高强陶粒技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

陶粒生产工艺在原料处理、配料、成球和成品处理等工序上，世界各国的做法都基本相同。当前国内外陶粒生产可分焙烧型和养护型两类。焙烧又可分为立窑法、烧结机法、回转窑法、水窑、窑箱式烧结法；养护又可分为自然养护、蒸汽养护和发泡蒸汽养护。

采用立窑法生产陶粒的优点式产品质量好、热效率高、燃料消耗少、生产成本低。缺点式主机产量低、对原材料要求条件高。易在窑内结炉二影响正常稳定生产，20世纪60年代末世界各国已淘汰此法。

采用烧结法生产的优点是主机产量大、生产效率高、产品质量较好、生产控制方便灵活、无结窑、易于稳定生产、原材料要求不严。缺点是只能烧结不能烧胀，机上产品产量不均衡、不稳定、设备占地面积大、基建投资大。

采用回转窑法生产，主要优点是即可烧结，也可烧胀。用同一套装置，通过不同配方和焙烧制度，可分别生产高强陶粒、超强陶粒或结构保温陶粒。这是烧结机法和立窑法无法做到的。其次回转窑可露天设置，土建投资明显节省。主要缺点是以粉煤灰为原料生产陶粒时，对粉煤灰化学成分要求较严、粘结助熔剂搀量多（超轻型30％－70％，高强型20％－30％）、热耗大（比烧结机大1倍）、外加剂掺入的品种多、配比严、单机产量小、焙烧控制较难、经验不足、窑内易产生结块、结圈、生产成本比烧结法高（20％－30％）。

采用窑箱式烧结法生产，主要优点是主机产量大，对原材料要求不高，可使用电厂囤积多年的灰；粉煤灰掺杂量高达85％－90％，通过不同的配方和焙烧制度，可生产高强陶粒。而且窑箱式烧结法无需助燃，大大降低了生产成本，是目前市场上处理粉煤灰最有效最便捷最节省能源的方法之一。

第二节 产品工艺特点或流程

1、高强陶粒技术要求

根据《轻集料及其试验方法》GB/T1743111—1998新标准,高强陶粒是指强度标号不小于25MPa的结构用轻粗集料。其技术要求除密度等级、筒压强度、强度标号、吸水率有特定指标外,其它指标(颗粒级配、软化系数、粒型系数、有害物质含量等)与超轻陶粒、普通陶粒相同。用回转窑法生产的粉煤灰陶粒、页岩陶粒、粘土陶粒均可达标;国内外烧结机法生产的粉煤灰陶粒,筒压强度和强度标号均可达标和超标,但吸水率除采取特种措施(增加粘结助熔剂掺量等)外,难以达到≤15%。尽管国内学术界对高强陶粒的吸水率尚有争议,从我国当前情况看,采用回转窑法生产高强陶粒是较佳途径。

2、生产高强陶粒基本原理

我国生产陶粒已有40多年历史,应用广泛,总的来说重的陶粒好烧,原料要求较低;轻的陶粒难烧,原料要求很高。但是要生产高性能的高强陶粒绝非易事,因为高强陶粒球内不能是一个密实体,而应含有大量均匀分布的微孔,否则堆积密度无法达标;同时球粒基本由高强度的玻陶体组成,表层较厚、裂纹较少,以确保提高颗粒强度、降低吸水率。

基于上述要求,宜选用中低膨胀性原料,膨胀率115～2为宜。多数原料需掺加适量外加剂:增加强度类主要有粉煤灰、煤矸石、硅藻土、高岭土等;降低焙烧温度类主要有黄铁矿、含铁废渣、石灰石、白云石、其它碱性物等;扩大软化范围类主要有钠及钾盐类、耐火粘土(又提高焙烧温度)等。

混合料的较佳化学成分:w(SiO2)=55%～65%、w(Al2O3)=18%～25%、w(Fe2O3+FeO)=6%～10%、w(CaO+MgO)=4%～6%、w(K2O+Na2O)=2%～5%、烧失量3%～5%。与一般超轻陶粒、普通陶粒原料相比,高强陶粒混合原料中Al2O3含量高3%～10%、Fe2O3+FeO含量高2%左右、K2O+Na2O含量高1%～3%、烧失量低2%～5%。由此,平均焙烧温度也需提高50℃左右。

同时,焙烧制度也需作相应调整。为了控制中低膨胀率、增加玻陶总量和球粒表层厚度,应将惯用的快速焙烧制度适当减缓。一般情况下,料球在窑内的干燥、预热时间延长10min左右,高温焙烧时间延长约5～8min。

陶粒的冷却制度也影响陶粒强度,对高强陶粒尤为重要。理论和实践证明,陶粒在700～400℃会产生晶格转变而导致体积变化,在游离SiO2含量较高的情况下尤为突出,此温度区间必须缓慢冷却。1000～700℃和400℃以下可以快速冷却,以提高冷却效率。

3、生产方法

3．1料球制备

根据原料不同,料球制备方法差异很大。现以粘土、页岩、粉煤灰为主原料的料球制备方法介绍于下。

（1）以粘土为主原料时,据其化学成分和矿物组成,一般需掺加粉煤灰和少量助熔剂。掺加粉煤灰是为了提高强度,掺加助熔剂可适当降低焙烧温度。助熔剂需预先干燥、磨细。三种料经计量配比、混练搅拌、辊筒制粒、二次制粒筛分后直接送入窑尾。此工艺简称为掺料塑性制粒法,料球含水率～18%,最高22%;混合料塑性指数8～15,最高17;料球粒径8～15mm。如果粘土中无枝条状或大硬块杂质,也可采

用挤出钢丝切割制粒机,此法料球密实,利于提高陶粒强度,但必须是干净粘土,否则会经常出现堵孔停产现象。

(2)以页岩为主原料时,通常有两种办法:一是破碎筛分法,将页岩破碎、筛分、贮存、计量后直接送入窑尾。通过调节焙烧制度也可生产高强陶粒,但受原有化学成分和矿物组成限制,难以生产强度标号30MPa以上的陶粒,而且页岩破碎时<4mm的细料约占20%～30%无法利用;二是磨细成球法,将页岩破碎、烘干、磨细,掺加适量粉煤灰或煤矸石粉和少量助熔剂粉,经计量配比、预湿搅拌、园盘成球机制粒后送入窑尾。通过调节配方和焙烧制度可以生产出各种强度等级的高强陶粒,成球水分15%～18%最高22%,Φ(粒球粒径5～15mm,料球质量密实度、粒型系数、颗粒级配等较好。

(3)以粉煤灰为主原料时,需掺加较多的粘结助熔剂页岩、粘土、煤矸石等,一般应大于25%,以防止料球在窑内滚碎。由于大多数粉煤灰中AlO含量较高多数在20%～35%,为有效降低焙烧温度,需掺加较多量的助熔剂含铁废渣或黄铁矿石、石灰石等,一般2%～5%不等。料球制备也采用与上述类同的磨细成球法:计量配比、混合磨细各种配料混合磨细或部分粉煤灰混合磨细、预加水搅拌含水率10%～12%、园盘成球机制粒后送入窑尾。因粉煤灰掺量多,成球效率低,成球机产量明显下降,同时为确保颗粒级配,宜选用2台或2台以上园盘成球机。

根据理论和实践经验,以粉煤灰为主原料的陶粒强度最高,其次为页岩陶粒、粘土陶粒。当然可以改变配方适当调节。但在同等堆积密度时,AlO含量高的陶粒,强度相应提高,原因在最佳焙烧温度范围内形成了较多强度较高的CaO•AlO•2SiO玻陶相。

3．2焙烧

按常规,料球制备采用塑性制粒法和磨细成球法的,因料球含水率较高(～18%)宜采用双筒回转窑;料粒制备采用破碎筛分法的,因料粒含水率较低(<5%),可采用单筒回转窑。两窑相比,双筒回转窑对调节物料在干燥、预热和焙烧带的停留时间和相应的焙烧制度更为有利,但其构造相对复杂,设备重量和造价比单筒回转窑高,漏风和维修量也相应增加。双筒回转窑有高差式和插接式两种:前者前后两窑高差较大,使窑尾标高增高约115～2m,配套设备和土建工程费用明显增加,联接两窑的中间烟室漏风多、热损失大、导料槽易烧坏,在国内外已呈淘汰趋势;后者是当前国内发展最快的先进窑型,缺点是两窑插接处(插入深度400～800mm)有一定漏风和扬尘,需设置高性能的转动密封装置。双筒回转窑两窑的安装斜度相同,均为4%左右,各有独立的传动装置,一般配用YCT电磁调速三相异步电动机。调速范围:干燥预热窑一般1～3r/min,焙烧窑一般112～316r/min。生产时通过遥控电动调速求得物料在两窑内的最佳停留时间。

由于高强陶粒的焙烧温度较高,焙烧时间也比超轻和普通陶粒长5～8min,其燃烧装置也应作适当调整。以煤粉燃料为例,应将喷煤嘴向窑内多伸入300～800mm,适量增加一次风机的风压和风量,改用长火焰的喷煤嘴,使煤粉喷出速度自30～40m/s提高至40～50m/s,并适当调节阀门增加窑尾抽力,使燃烧火焰长度从原来的2～3m延长至3～4m。

3．3冷却

从窑头卸出的陶粒温度约900～1000℃,如直接卸入空气中或水池中急冷,会明显降低陶粒强度。因此比较正规的陶粒厂都配有陶粒冷却机。国外常用的有多筒冷却机、单筒冷却机、竖式冷却机、分层冷却机、篦式冷却机等,国内常用的有单筒冷却机、摇运冷却机和竖式分层冷却机等。

篦式冷却机和摇运冷却机属通风型和空气快冷型,不利于陶粒强度。多筒冷却机和单筒冷却机属自然通风缓慢冷却型,有利于陶粒强度,但散热效率低、卸料温度高(200～300℃)、热利用率低。竖式分层冷却机也属通风型冷却,但实现了陶粒1000～700℃、400℃以下快冷,700～400℃缓冷(用热风冷却)的最佳冷却制度,冷却效率高(约25min)、卸料温度低(机外气温～50℃)、陶粒余热利用率高(排出的热风300～400℃,部分用于烘干碎煤或原料,部分送入窑内作一、二次热风)。是目前国内外最先进的陶粒冷却机,用于高强陶粒生产线更加显效。

3.4破碎筛分

高强陶粒的破碎筛分工艺无特殊要求,但应尽量避免将大块烧结料破碎筛分后混入,以确保高强陶粒的匀质性和高性能指标。

4、总体方案

据国内外数十年实际应用情况,高强陶粒主要应用于高层框架建筑和大跨建筑、桥梁工程、高级道路工程等。据1999年笔者考察了解,美、英等发达国家陶粒的实际应用比例为:陶粒砼砌块60%～70%,采用超轻陶粒和普通陶粒;陶粒结构砼及制品约20%,其中砼板材墙板、楼板、屋面板等占12%～15%一般采用普通陶粒,现浇高强陶粒砼占5%～8%采用高强陶粒;其它应用10%～20%,主要有填料房屋底层填料、隔热保温填料、各类挡土墙回填料等、园艺和花卉、声屏障吸声制品、隔热耐火制品、过滤剂化工用品等,一般采用普通陶粒和超轻陶料。在陶粒总量内,高强陶粒的生产和应用不足10%。

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

1、合理调整产业结构，发展高强陶粒。根据轻骨料的特点，提高陶粒砼的配制技术，切实解决其“高不成、低不就”的质量状态和售价过高等制约发展的因素。

2、建立一套完整的质量保证体系，确保工程质量，为在软土地区、抗震设防区和碱集料多发区大量推广应用作必要的技术准备。

3、开发烧结机系列产品。

陶粒 行业 在我国虽已有40余年的生产实践，但在20世纪90年代初期，陶粒 行业 尚无定点的生产设备厂家和专用的生产设备，这在一定程度上制约和影响了陶粒的发展。自1997年设立了回转窑工艺生产设备定点厂后，为页岩、粘土陶粒的生产迅速发展提供了条件。因此，在发展粉煤灰烧结机工艺时，应吸取上述经验教训，尽快开发适合国情的烧结机系列产品，组织烧结机为主的配套设备定点厂，促使和保证粉煤灰陶粒的普遍发展。
 

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