实验所用煤矸石来自山西大同地区。原料化学成分如 表1 所示，由表可知，煤矸石主要由SiO₂，Al₂O₃组成，含量分别为45.57%，26.62%，除此之外，还有较大的烧失量，为19.17%和少量Fe₂O₃和CaO，含量分别为2.71%和2.55%。

煤矸石的XRD图谱如 图1 所示，由图可知，煤矸石中含有的主要矿相为高岭岩和石英。

煤矸石的工业分析，全硫，碳，氢，氮，氧及高低位热值测试结果如 表2 所示，由表可知，煤矸石中主要为挥发分和灰分，占比分别为14.76%，79.82%。碳含量为8.28%，硫含量为0.6%，高位热值为640.52 Kcal/kg，低位热值为573.6 Kcal/kg。

(一) 陶粒生球制备过程

陶粒生球制备过程分为以下五个步骤：

1) 取出原料，将部分块状原料用手工选出，放入破碎机破碎，使原料块粒径小于20 mm；

2) 用干燥箱对原料进行干燥，干燥温度110℃，干燥至水分小于1%；

3) 干燥原料放入球磨机粉磨，粉磨20分钟后取出待用，其粒度达到300目以下；

4) 将干燥好的粉料放入造粒机中，调整造粒机的转速并控制在30 r/min，并用喷壶往造粒机中加水制备母粒，当观察到出现大量的母粒(粒径为2~5 mm)时逐步加入粉料，使母球长大；当母粒长大到8~16 mm时，关闭造粒机，将造粒机中的陶粒进行筛分，将粒度合格筛出，只留下小粒径颗粒作为母粒返回造粒机，继续喷入雾化水并持续加入粉料，循环往复造粒。

5) 用筛子筛出所需粒径的陶粒，并将其放入电炉干燥，干燥温度为110℃，干燥至生球水分低于2%。

(二) 带式焙烧机投笼试验过程

将生球放入10*10*5 cm的铁笼后，再置入正在运行的某钢铁厂带式焙烧机 [15] 球团矿上方，并随着球团矿进行焙烧。

该带式焙烧机的总长度为126 m，鼓风干燥段为9 m、抽风干燥段15 m、预热段15 m、焙烧段33 m、均热段9 m、冷却一段33 m、冷却二段12 m。台车宽度为4 m，机速为1.8~5.5 m/min可调，焙烧时间35~40 min [16] ，焙烧最高温度为1300℃，单个风箱长度为6 m，规格一致，共21个风箱。带式焙烧机两侧各设16个烧嘴，共32个。

(三) 煤矸石陶粒焙烧制度优化试验

将烘干后的陶粒生球装入烧结杯 [17] 中，烧结杯用于模拟带式焙烧机焙烧过程。打开风机，点燃热风炉烧嘴加热空气；同时打开抽风机，通过抽风将热风引入窑炉烧杯中加热陶粒。通过设置热风炉不同温度获得不同的热风，从而实现对陶粒的可控焙烧。当陶粒温度达到焙烧温度后关闭热风炉天然气，风机抽入冷空气，对陶粒进行冷却。当陶粒温度小于300℃后，关闭风机，将烧杯推出焙烧室，取出原料，并待陶粒进一步冷却到室温后，对陶粒成品进行性能测试。

1) 吸水率测试

利用真空装置(CXX-A型，宁夏机械研究院制造)对样品浸泡1 h处理，取出后用湿毛巾吸将表面的水分去除，并根据下列公式计算吸水率W：

$W=\frac{m_1-m_2}{m_2}\times 100\%$(1)

式(1)中；m₁为样品浸泡后的质量；m₂为烧结后样品的质量，g。

2) 筒压强度测试

将陶粒置入承压筒中，然后采用全自动压力试验机(HYE-300-10型，北京三宇路通仪器有限公司)测试陶粒的筒压强度。

3) 物相分析

利用高温X射线衍射仪(SMARTLAB9型，日本理学株式会社)进行矿相分析，连续扫描，步长为0.02˚，扫描速度为10˚/min，扫描范围为10˚~90˚，Cu靶。

4) 热分析

利用同步热分析仪(STA449F5型，耐驰公司)进行原料的热分析，空气气氛，通气流量为50 ml/min，升温速率为10℃/min，温度区间为30~1200℃。

5) 化学组成测试

采用X射线荧光光谱仪(ARLAdvantXIntelipowerTM3600型，美国赛默飞公司)对原料的化学组成进行分析。

6) 热值测试

采用氧弹量热仪(SDC715型，湖南三德科技股份有限公司)对原料进行低位热值，高位热值，弹筒发热量进行测试。

7) 热重质谱联用

采用热重质谱联用(由德国耐驰公司的同步热分析仪(型号STA 44 F3)和质谱仪(型号QMS403C)组成对煤矸石燃烧过程排放的气体成分进行分析。

8) 抗压强度测试

陶粒的强度采用抗压强度表征。利用球团抗压测试仪器(YDW-500型，泰州市科拓仪器设备有限公司生产)测试出陶粒被破坏时的最大压力F₂，测出陶粒样品的直径Φ，根据下列公式测试出陶粒样品的单颗粒抗压强度R₂：

$R_2=\frac{2.8F_2}{\Pi {\Phi }_2}$(2)

式(2)中：R₂为样品抗压强度，MPa；F₂为样品所受压力，N；Π为圆周率，取3.142；Φ为样品直径，mm。

经过钢铁厂带式焙烧机烧制陶粒前后形貌如 图2 所示，由于是跟随球团矿一起焙烧，采用的球团矿的焙烧制度，最高温度达到1300℃。从烧制结果可见，部分陶粒存在微小裂纹。

陶粒烧制前后成分分析结果如 表3 所示，由表可知：烧制前后样品中的主要元素为45.57% SiO₂和26.62% Al₂O₃，同时含有2.71% Fe₂O₃和2.55% CaO，并且有较大的烧失量为19.17%。烧制成陶粒后，硅铝铁含量基本不发生变化，钙含量稍微有降低，并且还存在1.88%的烧失量，表明烧成陶粒中还存在少量的碳。

烧制后陶粒的XRD图谱如所示。由 图3 可知：烧制后的陶粒在20˚~30˚的区间存在馒头衍射峰，这表明煤矸石陶粒中存在由于高温产生的非晶态玻璃相，而含有的主要晶相为莫来石，石英和赤铁矿。结合中煤矸石原料XRD图谱可知，高岭岩相在焙烧过程中转变为莫来石相和新的石英相。玻璃相出现表明，带式焙烧机的温度较高，导致陶粒出现了过烧的液相。

烧制陶粒的物理性能如 表4 所示，由表可知：即使部分陶粒表明存在少量裂纹，但带式焙烧机烧制的陶粒筒压强度仍然达到8.9 MPa，吸水率为9.92%，满足国家标准GBT17431.1-2010-轻集料及其试验方法的高强陶粒要求。

带式焙烧机烧制陶粒时采用的是球团矿生产的焙烧制度 [16] 如 图4 所示。由图可知其最高焙烧温度可达1300℃。对于烧制陶粒而言，此温度过高。结合带式焙烧机烧制烧制陶粒的XRD图谱可知，陶粒中存在高温产生的非晶态玻璃相。由于在焙烧段后，焙烧机的温度迅速降低到1000℃的均热段，因此高温下产生的液相快速凝固冷却，由于非晶态玻璃相和陶粒中石英和莫来石固相的热膨胀系数不同，在降温过程中两者的收缩速度和程度可能产生差异，从而产生热应力。因此采用合适的烧结制度，还能够进一步提高煤矸石陶粒的性能。

烧制后的陶粒脱碳和脱硫的效果较好，对烧制后的陶粒进行了碳硫测试，测试结果如 表5 所示。由表可知：烧制前含碳4.7%，含硫0.64%，0.24%，烧制过程中脱碳76%，脱硫63%，烧制后仍然含碳1.13%，含硫0.24%。

为了分析煤矸石碳和硫的脱除阶段，对煤矸石陶粒进行了热分析。煤矸石的热分析曲线和质谱分析曲线分别如 图5 和 图6 所示，由TG-DTG曲线可知：煤矸石燃烧过程大致可分为三个阶段，第一个阶段为室温至着火点414℃ (着火点由TG-DTG [18] 法得到)，此阶段发生水的蒸发；达到着火点后，煤矸石开始燃烧，进入第二阶段，直至燃尽温度598℃ (燃尽温度由TG-DTG法得到)，此阶段为煤矸石燃烧的主要失重阶段；第三阶段则是在598℃之后，仍然发生一些微小的失重。由DSC曲线可知，煤矸石燃烧过程释放热量也可分为三个阶段，并且和失重的三个阶段基本重合，即室温−400℃，缓慢放热，峰面积小，放热少；400℃~600℃，迅速放热，峰面积大，放热量大；600℃~1000℃，只存在微小的放热。由质谱曲线可知，因为煤矸石硫含量较低，SO₂含量基本不发生变化，而CO₂主要在400℃~600℃释放，据此可以判断，煤矸石中碳的脱除主要发生在400℃~600℃。

图5. 煤矸石的热分析曲线：TG-DTG曲线(左图)；DSC曲线(右图)

结合带式焙烧机的焙烧制度可知，陶粒在带式焙烧机的预热段经历400℃~600℃加热过程，由于在这一段时间相对较短，陶粒中煤矸石中的碳等可燃组分未能充分燃烧，会在后续高温过程继续反应，碳元素进一步减少。如烧制后的陶粒碳硫分析结果可知，最终陶粒中的碳含量仍然有1.13%，这表明最终陶粒内部的碳难以脱除，这部分碳被封闭在陶粒内部。如果延长400℃~600℃的温度区间，将有利于碳的脱出。

为了验证优化工艺，特将煤矸石陶粒进行了烧结杯实验，在焙烧制度上增加了400℃~800℃的脱碳段，以及降低了1160℃~800℃的冷却速度。最后得到的焙烧制度大致可分为6个阶段：干燥段(室温−200℃)，此阶段去除陶粒生坯中的水分，防止水分在焙烧段大量析出造成陶粒破裂；预热段(200℃~400℃)，此阶段去除煤矸石中的挥发分，防止大量挥发分在焙烧时短时间内释放大量热量造成陶粒过烧；脱碳段(400℃~800℃)，此阶段发生碳的脱除，释放热量使煤矸石迅速升温，同时排出高温烟气可用于余热利用；焙烧段(800℃~1160℃)，此阶段陶粒进行并完成致密化过程；缓冷段(1160℃~800℃)，此阶段进行缓冷，防止煤矸石陶粒因急冷而破裂；急冷段(800℃~室温)，此阶段进行急冷，在保证陶粒性能的前提下提高陶粒生产率。

通过优化后的焙烧制度烧制的陶粒及其物理性能分别如 图7 和 表6 所示，由图可知，与带式焙烧机烧制的陶粒不同，烧结杯烧制的陶粒基本上没有裂缝，并且呈现出由浅至深的白，灰，棕三种颜色，这是由于带式焙烧机烧制时有铺底料和铺边料，而烧结杯烧制时没有，因此产生边缘效应。由表可知，优化后的焙烧制度显著提升了陶粒的物理性能，筒压强度达到16.52 MPa，吸水率为9.8%。

白色，灰色和棕色陶粒的成分分析如 表7 所示，由表可知，白色和灰色陶粒组成大致相同，而棕色陶粒的Fe₂O₃含量和烧失量相对较高。将棕色陶粒敲碎，形貌如 图8 所示，由图可知，棕色陶粒内部存在黑心，结合其成分分析可知：棕色陶粒内部黑心为脱碳不完全导致。

白色，灰色和棕色陶粒的XRD图谱如 图9 所示，由图可知白色陶粒尚未开始进行矿相转化，主要矿相为石英，灰色陶粒出现莫来石相和方石英相，黑色陶粒的莫来石相逐渐增多，这表明随着颜色加深，陶粒矿相转变的程度增加。与带式焙烧机烧制的陶粒相比，经过优化后的陶粒没有产生玻璃相和赤铁矿，前者是因为烧制最高温度为1160℃，未达到产生玻璃相的温度，后者是因为带式焙烧机是跟随球团矿烧制，造成了污染，而烧结杯中没有此影响。

白色，灰色和棕色陶粒的单颗粒抗压强度测试结果如 表8 所示：由表可知，随着颜色加深，陶粒性能逐渐提高，表明棕色陶粒不完全脱碳产生的黑心不会降低陶粒的物理性能，而是有利于其外壳强度提升，从而提升陶粒的单颗粒抗压强度。