鐵尾礦的資源化利用研究及現狀

    唐山地處冀東鐵礦基地，據調查該地區鐵礦儲量近60億t，而屬地方礦山開采的鐵礦儲量10億t。

    目前，唐山地區鐵尾礦累計堆存已達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。針對該特點，增強鐵尾礦在建材方面的綜合利用，不僅可以減少尾礦的堆存，節約建壩、防洪等工程費用，改善礦區的環境，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。對我國礦業的可持續發展具有深遠的意義。同時對于唐山地區鐵礦企業的多元化發展，提高企業的經濟效益，改善唐山地區生態環境具有重要意義。 

    鐵尾礦的性質和利用的可行性 

    1 鐵尾礦的性質

    唐山地區大部分鐵礦屬前震旦紀鞍山式沉積變質鐵礦床，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。鐵礦尾礦化學成分中SiO2達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。它們一般都經過破碎和分級處理．顆粒較細，級配良好，有些還因經過一定程度的煅燒或化學處理而具有一定的化學活性。根據有關資料，生產建筑制品對原料化學成分的要求為：SiO2>65％、Al2O3>15％、Fe203<15％、MgO<5％、Na20<2％、K20<2.5％、SO2<4％。唐山地區大中型選廠鐵尾礦的化學成分見表1。

    表1 鐵尾礦的化學成分（%）
   

    由表l可見，唐山地區鐵尾礦中除了Al203偏低外．其它成分均符合要求。經過適當調整其成分，完全可用于建筑材料。 

    2 鐵尾礦利用的可行性

    國內外的研究和應用證明，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，在堿性激發下，這種膠體物質可與水泥漿的水化產物產生離子交換，形成新的凝聚體。這些凝聚體都是依靠比較強的化學鍵結合而成的網狀結構。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，使之能強有力地膠凝石英顆粒和其它物質。研究表明，水泥在水化過程中與石英顆粒能較緊密地結合，僅次于石灰石和白云石。

    同時硅質巖型鐵尾礦的主要化學成分為SiO2，以無定型形式存在的蛋白石、燧石巖、硅藻土、硅質頁巖等，在中性水中的溶解度約1.6×10-6，但在堿性水環境中，可自發地與堿性金屬離子發生化合，生成沸石或水化硅酸鈣等不溶性礦物。而以結晶形式存在的石英，須在高壓水熱環境中，方具有這一性質。當此類尾礦受到高溫時，其主要的物理化學性狀表現為石英的同質多晶轉變。在高壓下，石英的各種高溫變體，雖說在尾礦建材結構中性能差別并不明顯，但其相變時的體積效應，卻對生產過程起著制約作用。對于較純凈的石英砂或石英巖型尾礦。由于其較高的熔點，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研究，國外起步較早。早在60年代初，前蘇聯就開始了尾礦建材的研究和生產，如克里沃羅格鐵礦除將尾礦進行適當分級后用作混凝土的粗細骨料外，還用細粒級的尾礦生產硅酸鹽建筑制品；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的輕質磚。日本有人將鐵尾礦與10％的硅藻土混合，燒制成輕質骨料。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行了優化處理，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，經一定的處理后作為路面基料，并在沈陽至盤山的12km路段進行了工業試驗，經公路部門的測定表明。已達到了二級公路對路基的強度要求。該院還利用齊大山、歪頭山細粒尾礦研制免燒磚、飾面磚，其性能達到了100#標準。

    無水或貧水的尾礦礦物，在含水(包括蒸汽)的環境中發生水化反應，并生成在使用條件下化學性質穩定、具有一定機械強度的含水礦物結合體的過程稱為水化合成。由此所制得的建材產品稱為水化合成尾礦建材。
 
    3 尾礦建材利用的特點

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

    鐵尾礦建材利用的現狀

    尾礦綜合利用工藝已經在國外推廣，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號水泥、建筑陶瓷、免燒磚和燒結磚、高檔裝飾材料、微晶玻璃、花崗巖等。 

    1 高標號水泥

    生產高標號水泥的主要原料是鐵尾礦、石灰石、硫酸渣和粉煤灰，鐵尾礦用量可達到15％左右，其中鐵質較正原料——硫酸渣可根據鐵尾礦中氧化鐵的含量來調整，當氧化鐵含量達到要求時基至可以不用。原材料經過破碎和磨細加工、配料、攪拌、燒制等工序制成，其性能完全符合要求。

    采取適當的措施，新型干法水泥生產線完全可用鐵尾礦替代傳統的硅質、鐵質材料，生產的熟料質量較好，可以穩定生產普通52.5[R]高強度等級水泥，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，應采取強制喂料保證下料順暢；鐵尾礦配料可能會有輕微結皮，窯尾預分解系統需加強防堵措施，多設空氣泡，穩定煅燒制度；冬季生產用尾礦廢石效果更佳。

    尾礦在新型干法熟料生產線的成功應用，為其大量利用找到了新的途徑，解決了環境污染，改善了生態環境，具有巨大的經濟、社會和環境效益。 

    2 免燒磚

    尾礦免燒磚是以其為主要原材料，用量最高可達70％，添加水泥、骨料、添加劑，坯體成型為振動成型，養護溫度為20℃，養護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)僅當作骨料使用，在制品結構中主要起支撐骨架作用，水化合成反應僅發生于其顆粒表面大約3μm的范圍內；2)用作膠結料(通常稱為磨細尾礦)，主要是通過化學反應，合成出新的凝膠或結晶礦物連生體，將骨料膠結成一個整體；3)采用自然粒級的尾礦砂，直接與堿性激發劑混合．依靠界面反應實現結合。生產工藝流程如圖l。 

   
    圖1 免燒磚的生產工藝流程

    免蒸免燒磚屬于膠結型尾礦建材，是指在常溫或不高于100℃的條件下，通過膠結材料將尾礦顆粒結合成整體。與蒸壓磚區別在于不采用蒸壓，而是采用常溫養護。其優點是減少設備投資，降低生產成本，對加速這類建材的推廣應用更具有現實意義。 

    3 混凝土小型空心砌塊

    生產混凝土砌塊的主要原料為鐵尾礦、粉煤灰、粗骨料和水泥等，原料經計量配料、攪拌、成型和養護等工序制成。在混凝土砌塊中，粉煤灰既是摻合料又是微細集料，鐵尾礦用量達45％。

    建筑砌塊除廣泛用于居住建筑的承重結構和工業與民用建筑的圍護結構外，還可用于裝飾、市政建設和水利工程、城市園林建筑等。

    建筑砌塊與其它產品一樣，其質量好壞與其推廣應用密切相關。當前砌塊質量存在的問題主要表現在外觀質量差、幾何尺寸偏差大、砌塊強度不穩定、密實度達不到抗滲要求。為加快建筑工業的發展．必須盡快提高砌塊產品質量，深入研究砌塊保溫隔熱性能，使之既能達到節能建筑的要求，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別在于它具有結晶結構，而同陶瓷材料的區別則在于它的結晶結構要細得多。

    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60％，試樣制品成型時采用水淬燒結工藝(見圖2)。 

   
    圖2 生產微晶玻璃的水淬燒結工藝流程
    
    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。

    對于唐山地區鐵尾礦微晶玻璃，通過添加不同的著色劑，可生產出不同顏色的尾礦微晶玻璃，并可開發出高性能、低成本的高檔建筑裝飾或工業用耐磨損、耐腐蝕材料，達到了資源的再回收利用，有利于環境保護，又提高了材料的技術含量和經濟價值。 

    結語

    鐵尾礦在建材制品中的應用品種很多，如果擴大它在建材工業中的應用，則有更廣泛的用途，而且還有許多新的用途有待研究開發。通過鐵尾礦的資源化利用。可節省原材料消耗、節約能源、保護生態環境、解決資源開發與環境保護之間的矛盾，達到環境與經濟效益的雙贏，真正實現礦山企業的可持續發展。