陶粒原料的分类及陶粒的膨胀机理

陶粒矿石原料，系指用于制造陶粒的岩石，统称为陶粒页岩，但它包括：

1、沉积形成的粘土、页岩：油页岩、泥岩、粉砂岩等；

2、火山和火山沉积形成的珍珠岩、凝灰岩、凝灰质砂岩等；

3、由于上述岩石经变质而成的千枚岩、板岩等；

4、煤矸石、粉煤灰等工业废物。

其中煤矸石成分复杂，能制粒者多以页岩为主。在上述陶粒原料中，主要是页岩和粘土，其次为油页岩、板岩、千枚岩等。从广义来讲，这些岩石都属于粘土岩类。

从国内外的陶粒原料看，其产出时代和分布范围广，几乎大部分地区都能找到。我国目前使用的陶粒页岩主要属石炭、二叠、侏罗纪地层，其次为第三纪地层。多产于煤系地层中，适宜综合开采利用。陶粒粘土一般产于第四系，多在上更新统和全新统。陶粒油页岩产在某些地区的侏罗、白垩及第三纪地层中。

（二）陶粒的分类及陶粒的膨胀机理

1、陶粒的分类

（1）按使用的原料划分：有粘土陶粒、页岩陶粒、油页岩陶粒、煤矸石陶粒和粉煤灰陶粒等。

（2）按容重大小划分：

 ①一般容重陶粒：容重>400Kg／m³

 ②超轻容重陶粒：容重200～400Kg／m³

 ③特轻容重陶粒：容重<200Kg／m³

市场销售的陶粒一般按容重来分级，每个等级以100Kg／m³为一档，如700级陶粒的容重为610—700Kg／m³，800级陶粒的容重为710一800Kg／m³等。

（3）按颗粒大小划分：    

①陶粒：粒径>5mm

②陶砂：粒径<5mm

2、陶粒的膨胀机理

料球膨胀必须具备两个基本条件，一是在膨胀温度下能够产生合适的粘度和表面张力；二是与此同时产生足够的气体。

在达到膨胀温度时，料球内部的粘度须低到一定程度，使料球在气体作用下得以膨胀；但粘度和表面张力又不能太小，以防止形成的气泡破碎。料球表面应比其内部有较高的粘度，一方面防止料球内部产生的气体外逸，另一方面减少料球与料球之间粘结而形成大块。料球内部气体膨胀力在烧胀时应正好等于料球热塑时的表面张力。如果气体膨胀力过大，会造成料球破碎，气体外逸；膨胀力小，则不能烧胀。

陶粒原料的可膨胀性，是因其熔体有一定的粘性，并在焙烧时产生挥发性气体而导致的。可见陶粒原料发生膨胀主要受化学成分、矿物成分、物理性能和焙烧工艺等因素的控制。

（1）原料的化学成分，按其作用可分三类：

①成陶主要成分：有SiO₂和A1₂O₃，在原料中约占3／4，在高温下形成玻璃质熔体，一般当含量过高时，则熔点高、粘度大，膨胀性能变低；含量过低时，则影响陶粒的强度。

②熔剂氧化物：有Na₂O、K₂O、CaO、MgO、FeO，它们在成陶时起助熔作用，可以降低溶液的生成温度。助熔作用最强的是Na₂O、K₂O，其次是CaO、FeO。含量过高会使料球产生较多的液相物质，易发生粘结，甚至熔融；含量过低则膨胀性能变低。K₂O、Na₂O共存，效果较好，能在较低温度下就开始形成熔液，而在高温时熔液量增加得少。CaO、MgO和FeO使熔液生成温度高，且稍微提高温度，熔液量就急剧增加，故不是理想的成分。

③发气物质：它们是在高温时经过还原分解和相互作用产生H₂O、CO、CO₂和少量SO₃等气体的重要物质，它们能使主体物质发泡，是形成气孔膨胀的动力。发气物质主要有：

Fe ₂O₃(赤铁矿)—O ₂、CO ₂

FeS₂=(黄铁矿)—S、SO ₂、SO ₃

Fe₂O₃·nH₂O(褐铁矿)—O₂、CO ₂、H ₂O

方解石(CaCO₃)、CaMg(CO ₃)₂(白云石)—CO₂

CaSO₄(石膏)—SO ₃

C(碳)—O₂、CO₂

有机物—H₂、N₂、CO、CO₂

沸石—H₂O

其中起主要气体反应作用的物质是氧化铁和碳。

Fe₂O₃在氧化气氛中是稳定的，但在还原气氛中很不稳定。只要介质中含1％CO时，它很容易变成Fe₃O₄。在还原介质中，当温度低于570℃时，Fe₃O₄可直接还原为Fe，其还原顺序为：Fe₂O₃一Fe₃O₄一Fe。而当温度高于570℃时，其还原顺序则为Fe₂O₃一Fe₃O ₄一FeO+Fe。

料球内如果有适量的碳，就可以保证CO₂+C一2CO反应的存在。在高温下CO作为还原剂可以把高价氧化铁还原为低价氧化铁，甚至还原为金属铁，而同时放出CO₂又和碳反应，生成两倍于CO₂体积的CO。这样，气体的数量就会越来越多，使料球在高温热塑和外壳封闭的情况下膨胀起来。

原料的化学成分是决定料球致膨的重要因素之一。里列和威尔逊提出一个，以SiO₂—Al₂O₃—熔剂氧化物为三元系统作成的相图和适合烧成陶粒的化学组成范围(见图6—1)，他们认为虚线范围内的化学组成即SiO₂ 53—79％，A1 ₂O₃ 12—16％、熔剂氧化物8—24％的范围内都能烧成具有膨胀性的陶粒。

(2)原料的矿物成分  

矿物成分是膨胀的重要因素。粘土矿物伊利石、蒙脱石、沸石、绿泥石等都是致膨胀的有效矿物。丹麦人强调超轻陶粒的粘土原料必须以伊利石为主，次为蒙脱石，这些矿物颗粒细，含层间水或化合水，因此不仅对矿物微粒起松散作用，而且加热和高温过程中起着良好的助膨作用。

                 图6一1里列·威尔逊制陶粒原料化学成份范围图

（3）原料的物理性能

①粒度：愈细对膨胀愈有利，一般要求泥级颗粒占主要部分，因为这些泥粒多为粘土矿物，具可塑性、粘结性和吸水性，且离子交换能力较强，有利于吸水、成球、风干或烘干后保持一定的强度，颗粒细易于在热塑过程中发生化合作用。所以一般作陶粒的原料都是粘土岩、含粉砂或粉砂质粘土岩。含砂或砂质粘土岩，以及它们的变种如泥岩、页岩和板岩等。

②可塑性：原料的可塑性与陶粒的容重成反比关系。高膨性原料的塑性指数不低于25；中膨性原料一般不低于15。塑性指数小于15的原料膨胀性能差，原料可担性与料球的强度也低，对工艺操作不利。但可通过掺入塑性强的外加剂来予以改善，如北京门头沟煤矸石原料的塑性指数为7，掺入塑性指数为13的粘土，料球的强度明显提高。

③耐火度和软化温度范围：原料耐火度不能过高，若耐火度高，热塑时粘度就大，对膨胀不利；但也不能过低，若耐火度低，就容易造成粘结。一般耐火度以1100—1230℃为宜。软化温度范围指的是物料开始软化至熔融时温度的范围。软化温度范围愈大，膨胀温度范围也就大，对膨胀有利，也易于热工操作。原料中气体反应发生在软化温度范围内对膨胀才有意义。

（4）焙烧工艺

焙烧试验是决定矿石原料烧胀性能的重要测试手段，也是确定能否作为陶粒原料和评定矿床经济价值的重要依据。焙烧试验中每个工艺过程所采取的工艺数据和操作方法都对烧胀性能有影响。有时某个产地的原料在开始时烧胀效果不好，通过多次试验，分析原因和采取措施，最后能得到良好的膨胀效果。影响膨胀效果的焙烧工艺因素有：

①粉磨的细度：以通过4900孔／Cm²筛的筛余10～25％为宜。粒度太粗对烧胀不利，太细则增加成本，效果也不一定好。

②成球的水分：这和原料吸水性有关，抚顺、克拉玛依等地原料一般在6—22％，门头沟煤矸石为14％。在不影响湿球强度的条件下，成球水分稍高一点对膨胀有利。

③料球的粘结性：这与原料的粒度和含砂量有关。原料粗，砂质成分多，则粘结性不好，造成料球大量破损，形成较多的粉料和碎料，烧胀时易造成粘结。塑性差时粘结性也差，原料中加入适量塑性较大的粘土可以改善其粘结性。

④料球的预热：料球进入高温炉或窑内之前，一定要预热，否则容易破碎，烧胀效果不好。砂质原料易爆裂，粘土质原料不易爆裂。湿球爆裂温度为350—450℃，料球的预热速度要慢，预热温度300—400℃，预热时间10—20分钟。

⑤料球焙烧温度和时间：测定料球适宜膨胀温度范围和最佳膨胀温度时，要严格掌握焙烧温度，否则不易取得良好的膨胀效果。焙烧以快速达到最佳烧胀温度为好。烧成后要快速退出高温地段，一般焙烧时间6—10分钟。对含碳高的原料，要求在高温中停留稍长时间，以便除去多余的碳，有利于烧胀。

焙烧时窑内要保持氧化气氛，使料球表面形成Fe₂O₃，以求料球表面粘度比球内粘度要大，所以窑内要有足够的空气过剩系数。