个因素对陶粒的堆积密度影响不大；焙烧温度曲线的斜率变化最大，对体积密度的影响最明显，陶粒的体积密度最小值出现在1040℃。
2.正交试验的方差分析。
正交试验的方差分析见表3。从表3可以看出:F0.05 = 3.490 < FC = 3.550 < F0.01，C因子(烘烤温度)对体积密度影响显著；FA，FB，FD < F0.10，所以因素A，B，D对体积密度的影响没有显著差异。
结合以上分析结果，出于节能的考虑，最终确定煅烧陶粒的工艺参数为A2B2C3D3，预热温度为450℃，预热时间为12min，焙烧温度为1040℃，焙烧时间为9min。在最佳工艺条件下，制备出容重为723kg/m3、吸水率为4.4%、圆柱体抗压强度为8.8MPa的高强度煤矸石陶粒。
3.配料对陶粒膨胀的影响分析。
陶粒高温热膨胀是固相、液相和气相动态平衡的结果。焙烧引起的陶粒膨胀需要同时具备两个条件，即:①在高温下形成具有一定粘度的熔体；②当物料达到一定的粘性状态时，产生足够的气体。只有同时满足以上两个条件，才能得到膨胀性好的均质多孔陶粒。
陶粒原料中SiO2和al2o 3含量越高，达到一定粘度所需的温度越高。而CaO、MgO、FeO、Fe2O3、K2O、Na2O等。是助熔剂。在煤矸石中添加一定量的页岩，可以有效降低原料中SiO2和A12O3的含量，增加CaO、MgO和Na2O的含量，有助于降低原料的熔点。根据煤矸石的综合热分析，煤矸石的熔点在1030 ~ 1150℃之间。加入页岩和少量氧化铁后，原料的熔点会相应降低，在1040℃时可以达到最佳的焙烧效果。
国内外研究表明，在陶粒的烧制过程中，含碳量过高不利于陶粒的膨胀，容易导致陶粒的表面粘度过低，内部粘度过高。在熔化的表面薄层中只产生少量的气孔，但内部致密、黑暗、无气孔。但在陶粒膨胀过程中，碳并不能完全去除，需要陶粒熔融到一定粘度时产生足够的气体。添加一定量的页岩可以有效降低原料的含碳量，有利于陶粒在焙烧阶段的膨胀。在高温下，由于陶粒中的残碳，陶粒表面是氧化气氛，内部形成一定的还原气氛。这样一来，陶粒表面富含Fe2O3，内部富含FeO，导致表面粘度略高，内部粘度略低，有利于陶粒的膨胀，降低了陶粒的焙烧温度，增加了膨胀性能。
四。结论
(1)以唐家河煤矸石为主要原料(80%左右)，添加20%左右的页岩和少量其他辅助原料，可烧制800级高强煤矸石陶粒，其各项性能指标均满足《GB/T17431.2-1998轻骨料及其试验方法》中规定的指标。
(2)在预热温度、预热时间、焙烧温度和焙烧时间四个参数中，焙烧温度对制备的陶粒的堆积密度影响最大，其他三个参数影响较小。
参考
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