从石墨尾矿到高性能耐火砖：迈向高值与可持续利用的绿色路径

《Case Studies in Construction Materials》：Refractory Bricks from Graphite Tailings: Toward High-Value and Sustainable Utilization

本研究针对石墨尾矿堆积带来的环境压力与资源浪费问题，探讨了以石墨尾矿（70%）和铝矾土（30%）为主要原料制备耐火砖的创新工艺。经1400°C烧结后，所制耐火砖的抗压强度达78.27 MPa，荷重软化点达1428°C，性能符合GB/T 34188-2017标准。通过XRD与SEM-EDS分析揭示了相变机制，材料在1300-1400°C范围内生成大量莫来石，赋予其优异的高温稳定性。生命周期评估（LCA）显示，新材料可减少70%的天然矿物资源消耗和21.2%的全球变暖潜能。该方案为石墨尾矿的高值化利用和耐火材料的可持续发展提供了兼具环境与经济双重效益的有效途径。

　　

在迈向碳中和与循环经济的时代，工业固体废弃物的高效利用与资源化已成为全球性课题。其中，石墨尾矿作为石墨开采和选矿过程中的主要副产品，其处理问题尤为突出。中国作为全球主要的石墨生产国，年产鳞片石墨约50万吨，而石墨尾矿的排放量却高达每年600万吨以上，历史堆存量已近亿吨。这些尾矿不仅占用大量土地，在风力作用下易形成扬尘污染空气，其残留的化学处理剂还可能随径流污染水体和土壤，对生态环境构成严重威胁。如何将这些“放错位置的资源”变废为宝，实现高值与可持续利用，是当前矿业和材料领域亟待解决的关键问题。

面对这一挑战，研究人员不再满足于将石墨尾矿仅用作混凝土骨料或烧结普通砖等低附加值产品。他们独辟蹊径，将目光投向了高性能耐火材料领域。耐火砖因其高耐火度、优异的尺寸稳定性和抗热震性，被广泛应用于冶金、化工和电力等行业的高温炉窑中。传统的耐火砖生产依赖高岭土、铝矾土等天然矿物资源，开采和加工过程伴随着高能耗与环境负担。因此，来自东北林业大学奥林学院的刘依儒、杨元慧、李庆浩、吴梓韬、王宝龙、李双欣和张子辉等研究者提出了一项创新方案：以石墨尾矿为主要原料（占比高达70%），辅以铝矾土，制备出一种新型高性能耐火砖，旨在同时解决尾矿堆积的环保难题和传统耐火材料的资源依赖问题。相关研究成果发表在《Case Studies in Construction Materials》期刊上。

为验证这一设想的可行性，研究人员开展了一系列系统性的实验。他们首先对来自黑龙江省鸡西市柳毛石墨矿的石墨尾矿进行了全面的物理化学性质表征，包括X射线荧光光谱（XRF）分析其化学成分、筛分分析其粒度分布、X射线衍射（XRD）确定矿物相组成，以及扫描电子显微镜（SEM）观察其微观形貌。基于表征结果，他们确定了关键工艺：将石墨尾矿粉磨至所需细度后，与铝矾土粉按不同质量比（8：2、7：3、6：4）混合，加水搅拌成型为生坯。通过对比生坯密度和强度，最终优选出石墨尾矿与铝矾土比例为7：3的最佳配方。接下来，基于热重分析数据制定了先预热（至800°C）后烧结的两阶段热处理工艺，最高烧结温度设定为1400°C。最后，对烧结后的耐火砖样品进行了一系列性能测试与表征，包括使用XRD和SEM结合能谱分析（EDS）研究其相组成与微观结构演化，测试其常温抗压与抗折强度、显气孔率、荷重软化温度、热容及热膨胀系数，并对其进行了经济成本核算和基于ISO 14040标准的全生命周期评估。

3.1. 新型耐火砖的技术性能

3.1.1. 机械特性测试

对在1400°C下烧结的新型耐火砖进行测试，结果显示其平均抗压强度为78.27 MPa，平均抗折强度为13.6 MPa，平均显气孔率为12.5%。这些性能参数均满足中国国家标准GB/T 34188-2017对粘土质耐火砖（PN-30等级）的要求。

3.1.2. 耐热性测试

荷重软化温度（0.2 MPa）测试的平均起始变形温度为1428°C，且在1300°C保温2小时后，其永久线变化小于0.1%。这些结果同样符合GB/T 34188-2017标准。

3.2. 新型耐火砖的物相组成分析

通过XRD对不同烧结温度下样品的物相分析表明，新型耐火砖的主要晶相包括石英、刚玉和莫来石。随着烧结温度的升高，微斜长石和斜长石逐渐向玻璃相和钙长石转变。在1300-1400°C范围内，大量莫来石相生成。莫来石具有均匀的热膨胀性、优异的抗热震性、高荷重软化点等特性，其大量形成是材料获得高热稳定性的关键。

3.3. 新型耐火砖的微观形貌分析

SEM-EDS分析证实了莫来石晶体的形成。在高温烧结过程中，部分刚玉和石英熔融形成液相，氧化铝和氧化硅通过共晶反应生成莫来石。莫来石晶体呈细长的柱状或针状，与残余的石英、刚玉和钙长石颗粒结合，形成了连续的、高度结晶的骨架网络。同时，高温下形成的玻璃相覆盖在样品表面，有效填充了颗粒间的空隙和孔洞，构成了“晶质骨架-玻璃基体”复合结构。样品中存在的孔隙（多在30-50微米）被认为是生坯内部气体未能完全排出所致，孔隙率与抗压强度呈负相关。

3.4. 热性能分析

新型耐火砖的热容在约400°C时达到峰值（约1 J·g^-1·°C^-1），显示出良好的储热能力。其热膨胀系数在测试温度范围内保持较低水平，并随温度升高而平缓增加。结合物相与微观结构分析，更高的烧结温度促进了显微结构的致密化，从而提高了储热能力和热稳定性。

3.5. 新型耐火砖的经济性分析

基于2024-2025年黑龙江省哈尔滨市的市场价格进行成本估算，生产一块新型耐火砖（石墨尾矿占比70%）的单价约为2.8元人民币（约合0.38美元）。市场调研显示，传统粘土耐火砖的价格通常在1.8至5.4元人民币之间。统计分析表明，新产品的单位成本低于市场上约60%的传统耐火砖，具有显著的成本优势。

3.6. 新型耐火砖的环境影响分析

基于“从摇篮到大门”的系统边界，对新型耐火砖与传统耐火砖进行了生命周期评估。结果显示，在主要环境影响类别中，新型耐火砖表现更优：矿物资源消耗降低了70.0%（从3.100 kg矿石当量降至0.930 kg矿石当量）；全球变暖潜能降低了21.2%（从2.970 kg CO₂当量降至2.340 kg CO₂当量）；水资源稀缺性降低了8.7%（从0.690 m³H₂O当量降至0.630 m³H₂O当量）。这些改进得益于石墨尾矿对传统原料（铝矾土和粘土）的大比例替代，以及其低温烧结特性和就地取材带来的运输能耗降低。尽管新型砖的酸化潜势略有增加（从0.018 kg SO₂当量增至0.021 kg SO₂当量），推测可能与尾矿中杂质释放有关，但其在资源节约和减缓气候变化方面的综合环境效益显著，符合联合国可持续发展目标（SDG 12：负责任消费和生产；SDG 13：气候行动）。

研究结论与意义

本研究表明，以石墨尾矿（占70%）和铝矾土（占30%）为主要原料，在1400°C下烧结制备新型耐火砖在技术上是完全可行的。所制产品性能优异，其抗压强度、荷重软化温度等关键指标均满足国家标准，为石墨尾矿的大规模、高值化利用提供了可靠的技术路径。物相与微观结构分析揭示了材料性能优异的根本原因：在高温烧结过程中，原料中的矿物相发生转变，特别是1300-1400°C范围内大量生成的莫来石相，与残余晶相和玻璃相共同构成了稳定而致密的复合结构，赋予了材料卓越的高温稳定性和力学性能。

该研究的创新之处在于，它不仅是首个将石墨尾矿作为主要原料（含量高达70%）用于制备耐火砖的研究，而且通过系统的生命周期评估，定量证明了该方案在环境和经济效益上的双重优势。与传统产品相比，新材料能大幅减少对天然矿产资源的依赖，显著降低全球变暖潜能，同时其生产成本更具竞争力。这项工作成功地将工业固体废弃物转化为高性能的工程材料，为解决石墨尾矿堆积带来的环境压力提供了切实可行的方案，也为耐火材料产业的绿色、可持续发展提供了新的思路和科学依据，实现了“以废治废、变废为宝”的循环经济理念。