用石煤提釩尾礦制備免燒磚

馬 瑩 朱 軍 尹洪峰 李林波 袁蝴蝶 劉新運

(1.西安建筑科技大學冶金工程學院;2.西安建筑科技大學材料與礦資學院;3.陜西五洲礦業股份公司)

石煤是我國特有的一種含釩資源，分布廣泛，儲量豐富，可用于發電、提釩、制建材等［1］。其中，濕法提釩是低熱值石煤最主要的利用方式，但會產生大量的尾礦。目前，石煤提釩尾礦大都以尾礦壩堆存的方式進行處理，尾礦壩不僅投資大，占用大量土地，而且會對周圍環境和地下水造成污染。同時，由于尾礦排放量的逐年增加，尾礦壩存在發生突發性潰壩事故的隱患，對尾礦壩附近居民的生命安全造成了潛在的威脅［2］。

陜西省商洛地區有豐富的低熱值含釩石煤資源，釩品位較低(1%左右)。近年來釩產業發展迅速，其中陜西五洲礦業公司是我國石煤提釩的骨干企業，年排放尾礦量在80萬t左右。按照國家清潔生產、節能減排、發展循環經濟的產業政策要求，全面開展石煤提釩尾礦綜合利用研究是石煤提釩產業的共性問題，具有重要的環境、社會和經濟效益。利用尾礦制備建筑用磚是消耗尾礦的有效方法之一。本研究根據陜西五洲礦業公司石煤提釩尾礦的理化性質，結合當地黏土資源缺乏的實際情況［3］，開展利用該尾礦制備免燒磚的實驗室試驗。

1 試驗原料

(1)石煤提釩尾礦。由陜西五洲礦業公司提供，其化學組成見表1，X射線衍射分析結果見圖1，粒度組成見表2。

由表1和圖1可知，尾礦化學組成以二氧化硅為主，含少量鈣和鐵，物相組成主要為石英、石膏、硫鋁酸鈣和鈣長石，滿足制磚的成分要求。

表1 石煤提釩尾礦化學多元素分析結果 %

圖1 石煤提釩尾礦XRD分析圖譜

表2 石煤提釩尾礦粒度分析結果

由表2可見，尾礦中+0.5 mm粒級占22.8%，0.5～0.2 mm粒級占69.7%，－0.088 mm粒級只有6.2%，表明尾礦細粉比例偏低，要制備免燒磚，還需將部分尾礦磨細，以達到制磚原料的顆粒級配要求。

(2)水泥。采用秦嶺P.042.5R水泥，其主要力學性能見表3。

表3 水泥主要力學性能 MPa

2 試驗方法

采用壓制成型法制備免燒磚［4］，工藝流程見圖2。

圖2 試驗流程

(1)將部分尾礦每次取5 kg，用SYM 500 mm×500 mm水泥試驗磨粉磨1 h，篩取－0.088 mm粒級作為尾礦細粉。

(2)按一定比例每次取水泥和尾礦細粉共2 kg，用QM－I輕型球磨機干混10 min。

(3)向一定量未經粉磨的原尾礦中加入適量的水人工攪拌均勻。

(4)按一定比例每次取水泥－尾礦細粉干混料和加水原尾礦共2 kg，用QM－I輕型球磨機濕混20 min，然后在自然條件下困料1 h。

(5)將經過困料的混合原料倒入不銹鋼模具中，在YA71－45A型液壓機上以一定壓力壓制成 36 mm×36 mm的免燒磚試塊，每4個相同的試塊為1組。

(6)將試塊自然養護1 d后蓋布灑水養護至3、7、28 d。

(7)參照《JC/T 422—2007 非燒結垃圾尾礦磚》，用TYE－300B型壓力試驗機測試塊各齡期的抗壓強度，按阿基米德法測試塊的體積密度、氣孔率和吸水率［5］，取每組試塊的測試平均值作為最終測試結果。

(8)用VEGA 3 LMH型掃描電鏡(SEM)對試塊進行微觀形貌分析。

3 試驗結果及分析

3.1 粗細尾礦配比對制品性能的影響

3.1.1 粗細尾礦配比對制品抗壓強度的影響

固定水泥在固體干料中的質量分數和水與固體干料的質量比均為8%、成型壓力為15 MPa，考察原尾礦與尾礦細粉的配比對免燒磚試塊抗壓強度的影響，試驗結果如表4所示。

表4 粗細尾礦配比對制品抗壓強度的影響

由表4可以看出:隨著固體干料中原尾礦質量分數的增多和尾礦細粉質量分數的減少，試塊各齡期的抗壓強度總體上均呈先升后降趨勢。當固體干料中原尾礦的質量分數大于70%、尾礦細粉的質量分數小于22%時，試塊的抗壓強度降低較為明顯;當固體干料中原尾礦的質量分數為65%、尾礦細粉的質量分數為27%時，試塊的28 d抗壓強度達到最大值。

3.1.2 粗細尾礦配比對制品其他性能的影響

固定水泥在固體干料中的質量分數和水與固體干料的質量比均為8%、成型壓力為15 MPa，考察原尾礦與尾礦細粉的配比對免燒磚試塊體積密度、氣孔率和吸水率的影響，試驗結果如表5所示。

表5 粗細尾礦配比對制品體積密度、氣孔率和吸水率的影響

由表5可知，隨著固體干料中原尾礦質量分數的增多和尾礦細粉質量分數的減少，試塊體積密度相對減小，氣孔率相對提高，但變化都不大。結合表4結果，選取原尾礦與尾礦細粉比例為65∶27。

3.2 水泥用量對制品性能的影響

3.2.1 水泥用量對制品抗壓強度的影響

水泥的作用一是作為膠結劑，在水化初期生成水化物，賦予制品早期強度;二是作為激發劑，使水化生成的Ca(OH)2進一步與尾礦中的活性成分發生二次水化反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，使制品的強度繼續提高［6］。因此，水泥的用量直接影響免燒磚的力學性能，同時還影響磚的生產成本。

在原尾礦與尾礦細粉的比例為65∶27、水與固體干料的質量比為8%、成型壓力為15 MPa的條件下考察水泥用量對免燒磚試塊抗壓強度的影響，試驗結果如表6所示。

表6 水泥用量對制品抗壓強度的影響

由表6可以看出:隨著水泥用量的增多，試塊各齡期的抗壓強度總體均呈逐漸提高趨勢。當尾礦與水泥的配比為97∶8時，試塊的28 d抗壓強度為30.43 MPa，已滿足《JC/T 422—2007 非燒結垃圾尾礦磚》中MU25強度等級的要求，此后試塊的28 d強度提高不是很顯著。

3.2.2 水泥用量對制品其他性能的影響

在原尾礦與尾礦細粉的比例為65∶27、水與固體干料的質量比為8%、成型壓力為15 MPa的條件下考察水泥用量對免燒磚試塊體積密度、氣孔率和吸水率的影響，試驗結果如表7所示。

表7 水泥用量對制品體積密度、氣孔率和吸水率的影響

由表7可以看出，隨著水泥用量的增大，試塊的體積密度逐漸提高、氣孔率和吸水率逐漸下降，但水泥在固體干料中的質量分數達到8%后，試塊的體積密度、氣孔率和吸水率變化都不大。結合表6結果，選取尾礦與水泥的配比為97∶8，即固體干料中原尾礦、尾礦細粉、水泥的質量分數分別為65%、27%、8%。

3.3 制品SEM分析結果

在固體干料中原尾礦、尾礦細粉、水泥的質量分數分別為65%、27%、8%，水與固體干料的質量比為8%，成型壓力為15 MPa的條件下，所得免燒磚試塊養護28 d時的SEM分析結果如圖3、圖4所示。

圖3 制品表面的SEM照片

由圖3可以看出，制品表面呈現水泥水化后的層狀產物，基質與顆粒結合緊密，氣孔分布較均勻。由圖4可以看出，制品斷口處裂紋較少，空隙處水化產物較多，從而促進了制品密實度和強度的提高［7］。

圖4 制品斷口的SEM照片

4 結論

(1)陜西五洲礦業公司石煤提釩尾礦的主要物相組成為石英、石膏、硫鋁酸鈣和鈣長石，適合制備免燒磚。但該尾礦粒度較粗，需要將其中的一部分加工成－0.088 mm的尾礦細粉以滿足免燒磚原料的顆粒級配要求。

(2)利用該尾礦制備免燒磚的配方是:原尾礦、尾礦細粉、水泥在固體干料中的質量分數分別為65%、27%、8%，水與固體干料的質量比為8%。按照此配方，在成型壓力為15 MPa的條件下，可制備出強度等級達到《JC/T 422—2007 非燒結垃圾尾礦磚》中MU25級要求的免燒磚。

［1］ 張錦瑞，徐 暉．循環經濟與尾礦的綜合利用［C］∥2004年全國礦產資源合理開發、有效利用和生態環境綜合整治技術交流會論文集．馬鞍山:《金屬礦山》雜志社，2004:434-437．

［2］ 時 亮，魏 昶，樊 剛，等．石煤提釩浸出渣制取建筑用磚的研究［J］.礦產綜合利用，2009(6):35-37．

［3］ 何廷樹，王盤龍，陳向軍，等．鐵尾礦干壓免燒磚的制備［J］.金屬礦山，2009(4):168-171．

［4］ 陳敏健，陳學江，任如學，等．鐵礦尾礦礦相組成與制磚燒成工藝關系的研究［J］.現代技術陶瓷，2005(3):13-14．

［5］ 尹洪峰，夏麗紅，任 耘，等．利用邯邢鐵礦尾礦制備建筑用磚的研究［J］.金屬礦山，2006(2):79-81．

［6］ 劉鳳春，劉家弟，傅海霞．鐵礦尾礦雙免磚的研制［J］.礦業快報，2007(3):33-35．

［7］ 張婷婷．鄂西赤鐵礦尾礦制備免燒磚工藝及機理研究［D］.武漢:武漢理工大學，2010．