铁尾矿的资源化利用研究及现状

    唐山地处冀东铁矿基地，据调查该地区铁矿储量近60亿t，而属地方矿山开采的铁矿储量10亿t。

    目前，唐山地区铁尾矿累计堆存已达2亿t以上，具有尾矿量大、含硅高且一般不含有价伴生元素等特点。针对该特点，增强铁尾矿在建材方面的综合利用，不仅可以减少尾矿的堆存，节约建坝、防洪等工程费用，改善矿区的环境，充分利用国家资源，还为建筑材料的原料开辟了一条新的途径。对我国矿业的可持续发展具有深远的意义。同时对于唐山地区铁矿企业的多元化发展，提高企业的经济效益，改善唐山地区生态环境具有重要意义。 

    铁尾矿的性质和利用的可行性 

    1 铁尾矿的性质

    唐山地区大部分铁矿属前震旦纪鞍山式沉积变质铁矿床，上部是贫赤铁矿，下部是贫磁铁矿。脉石矿物有石英、绿泥石、透闪石等。铁矿尾矿化学成分中SiO2达65％～75％，TFe8％～14％，属高硅高铁型尾矿，一般不含有价伴生元素。主要成分为石英，少量角闪石、绿泥石、黑云母、方解石和白云石等。它们一般都经过破碎和分级处理．颗粒较细，级配良好，有些还因经过一定程度的煅烧或化学处理而具有一定的化学活性。根据有关资料，生产建筑制品对原料化学成分的要求为：SiO2>65％、Al2O3>15％、Fe203<15％、MgO<5％、Na20<2％、K20<2.5％、SO2<4％。唐山地区大中型选厂铁尾矿的化学成分见表1。

    表1 铁尾矿的化学成分（%）
   

    由表l可见，唐山地区铁尾矿中除了Al203偏低外．其它成分均符合要求。经过适当调整其成分，完全可用于建筑材料。 

    2 铁尾矿利用的可行性

    国内外的研究和应用证明，尾矿中存在着一些矿物胶体，它们具有一定的电性、吸收性和巨大的表面能，在碱性激发下，这种胶体物质可与水泥浆的水化产物产生离子交换，形成新的凝聚体。这些凝聚体都是依靠比较强的化学键结合而成的网状结构。同时，由于建筑制品是在一定的压力下成型，水泥颗粒与矿物之间接触面的紧密度都增大，加上水化反应，使之能强有力地胶凝石英颗粒和其它物质。研究表明，水泥在水化过程中与石英颗粒能较紧密地结合，仅次于石灰石和白云石。

    同时硅质岩型铁尾矿的主要化学成分为SiO2，以无定型形式存在的蛋白石、燧石岩、硅藻土、硅质页岩等，在中性水中的溶解度约1.6×10-6，但在碱性水环境中，可自发地与碱性金属离子发生化合，生成沸石或水化硅酸钙等不溶性矿物。而以结晶形式存在的石英，须在高压水热环境中，方具有这一性质。当此类尾矿受到高温时，其主要的物理化学性状表现为石英的同质多晶转变。在高压下，石英的各种高温变体，虽说在尾矿建材结构中性能差别并不明显，但其相变时的体积效应，却对生产过程起着制约作用。对于较纯净的石英砂或石英岩型尾矿。由于其较高的熔点，可用作酸性耐火材料，也可熔制成耐高温的石英玻璃。

    对于尾矿建材的开发研究，国外起步较早。早在60年代初，前苏联就开始了尾矿建材的研究和生产，如克里沃罗格铁矿除将尾矿进行适当分级后用作混凝土的粗细骨料外，还用细粒级的尾矿生产硅酸盐建筑制品；库尔斯克则建起了以尾矿为主要原料的水泥厂和玻璃厂；科夫多尔和卡齐卡纳尔采选公司还用含大量硅酸镁的选矿尾矿，研制出镁质水泥和水泥制品。加拿大除以尾矿墙体材料研究为特色外，魁北克矿山还用磨细的尾矿烧制出耐火硅砖。美国除从废石中回收萤石、长石、石英等外，目前绝大多数尾矿被用作混凝土填料和铺路材料，也有人用铁燧石岩尾矿制成密度可调的轻质砖。日本有人将铁尾矿与10％的硅藻土混合，烧制成轻质骨料。乌克兰则将石英岩尾矿加以分级，>0.14mm的作为建筑用砂，<0.04mm的用来生产气孔玻璃和泡沫玻璃，0.14～0.04mm的用作混凝土填充料和制作泡沫混凝土材料。国外许多金属矿山都将二次资源进行了优化处理，并将剩余的尾矿用于制造尾矿砖和建筑材料等。

    马鞍山矿山研究院利用齐大山选矿厂尾矿加入一定的配料(碎石、砂子、粉煤灰及粘土)及石灰，经一定的处理后作为路面基料，并在沈阳至盘山的12km路段进行了工业试验，经公路部门的测定表明。已达到了二级公路对路基的强度要求。该院还利用齐大山、歪头山细粒尾矿研制免烧砖、饰面砖，其性能达到了100#标准。

    无水或贫水的尾矿矿物，在含水(包括蒸汽)的环境中发生水化反应，并生成在使用条件下化学性质稳定、具有一定机械强度的含水矿物结合体的过程称为水化合成。由此所制得的建材产品称为水化合成尾矿建材。
 
    3 尾矿建材利用的特点

    唐山地区采选尾矿的利用特点：1)利用范围广泛。目前铁尾矿几乎可应用于建筑材料生产的各个领域；2)利用量大。随着近些年铁尾矿综合利用技术和工艺设备的提高，铁尾矿在建材领域的利用量呈逐年增长的趋势；3)利用程度不断提高；4)具有节约能源和降低成本的效果。 

    铁尾矿建材利用的现状

    尾矿综合利用工艺已经在国外推广，并取得了良好的效果。目前，我国高硅铁尾矿建筑材料利用主要集中在高标号水泥、建筑陶瓷、免烧砖和烧结砖、高档装饰材料、微晶玻璃、花岗岩等。 

    1 高标号水泥

    生产高标号水泥的主要原料是铁尾矿、石灰石、硫酸渣和粉煤灰，铁尾矿用量可达到15％左右，其中铁质较正原料——硫酸渣可根据铁尾矿中氧化铁的含量来调整，当氧化铁含量达到要求时基至可以不用。原材料经过破碎和磨细加工、配料、搅拌、烧制等工序制成，其性能完全符合要求。

    采取适当的措施，新型干法水泥生产线完全可用铁尾矿替代传统的硅质、铁质材料，生产的熟料质量较好，可以稳定生产普通52.5[R]高强度等级水泥，并且吨熟料成本降低近5元。但使用时因铁尾矿粉含水量大，应采取强制喂料保证下料顺畅；铁尾矿配料可能会有轻微结皮，窑尾预分解系统需加强防堵措施，多设空气泡，稳定煅烧制度；冬季生产用尾矿废石效果更佳。

    尾矿在新型干法熟料生产线的成功应用，为其大量利用找到了新的途径，解决了环境污染，改善了生态环境，具有巨大的经济、社会和环境效益。 

    2 免烧砖

    尾矿免烧砖是以其为主要原材料，用量最高可达70％，添加水泥、骨料、添加剂，坯体成型为振动成型，养护温度为20℃，养护10、28天。其中骨料配比合理时可用铁尾矿中粗粒砂代替，按照尾矿在材料中的作用，可将其分为3种利用形式：1)仅当作骨料使用，在制品结构中主要起支撑骨架作用，水化合成反应仅发生于其颗粒表面大约3μm的范围内；2)用作胶结料(通常称为磨细尾矿)，主要是通过化学反应，合成出新的凝胶或结晶矿物连生体，将骨料胶结成一个整体；3)采用自然粒级的尾矿砂，直接与碱性激发剂混合．依靠界面反应实现结合。生产工艺流程如图l。 

   
    图1 免烧砖的生产工艺流程

    免蒸免烧砖属于胶结型尾矿建材，是指在常温或不高于100℃的条件下，通过胶结材料将尾矿颗粒结合成整体。与蒸压砖区别在于不采用蒸压，而是采用常温养护。其优点是减少设备投资，降低生产成本，对加速这类建材的推广应用更具有现实意义。 

    3 混凝土小型空心砌块

    生产混凝土砌块的主要原料为铁尾矿、粉煤灰、粗骨料和水泥等，原料经计量配料、搅拌、成型和养护等工序制成。在混凝土砌块中，粉煤灰既是掺合料又是微细集料，铁尾矿用量达45％。

    建筑砌块除广泛用于居住建筑的承重结构和工业与民用建筑的围护结构外，还可用于装饰、市政建设和水利工程、城市园林建筑等。

    建筑砌块与其它产品一样，其质量好坏与其推广应用密切相关。当前砌块质量存在的问题主要表现在外观质量差、几何尺寸偏差大、砌块强度不稳定、密实度达不到抗渗要求。为加快建筑工业的发展．必须尽快提高砌块产品质量，深入研究砌块保温隔热性能，使之既能达到节能建筑的要求，又能减薄墙体的厚度。 

    4 微晶玻璃

    微晶玻璃也叫玻璃陶瓷，是一种由基础玻璃控制晶化行为而制成的微晶体和玻璃相均匀分布的材料。微晶玻璃同普通玻璃的区别在于它具有结晶结构，而同陶瓷材料的区别则在于它的结晶结构要细得多。

    制作尾矿微晶玻璃主要原料有铁尾矿、石英砂、CaC03、A1203、MgO、Na2C03、K2C03、BaC03、硼砂等，其中尾矿用量可达60％，试样制品成型时采用水淬烧结工艺(见图2)。 

   
    图2 生产微晶玻璃的水淬烧结工艺流程
    
    热处理工艺为：核化温度770℃、保温时间60分钟；晶化温度870℃、保温时间60分钟，升温速率5℃/min。

    对于唐山地区铁尾矿微晶玻璃，通过添加不同的着色剂，可生产出不同颜色的尾矿微晶玻璃，并可开发出高性能、低成本的高档建筑装饰或工业用耐磨损、耐腐蚀材料，达到了资源的再回收利用，有利于环境保护，又提高了材料的技术含量和经济价值。 

    结语

    铁尾矿在建材制品中的应用品种很多，如果扩大它在建材工业中的应用，则有更广泛的用途，而且还有许多新的用途有待研究开发。通过铁尾矿的资源化利用。可节省原材料消耗、节约能源、保护生态环境、解决资源开发与环境保护之间的矛盾，达到环境与经济效益的双赢，真正实现矿山企业的可持续发展。