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      摘要：本文較為詳細(xì)地?cái)⑹隽死勉@井巖屑原料制磚的試驗(yàn)研究結(jié)果，分析了巖屑的化學(xué)成分、物理性能及干燥焙燒性能，提出了利用巖屑制磚的一次半和二次碼燒工藝及主要設(shè)備調(diào)整方案。針對(duì)半工業(yè)性生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果，提出了一些主要工藝技術(shù)參數(shù)及設(shè)備選型優(yōu)化。并提出鉆井巖屑原料用于制磚的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：鉆井巖屑；制磚性能；工業(yè)試驗(yàn)

      巖屑是采油鉆井時(shí)產(chǎn)生的廢渣。據(jù)資料介紹，未來(lái)3～5年，中國(guó)石油國(guó)內(nèi)新鉆井預(yù)計(jì)將保持在年均2萬(wàn)左右，深度3000m以上。在采油鉆井過(guò)程中，大量的鉆井巖屑星羅棋布的分布在全國(guó)各地鉆井場(chǎng)(見圖1)，產(chǎn)生的廢渣不僅占用大片土地，而且造成環(huán)境和土地污染。如何將這些巖屑固體廢渣徖合利用，使其化害為利，變廢為寶，用于生產(chǎn)燒結(jié)墻材制品，成為磚瓦行業(yè)實(shí)驗(yàn)研究的方向之一。鉆井巖屑主要成分為黏土、鉆屑、化學(xué)添加劑、無(wú)機(jī)鹽等。某些廢棄的鉆井巖屑泥漿，其主要污染物有鹽類、油類、殺菌劑、某些化學(xué)添加劑、重金屬、高分子有機(jī)化合物、生物降解產(chǎn)生的低分子化合物和一些堿性物質(zhì)。經(jīng)對(duì)陜西榆林、內(nèi)蒙鄂爾多斯和寧夏鹽池的鉆井巖屑原料進(jìn)行了制磚性能試驗(yàn)研究，其化學(xué)成分、物理性能等符合制磚性能的要求。在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了制磚性能小試驗(yàn)和半工業(yè)性生產(chǎn)試驗(yàn)，取得了理想的試驗(yàn)結(jié)果和指導(dǎo)生產(chǎn)的工藝技術(shù)參數(shù)。
   
                                 圖1：鉆井臺(tái)旁堆放的巖屑

                                圖2：內(nèi)蒙某地鉆井巖屑堆放場(chǎng)                            
  
               圖3：陜西某地鉆井巖屑堆放場(chǎng)                             圖4：壓濾后鉆井巖屑泥餅

1、鉆井巖屑外加劑對(duì)制磚性能的影響

鉆井巖屑是鉆井時(shí)鉆頭研磨或破碎了的巖石顆粒(見圖2和圖3)。在產(chǎn)生過(guò)程中，加入了沖洗液介質(zhì)、絮凝劑和加重劑等，這些物質(zhì)的存在是否對(duì)制磚性能構(gòu)成破壞，需要由試驗(yàn)來(lái)給出結(jié)論。首先是沖洗液，鉆井循環(huán)沖洗液介質(zhì)，它連續(xù)地通過(guò)鉆井桿柱從井內(nèi)將巖屑帶出地面，產(chǎn)生的泥漿水經(jīng)加藥、絮凝、固液壓濾分離后形成泥餅(見圖4)，可與粘土或頁(yè)巖按比例摻配用來(lái)燒磚。根據(jù)鉆井巖層結(jié)構(gòu)不同，鉆井液采用粘土類(水基、有機(jī)膨潤(rùn)土)和堿性〔硫酸鎂(MgCO3、氫氧化鈉(NaOH)、純堿碳酸鈉(NaCO3、小蘇打(NaHCO)、氫氧化鉀(KOH)〕等，這些物質(zhì)雖然混合到巖屑中，但含量不高，對(duì)制磚性能影響不大。再就是絮凝劑，普遍用于鉆井巖，因其具有凝膠、沉降、粘合性、降阻性和增稠性，加入后再進(jìn)行壓濾脫水。常用的絮凝劑聚丙稀酰胺，分子量100～500萬(wàn)，雖然難容于有機(jī)容劑，但溫度超過(guò)120℃時(shí)分解，中性無(wú)毒，也不會(huì)對(duì)制磚性能產(chǎn)生大的影響。其次是加重劑，主要是石灰石(CaCO3)和重晶石，將鉆井液密度加重到1.3t/m3以上。以上三種情況，是鉆井巖屑中存在的必然物質(zhì)，由于含量較低，綜合試驗(yàn)分析后對(duì)制磚生產(chǎn)影響不大。

2、小試討論分析

2.1、巖屑試驗(yàn)分析

2.1.1、化學(xué)成分

由于制磚原料多屬于硅鋁酸鹽質(zhì)原料，因此，化學(xué)成分主要有二氧化硅（SiO2）及三氧

化二鋁（Al2O3）。另根據(jù)生成的條件不同，同時(shí)含有少量的堿金屬及堿土金屬氧化物，如氧化鈣（CaO）、氧化鎂（MgO）、氧化鈉（Na2O）、氧化鉀（K2O）等。原料主要化學(xué)成分要求：二氧化硅（SiO2）要求范圍在45%～70%，三地巖屑在59.04%～62.94%(見表1)；三氧化二鋁（Al2O3）要求范圍在10%～20%，三地巖屑在11.69%～14.02%；Fe2O3要求范圍在3%～10%，三地巖屑在3.68%～4.66%；氧化鈣（CaO）要求范圍在15%以下，三地巖屑在5.85%～6.66%；氧化鎂（MgO）要求范圍在5%以下，三地巖屑在1.79%～1.89%；三氧化硫(SO3)要求范圍在3%以下，三地巖屑在0.25%～0.35%；燒失量小于15%，三地巖屑在6.10%～7.95%。從表中可以看出，化學(xué)成分全部符合制磚要求。其有害成分氧化鈣（CaO）高含量為6.66%，不會(huì)發(fā)生產(chǎn)品“石灰爆裂”現(xiàn)象；三氧化硫(SO3)高含量?jī)H為0.35%，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品燒成時(shí)產(chǎn)生影響。

鉆井巖屑原料中Fe2O3、CaO、K2O、Na2O和MgO幾種化合物，在焙燒磚時(shí)會(huì)起到助溶劑的作用，但在表現(xiàn)形式和起的作用各不相同。 Fe2O3在焙燒過(guò)程中的是一種著色劑，含量的高低會(huì)引起燒結(jié)磚制品的顏色變化。在焙燒氧化氣氛中以高價(jià)鐵的形式存在，制品在一定含量下呈紅色，而在還原氣氛時(shí)氧化鐵被還原成低價(jià)鐵，燒結(jié)磚制品呈黑色或青藍(lán)色，這是其一；其二是焙燒過(guò)程中的一種助熔劑，在還原氣氛中可降低燒結(jié)磚的耐火度，而在氧化氣氛中不明顯；其三，大顆粒的氧化鐵會(huì)在燒結(jié)磚表面出現(xiàn)褐色或黑色斑點(diǎn)。故鉆井巖屑含量適宜。CaO是一種助溶劑，鉆井巖屑中的CaO顆粒小于1mm，不會(huì)形成燒結(jié)磚石灰爆裂，但要防止大顆粒的CaO混入，即使含量小于6%也會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)磚爆裂，應(yīng)引起重視。K2O 和Na2O 在燒結(jié)磚制品焙燒中主要起助溶劑作用，并能提高磚的強(qiáng)度。這兩種化合物能降低濕坯成型含水率。如果用鉆井巖霄生產(chǎn)墻地磚，K2O 和Na2O含量略高時(shí)助溶效果更明顯，磚的密度和強(qiáng)度會(huì)更高一些。 MgO氧化鎂在燒成制品中同樣起助溶劑作用,也會(huì)降低制品的耐火度，但沒(méi)有氧化鈣那樣明顯。氧化鎂在制磚原料中,主要存在于菱鎂礦(MgCO3)、硫酸鎂(MgSO4)、白云石﹝MgCa﹝CO3﹞2﹞中，其中硫酸鎂為有害成分，它會(huì)形成白霜，體積膨脹，使磚制品受到破壞。其他鎂化合物危害不大,在加熱焙燒時(shí)或產(chǎn)品本身不致產(chǎn)生破壞，反而產(chǎn)生各種液相使制品更加致密。SO3是有害成分，在焙燒過(guò)程中會(huì)逸出，使燒結(jié)制品發(fā)生膨脹,并可能產(chǎn)生氣泡。其他含硫化合物也對(duì)燒結(jié)磚瓦制品有害，如硫酸鈣、硫酸鎂等也會(huì)引起燒結(jié)磚瓦制品泛白、起霜、膨脹等。因此，硫化合物越少越好。應(yīng)當(dāng)特別注意，為了滿足鉆井巖屑一次碼燒工藝，往往要改變?cè)闲阅埽尤朊喉肥鰞?nèi)燃料,而我國(guó)許多地區(qū)的煤矸石硫含量偏高，除會(huì)引起制品缺陷外，還會(huì)加大脫硫的投入。因此,在確定內(nèi)燃料時(shí)應(yīng)盡可能選擇低含硫量的煤矸石。有機(jī)物含量高時(shí),制品干燥燒成收縮較大，可能會(huì)產(chǎn)生制品開裂，制品孔隙率較高，強(qiáng)度略有下降，但制品的導(dǎo)熱系數(shù)有所降低。根據(jù)以上化學(xué)成分分析，三地鉆井巖屑均與黏土、頁(yè)巖等原料相近，生產(chǎn)燒結(jié)磚從化學(xué)成分看沒(méi)有問(wèn)題。由于鉆井巖屑廢渣摻配比例在70%以上，制磚性能主要在于巖屑，加入粘土、頁(yè)巖等原料后，制磚性能會(huì)有所提高，重點(diǎn)試驗(yàn)研究巖屑原料，其它摻配料不在分析。（見下表1：鉆井巖屑化學(xué)成分%）
 

1.1.2 物理性能分析

⑴顆粒級(jí)配分析：鉆井巖屑不需要再粗碎。經(jīng)細(xì)碎后的顆粒具體測(cè)定數(shù)據(jù)為(陜西)：大于 0.5mm 顆粒為 17%；0.5mm~ 0.25mm之間顆粒為10%；0.25mm~0.1mm顆粒為26%； 小于0.1mm顆粒為47%。以鉆井巖屑為主要原料，小于0.5mm顆粒占到83%；0.25mm以下顆粒占到73%。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)錢，顆粒主要控制小于0.5mm以下的含量應(yīng)大于60%，大于 0.5mm 顆粒為40%以下，最大顆粒不超過(guò)2mm。從實(shí)際測(cè)試的顆粒級(jí)配看符合要求。

⑵ 塑性指數(shù)：雖然細(xì)顆粒成分較高，但由于巖屑?jí)m粒和黏粒含量較少，塑性指數(shù)在6.8～7.0之間，屬于低塑性原料。塑性指數(shù)是判斷坯體成型和能否滿足碼坯要求的重要指標(biāo)。三地的巖屑屬于低塑性指數(shù)，應(yīng)注意成型設(shè)備工作壓力和直空度的選擇，盡可能避免高層碼垛。低塑性原料韌性差，擠出成型顆粒聚合能力不足，坯體承受壓力小，碼坯層數(shù)應(yīng)低于12層。

⑶ 干燥性能：在普氏拌和水為 23% 時(shí)，臨界含水率為 16%；干燥敏感性系數(shù)為 0.4；干燥線收縮為2.2%。一般黏土原料臨界含水率在10%～13%，較高的臨界含水平率，濕坯體只脫少量的水，就出現(xiàn)繼續(xù)干燥脫水而體積基本不收縮。鉆井巖屑屬于低干燥敏感性系數(shù)和濕坯體低收縮，干燥時(shí)可適當(dāng)提高送風(fēng)溫度，加大風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)快速干燥。

⑷.低位發(fā)熱量：某地部分鉆井巖屑低位發(fā)熱量為負(fù)值78cal/g，說(shuō)明有吸熱反應(yīng)的礦物存在，在生產(chǎn)燒結(jié)磚時(shí)需要更多的外燃料加以補(bǔ)充，也可選擇發(fā)熱量較高的煤矸石作為內(nèi)摻燃料。由于鉆井時(shí)加入的沖洗劑等不同，有的巖屑中含有一定的熱量。內(nèi)蒙巖屑測(cè)試樣品含270Kcal/kg熱量。因此，在選擇內(nèi)燃原料計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮熱量平衡問(wèn)題。 

⑸.放射性核素限量：根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》，委托國(guó)

家建筑材料工業(yè)墻體屋面材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行檢測(cè)，陜西和寧夏兩地的鉆井巖屑內(nèi)照射指數(shù)IRa分別為0.2和0.1；外照射指數(shù)Ir分別為0.5和0.3。放射性核素限量低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)＜1的規(guī)定。

2.2、內(nèi)燃料煤矸石物理性能分析

2.2.1、發(fā)熱量

鉆井巖屑燒結(jié)磚燒成時(shí)需要的熱量大多來(lái)自煤矸石。我國(guó)地源遼闊，煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變，產(chǎn)生的煤矸石發(fā)熱量相差甚大。寧夏某煤礦煤矸石低位發(fā)熱量為 4.722MJ/kg (1129kcal/ kg)；陜西某礦煤矸石低位發(fā)熱量為 12114MJ/ kg (2898kcal/kg)；內(nèi)蒙某礦煤矸石低位發(fā)熱量為 2.324MJ/ kg (556kcal/kg)。三地發(fā)熱量最高與最低相差5倍多。要滿足巖屑燒結(jié)磚所需熱量，不同的煤矸石應(yīng)調(diào)整原料的摻配比例。

2.2.2塑性指數(shù)

陜西和寧夏兩地提供的煤矸石，測(cè)試結(jié)果無(wú)塑性，而內(nèi)蒙煤矸石測(cè)試的塑性指數(shù)為6.2。前兩種煤矸石摻入巖屑中，會(huì)明顯降低巖屑塑性指數(shù)，對(duì)擠出成型產(chǎn)生不利影響。好在發(fā)熱量高，摻入量會(huì)大大減少，塑性指數(shù)6以上時(shí)，在高壓力和高真空度下可以順利成型。但其摻配量不宜太大，否則會(huì)影響成型。內(nèi)蒙原料摻入量超過(guò)25%，也能保證成型所需要的塑性指數(shù)。當(dāng)然，塑性指數(shù)過(guò)低時(shí)可少量摻入當(dāng)?shù)刎S富的膨潤(rùn)土原料，來(lái)改善巖屑的成型性能。 

2.2.3顆粒組成

陜西和寧夏兩地取樣的煤矸石測(cè)試前破碎到粒徑1mm以下，其顆粒組成為0.5mm以上30%；0.5mm～0.25mm為 16%；0.25mm～0.1mm 和 0.1mm 以下均為 27%。從破碎后顆粒分析，粒徑大于0.5mm顆粒遠(yuǎn)高于鉆井巖屑，而 0.1mm 以下顆粒則遠(yuǎn)低于鉆井巖屑，中間顆粒相差不大。由于大顆粒過(guò)高，而0.1mm以下顆粒又低，無(wú)法測(cè)試出塑限和液限，無(wú)塑性指數(shù)很正常。生產(chǎn)燒結(jié)磚時(shí)兩地應(yīng)控制混合料中摻入量不宜超過(guò)25%。

2.3、成型、焙燒試驗(yàn)

2.3.1、原料配比

鉆井巖屑、煤矸石按照化學(xué)成分及物理性能測(cè)試分析結(jié)果，確定小型試驗(yàn)原料配比分別為，陜西和寧夏：鉆井巖屑：荒山土：煤矸石＝75：15：10；內(nèi)蒙：鉆井巖屑：煤矸石＝75：25?？紤]到陜西和寧夏兩地煤矸石無(wú)塑性的實(shí)地，加入了15% 荒山土，塑性指數(shù)在10以上，解決了試驗(yàn)用的無(wú)真空小磚機(jī)成型問(wèn)題。

2.3.2、成型試驗(yàn)

陜西和寧夏兩種原料按照以上配比充分混合均勻、加水?dāng)嚢?，在陳?4h后進(jìn)行擠出空心磚模擬成型試驗(yàn)。成型采用JZK/10型真空擠出機(jī)，并在機(jī)口取料測(cè)試成型含水率。原料成型含水率分別為 18.5% 和18.2%。擠出的泥條分為兩種尺寸，一種是作為確定焙燒溫度范圍及焙燒溫度的小試樣，尺寸為40mm×15mm×25mm；另一種作為最終燒成的3孔空心小樣，尺寸為60mm×40mm×25mm。內(nèi)蒙原料按鉆井巖屑：煤矸石＝75：25配料后混合攪拌，陳化48h后再混合攪拌成型。原料成型水分略高，但擠出成型順利。經(jīng)機(jī)口擠出的試樣為單孔空心小樣，尺寸為50.0mmX50.0mm，成型情況見表2，外形狀見圖5和圖6。擠出試樣平整、光滑、無(wú)裂紋。
（見下表：成型含水率和塑性指數(shù)     表2）
 

2.3.3、干燥焙形狀

干燥；用于試燒的樣品先要進(jìn)行干燥。室溫下干燥 3d。室內(nèi)常溫干燥后再用電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干，進(jìn)行試驗(yàn)。三種原料干燥收縮小于4%，干燥敏感性系數(shù)小于0.5，干燥質(zhì)量好，末發(fā)生收縮產(chǎn)生的應(yīng)力裂紋，可以實(shí)施高溫快速干燥，縮短干燥周期。樣品干燥后含水率小于3%時(shí)再進(jìn)行焙燒試驗(yàn)。

焙燒：將干燥好的小樣品放入高溫梯度爐中進(jìn)行焙燒試驗(yàn)，以確定煤矸石磚半工業(yè)性試驗(yàn)的焙燒溫度、風(fēng)量及升溫速度。試驗(yàn)升溫速度≥150℃，兩次最高焙燒溫度分別為 950℃和 1130℃，保溫時(shí)間 30min，冷卻方式為保溫時(shí)間到了以后，爐溫下降，并自然冷卻至室內(nèi)溫度。燒成的試樣見圖5和圖6。燒成樣品的過(guò)程進(jìn)行了溫度、收縮及吸水率分析，得出的陜西磚樣曲線圖(見圖7)。從曲線圖可以看出，鉆井巖屑小樣空心磚在1010℃前隨焙燒溫度升高而吸水率有所降低，其燒成收縮隨溫度升高而有所增大，這與頁(yè)巖、黏土等原料試驗(yàn)結(jié)果基本一致。但1040℃后變化有一定的差距。從兩組梯度爐焙燒的樣品看，1100℃和1130℃。
 
                         圖5：陜西巖屑磚小樣                                圖6：內(nèi)蒙巖屑磚小樣

                              注：藍(lán)色為吸水率--溫度曲線、橙色為燒成收縮--溫度曲線

                                    圖7：燒成溫度與收縮率--溫度與吸水率曲線   

時(shí)，樣品顏色發(fā)深發(fā)暗，很明顯過(guò)燒。

燒成溫度高低對(duì)樣品吸水的影響：從得出的吸水率—溫度曲線可以看出，以鉆井巖屑為主燒成的磚樣品，從在800℃～1010℃時(shí)，吸水率變化不大，焙燒溫度升高至1010℃～1070℃，吸水率隨溫度再升高有所降低，但降低幅度較小。當(dāng)溫度升高至 1070℃后，吸水率急速下降。在同一原料時(shí)，吸水率是產(chǎn)品的重要技術(shù)指標(biāo)之一，可以間接的反映磚的強(qiáng)度、抗凍抗風(fēng)化性能?？梢越梃b該燒成曲線來(lái)控制巖屑磚燒成溫度，調(diào)整產(chǎn)品吸水率指標(biāo)。

燒成溫度高低對(duì)樣品收縮的影響：一般情況下，燒成收縮隨溫度升高而明顯升高。從得出的燒成收縮—溫度曲線圖可以看出，燒成的磚樣品從 800℃～1040℃看，樣品收縮變化不大 ；焙燒溫度升高至1040℃～1070℃，收縮率從不到 0.3% 快速增長(zhǎng)到1.5%；當(dāng)溫度再升高30℃，即1100℃時(shí)，燒成收縮急速增加到7.5%。這一溫度變化非常重要，對(duì)于鉆井巖屑來(lái)說(shuō)，是確定最高燒成溫度的重要依據(jù)。

從以上分析可知，確定燒成溫度范圍和最佳焙燒溫度的原則，一是滿足吸水率；二是燒成收縮率限制在一定范圍，否則鉆井巖屑燒結(jié)磚會(huì)在焙燒時(shí)出現(xiàn)較大的收縮應(yīng)力而嚴(yán)重變形或斷裂。經(jīng)綜合分析，陜西鉆井巖屑最佳焙燒溫度為970℃，燒成溫度范圍900℃ ～1070℃；寧夏鉆井巖屑最佳焙燒溫度為 950℃，燒成溫度范圍900℃～1050℃；內(nèi)蒙鉆井巖屑最佳焙燒溫度為1010℃，燒成溫度范圍900℃ ～1090℃。在最佳燒成溫度下燒制的樣品空心磚，產(chǎn)品呈紅色，表面較為光滑，無(wú)裂紋產(chǎn)生。燒成后的小試塊的干燥收縮率、燒成收縮率、總收縮率見表3。（參看下表：干燥收縮率、燒成收縮率、總收縮率 -表3） 
 

       

        ---- 摘自2022.2. 《磚瓦世界》