矿物学与烧结砖瓦生产(十三).pdf

矿物学与烧结砖瓦生产十三 第六图书馆 13 原材料中矿物组成与烧结砖瓦工艺性能的关系13 原材料中矿物组成与烧结砖瓦工艺性能的关系砖瓦生产 矿物学 烧结 颗粒尺寸分布 扫描电子显微镜 颗粒形状 工艺性能 矿物组成砖瓦世界湛轩业不详2007第六图书馆 第六图书馆 科 技 纵 横 5 c f f l c f Il f c 0 【 0 8 y 知鹋 讲座 t一 矿物学与烧结砖瓦生产 十三 湛轩 业 1 3原材料 中矿物组成与烧结砖瓦工艺性能的关 系 1 3 ． 1 单体矿 物 的颗粒 尺寸分 布 在 讨论 单 体 矿物 对 烧 结 砖 瓦 生 产 过 程 的影 响 之前 ， 首先分析单体矿物的颗粒尺寸分布状态 。因 为对每一矿物而言 ， 它们都具有本身的结构特征及 颗粒形状和颗粒尺寸。这些在颗粒尺寸分布上的不 同， 也就带来了所表现的性质不同。扫描 电子显微 镜 S E M 可直接测定矿物的颗粒形状 体型 和颗粒 尺寸。根据矿物起源的历史 ， 显示 出了不 同程度 的 结晶体、 颗粒的不同发展和不同的化学成分 。 扫描电子显微镜仅在专门装备的试验室才有 ， 因此在实际中湿筛分析和沉降分析就成 为了颗粒 尺寸分布试验的基本方法。激光颗粒测量仪在近来 使用非常频繁 ， 但一些权威人士的观点认 为 激光 颗粒测量仪不能提供可靠的测量数据。 因为粘土矿物主要是层状结构形式 ， 其直径与 厚度之t L 5 高岭石的直径／ 厚度值为 5 ～ 2 5 ； 绿磷石 的为 2 5 ～ 1 0 0 ； 蒙脱石的为 1 0 0 ～ 3 0 0 时 ， 对直径的说 明有着不同的定义 。在粒度 为 4 ～ 0 ． 0 6 3 ram的范围 内 ， 常用湿筛分析方法对颗粒尺寸进行分析 。在筛 分析 中要根据颗粒形状是 圆形 、片状或是条状形 式 ， 来考虑这些颗粒能顺畅通过筛孔 。其含 义是根 据颗粒形状对测定的颗粒尺寸各组分进行置换 。因 为在筛分析和沉降分析 中试验测定的颗粒尺寸仍 然包含着 4种范围类别的尺寸 ， 由于颗粒形状的缺 陷， 在颗粒尺寸直径的测定 中并不重要。根据斯托 克司定律 S t o k e s ’ S L a w ，在沉降分析 中使用小于 0 ． 0 6 3 mm 例如沉降 曲线图 以下 的组分给出当量颗 粒直径 ， 该定律的含义是在静止液体 中球形颗粒 的 沉降。在各种粘土矿物和非粘土矿物的颗粒尺寸组 分测定 ， 第一步是统计分析在各种颗粒组分的数量 和所试验的矿物构造问的相关性 。从试验 已获得各 组分的相关系数在 0 ． 6 ～ 0 ． 8之间。相关系数表明在 矿物构造和各颗粒组分之间有着很大的相关性 。所 以根据所显示 出的矿物来预测颗粒尺寸范围是相 对确切 的。然而 ， 所获得 的在 0 ． 6 ～ 0 ． 8之间的相关系 数 比在对抗弯强度 、 吸水率 、 松散容重的统计分析 中获得的非常大的相关系数来讲 ， 还是比较小的。 高岭石矿物组成是化学上最纯的矿物 ， 比较起 来也是最大的一族矿物。常常发现处于原有矿床中 的高岭石颗粒发育很好 ， 呈六边形 见前文 中的电 子显微镜照片 。事实上高岭石能够形成硬币叠堆 型， 类似螺杆的 ， 尺寸上有数个 l O 0 1 m厚的圆形柱 状体 见前文 中图 。这类大颗粒的原材料 ， 没有经 过制备时 ， 就没有胶体的性质 ， 因此对粘土矿物而 言 ， 这是高岭石的典型特性。在烧结砖瓦坯体原料 中， 通常发现主要存在二次粘土矿床中相当细的耐 火粘土石 无序高岭石 。耐火粘土石 无序高岭石 的 颗粒形式显示 出 仅是以断断续续的形状很好的高 岭石的形式组成 见前文 中图 。 耐火粘土石 无序高 岭石 矿物晶体是由很混乱的层状系列组成。 同时耐 火粘土石 无序高岭石 含有更多的铁 、 钛及钾 的氧 化物 。同样也属于高岭石族的多水高岭石 叙永石 、 埃洛石 、 地开石 ， 是棒状形式 ， 事实上通 常是像管 状的空心结构 见前文中图 。云母类矿物 ， 以细小 片状形式存在的称为绢云母 ， 白云母是一种抗风化 的云母类矿物。黑云母是一种高铁云母 ， 由于它风 化很快 ， 所以在 自然界的沉积物中很少存在。云母 不是粘土矿物。然而 由于云母 的水解 ， 云母类型的 粘土矿物例如伊利石 也称为含水云母 、 海绿石和 绿磷石也会 出现。云母 白云母 和类似于云母的粘 土矿物 ， 在粘土样品中几乎总是含在一起 。类似云 母的粘土矿物不同于完全的云母 K 2 0为 1 1 ％ ， 而 类似云母的粘土矿物 的钾含量较小 ， K 2 0的含量为 6 ％～ 1 0 ％。此外 ， 类云母粘土矿物的含铁量有变化。 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 绿磷石／ 海绿石的含铁量可达到 2 0 ％， 所以含有绿磷 石／ 海绿石的坯体在焙烧之后的颜色非常红。 这两种 矿物常常是制砖粘土中的主要成分。 绿磷石／ 海绿石 通常 以条状形式出现 ， 但是也以放射状的颗粒形式 出现 ， 这两种矿物主要是在 2 6 3 1 x m的粘粒范围内。 事实上海绿石形成的小球颗粒尺寸超过 l O 0 m。 另 一 方面． 更细的含铁量少伊利石形成了不规则形状 的、 模糊边缘的细小片状。在类云母粘土矿物中， 伊 利石从颗粒尺寸上讲是最小的粘土矿物 ． 正如在高 岭石族 内的耐火粘土石f 无序高岭石 一样 。在这一 族矿物内的矿物品种其较小的颗粒尺寸有着 5 ％～ 3 0 ％的变化率 ．在其它工业制造性能上表现出的差 别更大。为了细分出粘土矿物的粗和细的颗粒尺寸 的种类 ， 必须有 区别地进行矿物分析 ， 通常这 些矿 物的化学成分也有差异。蒙脱石由极其小的纤维状 或是云形的薄片状组成 见前文中图 。仅当有较大 颗粒 出现时 ． 其颗粒形状 明显受到 限制 ， 在某些情 况下出现弯曲或是折叠的拐角 见前文中图 。与伊 利石一样 ， 蒙脱石 不是 由单个 的晶体组 成 ， 而是 由 少数的基本层组成 ， 并几乎延伸到原子 的尺寸 。蒙 脱石 的颗粒尺寸甚至 比伊利石的小 ， 因此通常讲蒙 脱石是存在的最小颗粒尺寸的粘土矿物 。在粘土矿 物中蒙脱石有着特殊的位置， 这反映在它极其高的 可塑性 ， 高的干燥抗弯强度 ， 但是它也有着高的干 燥收缩和高的干燥敏感性 。蒙脱石的 S i O 含量达 6 1 ％， 在粘土矿物中的含硅量最大。 与类云母粘土矿 物一样 ， 蒙脱石也有着相对少的镁一 Mg O含量 ， 其含 量 一般 为 2 ． 5 ％～ 4 ． 5 ％。 绿泥石显示出有很宽的化学成分的范围 A l O ， 含 量 为 1 5 ％～ 5 2 ％ ， Mg O含 量 为 1 ％- 3 4 ％ ，并 发现 绿泥石的构造如同页岩一样有着不规则轮廓 的层 状解理 见前文中图 ， 其颗粒尺寸的主要组分在 1 一 2 0tx m 。 如果将 自然出现的颗粒尺寸参数加进颗粒分 ； 类柱状 图中，并将颗粒组分的各个值 由线连接 ， 该 颗 粒 尺 寸 参 数 总 体 通 常是 接 近 高 斯 正 态 分 布 G a u s s i a n n o r ma l d i s t r i b u t i o n 。然而在进行 的第二 步计算中 ， 根据高斯正态分布上矿物颗粒尺寸分布 的程序源 T h e P r o g r a m O R I G I N 进行试验。 图 7 4为 烧结砖 瓦工业中常见的粘土矿物的颗粒尺寸分布 柱状图。从图 7 4可观察到对粘土矿物中的每一种 ； 粘土矿物而言 ， 至少有两个严格分开的颗粒尺寸范 围， 即是有双峰分布的 ， 但是常常也有多 峰分布 的 甬 颗粒尺寸范围 图 7 4 。 最大数值的出现是在有双峰 分布的粘土矿物颗粒组分中出现 ， 也在正常分布的 位于相互之间有一距离的 2个数值的范围内出现 ． 即距离数值系数级差为 1 0 0 。所发现 的纯双峰颗粒 分布的矿物是蛭 石 、 高岭石 、 耐火粘土石f 无序高岭 石 、 绿泥石。白云母显示出 3个最大值 ， C a ～ 或 N a 一 基蒙脱石 、 伊利石和绿磷石有 4个最大值。在单一 矿物中有数个非常显著的最大值的出现 ． 应归因于 在矿物形成期间 自然的变化 ． 也与在某些情况下 的 成岩过程的合并 、 粘土矿物颗粒的凝聚及试验用试 样部分的可代表性不完善有关。绿泥石显示出有很 宽的化学成分 的范围 A 1 0 含量为 1 5 ％ 5 2 ％， Mg O 含量为 1 ％～ 3 4 ％ ，并发现绿泥石的构造如同页岩 一 样有着不规则轮廓 的层状解理 ， 其颗粒尺寸的主 要组分在 1 - 2 0 t x m 图 7 4 。 ∞ 巧 柏 善 ； 2 5 曲{∞ 钿幅 ’ a 5 0 薹 三 镐 篓 。 5 颗粒尺寸／ l,z m 0 O6 3 11 2 36 6 ． 3 1 1 2 2 0 3 6∞1 2 5 5 0 l 0 ∞2 0 0 0 颗粒尺寸 5 }惦∞踌∞箍 静悖街5 O 5 I 始 瓣葛 嚣 始憾 锥 O 一 ．；一 ＼ 雪扣 A ．；一 ＼ 雪札 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 科 技纵横 i 讲 5 c I f I c f l I I c 1 0 l 0 6 y ∞ 3 5 3 D 芑 2 S ∞ 删 ， 5 却 ， o S O 5 O 稿 ∞ 呈 删 2 o 加 5 1 O L 2 3 ∞ 2 枷 仰删 颗粒尺寸／ m 颗粒尺寸／ m 图 7 4粘土矿物颗粒尺寸分类柱状图 S t e f a n V o g t 图 7 5和图 7 6表示在烧结砖 瓦原材料 中发 现 的粘土矿物和非粘土矿物颗粒的筛余汇总曲线 。可 清楚地证 明 除了粘土矿物外 ， 在 细颗粒尺 寸范围 发现了一些铁的矿物 、 碳酸盐及石英 。 上述为单体粘土矿物的颗粒分布。而在原材料 中往往是两种以上矿物的混合体 ， 所以原材料的颗 粒组成对烧结砖瓦的工艺性能有决定性的影响 ， 其 中极 细 颗 粒含 量 尤 为 重 要 ，特 别 是 粒 径 小 于 2 m 0 ． O 0 2 m m 的颗粒 。细颗粒组分虽然可提供高的塑 性 ， 但 同时所需 的拌合含水量增大 ， 也往往使干燥 收缩增高 ， 以致给生产的控制带来困难 。颗粒组成 不但影响烧结性能 ， 而且也对产品的强度 和抗冻性 有很大影 响。实际 中常可发现 ， 在 自然界形成的松 散粘土往往有着较 多的细颗粒 ， 而页岩 、 煤矸石必 须通过粉碎成为粉料 ，所以形成的细颗粒组分少 ， 且颗粒分布范围狭窄 ， 因而对这类原材料必须加强 其陈化 图 7 5 粘土矿物筛余汇总 曲线 S t e f a n v o g t 图 7 6 非粘土矿物筛余汇总曲线 S t e f a n V o g t 石英在天然粘土矿 中的含量为 5 ％ 6 0 ％， 是粘 土和土壤的主要成分之一。由于在二次粘土沉淀过 程 中的再分配 ，石英主要 出现在粉砂的范围内 ， 因 此在有 的情况下 ， 石英的细度就像粘土矿物一样细 小 ， 用 肉眼不可能观察到 。 铁矿物 ， 例如黄铁矿 、 针铁矿 、 赤铁矿和菱铁矿 常与制砖粘土伴生在一起 。铁矿物主要在粘粒范围 内见到 ， 单个 晶体可达到胶体尺寸。 1 3 ． 2 原 材料 中矿 物组成 及其 工 艺价值 从原材料矿物学的知识上可推断 出在纯矿物 时原有数据 、 概念与工业制造过程中的二次数据之 间的关 系 即可从单体矿物 的特征与生产实际中得 到的数据之间寻找出内在的联系 。首先提出这种 具有启迪性深度概念的人是林赛斯 L i n s e i s ， 1 9 5 0 ， 1 9 5 0年他提出要探究在矿物成分和工业制造过程 中原材料及坯体特性之间的关系。此后在 同样的研 蓄 蠹 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 究 方 向 上 的 试 验 是 由施 特 葛 米 勒 S t e e g m t i l l e r 。 1 9 5 6 ， 巴林思 B a l i n t h ， 1 9 7 3 ， 陶思 T o t h ， 1 9 7 3 ， 维 特斯芾 V e e s f f y ， 1 9 8 7 ， 魏葛曼 w e i g m a n n ， 1 9 7 8 、 拉岑贝戈尔 R a t z e n b e r g e r ， 1 9 9 3 和斯 蒂芬 S t e f a n V 0 g t ， 2 0 0 3 2 0 0 4 。 在他们的试验 中逐渐形成了使用 统计学方法来研究这种关系。烧结砖瓦原材料中的 矿物组成对成型 、 湿坯体性 能、 干燥 、 焙烧性能 、 烧 成颜色以及产品的质量 、 强度和耐久性等均有重要 影响。 根据美国学者布罗奈尔f W． E ． B r o w n e l 1 的研究 ， 用于烧结砖瓦产品的原材料 中所含矿物 和其它组 分 ， 按照其重要性可分为两大类 ， 即主要矿物和非 主要矿物。非主要矿物中还可再分为有益 、 中性和 有害的 3种矿物和混合物 。前文已叙述过 ， 烧结砖 瓦产品原材料 中的主要矿物有高岭石 、 伊利石和石 英 。用上述 3种矿物 。 或是仅用石英和其它 2种矿 物中的任一种 。 若 颗粒组成适当时 ， 就可生产出优 质 的烧结瓦产 品。伊利石使原材料产生 良好的塑 性 ， 高岭石具有很好 的烧结性能 ， 而石英则主要起 着一种稳定成分的作用。 由于二次粘土矿是 由水和风的作用成层沉积 。 这取决 于粘土形成时经过 的途径 。与原生粘土矿 比， 二次粘 土有着更细的颗粒尺寸 ， 因此它们 比高 岭土更好制备 。此外 ， 在二次粘土形成的再 次分布 过程 中。 比高岭土更易夹带不 同的矿物成分。与高 岭土 比， 二次粘土含有更多 的云母类粘土 矿物 伊 利石 、 绿磷 石 、 海绿 石 ， 蒙脱石类粘土矿物 蒙脱 石 、 贝得石 、 绿脱石或绿高岭石 ， 绿泥石和蛭石 ， 因 而尽管二次粘土含有较高量的石英 ， 但是比高岭土 的塑性高 由于高岭土矿床形成的本性 ， 作为 白色 瓷 的原材料时 ， 虽然加入石英和长石 ， 但是 白色瓷 坯料中常常仅有 4 5种矿物成分 ， 而烧结砖瓦产品 坯料中通常有 7 种以上或更多的矿物成分。在烧结 砖瓦产品的制造过程 中， 由于多种多样的矿物反应 类型 ， 要观察其反应过程常常受到更多的限制。由 于这种原 因。 除产品性能在很大程度上取决于原材 料 的基本特性外 ， 所使用的设备 ， 如从成型、 干燥到 焙烧的工艺设备也起着很大的作用， 因而几乎很少 有设备、 工艺完全相同的烧结砖厂。 烧结砖 瓦原材料 中的非主要矿物 和混合物按 其性能和作用分为 3种情况来讨论。 1 对烧结砖瓦产品有益的矿物和混合物 碳酸盐尤其是方解石 ， 如果其颗粒较细且分布 螽 如 窿 纵 E C H N O 横 L O G Y 均匀 ， 可用来生产普通烧结砖。如果处理方法得 当， 也可生产出优质产品。 氧化铁 、 氢氧化铁等含铁矿物是一种使 产品呈 红色 或青灰色 的强着色剂。 绿泥石 、 白云母具有使产品在焙烧 的早期 阶段 形成玻璃相等许多的有益影响。但是 ， 如果其颗粒 尺寸较粗大时 ， 会在挤出成型过程 中引发有 害的挤 出分层现象。 其它较少 见的微量粘土矿物一般对 产品的性 能影响不大。 蒙脱石最高含量达约 3 ％时是有益的 ，它可提 供混合料有足够的塑性。若同时在原材料 中含有大 量细颗粒 的且分布均匀的方解石时 ， 则蒙脱石 的最 高含量可允许 达到 1 0 ％。在最近的有关研究 中指 出， 蒙脱石在其它条件具备 时， 其最大含量可达到 1 5 ％。 因蒙脱石含量过大时会导致过大的干燥收缩 ， 而使裂纹的危险性增高。 无定形物质 水铝英石 对早期烧结有利 ， 但另 一 方面它又会引起非常高的收缩 。在风化凝灰岩和 某些热带熔岩 中， 它们有时是仅有的粘土矿物 。 浮石 、 火 山灰和某些熔渣 如煤渣 在原材料 中 的含量达到约 3 0 ％时 ， 能够促进坯体的烧结过程。 少量的碳氢化合物有助于节约燃料。 2 对烧结砖瓦产品生产工艺和质量呈 中性的 矿物和混合物 在烧结砖瓦产品通常的烧成温度下 ， 长石一般 不起助熔作用。 闪石 角闪石及透闪石 、 辉石 普通辉石 、 斜辉 石 、重矿物和许多其它矿物在烧结砖瓦原材料中 只不过起 着 惰性填 充料 的作用 。 砂粒大小的岩石碎屑 ，如果不含有碳酸盐 ， 一 般也只起着填充料的作用。 3 对烧结砖瓦产品有害的矿物和混合物 原材料中含量高于 3 ％ 1 0 ％的蒙脱石易于引 发干燥故障 如裂纹等 。 云母 特别是粗颗粒 在坯体挤出成 型过程 中 易于形成分层。 碳酸盐 ， 尤其是粗颗粒 的石灰石团块 只要颗 粒直径大于 0 ． 5 m m ， 在成品中会引发石灰爆裂。 大块的岩石残屑往往难以破碎。 当原材料中存在大量的有机物 或可燃物 时 ， 将易于导致烧成砖中出现还原心 黑心 。少量的胶 体有机物质常常影响着原材料的塑性。 爹 黪 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 S 科 C I E N C 技 E I， 纵 E C H I O 横 t O G Y 知 原材料 中夹杂的植物根茎及木质残片 ， 会给泥 条切割带来困难。 原材料中的黄铁矿、白铁矿使烟气中 S O 的浓 度增大 ， 排放后会造成大气污染 ， 如用含 S 0 的烟气 干燥坯体则会引发干燥泛 白或成品泛霜的问题。 石膏同样会增大烟气中 S O 的含量 ，如果未分 解而残留在制品中。 则会引发泛霜。 氯化物 N a C 1 等 ， 即使其含量低于 1 ％， 也能引 起窑炉操作出现严重 困难。 硫酸盐 ， 特别是镁及钠的硫 酸盐 ， 可引发制 品 严重的泛 白或泛霜 ，而且也常引起制 品冻 害的出 现 。 原材料中的氟化物 。 会造成显著的氟扩散污染 问题 。 近百年来大量的研究表明 原材料的矿物组成 对烧结砖瓦生产工艺及成品性能有着决定性 的、 广 泛的、 程度不同的各种影响。首先是对成型、 干燥及 坯体性能的影响 ，其后是对焙烧及产 品性能 的影 响 但是 ， 在矿物组成与烧结砖瓦工艺之间关 系的 研究方面， 迄今 为止 ， 仍然还存在有大量 的未知 区 域或者说是没有完全弄清楚的问题 。而对这一领域 的研究 自从 1 8 9 5年 x 一 射线方法被伦琴发明后 ， 就 孕育了对这一领域的科学革命。1 9 3 0年 ， L波林收 集了前人 的研究成果 ， 经归类整理和研究 ， 推演 出 了粘土矿物的晶体结构 ． 奠定了烧结砖瓦工业科学 革命的基础 ， 从而使烧结砖瓦工业第一次认 清了研 究 的对象。在矿物学与烧结砖瓦产品生产的研究领 域中 ， 做 出了杰出贡献 的人士有 美 国学者布 罗奈 尔 B r o w n e l l ， 1 9 7 6 ，西 欧 学 者伊博 格 I b e r g ， 1 9 7 1 、彼 特 P e t e r ， 1 9 7 2 、穆 曼 塔 哈勒 Mu m e n t h a l e r ， 1 9 7 2 、 佩 措 尔德 P e t z o l d ， 1 9 7 9 、 欣 茨 H i n z ， 1 9 7 9 、 施 泰 格 米 勒 S t e g mt i l l e r ， 1 9 5 6 、 施 泰 恩 S t e i n ， 1 9 8 0 、斯 蒂 芬 S t e f a n V o g t ， 2 0 0 3 ～ 2 0 0 4 、 利金娜 R e g i n a V o g t ， 2 0 0 3 ～ 2 0 0 4 等。 1 3 ． 3 原材料 中矿物组成对成型、干燥及坯体性能 的影 响 虽然烧结砖瓦原材料的塑性 、 成型含水量及干 燥特性主要与 1 ra m 在焙烧过程 中不能完 全被转化成为硅酸钙 ，以 C a O形式 留在成品中， 此 后会发生水化 和碳化而导致体积膨胀 ， 由此而来会 造成有害的石灰爆裂。 1 3 ． 5 ． 9白云 石 在 原材 料 中发 现 的 白 云石含 量 非 常小 ， 通 常少 于 5 ％。由白云石分解生成的 Mg O可溶解于熔融体 中， 提高 了熔 融体的粘度 ， 从而 向高温延伸 了烧成 温度。仅在超过 1 I O 0 C 的高温时 ， 相对较高含量的 白云石才会引起显著的焙烧收缩。 焙烧线收缩率／ ％， 1 0 8 0 C 图 8 0 侏罗纪页岩中 C a O含量与焙烧收缩之间的关 系 施泰恩等 ， 1 9 8 0 图 8 1 白垩纪页岩经 1 0 0 0 ℃焙烧后的吸水率与 Ca O含量 之间的关 系 施泰恩等 ， 1 9 8 0 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 常短时间 的焙烧 或是说高含铁量的原材料不太适 应于还原焙烧 。 1 3 ． 5 ． 1 1 有机物质 有机物质如煤和碳氢化合 物一般存在 于深灰 色、 黑色或青灰色原材料 中， 而在灰色或浅灰色 原 材料 中较为罕见。在红色或黄色原材料中一般不存 在这类有机物。原材料 中的碳氢化合物可明显地节 约焙烧能量。例如英 国弗莱顿 F l e t t o n 的粘土中含 有 5 ％的有机物， 用该粘土烧砖时， 仅需要添加平常 焙烧能耗的 1 5 ％～ 2 0 ％，也就是说可节约焙烧 能耗 8 O ％～ 8 5 ％。有机物是产品形成“ 黑心 ” 的直接原 因 图 8 2 ， 所 以在焙烧过程 中， 当坯体最初 出现液相 之前 ， 必须将坯体中的有机物完全燃尽。 木质材料及草 、 树根茎常出现于采掘的表层土 中 例如 沼泽地土壤 、 风化粘土层 等 ， 并影响着泥 条的切割 。在挤出泥条前可将它们加热 ， 使其脆化。 1 3 ． 5 ． 1 2 长石和其它惰性矿物 长石 和其它惰性矿物以及许多岩石残屑通常 在烧结砖瓦产品中仅起填充料的作用。它们不发生 反应 ．长石矿物直到焙烧温度超过约 1 2 0 0 C 时 ， 特 别是它们以细颗粒形式分布于原材料中时 ， 才会形 知识讲 座 成玻璃相。 Ⅱ 科 技 纵 横 5 ⋯ l c I Il f c 8 1 0 【 0 6 y 图 8 2页岩 中有机物含量与黑心形成之 间的关 系 用原材 料中的烧失量来表示有机物 的含量 。例如 烧失量 LO． I ． 9 ． 0 ％。 即表示有机物含量为 9 ． 0 ％ ； 施泰恩 ， 1 9 8 0 1 3 ． 5 ． 1 3 黄铁矿 白铁矿 黄铁矿 白铁矿 常存在于深灰 、 灰色 、 青 灰及 黑色原材料中 ，是烧结砖瓦产 品中有害成分 的来 源。黄铁矿 白铁矿 是形成还原黑心和几乎难以消 除的泛白 泛霜 的有害矿物 。黄铁矿 白铁矿 对窑 内气氛有着非常不利的影响。黄铁矿在焙烧中需要 的空气体积是同样 量煤燃烧 时所需 空气的 1 O ～ 2 O 倍 ． 当碳酸盐含量高时 ， 所需 的空气量还要更大一 些 切林 克特S c h l i n k e r t ， 1 9 6 3 。较大颗粒 的黄 铁矿将会在产 品的表面上形成点状熔斑。 黄铁矿燃烧 后主要生成 的产物是提高了烟气 露点的 S O 。 含有黄铁矿 白铁矿 的原材料 ， 焙烧烟 气中的 S O 和 S O 是难以避免的 ，因为坯体中所含 有 的硫必须排出 ， 以便能获得质量 良好的产 品。坯 体中的含硫量常在 0 ． 1 ％以下。此外 ， 燃料燃烧时还 会释放出硫 。烟气中大量的 S O 和 S O ， 在窑炉 的预 热带又可与坯体结合 杰普森和谢米德J e p s e n a n d S c h mi d t ， 1 9 7 7 。因 此 ， 由于硫 在 窑 内的 循 环过 程 ， 在最终产品中可能会存在着更高含量 的硫。当 使用 富石灰质原材料时 ， 将会引发十分有害的产品 泛霜 。 若使用含石灰质原材料 ，使用含 S O 和 S O 的 烟气干燥坯体时或采用含硫燃料加热干燥室时 ， 同 样会引发泛霜问题。 1 3 ． 5 ． 1 4 石膏、 可溶性硫酸镁 、 硫酸钠和硫酸钾 石膏 、 可溶性硫酸镁 、 硫 酸钠 和硫酸钾是原材 料中存在的另外的成分。然而这些硫酸盐也可以通 过与含 S 0 2 z - 和 8 0 4 2 - 溶液之间的反应生成 ， 例如来源 于黄铁矿的风化或是含 S O 或 S O ， 的烟气。可溶性 的硫 酸盐 ， 如果不用碳 酸钡 氯化钡 来处理 ， 则会 引起 砖 表 面 的泛 霜 ， 影 响 到产 品 的外 观 质 量 ， 甚 至 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 科 技纵 横 奏 ⋯ f l c [1⋯ l 0 【 0 6 y 一 由于泛霜盐的结晶压力使产 品出现最终的严重破 坏 。除了用碳酸钡进行置换处理外 ， 还需要特别谨 慎的焙烧操作 。在非常高的温度下进行短时间的还 原处理 ． 将有助于有害硫酸盐的分解 ， 使S O 和 S O 3 重新释放出去。 l 3 ． 5 ． 1 5氟化 物 根据现时的研究发现 ，氟主要存在于伊利石 、 蒙脱石及云母矿物 中 施密 特一S mi d t ， 1 9 8 0 ， 尽管 它在这些矿物晶格 中的结合形式还不完全清楚 。在 烧 结砖瓦原 材料 中的氟含 量大约为 0 ． 0 3 ％一 0 ． 1 5 ％ 之 间 施米特 ． 1 9 8 0 。 氟在约 4 0 0 C 的焙烧温度下开 始缓慢地逸 出，于大约 9 0 0 C以上时以较高 的浓度 逸 出。在坯体 中能够永久性地滞留氟的量则取决于 原材料的烧结特性 ， 例如在 8 0 0 ％以上的保温时间 、 坯体的气孔率以及窑炉内气氛中水蒸汽的含量等。 能够早期玻化 的原材料 ， 在坯体中可滞留住大量的 氟。缓慢的加热速率 、 高温下较长的保温时间及较 高的烧成温度 ． 都将会促使氟更高的扩散速率。微 孔砖 、 高孔洞率的砖或砌块 、 窑内高水蒸汽含量 、 烟 气 中高含量的 S O 、 S O ， 同样会促使氟的逸出。 但从 另一方面讲 ， 原材料中的碳 酸盐则增强了坯体 中氟 的结合能力 ， 减少了氟的扩散。 需要说明的是 使用 X 一 射线衍射仪测定原材 料 中的各种矿物成分 ， 由于方法所限 ， 还不能准确 定量。另外一个因素是许多矿物的化学成分变化很 大 。在砖 瓦产 品的焙烧过程 中各种离子 的相互反 应 ， 对原材料进行可靠 的评价等 ， 故必须熟悉原材 料化学方面的知识 。 在描述原材料 的矿物组 成与工艺特性之间的 关 系时，已提到了一些有关 的氧化物的影 响参数 ， 因此 ． 在此 主要 说 明怎 样理 解 和在 实 际 中应用 化 学 分析的结果。 碱金属氧化物含量对原材料的烧结性能有决 定性的重要意义。较高含量的碱金属氧化物会引起 过早 的玻化 ， 增大了焙烧收缩 见图 8 3 ， 并能促使 还原黑心的形成。 如果原材料中含有非常少 的结 晶矿物 ， 那么就 应根据相图 ， 很好的研究焙烧过程 ． 以便选择最佳 的焙烧曲线。这种方法特别适用于无定形物质含量 较高的原材料 ， 因为根据矿物 很少 分析并不能判 断出这类原材料的工艺特性。 在烧结砖瓦厂设计前 ． 原材料 中各种有害成分 的确定特别 重要 如硫化物 、 氟含量 、 可溶盐 、 氯化 1 。 物、 钒含量等 ， 因为这些有害物质对工厂的工艺设 计影响很大。 焙烧线收缩／ ％， 1 I O 0 C 图 8 3碱金属 氧化物含量对焙烧收缩的影 响 施泰恩 ， 1 9 8 0 1 3 ． 6 使 用统 计方 法对 矿物 组成 与 焙烧性 能和产 品 性 能影 响 的研 究 在斯蒂芬 和利金娜 2 0 0 3 2 0 0 4年使用 数理统 计 的方法对原材料的矿物与生产工艺性能之 间关 系的研究 中， 对原材料矿物组成与焙烧性能的关系 进行了卓有成效的研究。 对砌墙砖而言 ， 其抗压强度很重要 ， 而对屋 面 瓦 ． 其抗折强度很重要。实际中对陶管是测定其顶 点抗压强度。在实验室的试验中 ， 测定抗折强度最 便宜和容易被重复的试验方法是用挤 出的试样 在 三点式弯曲抗拉试验设备上进行试验。伦琴波葛 R a t z e n b e r g e r 早 已指出了一些典型粘土矿物试样 在温度梯度炉中焙烧后强度的发展 表 3 9和图 8 4 中表示了在温度间隔为 I O 0 C 时各单一矿物抗折强 度的统计分析系数 。 直到温度达 I O 0 0 C 时 ， 高岭石的特性几乎是惰 性的。在 1 I O 0 C， 高岭石也没有显示 出其强度的增 高 ， 然而事实上是强度降低 了。因此 ， 在烧结砖瓦坯 体 中高岭石表现出开放剂 的特性 ， 更不是一种烧结 剂。耐火粘土从大约 6 5 0 C 起显示出密实度的增加 ， 然而 ， 其后增加也 比较小。 像其 它粘 土矿物一样 ，类云母型粘土矿物在 5 0 0 7 0 0 C 之 间． 与干燥抗折强度 比显示出明确的强 度损失 ， 这与化学结合水的排出是一致的。海磷石／ 海 绿石从 6 0 0 C 开始 就显示 出了相对较低 的密实 度，在 8 0 0 C 时海磷石／ 海绿石就达到了最大强度的 6 0 ％． 温度为 I O 0 0 C时达到最 大强度。伊利石达到 7 0 0 C 后强度开始增加 ， 在 9 0 0 C 时达到最大。白云 母在 9 0 0 C 时降低了强度 ， 其作用是一种开放剂 ， 在 1 0 0 0 2 时又提高了强度 ， 但是在 1 1 0 0 2 时又再次显 著地降低了强度。 蒙脱石与高的干燥抗折强度 比较 ， 在焙烧过程 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 ； 1 0 I f 月0 f l l 月 月 U 【 ui 莲 罐 表 3 g 各 温度 阶段下焙烧后 抗折 强度 f B F 统计分析系数 矿物／ 组成 B F 3 o o ℃ B F 5 o o ℃ B F 6 0 o ℃ B P 7 o o ℃ B F 8 0 o ℃ B F 9 o o ℃ B F 1 O x J ℃ B F 1 1 o o ℃ 褐煤 ’ - 0 -4 9 O 7 0 ．0 3 3 3 0 ． 1 8 4 7 0 ． O 6 6 9 - 0 ．3 7 3 4 - 0 ．6 4 6 4 - 0 ． 2 1 0 7 - 0 ． 8 7 0 7 木材 - 0 ． 0 2 5 4 0 ．0 1 5 3 0 ．2 4 8 7 0 ． 2 O 4 l - 0 ．3 1 7 4 1 ． 3 5 9 5 - 1 ． 7 5 8 - 0 ． 3 6 8 4 纸 - 0 ． 2 1 2 1 - 0 ． 7 5 1 9 - 0 ．2 1 8 4 - 0 ． 4 2 2 2 - 0 -8 1 2 6 1 ．9 9 9 8 - 2 ． 3 6 1 2 - 2 ．5 4 9 8 聚苯乙烯 0 ． 4 6 7 9 9 - 5 ．8 0 7 5 2 ．9 9 3 6 4 ． 1 9 3 1 - 5 ．5 5 4 8 - 1 2 ．3 3 2 9 1 7 ． 5 6 1 1 ．9 6 7 3 高岭石 - 0 ． 0 1 8 8 - 0 ． 0 0 4 9 0 ． 0 1 1 8 0 ．0 o 6 1 - 0 ． 0 6 5 6 0 ．046 7 0 ． 0 3 1 2 - 0 ．2 5 1 4 耐火粘土石 0 ．0 5 1 6 0 ． 0 2 9 8 - 0 ．o o 5 6 0 ．0 2 2 1 0 ． 8 4 7 0 ． 1 4 7 4 0 ． 0 3 5 4 0 ．2 6 3 4 多水高岭石 - 0 ．0 1 9 9 - 0 ． 2 1 2 6 0 ． 1 1 7 1 0 ． 0 3 3 2 0 ． 1 8 1 6 - 0 ． 5 2 8 0 ． 0 4 0 6 1 ． 4 6 5 5 白云母 一 0 ． 1 0 2 2 0 ． 0 3 o 4 0 ． o o 3 1 - 0 ．O 4 3 8 0 ． 1 9 7 8 - 0 ． 0 2 5 7 0 ． 3 6 1 5 - 0 ． 5 2 3 3 伊利石 0 ． 1 3 6 1 - 0 ．0 3 4 4 - 0 ． 0 4 0 4 - 0 ．0 3 2 4 0 ．2 5 3 0 ．7 4 7 5 0 ． 5 6 6 9 0 - 8 5 o 9 海磷石／ 海绿石 0 ． 0 3 8 6 - 0 o o 5 7 0 ．0 2 1 2 0 ． 0 5 2 0 ． 1 7 5 3 0 ．2 3 5 7 0 ． 3 0 5 6 0 ．0 2 5 1 钙基蒙脱石 0 ． 2 6 0 7 0 ．2 4 6 8 0 ． 1 7 4 6 0 ． 2 1 2 7 0 ． 3 3 2 5 0 -3 9 4 4 0 ．3 5 0 5 0 ．3 4 7 2 钠基蒙脱石 0 ． 2 4 6 2 0 ．2 3 3 9 0 ． 1 6 5 4 0 ． 2 1 2 9 0 ． 3 0 9 5 0 ． 1 3 5 4 0 ． 1 2 3 3 0 ．2 2 4 2 蛭 石 - 0 ． 4 1 5 6 - 0 ．0 8 1 2 - 0 ．0 8 2 5 - 0 ． 2 9 9 2 0 ． 1 8 8 9 0 ． 5 4 7 4 - 0 ．0 1 4 1 - 0 ．0 3 8 6 绿泥石 0 ． 0 0 4 - 0 ．0 3 5 4 0 ． o 9 0 ．0 o 5 5 0 ． 0 6 7 1 0 ． O 9 3 7 - 0 ．0 1 5 9 0 -3 3 4 9 石英 0 ． o o 3 9 0 ． o o o 4 0 ． o o 3 9 - 0 ．o o 5 - 0 ． 0 1 8 6 0 ． O O 4 3 0 ．0 5 2 6 0 ． 1 8 6 正长石 0 ．0 8 2 1 0 ． 0 5