编号：CYYJ00295

篇名：煤矸石的陶瓷原料及性质

关键词： 煤矸石 陶瓷原料 性质

原文： 一、引言 煤矸石是煤矿地层中的脉石。开采煤炭时，从煤层的顶板或低板部位上，以及在掘进中从煤层周围挖掘和爆破出来的炭质页岩、泥质页岩、砂质页岩、粉沙岩和少量石灰石、统称煤矸石。 煤矸石在采煤、选煤过程中被剔除而丢弃，所有煤矿矿区都堆积如山。在我国，每吨煤矸石的基建和运输管理费平均达8元人民币；更主要地还是占去大片土地，污染环境，有碍煤炭工业的发展。因此，世界各国都很重视煤矸石的综合利用研究。 煤矸石的开发利用，在经济和技术途径上，主要分为二大类，一是索取能源；二是选择灰份作工业原料。 坑口电站和沸腾锅炉新技术使部分含碳高的煤矸石能源得以充分利用，但其经济效果不太好，而且烧后大量灰渣未能得到妥善处理，造成二次污染。 要真正使煤矸石变成可以节约资源、能源、保护环境，取得综合优化效果的矿产资源，最有效的措施应该是资源化地开发利用，未实现这个目标，必须加强对煤矸石物质基本性能进行深入研究，以鉴别其工业价值，决定具体的利用方法和途径。 这里，仅就煤矸石替代传统陶瓷原料的可行性，谈谈个人的粗浅认识。 二、煤矸石的成因 地壳变迁将植物的遗体长期压在地下而形成了煤，煤矸石就是在形成过程中，由于沉积速度不一样，在煤层上下沉积着的泥沙层，随煤层所在的地层不同，煤矸石中含有各种不同地岩石，按成因，基本上分为沉积岩和火成岩二大类，变质岩极少见。 沉积岩的煤矸石主要是粗、中细砂岩、粗细粉沙岩，炭质页岩或少量的炭质砂岩，石灰石和泥质岩。在全部混合矸石中，差不多百分之九十是沉积岩。 火成岩多是辉绿岩和安山岩。 煤矸石的化学组成 化学组成是评价某一矿物性质，并决定其工业用途的一项重要指标。 作为天然固态岩石集合体，煤矸石是由无机质和少量有机质组成的混合物，除去可燃物外，其灰渣中以硅铝为主的类似硅酸盐材料的化学组成情况大致如下： 1、 煤矸石灰份中一半以上的成分为SiO2 AI2O3其中SiO2的含量波动在37—68%， 的含量平均波动在11-36%。 2、 在灰份里所含的诸元素中， 波动在0。5-10%， 波动在0。5-18%这可能与煤矸石在成岩后与地下水的淋滤和值，以及矿化作用等有关，一般以碳酸盐存在，以赤铁矿存在。 3、 煤矸石所含的碱金属成分中，这可能是由于是在成岩过程中，离子容易浓于地下水而被流失，而成为粘土矿物的成分。 4、 含量平均波动在0。10-2。8%，平均波动在痕迹至1。9%。 通过半定量光谱分析，发现煤矸石还含有一定量的多种元素，它们的含量大约是：钡 锰 铍 钴 镓 钼 镍 铅 钪 钒 锆 铬 磷 锡 锌 钇 锶 汞 砷 氟 氯等均为痕迹。 这是一般混合矸石的化学组成情况，随着煤层地质年代，成矿结构，开采方法等不同，煤矸石所含元素均有一定特点，并呈规律变化。 属于砂质岩的煤矸石，含量一般可达70%左右；属于铝质岩的煤矸石， 含量一般可达40%，属于碳酸盐的煤矸石，含量一般可达30%；属于粘土质岩的煤矸石，化学成分通常接近一般页岩。 另外，在选煤厂中，同一煤种洗选出来矸石，随着煤矸石的颗粒粒径的变小，等组成相应增多，含碳量和热值随之增加，灰份逐渐减少，这种现象可能是由于等元素与碳粒结合力较大，不易分离，或者是应用泡沫浮选时，细小的矸石颗粒重新分布所致。 四、煤矸石的矿物组成 煤矸石化学分析的结果，仅提供出平均试样中各化学元素总的概念，然而，煤矸石在物相组成上却是不均一的，在岩石的结构，构造上也各不相同；另外，煤矸石的化学成分是依赖于岩石种类和物矿组成而变化的，因此，在了解煤矸石化学成分的同时，有必要了解其岩石特征与矿物组成。 随煤层所在的地层不同，煤矸石中含有各种岩石，主要有粘土岩石、砂岩类、碳酸盐类、铝质岩类。粘土岩类主要组成为粘土矿物，其次为石英、长石、云母、岩屑等碎屑矿物，再其次为黄铁矿、碳酸盐等自生矿物。此外，往往还含有丰富的植物化石，有机质，碳质。粘土岩类在煤矸石中占的比例最大，尤其是泥质页岩、碳质页岩、粉砂页岩等更为常见。 砂岩类，是含有大量砂粒的碎屑沉积物，可视为碎屑矿物和胶结物二部分组成，根据碎屑物的粒径大小又可分为砂岩和粉砂岩，大部分介于0。1~2毫米者称为砂岩，而介于0。1~0。01毫米者称为粉页岩。在砂岩中，碎屑矿物多为石英、长石、云母；石英往往被碳酸盐所融蚀和交替，云母矿物碎屑一般以白云母为主，长石碎屑往往易风化为粘土矿物或含碳物质，或被碳酸盐交替；胶结物一般为碳质侵染的粘土矿物，以及含有碳酸盐的粘土矿物或其它化学沉积物。在粉砂岩中，碎屑矿物多为石英、白云母。胶结物比较复杂，通常为粘土质、硅质、腐殖质、钙质等；我国石灰二迭纪煤系地层中粉砂岩含有丰富的植物化石和菱铁矿结核。 碳酸盐类，多属菱铁矿，其次为方解石，石灰石，往往还混有较多的粘土矿物、有机物、黄铁矿等硫酸盐类物质。 铝质岩类均含有高铝矿物，三水铝矿，一水软铝矿，一水硬铝矿，而粘土矿物退居次要地位，但常常含有石英，玉髓，褐铁矿；白云石，方解石等矿物。 物相分析表明，煤矸石中含有多种岩石，其基质都由粘土矿物组成，夹杂着数量不等的碎屑矿物和碳质，因此，可以将煤矸石看成是一种硬质粘土矿物，其中杂质主要是铁钛氧化物。 煤矸石中最常见的粘土矿物种类有高岭石类，水云母类，蒙脱石类、绿泥石类，其中地质条件不同，煤矸石有的以高岭石为主，有的则以水云母为主，有的试样中还含有少量的绢云母和溴云母。 据有关资料介绍，我国的煤矸石以高岭石为主的占三分之二强，以水云母为主的占三分之一弱。 煤矸石中的粘土矿物成分，经过适当温度锻烧，便可获得与石灰化合成新的水化物的能力，所以，煤矸石又可视为一种火山灰活性混合材料，其活性大小的衡量标准是粘土矿物含量。 由于碳质页岩、泥质页岩和砂质页岩占煤矸石的绝大部分，因此，在利用煤矸石时，要对这三种岩石分别进行研究。 五、煤矸石的外观特征与显微结构 a外观特征 碳质页岩为黑色或黑灰色，层状结构，表面有油脂光泽，不完全理解，不规则块状，断面参差，易碎，滴入稀盐酸有小气泡缓慢放出。 泥质页岩为黄灰色或黑褐色，土状光泽，有松疏的黑色小粒，片状结构，不完全理解，质软性脆，不规则块状，易碎，滴入稀盐酸不起反应。 砂质页岩为深灰色或灰白色，腊状光泽，结构较泥质、碳质页岩粗糙坚硬，组成均一，沿层理有草叶状条痕，极不全完解理，滴入稀盐酸有气泡放出，还有铁锈斑点。 b显微结构 碳质页岩以不透明黑色矿物为主，有少量石英和粘土矿，泥质页岩以石英为主，有一定量的不透明黑色矿物和少量云母；砂质页岩主要是石英和云母，还有一定量的不透明矿与碳酸盐矿物，石英颗粒较粗 碳质页岩和泥质页岩在出煤井时含有较多的碳质，往往还含有胶质有机物、树脂，孢子以及其他植物残体，随着含量的增加岩石颜色加深，经长期堆积，内部发热自燃，大部分已起一定煅烧作用，使表面形成一层很厚的硫酸铝或其他复盐。砂质岩出井煤时，块度较其他页岩大，难粉碎，不自燃，难风化。 六、煤矸石工艺物理性质 1、 可塑性 煤矸石必须经细碎后才有塑性，矸石中砂岩塑性较页岩差。混合矸石经粉碎至250目筛筛余>2%时,其可塑指标可达2.8~3相应含水率为23~25%,如果进一步细碎至300目筛筛余<2%,则塑性会更大. 2粘度 随矸石的颗粒的比表面增大,矸石泥团基本可以塑性成型时,泥浆粘度在1.1左右,可用于注浆成型. 3真比重和硬度 煤矸石中的砂岩的真比重和硬度较页岩的大,所以,各地矸石硬度差异很大,含页岩多的矸石硬度在2~3,含砂岩多的矸石在4~5之间. 混合矸石的真比重一般在2.6左右,其安息角在40~50度间. 4 收缩性 煤矸石塑性低,收缩也就较小,一般线收缩在2.5~3%.烧结后的线收缩在2.2—2.4%,相应吸水率在17~19%. 5烧结温度范围 煤矸石的烧结温度一般在1050 左右.900 左右为一次膨胀,1120至1160时收缩最小,温度继续上升至1160以上时产生二次膨胀,由固相转为固掖相或完全融 6 脱碳温度 矸石的脱碳温度一般总是低于最佳烧结温度,最佳脱碳温度常发生在1000上下,最低脱碳时间为200—250分钟;在整个脱碳过程中,应保持氧化气氛. 7 耐火度 煤矸石属于中低耐火材料,一般耐火度在0~1350 ,这主要取决于化学组成,从相图角度看,若含和高则熔点高,若含碱金属和碱土金属高则熔点就低. 8工业组成 为了预先认识所使用的矸石若干工艺性质,通常还要测定其中的 等. 为煤矸石的自然含水率,一般在4%,最低的在1%以下,最高的可达20%.结晶程度差,分散程度大的含水率要高点,如以高岭石为主的煤矸石较以伊利石为主的煤矸石自然含水率就略高. 是煤矸石无机矿物质燃烧后的固体残渣,它是以硅铝为主的类似硅酸盐材料,具有与石灰化合成新的水化物的能力.作为工业原料,就是这部分矸石渣.含量在80% 为煤矸石中的有机化合物,燃烧时放出热量呈汽态逸出,一般含量大于10%,洗矸较选矸高. 为煤矸石的碎屑,碳页岩中的碳煤.大部分固定碳是浸透在煤矸石结构中的,这对硅酸盐等矿物的受热溶解和形成将起着有利作用,表现为表面能高,而物质的烧结是向表面积减少和表面能低的方向完成的. 煤矸石燃烧时产生的热卡,其含量一般在400~500大卡/公斤,但有的也可达2500~3000大卡/公斤,尤其是洗矸.了解煤矸石的工业组成极其变化规律,对制定工艺参数有实际意义. 七 煤矸石的有害杂质 其含有的有害杂质主要是硫化物,碳酸盐类混合物,溶水盐.以及汞,砷,氟,氯等微量元素. 煤矸石中的硫主要来源于黄铁矿,其次是硫铁矿,硫酸钙和闪锌矿,另外,也有游离状态的硫,我国二迭纪煤层中含硫化物较多.黄铁矿有的呈层状,有的嵌在煤矸石中呈脉石状,有的呈细粉状,比较坚硬呈球状的叫做硫铁蛋.硫化物易氧化生成二氧化硫,二氧化硫再经氧化并与空气中水份作用形成雾状硫酸,对煤矿周围的设备,建筑,人畜和植物危害都很大.煤矸石中的硫酸盐以石膏,硬石膏和半水化合物形式存在,往往沿层面或裂缝以微小晶粒可见,属后生矿物. 可溶性硫酸盐在坯体中随水份蒸发,在制品表面留下结晶体,形成一层 “白霜”,白霜的主要成分是和 ,它们在结晶过程中,由于体积增大所产生的应力,使制品薄弱地方受到破坏,对欠烧制品的破坏更为重要,但是,通过采用一些适当的工艺措施,可使大部分等可溶性盐类在淘洗或滤时随水排除. 煤矸石中的碳酸盐类分布极广,主要是方解石和菱铁矿,其次还有白云石,菱铁矿,霞石等,方解石常呈薄片膜充填于裂缝及层面中.这些矿物如果磨细度不够,溶烧后变成石灰颗粒,当吸潮后,这些颗粒体积膨胀,造成制品局部爆裂;但只要以很细的颗粒分布在坯体中,则无有害影响,且有利于制品的烧结,过多烧成容易起泡. 八 结论 岩石与矿石的区别点仅仅在于现阶段有无使用价值,二者之间是一种随人类生产技术条件变化而变化的动态关系.历年来作为工业废渣看待的煤矸石,经过人们的长期研究,实验,已被证明是一种可以利用的陶瓷工业原料. 煤矸石主要由粘土矿物组成,其化学成份与一般瓷土近似,工艺性能在一定条件下,也可以满足陶瓷生产的要求. 另外,煤矸石含有一定热值,在制品烧成时,可以节约能源.但煤矸石质量参差不齐,成份波动大,热值相差也很大,这是它的主要特点,也是利用它的主要障碍.加之绝大部分煤矸石含铁量都教高,在目前采用的磁选法是不可能完全除铁的,所以,要想利用煤矸石生产高档陶瓷产品是不行的,至少在当今技术水平条件下是办不到的. 然而,认真地根据地质类型,热值,成份的不同,对新挖掘或选剔出的煤矸石按类分级堆放,建立技术档案,同时,对历年来积存的老煤矸石进行调查,勘测,采样分析,建立资源档案,有所选择地利用一些合乎要求的煤矸石作为陶瓷原料则是完全可行的. 工厂生产时,对选定作原料的煤矸石进行大批量均化,运用现代分析仪器和物理化学方法,严格工艺控制,是能够用煤矸石替代传统陶瓷原料生产出合格的建筑陶瓷制品和普通的其它各类制品的.