陈红举1张红凯2胡永成3
1.河南省冶金研究所有限责任公司，河南郑州 450053
2.许昌电气职业学院，河南许昌 461000
摘要：以煤矸石为研究对象，在不同温度下煅烧煤矸石，利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及其电子衍射能谱（EDS）等方法进行表征，分析热处理后试样的物相组成、显微结构和微区成分。研究表明，煤矸石所含主要元素为Al、Si、O，微量元素为Mg、K、Ca、Mn、Fe等。当煅烧至1200℃，煤矸石逐步分解与合成，呈方石英-莫来石双相；当温度升高至1580℃时，二氧化硅转化为非晶，只有莫来石单一晶相。实验结果表明煤矸石经过高温煅烧可以转变为方石英-莫来石和莫来石耐火材料。 关键词：煤矸石；方石英；莫来石；耐火材料
中图分类号：TQ175.4 文献标识码：A 文章编号：1671-5780(2015)26-0225-02
1 引言
煤矸石是煤形成过程中与煤伴生的一种含碳量低的黑矿石，也是最大工业固体废弃物之一，煤炭工业的固体废弃物——煤矸石、煤泥等给煤矿企业造成的经济及环境负担日益严重。预计到2020年，届时煤矸石产生量将接近6亿吨。大量堆积不仅对环境造成危害，而且存在安全隐患。近年来，随着采矿科技的发展，采矿与环境可持续发展日益受到重视，绿开采和科学采矿成为必然趋势[1]。开发利用煤矸石，变废为宝，是当今科研人员解决煤矿废弃物难题的关键，目前煤矸石综合利用研究也有不少报导。
有许多科研院所都在煤矸石的应用上进行了大量的研究。煤矸石通过掺杂可以制备出方石英－莫来石耐火材料[3]，也可以加入添加剂直接制备出莫来石耐火材料[4]。本文研究了煤矸石煅烧后的试样，分析探讨了煤矸石所含主要元素成分为Al、Si，通过煅烧可以逐渐变为莫来石。莫来石是优良的耐火材料，在自然界非常稀少，一般采用合成方法取得，目前己成功采用多种原料合成莫来石，如Al2O3和SiO2，高岭石、高岭石和Al2O3、溶液凝胶、矾土和煤矸石。然而，对于煤矸石高温煅烧后的试样研究还很少见到报导。本文利用XRD、SEM和EDS对煤矸石高温煅烧后的试样进行深入地研究，分析了试样的物相组成、显微结构和微区成分。
2 试验
取河南某矿煤矸石，用去离子水冲洗干净，在烘箱内100oC干燥2小时后分为三份，分别用科晶KSL1700X高温炉，分别在600℃、900℃、1200℃、1580℃温度下煅烧3小时，煅烧后用用丹东通达（
TD-3600）X射线衍射仪对样品进行XRD分析，分析矿物成分及晶体结构。用JSM-6700F扫描电镜观察显微组织并采集元素能谱，进行成分分析，定量分析出各元素的原子数百分比。
3 结果与讨论
图1为煤矸石在室温25图1为煤矸石在室温25℃及在600℃、900℃、1200℃、1580℃下煅烧3小时后的XRD图谱。由图可知，在25℃时，煤矸石的衍射峰比较繁杂，对比XRD 标准卡片，对应于SiO2的PDF#73-0403，83-2300，80-2147，83-1827，85-0621，及莫来石三倍晶胞相（Mullite triple cell）Al5.33Si0.67O9.33（PDF#85-1460），另外还有一些未知峰，所以可认为煤矸石是由多种物质的混合物。在600℃和900℃时，衍射峰主峰(2θ＝21.4°)对应SiO2 (PDF#85-0621)，说明此时煤矸石开始分解，由于SiO2具有较高的熔点，Al元素还没有获得足够的能量与Si、O元素反应生成莫来石，Al元素一些化合物仍处于非晶态。当温度升至1200℃时，Al与Si、O反应生成莫来石，此时，煤矸石己经转变为二氧化硅和莫来石。从XRD图25℃及在600℃、900℃、1200℃、1580℃下煅烧3小时后的XRD图谱可以看出，莫来石相对应标准谱Al4.59Si1.41O9.7（PDF# 79-1455），SiO2相对应标准谱（PDF#27-0605），SiO2也发生了相变，由900℃时的正交相变为了四方相，此时试样称为方石英-莫来石相。在1580℃时，莫来石的衍射峰比较清晰，对应标准谱Al4.59Si1.41O9.7（PDF# 79-1455），各晶面指数如图1所示。二氧化硅衍射峰消失，但从图中可看出，在衍射峰2θ＝21.75°位置，存在一个包络线，据较早的文献报导[5]方英石SiO2的熔点1713℃，而在方石英+莫来石中的熔点为1545℃，此时可认为是二
氧化硅由晶体转化为非晶态，文献报导莫来石的熔点为1810℃，在1580℃温度下，煤矸石转变为莫来石，杨中正等指出在1500-1700℃的范围内，指出随着温度的提高，莫来石晶体发育会不断完善，可以用于耐火材料。
图1 煤矸石分别在不同温度（25℃、600℃、900℃、1200℃、
1580℃）XRD图
室温（25℃）下的煤矸石放大5000倍的SEM图像，颗粒比较均匀，直径在1-3μm之间。在SEM图中取三个测试点做微区分析EDS能谱，煤矸石富含Al（原子数平均含量16.45%）、Si（原子数平均含量24.08%），含有微量的K（原子数平均含量0.61%）、Ca（原子数平均含量0.12%）、Mn（原子数平均含量0.13%），关于C的含量，这里不作计量，因为在制样时样品表面喷涂有C层。结合XRD分析，可以认定煤矸石内含有的元素主要为Al、Si。
经过1200℃、1580℃高温煅烧后的样品放大5000倍的SEM照片，从SEM照片可以看出，随着温度的升高，颗粒直径在增大，与颗粒直径随温度升高而增大的规律一致。EDS 能谱表明样品富含Al、Si元素，这与XRD图谱的结果是一致的。样品中Al元素原子含量略低于Si元素，Al和Si的原子摩尔比约为2:3。从XRD图可知，由煅烧煤矸石制得的莫来石分子式为：[Al4.59Si1.41O9.7]，莫来石中Al和Si 的原子摩尔比约为3:1。另外，样品中含有SiO2，通过计算，样品中莫来石和二氧化硅的理论摩尔(mol)含量比约为1:6，质量比约为1:1，说明莫来石的含量较高。
莫来石是优良的耐火材料，理论上100%的莫来石可以由71.8%的Al2O3和25.4%的SiO2生成。本文煅烧煤矸石得到
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难、答疑解惑。把困难职工帮扶和送温暖工作相结合，矿各级工会管理人员定期进行家访，每月不低于
1次。同时，切实解决好职工的困难，及时慰问生病职工，形成“相互理解、相互关心、相互支持”的具有人文关怀的工作环境。
4 深入开展“五个一”创建活动
开展“社会公德、职业道德、家庭美德、个人品德”教育，提高全体职工文明素养。一是建立道德讲堂。矿每年开展四次道德讲堂，提高干部职工的道德意识和道德修养。二是建立志愿服务队。干部职工组成志愿服务队，将精神文明单位创建工作与学雷锋志愿服务活动有机结合起来。本着“关爱他人、关爱社会、关爱自然”宗旨，通过主动无偿帮助他人，传承雷锋精神传统，积极主动为矿井绿化美化、环境保护、文明低碳等方面服务。三是设立文明提示牌。充分利用OA邮箱、局域网、宣传橱窗、广播站等载体开展道德建设、文明建设、志愿服务文化宣传，突出“勤俭、敬业、诚信、友善”主题，常态化宣传“热爱祖国、生态文明、行为规范、传统道德”等。四是开展“文明餐桌”行动。营造餐桌文化氛围，倡导餐桌礼仪，提升节俭意识。引导职工在就餐时不剩饭、不剩菜，大力弘扬艰苦奋斗、勤俭节约的思想观念，培养节约粮食、尊重劳动的习惯，做到节俭用餐、安全用餐、卫生用餐和文明用餐。五是利用网络传播文明风尚。积极利用网络传播渠道，宣传文明道德风尚，展现干部职工文明风采等。加强社会主义核心价值体系和“中国梦”的宣传教育，认真组织“中国好人”、“安徽好人”道德模范推报评选等活动，在全矿形成“文明和谐、共建共享”的生动局面。
参考文献
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的莫来石含量约为50%，要想得到含量高的莫来石，可以适当添加Al2O3来增加其含量来实现，煅烧温度控制在1500℃以上时，这时的莫来石己烧成致密的针状结晶体[8]。
4 结论
经本文经研究，煤矸石所含主要元素为Al、Si，结果表明，通过高温煅烧，可以将煤矸石转化为方石英-莫来石和莫来石耐火材料。这对于开发和利用河南省煤矿废弃物煤矸石具有的环境保护和经济效益双重意义。
参考文献
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基金来源：河南省科技攻关计划项目（No.122102310327）作者简介：陈红举（1973－），*********************，男，河南郑州人，工程师，硕士，主要从事废弃物再利用科学领域方面的研究
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