鐵尾礦綜合利用技術的研究進展

尾礦的綜合利用礦產資源是人類生存和發展的重要支柱之一。隨著生產力的發展,科學技術水平的提高,人類利用礦產資源的種類數量愈來愈多,利用范圍愈來愈廣。對國民經濟發展有著重要影響的金屬礦產如鐵、錳、銅、鋅、鎳、鎢、鉻、金、銀等一些礦石儲存量和開采量都很大,但因為礦石的品位普遍較低,多數為貧礦,需要經過選礦加工后才可以作為冶煉原料,所以就產生了大量的尾礦,如鐵尾礦的產出量約占原礦石量的60%以上。若不管理好這些尾礦,不僅占用土地,而且還造成環境污染。但是近年來,國外非常重視尾礦的綜合利用技術,如英國、加拿大、美國等均投入大量的資金,研究尾礦的綜合利用技術,并取得了明顯的經濟效益和社會效益。我國在金屬礦石尾礦資源綜合利用方面業取得了一定的進展,特別是在鐵尾礦的綜合利用方面,取得了不錯成績。而根據鐵尾礦的理化性質,利用鐵尾礦制造各種建筑用磚就是大量利用尾礦的一種有效途徑,其充分滿足了尾礦綜合利用原則,具備能立足于能大量消耗尾礦,利用較徹底,產品銷路廣,能耗低,生產工藝簡單等特點。1鐵尾礦的特性鐵尾礦是一種復合礦物原料,是鐵礦石經加工、磁選后以泥漿狀排放的礦物廢料。其成分包括化學成分和礦物成分,其主要成分是石英,主要含SiO2,Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO等,還含有少量其它如K2O,Na2O以及S,P等元素。具體見下表1.由表1可以看出,大部分尾礦中成分主要都是SiO2,而對于做建材原料的尾礦來說,主要是指其在Ca(OH)2溶液中所表現出的化學反應活性。雖然鐵尾礦本身幾乎沒有水硬膠凝的特性,但是在加水后的鐵尾礦粉末在常溫或者水熱養護條件下,與Ca(OH)2反應能夠形成水硬膠結性能很好的化合物。而且按照顆粒增強復合材料的層次結構理論,礦質混合材的作用主要是與膠凝材料反應生成凝膠或微晶礦物,以增加膠結相的數量,其原理與水化合成尾礦建材相似。工藝試驗表明,大多數尾礦可以成為傳統原料的替代品,乃至成為別具特色的新型原料。目前,我國普通墻體磚是建筑業用量最大的建材產品之一,而國家為了保護農業生產,制定了一系列的保護耕地的措施,所以利用鐵尾礦制磚則不失為一條很好的途徑。利用它我們不僅可以制普通燒結磚,還可以制免燒磚、地面裝飾磚、雙免磚、三免磚等一些符合走“綠色礦業”之路的,具有巨大社會、經濟價值的磚。2鐵礦磚2.1免燒免蒸磚的制備工藝免蒸免燒磚屬于膠結型尾礦建材,是指在常溫下或不高于100℃的條件下,通過膠結材料將尾礦顆粒結合成整體,而制成的有規則外形和滿足使用條件的建筑材料或制品,在這類材料中,尾礦主要起骨料作用,一般不參與材料形成的化學反應,但其本身的形態、顆粒分布、表面狀態、機械強度、化學穩定等性質,卻對材料的技術性能有重要的影響。水化硅酸鈣CSH、水化鋁酸鈣CAH及鈣釩石是免燒免蒸磚的強度來源。牛福生等人在唐山地區鐵礦尾礦制備鐵尾礦磚的試驗研究中,以鐵尾礦為主要材料,通過摻加適量的水泥(普通硅酸鹽水泥)、粉煤灰(唐山電廠二級干排灰)、粗骨料(唐鋼石人鉤鐵礦采剝巖加工而成的細碎石塊)和一定的外加劑(AS減水劑;粉末硫酸鈉作為激發劑),經常溫常壓養護28天后,抗壓強度可達到28.30MPa,抗折強度為5.63Mpa。他們所采用的尾礦除了Al2O3偏低以外,其它成分均符合上述生產建筑制品要求。其工藝流程如圖1所示。并且黃世偉等人以梅山鐵尾礦為原料,配以自制的膠結料輕質集料—市售硅藻土、陶粒,外加劑—市售JA1、JA2型外加劑,自來水,制出性能良好的鐵尾礦免燒免蒸磚,其抗壓強度達24.89MPa,且磚的其它性能滿足GB5101-2003及GB6566-2001的要求。同樣,劉鳳春等人采用金嶺鐵礦選礦廠的尾礦,配以石灰、水泥、爐渣、砂子,并且分析加入不同的外加劑,制成規格φ50mm×20mm的圓餅形磚樣。2.2水泥球磨石強度的影響三免磚是指尾礦粉磚免蒸、免壓、免燒。鞍鋼以鐵尾礦粉、水泥、粉煤灰、石灰比例分別為6∶1.5∶1.5∶1或7∶1∶1∶1配料,加入石膏激發劑干拌混均勻,后加入水和自制的復合外加劑K劑濕混攪拌,經陳化、成型養護一個月后制成的樣品在水中的強度比在空氣中約高20%-30%。實質上它是經原料水化反應而產生的強度,即以形成硅酸鹽、鋁酸鹽及水化硫鋁酸鹽水化物為前提。制備三免磚主要水化反應包括:2C3S+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)22C2S+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2C3A+6H2O=3CaO·Al2O3.6H2OC4AF+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O3CaO·Al2O3·6H2O+3CaSO4·2H2O+20H2O=C3A·3CaSO4·3H2OxCa(OH)2+Al2O3+mH2O=xCaO·Al2O3·mH2OyCa(OH)2+SiO2+nH2O=yCaO·SiO2·nH2O水泥水化產生的Ca(OH)2進一步與尾礦粉粉煤灰中活性Al2O3、SiO2反應,形成低堿性硅酸鹽、鋁酸鹽水化物,促使磚坯結構致密,強度提高。并且它具有良好的抗凍性,耐水性等其它優良的特點。不僅可以大量消耗好鐵尾礦,還可以制出特殊意義的磚,在如寒冷地區將會發生其特有的作用,最重要的是用這種方法制磚可以節約能源和生產成本。2.3空心磚的優點空心磚分燒結多孔磚、空心磚、空心砌塊和蒸壓灰砂空心磚、水泥多孔磚、廢渣空心磚等。按照國家標準JC/T1990-96《磚和砌塊名詞術語》可分為兩大類,即多孔磚(承重空心磚)和空心磚(非承重空心磚)。一般來說,多孔磚的孔洞率超過25%,孔尺寸小而多,且為豎向孔的磚稱為多孔磚。孔洞率大于35%,孔尺寸大而少,且為水平孔的磚稱為空心磚。多孔磚使用時孔洞方向平行于受力方向;空心磚的孔洞則垂直于受力方向。多孔磚常用作六層以下的承重砌體;空心磚則常用于非承重砌體。空心磚也具備許多優點,具體如下:1.節省材料及能量。這是因為它具有較高的孔洞率,例如當生產孔洞率25%的空心磚時,與生產同材質同體積的實心磚相比,就能節省25%的生產原料。若是該磚需要燒制,則另外還能結省25%的煤或其它燃料。2.抗震性能好。首先,空心磚上的小孔會與灌入的混凝土形成銷鍵作用,從而具有更優的抗剪強度;其次,空心磚的自重較小,在基礎投資相同的情況下,能取得更好的抗震效果。除此之外,空心磚還有隔聲性好,保溫隔熱,造價低,基礎投資小,適用范圍廣,施工工效高等諸多優點。可以預見,在當代資源匱乏,能源短缺的現狀下,空心磚將逐漸替代實心磚,成為墻材行業的主導產品。為了進一步提高空心磚的優越性,專家做了大量的研究,在國家“節能減排”的政策號召下,利用鐵尾礦生產高廢渣摻量空心磚也納入了專家們的研究范圍內。在以鐵尾礦為骨料制空心砌塊研究方面,陳家瓏等人以首鋼密云鐵礦圍巖碎石和選礦尾礦分別為粗細骨料,摻加水泥,按照不同的配比試制了混凝土空心砌塊,經自然養護后進行常規檢測,其結果表明,制得的砌塊抗壓強度都達到了設計要求,其它標準也滿足國家標準。與之相同的,李江瑛利用山西某鐵礦尾礦,配以水渣砂,重礦渣粗集料以及水泥,也進行的類似的實驗,實驗結果再次證明了利用鐵尾礦作為生產混凝土空心砌塊的集料在技術上的可行性。在燒結多孔磚方面,鐵尾礦也被驗證了是可以作為摻入料的。南京某建筑材料公司,在其頁巖多孔磚研究的基礎上,開發出了以梅山鐵尾礦為主要摻加料的頁巖鐵尾礦多孔磚,且摻加量達到了50%。其批量生產的產品經法定質檢單位進行產品性能檢測后,頁巖尾礦多孔磚能滿足GB13544-2000《燒結多孔磚》以其企業制定的產品標準。檢驗同時表明,該產品可以滿足夏熱冷地區節能50%的建筑設計標準。2.4彩色地面磚的制備鐵尾礦制作裝飾面磚,工藝簡單,原料成本低,物理性能好,表面光滑、美觀,裝飾效果相當于其它各類裝飾面磚(如水泥地面磚,陶瓷釉面磚)。陳吉春等人利用低硅鐵尾礦成功制得該種尾礦壓制彩色路面磚,并且確定較佳配方是水泥∶粉煤灰∶尾砂=25∶10∶65、水灰比8%,其后又采用利用難度較大的低硅鐵尾礦,配合濕排粉煤灰、425號普通硅酸鹽水泥、分別加以TN、TH、TB、FN、TNC作為外加劑制成路面磚,確定影響路面磚強度等性能的外加劑增強效果依次為FN>TNC>TN>TB>TH的結論。隨后,張熠等又利用安徽黃梅山鐵尾礦為主要原料,采用反打振動工藝和壓制工藝制備彩色地面磚。其抗壓強度均高于國家標準,符合道路建設要求。其配比及相關數據如下表2。反打振動制備工藝生產的彩色地面磚具有美觀、高強、防滑、耐磨等特點且投資小、見效快、產品質量好,品種多,檔次較高,附加值高但是需求量、交通運輸費用高。壓制工藝自動化程度高,單位產量大,工藝流程簡單,生產效率高,防滑、耐磨、抗凍、泄水、易鋪、易拆、易補、易修等許多優點。這種磚在公園,馬路,廣場應用廣泛,需求量極大,具有很大的發展前景。2.5蒸壓尾礦磚的養護賈清梅等人利用唐山地區高硅鐵尾礦為原料,添加部分校正材料,經配料、坯料制備、振動成型后蒸壓養護11小時(制品釜前抽真空0·5h,然后是2·5h升溫,8h1·6MPa恒溫(約190℃)),2.5h降溫和制品出釜。所制得的蒸壓尾礦磚抗壓抗折強度均達到相關標準,其它的指標也滿足要求。其流程與制作雙免磚相似,只是最終養護不同,流程如下圖2。研究表明該地區鐵尾礦符合制作蒸壓尾礦磚的原料要求,經過適當配比,制作的蒸壓磚各項指標符合要求,并且最可貴的是其中尾礦在原料配比中平均可達到50%以上,對鐵尾礦利用率大大增加。2.6燒結磚的制作燒結磚瓦產品建造的房屋能夠滿足最簡便、最經濟、最具環境和諧性、最具安全性的要求,能用較少的原材料和能源,建成堅固耐用的墻體和具有通風功能的傾斜屋面結構。同時,燒結磚瓦還能夠提供高度舒適的生活環境,如保溫隔熱、室內環境濕度的調節、隔聲、防火等。以鐵尾礦代替部分粘土,摻入適量增塑劑,完全可以燒制出普通粘土磚,而且可通過控制鐵尾礦摻量,制成不同強度等級的尾礦磚。用鐵尾礦生產燒結磚,可利用工廠現有條件,投資少,見效快,也為鐵尾礦綜合利用開辟了一條新途徑,節能利廢,保護環境。王金忠以本溪歪頭山鐵礦尾礦成功地研制出燒結磚。由于鐵尾礦成分復雜,又無粘結性在燒結磚中用多了,則降低可塑性;若少用,又達不到大量綜合利用的目的。所以本次試驗,他們分別摻入30%、40%、50%、60%的鐵尾礦與粘土及適量增塑劑(自制)進行配料試驗,結果表明完全可以燒制出普通粘土磚,而且可通過控制鐵尾礦摻量,制成不同強度等級的尾礦磚,流程如圖三。與之相似的田玉梅,肖慶等利用南京梅山鐵礦尾礦進行了制磚燒成特性的研究,他們采用3種尾礦的單一原料進行試驗確定所用尾礦和最佳燒成溫度范圍,然后將原料混勻后擠壓成型以850、900、1000攝氏度進行燒結所制得的磚強度,吸水率都滿足標準。衣德強等也研究了制尾礦燒結磚成型水分對成型性能的影響,最佳水分含量:實心磚、多孔磚16%～18%,空心磚15%～17%。燒制過程中實心磚可豎碼、多孔磚和大孔磚宜平碼,在氧化氣氛下可以燒制出顏色統一的紅色制品,生產出實心磚和多孔磚,抗凍融性符合建筑燒結磚標準。目前燒結磚產品由實心改空心,是國家新型墻材政策規定,也是磚廠必然的發展方向,因為這能使運行電耗、燒成煤耗等費用大大降低。所以普通燒結磚產品必