浅论煤矸石制砖

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前言

通过近十五年，在不同地域的利用煤矸石制作建筑材料和路面材料，尤其是煤矸石烧结砖，发现煤矸石的种类及其所占比重的不同，直接影响烧结的产量、质量、对设备及其配件的磨损程度明显不一样。

    进一步将对所在企业的利益影响很大，甚至怀疑是设计单位的设计水平和操作人员、管理人员的能力造成的，这是我经历的；通过不同矿的煤矸石比较发现是原料的直接影响。

我认为把煤矸石分为以下几种：

（1）泥质页岩煤矸石、

（2）碳质页岩煤矸石、

（3）砂岩质页岩煤矸石、

（4）砂岩煤矸石、

（5）石灰岩煤矸石。

以往设计院在可行性研究报告和初步设计时，通常以化学分析后的氧化物成分所占的百分数，来分析原料的可行性。

这样会带来偏颇，例如在唐山有一砖厂，利用本矿的煤矸石，开始两年生产很不正常，就调整设备筛网孔径变小、机口、机头、窑炉的控制，但是依然如旧；通过调换原料后有了很大的改观，窑炉的运行速度较原来提高了40%，设备逐步恢复原设计，设备磨损降低了仅二分之一，产量到年底超设计20%，当年仅通过十一个月原料调换利润实现了零上运转，减亏200万元。

到来年2月、3月建材公司为节省采购资金而不外购好的煤矸石，又利用本矿煤矸石生产烧结砖，通过实践窑炉温度一路走低，窑炉运行速度明显由90分钟∕车降低到120分钟∕车。为了保证窑炉的温度和运行速度，被迫在窑炉上加外燃—煤，但还是较以前这两个月的产量，下降近二分之一，分析原因后又一次证明是原料的作用造成。

    另外，这五种分类在矸石堆就一目了然，清清楚楚的看到、摸到；而以氧化物为代表的比较，看似分析彻底。但是通过化学分出来的各种氧化物，你是看不见摸不到实物的，再者不同种类的煤矸石中各种氧化物所占的百分数比较接近，这对初次办厂在选择煤矸石上是个考验，选好则厂兴。

    原因所在?在砖瓦行业里，大家一致认为：原料是根本；成型是基础；干燥、焙烧是关键。

下面就煤矸石原料做一简单分析，结合个人实际工作中的体会，谈几点看法如下：

    1.煤矸石的种类与设备的磨损关系

    煤矸石是煤炭的伴生物，由于煤的成因环境不同和发育时间的长短，形成不同的煤种，同时距地表的深度也不一，这样煤矸石也不一样。页岩类的煤矸石是由页岩本身的特性所决定，层理清析，层理间结构松散。页岩类的煤矸石属于粘土矿物，其中含有如高岭石、蒙脱石、水云母、拜来石等外，还含有如石英、长石、云母等和自生矿物如铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等。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。页岩类的煤矸石具有页状或薄片状层理，用硬物击打易裂成碎片。是由极细的粘土、泥质，经过紧压固结、脱水、重结晶后形成的，具有薄页状层理构造的粘土岩。与粘土有着相似的化学成分，硅、钙、铝、铁化合物占总成分80%以上。

因其硬度不高，易破碎，容易加工，加工后的颗粒主要是球状形式存在，所以在设备上破碎是很容易的，对设备的磨损周期长，在搅拌摩擦、挤出摩擦上是以滚动摩擦为主，摩擦阻力小，对搅拌配件磨损程度低；原料生产的产量和成型的产量在同等条件下能高出设计20--30%。而砂岩质煤矸石和石灰岩质煤矸石引起结构致密，不易粉碎，粉碎后大都带棱角颗粒存在，为了达到能成型目的，必须刻意采取措施即控制筛孔直径或筛网孔径，原料的产量受到限制，粉碎后原料在搅拌和挤出时大都以滑动摩擦形式进行，固然对设备磨损大。

    2.煤矸石的种类与干燥、焙烧的关系

    干燥过程纯系物理变化过程，而焙烧过程是改变了原材料中矿物组成的物理——化学反应的综合过程，因此也是非常复杂的过程。焙烧中形成了新的矿物相，一般也会有液相的产生，液相在冷却时凝固成为玻璃相。这些转化的形式和范围取决于原材料的矿物成分、颗粒组成、化学成分；焙烧时的升温速度、焙烧温度、高温范围内的保温时间；以及制品的形状、窑内气氛和蒸汽压力等。

    在砖生产中，焙烧是关键的环节。产品质量的好坏，最后决定于焙烧工序。为了保证产品的产量、质量和隧道窑的稳定操作，在烧成过程中必须有合理的烧成热工制度，即适合于制品矿物组成特点的温度制度，适合于制品烧成要求的气氛以及压力制度。

    2.1烧成过程的几个阶段：

    2.1.1干燥及预热阶段(20--400℃)：这个阶段主要是排出坯体中的纯机械结合的孔隙水、分子吸附水等，但应避免坯体脱水过快，要控制升温速率，否则会引起坯体炸裂。

    2.1.2加热阶段(400--900℃)：在400--700℃范围内，坯体中矿物将失去其大部分化学结合水。在500℃前可提高升温速率，但在573℃时，坯体中的石英由β—石英相变为α—石英，同时体积增大。为避免由于石英突然膨胀使产品产生微细裂纹的恶果，必须减缓加热速率。600℃以后可以提高加热速率。

    2.1.3烧成阶段(900℃至最高烧成温度) ：在烧成阶段中，除了在低温下就已经开始的固相反应继续进行外，还发生颗粒的熔融、烧结以及新结晶相的生成等高温变化过程。与此同时，产品的颜色形成、强度增长。坯体必须达到的烧结程度不仅取决于烧成温度高低，还取决于高温作用的时间。

    2.1.4冷却阶段：最高烧成温度至出窑温度为冷却阶段。烧成温度至600℃冷却很快。由于在温度573℃时，α—石英在瞬间转变为β—石英，并伴随体积的收缩，因此，400--600℃范围内必须缓慢冷却，避免制品产生裂纹。400℃以下，对于多数原料很少表现出对快速降温敏感的性能。仅在较高烧成温度和较长保温时间情况下，部分石英转变为方英石。方英石在230℃发生快速体积收缩。

    2.2热工制度的确定原则：根据制品的烧成工艺过程，可以制订一个合理的热工制度，以便设计和操作时有所遵循，使工艺要求得以满足。隧道窑的热工制度，从理论上说可以根据制品各阶段的物理、化学反应过程制定。

但是由于煤矸石烧结砖产品的煤矸石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、中性和有害的三种矿物和混合物。原材料中的主要矿物有高岭石、伊利石和石英。

用上述三种矿物，或是仅用石英和其它两种矿物中的任一种，若颗粒组成适当时，就可生产出优质的烧结瓦产品。这就要求根据不同的原料制定不同的烧成制度，根据在唐山和与张家口不同区域以及同地方不同煤矸石，而制定的烧成制度其产量、质量有很大的不同，

其关键点：

（1）在相同热值的情况下，着火点不同，前三类煤矸石在加热阶段，于600---650℃就能着火（明火），且升温迅速，燃烧速度，这样利于在高温阶段烧尽本身的燃料，确保冷却阶段没有明火，避免有明火的成品遇到强冷风而急冷炸裂；有利于进车速度的加快和常量的提高；而后两种煤矸石的着火点通常在800℃左右，不利于稳定产量；

（2）由于其矿物成分的不同在页岩类的煤矸石烧结过程中，易形成均匀的颜色，砖坯本身由于烧结而使砖坯内部的颗粒燃烧、熔融，出现起稳定作用的新相体结晶物，这样产品不会变形。因后两种煤矸石的着火点高，容易出现用较高的烧成温度进行较短时间的焙烧，往往会降低产品质量，产量也难以控制。带来的直接后果就是对产品质量的损伤，增大了黑心、面包、压花砖出现的趋势，严重时会出现窑车上坯垛中下部的过烧，形成“大坨”。

砂岩质煤矸石矿物主要成分：石英；石灰岩质煤矸石的矿物主要成分：方解石、白云石等。

    烧成温度取决于原料矿物组成的种类、颗粒度组成以及助熔料的含量，绝大多数原料的烧成温度是：900--1150℃。这要求在煤矸石原料的选择上要下功夫。

    因煤矸石烧结砖是地方性建筑材料产品，加之其每块砖的利润较低，销售半径受到限制，而煤矸石烧结砖产品所用原材料也受到地域性的限制，不可能像其它产品一样大范围的采用配料方式来组织采购生产。

由于煤矸石烧结砖生产所用材料的多样性，这就给生产线设计时的工艺方案选择、设备选择、干燥和焙烧方式及干燥室和窑炉的结构形式等带来了在设计前解决的问题，解决这些问题中的关键是根据原材料烧结性能的测定及合理的焙烧曲线的制定。这一问题往往在投产前不被重视，造成在生产线调试过程中问题频出，加长了调试期，造成了不应该有的损失，在很大程度上影响着项目的正常投产运转及投产后的产品质量和产量。

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