鐵尾礦的資源化利用研究及現(xiàn)狀

    唐山地處冀東鐵礦基地，據(jù)調(diào)查該地區(qū)鐵礦儲量近60億t，而屬地方礦山開采的鐵礦儲量10億t。

    目前，唐山地區(qū)鐵尾礦累計堆存已達(dá)2億t以上，具有尾礦量大、含硅高且一般不含有價伴生元素等特點(diǎn)。針對該特點(diǎn)，增強(qiáng)鐵尾礦在建材方面的綜合利用，不僅可以減少尾礦的堆存，節(jié)約建壩、防洪等工程費(fèi)用，改善礦區(qū)的環(huán)境，充分利用國家資源，還為建筑材料的原料開辟了一條新的途徑。對我國礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。同時對于唐山地區(qū)鐵礦企業(yè)的多元化發(fā)展，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，改善唐山地區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。 

    鐵尾礦的性質(zhì)和利用的可行性 

    1 鐵尾礦的性質(zhì)

    唐山地區(qū)大部分鐵礦屬前震旦紀(jì)鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，上部是貧赤鐵礦，下部是貧磁鐵礦。脈石礦物有石英、綠泥石、透閃石等。鐵礦尾礦化學(xué)成分中SiO2達(dá)65％～75％，TFe8％～14％，屬高硅高鐵型尾礦，一般不含有價伴生元素。主要成分為石英，少量角閃石、綠泥石、黑云母、方解石和白云石等。它們一般都經(jīng)過破碎和分級處理．顆粒較細(xì)，級配良好，有些還因經(jīng)過一定程度的煅燒或化學(xué)處理而具有一定的化學(xué)活性。根據(jù)有關(guān)資料，生產(chǎn)建筑制品對原料化學(xué)成分的要求為：SiO2>65％、Al2O3>15％、Fe203<15％、MgO<5％、Na20<2％、K20<2.5％、SO2<4％。唐山地區(qū)大中型選廠鐵尾礦的化學(xué)成分見表1。

    表1 鐵尾礦的化學(xué)成分（%）
   

    由表l可見，唐山地區(qū)鐵尾礦中除了Al203偏低外．其它成分均符合要求。經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整其成分，完全可用于建筑材料。 

    2 鐵尾礦利用的可行性

    國內(nèi)外的研究和應(yīng)用證明，尾礦中存在著一些礦物膠體，它們具有一定的電性、吸收性和巨大的表面能，在堿性激發(fā)下，這種膠體物質(zhì)可與水泥漿的水化產(chǎn)物產(chǎn)生離子交換，形成新的凝聚體。這些凝聚體都是依靠比較強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。同時，由于建筑制品是在一定的壓力下成型，水泥顆粒與礦物之間接觸面的緊密度都增大，加上水化反應(yīng)，使之能強(qiáng)有力地膠凝石英顆粒和其它物質(zhì)。研究表明，水泥在水化過程中與石英顆粒能較緊密地結(jié)合，僅次于石灰石和白云石。

    同時硅質(zhì)巖型鐵尾礦的主要化學(xué)成分為SiO2，以無定型形式存在的蛋白石、燧石巖、硅藻土、硅質(zhì)頁巖等，在中性水中的溶解度約1.6×10-6，但在堿性水環(huán)境中，可自發(fā)地與堿性金屬離子發(fā)生化合，生成沸石或水化硅酸鈣等不溶性礦物。而以結(jié)晶形式存在的石英，須在高壓水熱環(huán)境中，方具有這一性質(zhì)。當(dāng)此類尾礦受到高溫時，其主要的物理化學(xué)性狀表現(xiàn)為石英的同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)變。在高壓下，石英的各種高溫變體，雖說在尾礦建材結(jié)構(gòu)中性能差別并不明顯，但其相變時的體積效應(yīng)，卻對生產(chǎn)過程起著制約作用。對于較純凈的石英砂或石英巖型尾礦。由于其較高的熔點(diǎn)，可用作酸性耐火材料，也可熔制成耐高溫的石英玻璃。

    對于尾礦建材的開發(fā)研究，國外起步較早。早在60年代初，前蘇聯(lián)就開始了尾礦建材的研究和生產(chǎn)，如克里沃羅格鐵礦除將尾礦進(jìn)行適當(dāng)分級后用作混凝土的粗細(xì)骨料外，還用細(xì)粒級的尾礦生產(chǎn)硅酸鹽建筑制品；庫爾斯克則建起了以尾礦為主要原料的水泥廠和玻璃廠；科夫多爾和卡齊卡納爾采選公司還用含大量硅酸鎂的選礦尾礦，研制出鎂質(zhì)水泥和水泥制品。加拿大除以尾礦墻體材料研究為特色外，魁北克礦山還用磨細(xì)的尾礦燒制出耐火硅磚。美國除從廢石中回收螢石、長石、石英等外，目前絕大多數(shù)尾礦被用作混凝土填料和鋪路材料，也有人用鐵燧石巖尾礦制成密度可調(diào)的輕質(zhì)磚。日本有人將鐵尾礦與10％的硅藻土混合，燒制成輕質(zhì)骨料。烏克蘭則將石英巖尾礦加以分級，>0.14mm的作為建筑用砂，<0.04mm的用來生產(chǎn)氣孔玻璃和泡沫玻璃，0.14～0.04mm的用作混凝土填充料和制作泡沫混凝土材料。國外許多金屬礦山都將二次資源進(jìn)行了優(yōu)化處理，并將剩余的尾礦用于制造尾礦磚和建筑材料等。

    馬鞍山礦山研究院利用齊大山選礦廠尾礦加入一定的配料(碎石、砂子、粉煤灰及粘土)及石灰，經(jīng)一定的處理后作為路面基料，并在沈陽至盤山的12km路段進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，經(jīng)公路部門的測定表明。已達(dá)到了二級公路對路基的強(qiáng)度要求。該院還利用齊大山、歪頭山細(xì)粒尾礦研制免燒磚、飾面磚，其性能達(dá)到了100#標(biāo)準(zhǔn)。

    無水或貧水的尾礦礦物，在含水(包括蒸汽)的環(huán)境中發(fā)生水化反應(yīng)，并生成在使用條件下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、具有一定機(jī)械強(qiáng)度的含水礦物結(jié)合體的過程稱為水化合成。由此所制得的建材產(chǎn)品稱為水化合成尾礦建材。
 
    3 尾礦建材利用的特點(diǎn)

    唐山地區(qū)采選尾礦的利用特點(diǎn)：1)利用范圍廣泛。目前鐵尾礦幾乎可應(yīng)用于建筑材料生產(chǎn)的各個領(lǐng)域；2)利用量大。隨著近些年鐵尾礦綜合利用技術(shù)和工藝設(shè)備的提高，鐵尾礦在建材領(lǐng)域的利用量呈逐年增長的趨勢；3)利用程度不斷提高；4)具有節(jié)約能源和降低成本的效果。 

    鐵尾礦建材利用的現(xiàn)狀

    尾礦綜合利用工藝已經(jīng)在國外推廣，并取得了良好的效果。目前，我國高硅鐵尾礦建筑材料利用主要集中在高標(biāo)號水泥、建筑陶瓷、免燒磚和燒結(jié)磚、高檔裝飾材料、微晶玻璃、花崗巖等。 

    1 高標(biāo)號水泥

    生產(chǎn)高標(biāo)號水泥的主要原料是鐵尾礦、石灰石、硫酸渣和粉煤灰，鐵尾礦用量可達(dá)到15％左右，其中鐵質(zhì)較正原料——硫酸渣可根據(jù)鐵尾礦中氧化鐵的含量來調(diào)整，當(dāng)氧化鐵含量達(dá)到要求時基至可以不用。原材料經(jīng)過破碎和磨細(xì)加工、配料、攪拌、燒制等工序制成，其性能完全符合要求。

    采取適當(dāng)?shù)拇胧?，新型干法水泥生產(chǎn)線完全可用鐵尾礦替代傳統(tǒng)的硅質(zhì)、鐵質(zhì)材料，生產(chǎn)的熟料質(zhì)量較好，可以穩(wěn)定生產(chǎn)普通52.5[R]高強(qiáng)度等級水泥，并且噸熟料成本降低近5元。但使用時因鐵尾礦粉含水量大，應(yīng)采取強(qiáng)制喂料保證下料順暢；鐵尾礦配料可能會有輕微結(jié)皮，窯尾預(yù)分解系統(tǒng)需加強(qiáng)防堵措施，多設(shè)空氣泡，穩(wěn)定煅燒制度；冬季生產(chǎn)用尾礦廢石效果更佳。

    尾礦在新型干法熟料生產(chǎn)線的成功應(yīng)用，為其大量利用找到了新的途徑，解決了環(huán)境污染，改善了生態(tài)環(huán)境，具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。 

    2 免燒磚

    尾礦免燒磚是以其為主要原材料，用量最高可達(dá)70％，添加水泥、骨料、添加劑，坯體成型為振動成型，養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，養(yǎng)護(hù)10、28天。其中骨料配比合理時可用鐵尾礦中粗粒砂代替，按照尾礦在材料中的作用，可將其分為3種利用形式：1)僅當(dāng)作骨料使用，在制品結(jié)構(gòu)中主要起支撐骨架作用，水化合成反應(yīng)僅發(fā)生于其顆粒表面大約3μm的范圍內(nèi)；2)用作膠結(jié)料(通常稱為磨細(xì)尾礦)，主要是通過化學(xué)反應(yīng)，合成出新的凝膠或結(jié)晶礦物連生體，將骨料膠結(jié)成一個整體；3)采用自然粒級的尾礦砂，直接與堿性激發(fā)劑混合．依靠界面反應(yīng)實(shí)現(xiàn)結(jié)合。生產(chǎn)工藝流程如圖l。 

   
    圖1 免燒磚的生產(chǎn)工藝流程

    免蒸免燒磚屬于膠結(jié)型尾礦建材，是指在常溫或不高于100℃的條件下，通過膠結(jié)材料將尾礦顆粒結(jié)合成整體。與蒸壓磚區(qū)別在于不采用蒸壓，而是采用常溫養(yǎng)護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)是減少設(shè)備投資，降低生產(chǎn)成本，對加速這類建材的推廣應(yīng)用更具有現(xiàn)實(shí)意義。 

    3 混凝土小型空心砌塊

    生產(chǎn)混凝土砌塊的主要原料為鐵尾礦、粉煤灰、粗骨料和水泥等，原料經(jīng)計量配料、攪拌、成型和養(yǎng)護(hù)等工序制成。在混凝土砌塊中，粉煤灰既是摻合料又是微細(xì)集料，鐵尾礦用量達(dá)45％。

    建筑砌塊除廣泛用于居住建筑的承重結(jié)構(gòu)和工業(yè)與民用建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外，還可用于裝飾、市政建設(shè)和水利工程、城市園林建筑等。

    建筑砌塊與其它產(chǎn)品一樣，其質(zhì)量好壞與其推廣應(yīng)用密切相關(guān)。當(dāng)前砌塊質(zhì)量存在的問題主要表現(xiàn)在外觀質(zhì)量差、幾何尺寸偏差大、砌塊強(qiáng)度不穩(wěn)定、密實(shí)度達(dá)不到抗?jié)B要求。為加快建筑工業(yè)的發(fā)展．必須盡快提高砌塊產(chǎn)品質(zhì)量，深入研究砌塊保溫隔熱性能，使之既能達(dá)到節(jié)能建筑的要求，又能減薄墻體的厚度。 

    4 微晶玻璃

    微晶玻璃也叫玻璃陶瓷，是一種由基礎(chǔ)玻璃控制晶化行為而制成的微晶體和玻璃相均勻分布的材料。微晶玻璃同普通玻璃的區(qū)別在于它具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而同陶瓷材料的區(qū)別則在于它的結(jié)晶結(jié)構(gòu)要細(xì)得多。

    制作尾礦微晶玻璃主要原料有鐵尾礦、石英砂、CaC03、A1203、MgO、Na2C03、K2C03、BaC03、硼砂等，其中尾礦用量可達(dá)60％，試樣制品成型時采用水淬燒結(jié)工藝(見圖2)。 

   
    圖2 生產(chǎn)微晶玻璃的水淬燒結(jié)工藝流程
    
    熱處理工藝為：核化溫度770℃、保溫時間60分鐘；晶化溫度870℃、保溫時間60分鐘，升溫速率5℃/min。

    對于唐山地區(qū)鐵尾礦微晶玻璃，通過添加不同的著色劑，可生產(chǎn)出不同顏色的尾礦微晶玻璃，并可開發(fā)出高性能、低成本的高檔建筑裝飾或工業(yè)用耐磨損、耐腐蝕材料，達(dá)到了資源的再回收利用，有利于環(huán)境保護(hù)，又提高了材料的技術(shù)含量和經(jīng)濟(jì)價值。 

    結(jié)語

    鐵尾礦在建材制品中的應(yīng)用品種很多，如果擴(kuò)大它在建材工業(yè)中的應(yīng)用，則有更廣泛的用途，而且還有許多新的用途有待研究開發(fā)。通過鐵尾礦的資源化利用?？晒?jié)省原材料消耗、節(jié)約能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、解決資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，達(dá)到環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏，真正實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。