林 偉 李小雷 韓復(fù)興 王太華

（1佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司研發(fā)中心 廣東 佛山 528031）（2河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南 焦作 454000）

拜耳法赤泥改性陶瓷輕質(zhì)磚工藝研究＊

林 偉1李小雷2韓復(fù)興1王太華1

（1佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司研發(fā)中心 廣東 佛山 528031）（2河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南 焦作 454000）

繼國(guó)務(wù)院發(fā)出《有色金屬產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》，2010年8月10日，工信部和科技部聯(lián)合發(fā)出《赤泥綜合利用指導(dǎo)意見》，要求：提高赤泥綜合利用率和綜合利用技術(shù)水平，減少赤泥堆存對(duì)環(huán)境、安全造成的影響，促進(jìn)赤泥綜合利用工作。傳統(tǒng)陶瓷輕質(zhì)磚如拋光廢渣陶瓷輕質(zhì)磚和頁(yè)巖陶瓷輕質(zhì)磚存在保溫效果差，抗折強(qiáng)度低，抗靜電能力差等弱點(diǎn)，利用拜耳法煉鋁赤泥改性拋光廢渣輕質(zhì)陶瓷磚進(jìn)行了研究探索，并在佛山石灣鷹牌有限公司生產(chǎn)線上制得了樣品。

氧化鋁 赤泥 資源化利用 輕質(zhì)陶瓷 改性 拋光廢渣 頁(yè)巖

前言

氧化鋁冶煉方法主要有3種，即：拜耳法、燒結(jié)法和聯(lián)合法，3種不同的方法產(chǎn)生的赤泥成分、性質(zhì)、物相各異。燒結(jié)法冶煉氧化鋁時(shí)，首先是在原料鋁礬土中配合一定量的碳酸鈉，然后在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)經(jīng)高溫煅燒制成以鋁酸鈉為主要礦物的中間產(chǎn)品，即鋁酸鈉熟料，再經(jīng)溶解、結(jié)晶、焙燒等工序制取氧化鋁，溶解后分離出的漿狀廢渣便是燒結(jié)法赤泥。采用燒結(jié)法冶煉氧化鋁，赤泥外排量平均為0.7～0.8t氧化鋁。聯(lián)合法是拜耳法和燒結(jié)法的聯(lián)合使用，聯(lián)合法所用的原料是拜耳法排出的赤泥，然后采用燒結(jié)法再制取氧化鋁，排出的赤泥為燒結(jié)法赤泥。

拜耳法是由奧地利化學(xué)家拜耳（K·J·Bayer）于1889～1892年發(fā)明的一種從鋁土礦中提取氧化鋁的方法。拜耳法包括兩個(gè)主要過程。首先是在一定條件下氧化鋁自鋁土礦中的溶出（即浸出）過程，然后是氫氧化鋁自過飽和的鋁酸鈉溶液中水解析出的過程，這就是拜耳提出的兩項(xiàng)專利。拜耳法的實(shí)質(zhì)就是以濕法冶煉的方法，從鋁土礦中提取氧化鋁。拜耳法冶煉氧化鋁采用的是強(qiáng)堿NaOH溶出高鋁、高鐵、一水軟鋁石型和三水鋁石型鋁土礦。作為主要原料的鋁礬土經(jīng)過高溫煅燒環(huán)節(jié)被直接用來溶解、分離、結(jié)晶、焙燒等工序得到氧化鋁，溶解后分離出的漿狀廢渣是拜耳法赤泥。采用拜爾法冶煉氧化鋁，赤泥外排量平均為1～1.1t氧化鋁。

赤泥是鋁土礦提煉氧化鋁過程中產(chǎn)生的廢棄物。在拜耳法流程中，鋁土礦經(jīng)破碎后和石灰、循環(huán)母液一起進(jìn)入濕磨，制成合格礦漿。礦漿經(jīng)預(yù)脫硅之后預(yù)熱至溶出溫度進(jìn)行溶出。溶出后的礦漿再經(jīng)過自蒸發(fā)降溫后進(jìn)入稀釋及赤泥（溶出后的固相殘?jiān)┑某两捣蛛x工序。自蒸發(fā)過程產(chǎn)生的二次汽用于礦漿的前期預(yù)熱。沉降分離后，赤泥經(jīng)洗滌進(jìn)入赤泥堆場(chǎng)，而分離出的粗液（含有固體浮游物的鋁酸鈉溶液）送往過濾。

隨著鋁工業(yè)的發(fā)展，目前全世界每年產(chǎn)生的赤泥約5 500萬t，我國(guó)每年產(chǎn)生的赤泥為300萬t以上。由于大量的赤泥未得到充分利用，長(zhǎng)期占用大量土地，造成土地堿化，地下水受到污染，危害人們的健康。我國(guó)對(duì)赤泥的處理大都采用平地高臺(tái)、凹地填充等方法。

近年來，由于國(guó)家節(jié)能減排要求嚴(yán)格，大部分廠放棄了聯(lián)合法生產(chǎn)工藝，使得拜爾法生產(chǎn)工藝成為目前國(guó)內(nèi)氧化鋁生產(chǎn)的主要方法。由于國(guó)內(nèi)鋁礦資源為高硅高鋁的粉煤灰、煤矸石、鋁礬土，造成氧化鋁生產(chǎn)效率低，赤泥排放量高的現(xiàn)象，也造成國(guó)內(nèi)氧化鋁廠成為冶金行業(yè)污染最嚴(yán)重的企業(yè)。另外拜爾法赤泥細(xì)度低、流動(dòng)性好，極難沉淀和堆積，造成拜爾法普遍堆積度低，而拜爾法赤泥產(chǎn)出率又高，但也造成工廠四周成為有毒有害物質(zhì)大量侵占農(nóng)田，污染水源，危害社會(huì)的現(xiàn)象。目前我國(guó)已成為全球最大氧化鋁生產(chǎn)國(guó)，2009年氧化鋁產(chǎn)量2385萬t，占全球總產(chǎn)量的30%；同時(shí)赤泥產(chǎn)生數(shù)量也最多，近3 000萬t，約占全球1/3以上。巨大的生產(chǎn)量使赤泥處理問題在中國(guó)顯得尤為突出。由于我國(guó)缺乏赤泥綜合利用的可行技術(shù)，赤泥的利用率一直處于較低水平，僅為4%左右，遠(yuǎn)低于全國(guó)工業(yè)固體廢物65%的平均利用水平，造成我國(guó)赤泥大量堆存。有專家估計(jì)，目前我國(guó)赤泥累積存量約2億t，而到2015年，累計(jì)存量預(yù)計(jì)將達(dá)3.5億t。

1 原料

拜爾法赤泥，廣西某氧化鋁廠干法赤泥，顏色深褐色，塊狀，質(zhì)輕。其化學(xué)質(zhì)量百分組成見表1，礦物組成見表2。其他原料有：石英粉、頁(yè)巖、膨潤(rùn)土、高鋁砂、白泥等，其化學(xué)質(zhì)量百分組成見表3。

表1 廣西某鋁廠拜耳法赤泥的化學(xué)組成（質(zhì)量%）

表2 燒結(jié)法赤泥的礦物組成%

表3 其他原料的化學(xué)質(zhì)量百分組成（質(zhì)量/%）

燒結(jié)赤泥的物理性質(zhì)：密度為2.7～2.9g/cm3；顆粒直徑為0.08～0.25mm；塑性系數(shù)為16.8；該熔點(diǎn)為1 220～1 250℃。

2 試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)裝備及工藝方法

試驗(yàn)采用試驗(yàn)室球磨、制粉、制樣、烘干，生產(chǎn)窯爐燒成、試驗(yàn)室磨拋工藝的方法。目的是試驗(yàn)更接近生產(chǎn)實(shí)際條件。試驗(yàn)采用的試驗(yàn)裝備見表4，試驗(yàn)所采用的配方見表5，試驗(yàn)采用的工藝流程圖見圖1，燒成溫度曲線見圖2，輕度陶瓷磚改性前后對(duì)比見圖3。

圖1 樣品制備工藝流程圖

圖2 樣品的燒制溫度曲線

圖3 輕質(zhì)陶瓷材料改性前后對(duì)照?qǐng)D

表4 試驗(yàn)裝備表

表5 試驗(yàn)所采用的工藝配方和工藝參數(shù)（質(zhì)量 %）

2.2 檢測(cè)結(jié)果

表6 理化性能檢測(cè)結(jié)果

表7 改性前后材料的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)照表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于赤泥結(jié)合的化學(xué)堿難以脫除且含量大，又含有氟、鋁及其他多種雜質(zhì)等原因，對(duì)于赤泥的無害化利用一直難以進(jìn)行。多年來世界各國(guó)專家對(duì)赤泥的綜合利用進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，但此類研究進(jìn)展不大。因此，赤泥廢渣的處理和綜合利用成為一個(gè)世界性的大難題。而目前對(duì)赤泥的消納主要采取的是海底或陸地堆放處置的方法，但隨著鋁工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)氧化鋁排出的赤泥量也日益增加，堆存處置所帶來的一系列問題隨之而出，造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。

由于赤泥中含有大量的強(qiáng)堿性化學(xué)物質(zhì)，稀釋10倍后其pH值仍為11.25～11.50（原土為12以上），極高的pH值決定了赤泥對(duì)生物和金屬、硅質(zhì)材料的強(qiáng)烈腐蝕性。高堿度的污水滲入地下或進(jìn)入地表水，使水體pH值升高，以致超出國(guó)家規(guī)定的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)由于pH值的高低常常影響水中化合物的毒性，因此還會(huì)造成更為嚴(yán)重的水污染。一般認(rèn)為堿含量為30～400mg/L是公共水源的適合范圍，而赤泥附液的堿度高達(dá)26348mg/L，如此高堿度的赤泥附液進(jìn)入水體，其污染不言而語，赤泥對(duì)生態(tài)環(huán)境的不良影響必須給予高度的重視和認(rèn)真的研究。

作為危害社會(huì)安全的大宗冶金固體廢棄物，加強(qiáng)對(duì)其資源化利用，彰顯的是企業(yè)和大學(xué)的社會(huì)責(zé)任和科技實(shí)力。保護(hù)好母親河西江，既是廣西氧化鋁廠的責(zé)任與義務(wù)，也是佛山政府和企業(yè)的責(zé)任與義務(wù)。資源化利用珠江上游的大宗有色金屬有毒固體廢棄物，既可保護(hù)廣西、廣東水資源，又可化廢為寶，生產(chǎn)可調(diào)空氣濕度的功能陶瓷地磚，是一件利國(guó)益民的大事。

赤泥單獨(dú)應(yīng)用于生產(chǎn)輕質(zhì)陶瓷磚，由于赤泥含大量的堿和石膏，導(dǎo)致容易出現(xiàn)燒制時(shí)體積密度較大、氣孔為開孔的、甚至為暢通孔的大孔，易釋堿粘輥和粘耐火板等缺陷，導(dǎo)致制品保溫性能差，吸水率高和幾乎無法生產(chǎn)等危害。赤泥與拋光廢渣輕質(zhì)粉料按一定比例混合后，氣孔不再是開孔，而是閉孔，同時(shí)使拋光廢渣輕質(zhì)材料氣孔增大，由于赤泥發(fā)泡材料有較高的硅和鋁含量，改性后可大大提高抗折強(qiáng)度和硬度等物理性能。

4 結(jié)語

赤泥發(fā)泡材料摻雜拋光廢渣輕質(zhì)陶瓷磚具有以下幾點(diǎn)意義：

1）可以資源化利用赤泥，可減少赤泥對(duì)環(huán)境的危害；

2）可以增大拋光廢渣輕質(zhì)陶瓷磚的氣孔體積，但不破壞閉孔的結(jié)構(gòu)并可以降低體積密度、降低導(dǎo)熱系數(shù)；

3）由于所研制的赤泥發(fā)泡材料含有較高比例的硅和鋁，高比例的骨架組分可以改善孔壁的力學(xué)性能，從而大大提高斷裂模數(shù)和材料硬度

1 韓復(fù)興，路靜賢，李小雷，李存運(yùn).多種工業(yè)礦渣微晶玻璃的研制.佛山陶瓷，2005（4）：20～22

2 李小雷，韓復(fù)興，葉偉才.建筑陶瓷廢料生產(chǎn)多孔陶瓷試驗(yàn).河南建材，2002（1）：31～33

3 韓復(fù)興.工業(yè)廢渣生產(chǎn)西式屋面瓦.中小企業(yè)科技，2002（7）：17～20

4 韓復(fù)興，李小雷，李永林，馬小娥，郭昕.陶瓷工業(yè)廢渣生產(chǎn)一次燒釉面磚的實(shí)驗(yàn).佛山陶瓷，2002（10）：9～12

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9 冉茂宇.調(diào)濕材料動(dòng)態(tài)調(diào)濕性能的評(píng)價(jià)方法.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（10）：23～25

10 李小雷，等.赤泥在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究.科技創(chuàng)業(yè)月刊，2010（3）：8～10

11 李小雷，等.赤泥的特性及其在建材方面的應(yīng)用.科協(xié)論壇，2010（3）：11～13

12 李小雷，等.利用赤泥研制低溫快燒瓷質(zhì)外墻磚.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010（3）：7～9

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Modification of Red Mud in Bayer Process for Ceramic Brick

Lin Wei1，LI Xiaolei2，Han Fuxing1Wang Taihua1（1Shiwan Eagle Brand Ceramic Co.，Ltd，Guangdong ，F(xiàn)oshan，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

林偉（1967－），高級(jí)工程師；目前從事建筑陶瓷企業(yè)管理和技術(shù)開發(fā)工作。E－mail：hanfx@eagleceamics.com