鐵礦尾礦的活化及蒸養磚的制備

高金鋒，高　倫，安子博，梁　實，曹　宏，薛　俊

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢430074

鐵礦尾礦的活化及蒸養磚的制備

高金鋒，高倫，安子博，梁實，曹宏，薛俊*

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢430074

采用煅燒、磁選工藝對鐵礦尾礦的惰性進行改性.以改性后的鐵礦尾礦為原料制備了蒸養磚，實現了對鐵礦尾礦的廢物利用.將選礦尾礦與一定量煤粉混合煅燒，使其具有火山灰活性并使尾礦中的礦石礦物轉變成磁鐵礦.對煅燒尾礦進行磁選，并檢測三氧化二鋁和二氧化硅的總溶出率.以活化磁選后的鐵礦尾礦為主要原料，采取干壓成型制備了蒸養磚.結果表明，煅燒后磁選能夠將重選尾礦、浮選尾礦中的鐵含量分別降低39.41%和45.10%，分選出來的鐵精礦的品位均在57%以上.同時，重選尾礦的火山灰活性提高了近3倍，磁選尾礦的火山灰活性提高近2倍.制備蒸養磚的最佳配合比為：水泥、建筑砂與尾礦的質量比為1∶1∶8，水料比0.15，石膏摻量為總干物料的2%.所制得蒸養磚的抗折強度、抗壓強度、吸水率、軟化系數、干質量損失、干燥收縮率等性能指標都達到了非燒結磚的國標要求.

煅燒；活化；溶出率；強度；干燥收縮

1　引　言

隨著我國經濟的高速發展，鋼鐵的需求量也日益攀升，由此帶來的鐵礦尾礦等工業廢料也在不斷增加.據不完全統計，目前我國累計堆存的鐵尾礦量高達50億噸左右，而且隨著鐵礦產能的不斷提高，尾礦堆存量以5億噸/年的速度在不斷增長.這些廢料不僅占用了大量的土地資源，還存在著一定的安全隱患［1-2］.因此，如何變廢為寶，將鐵礦尾礦資源化利用成為人們越來越關注的問題.很多學者已開始著手研究利用鐵礦尾礦作為填料來制備各種建筑材料［3-5］.如利用鐵礦尾礦制備燒結磚［6］，蒸養磚［7］等，但由于鐵礦尾礦粒度細，屬于典型的非活性礦物料，不具有火山灰活性，因此上述的應用中，鐵礦尾礦只能當做惰性填料使用，添加量一般不大，從而水泥、骨料的用量大，導致成本過高.

本文對鐵礦尾礦進行煅燒活化，回收活化產生的鐵精礦，減低成本的同時也提高了火山灰活性.在活化的鐵礦尾礦中添加少量的建筑砂等，進行了干壓成型制備蒸養磚，通過單因素試驗方法優化得出制備鐵礦尾礦蒸養磚的最佳配合比.并根據非燒結尾礦磚的相關標準，對樣品進行了抗折抗壓強度、吸水率、軟化系數、干質量損失、干燥收縮率等性能指標進行測試分析.

2　實驗部分

2.1實驗用原料

實驗用主要原料：梅山鐵礦尾礦（鐵物相分析及礦物分析化見表1），水泥（黃石華新水泥P·O 32.5普通硅酸鹽水泥），骨料（市售中粗砂），水（自來水）.

表1　梅山鐵礦尾礦的礦物分析和鐵物相分析Tab.1　Analysis of mineral and iron phase of meishan iron ore tailing　%

2.2鐵礦尾礦的活化

由于尾礦中含有菱鐵礦、赤鐵礦，這二者均不能通過磁選分離，需要在煅燒的過程中還原成可被磁選機分離的磁鐵礦，實驗中選取煤粉作還原劑.

活化的處理：1）將干燥過的重選和浮選鐵礦尾礦分別通過0.147 mm方孔篩進行篩選；2）將過篩的煤粉按尾礦質量的0～8%分別加入到兩種尾礦中混合均勻；3）取上述混合均勻的樣品在700℃的溫度下煅燒1 h，升溫速率為15～20℃/min；4）將煅燒后的尾礦在流動空氣中迅速冷卻，采用干法磁選機進行再選礦，除去煅燒活化過程中形成的鐵精礦，殘余物即為活化的鐵礦尾礦.

2.3火山灰活性檢測

取經過磁選后的樣品進行火山灰活性檢測.參照GB/T3286.2-1998［8］和GB/T3286.3-1998［9］配置待測溶液，測定經煅燒的尾礦中SiO2和Al2O3總的溶出率.

2.4蒸養磚的制備

首先研究了河砂與混合尾礦的摻量以及養護溫度對樣品抗壓強度的影響，確定最佳配合比設計和養護條件：水泥、建筑砂與混合尾礦的質量比為1∶1∶8，水料比為0.15，石膏摻量為總質量的2%.物料先干混10 min，再濕混10 min，陳化30 min.成型壓力為20 MPa，成型的樣品先標養1d，然后在50℃下蒸養1d，再標養5d.

2.5蒸養磚性能的測試

制備的蒸養磚，參照J/T422-2007［10］《非燒結垃圾尾礦磚》和GB/T4111-1997［11］《混凝土小型空心砌塊試驗方法》標準對蒸養磚的抗折抗壓強度、干質量損失率、干燥收縮率、軟化系數以及吸水率進行檢驗.

3　結果與討論

3.1活化與磁選的結果

重選和浮選的尾礦經過煅燒活化后，通過干法磁選機選礦，除去煅燒活化過程中形成的鐵精礦.結果發現，煅燒后用干法磁選能夠將重選尾礦、浮選尾礦中的鐵含量分別降低39.41%和45.10%，分選出來的鐵精礦的品位均在57%以上.對未煅燒的尾礦進行火山灰活性檢測，得出未煅燒的重選尾礦總的溶出率為4.53%，未煅燒的浮選尾礦總的溶出率為5.46%，而煅燒的重選尾礦的總溶出率達到了11.4%，煅燒的浮選尾礦的總溶出率達到了9.19%，可知煅燒的尾礦的三氧化二鋁和二氧化硅總的溶出率有顯著的提高，重選尾礦的活性提高了近3倍、浮選尾礦總的活性提高近2倍.也即是說，尾礦得到了有效活化.

從實驗結果可以看出，對鐵礦尾礦進行煅燒，不僅能提高鐵礦尾礦的活性，同時通過煅燒-磁選獲得的鐵精礦可以收回使用，減少成本.

3.2最佳配合比的研究

3.2.1尾礦與建筑砂的摻量對蒸養磚抗壓強度的影響固定水泥、石膏以及水的用量，石膏摻量為總干物料質量的2%，改變建筑砂與尾礦的相對摻量，物料先干混10 min，加水攪拌10 min，再陳化30 min.在20 MPa的成型壓力下成型.樣品先置于水泥砼標養箱中標養1d，再置于90℃蒸養箱中蒸養1d，最后于水泥砼標養箱中標養5d，再取出測7d抗壓強度.表2為建筑砂和尾礦配合比的設計圖.

表2　配合比設計Tab.2　Compounding ratiodesign　w/%

實驗結果如圖1所示，由圖可以看出，在建筑砂摻量少于10%（質量分數，下同）時，樣品的抗壓強度逐漸增大，當河砂摻量達到10時，樣品的抗壓強度達到最大，繼續增加河沙用量時，樣品的抗壓強度呈現先降低再升高的趨勢，當河砂摻量為25%時升高值達到最大，但是小于河砂摻量為10%時的強度.出現上述現象的原因是：當河砂摻量為10%時，尾礦與建筑砂的空間級配最為合理，骨架中大的空隙被粒度較小的尾礦所填充，又因為煅燒過的尾礦具有火山灰活性，使骨架粘結的更為牢固，兩者共同作用使蒸養磚強度達到最大.由于再繼續增大河沙用量就會減少尾礦用量，達不到循環經濟的要求，而且成本會逐漸增加，沒有經濟效益.圖中誤差棒表示抗壓強度不確定度的大小，最大不確定度為0.85 MPa，最小不確定度為0.5 MPa，表示實驗數據的可靠性牢固.據此確定建筑砂的摻量為10%，尾礦的摻量為80%.

圖1　尾礦與建筑砂的配比對蒸養磚抗壓強度的影響Fig.1　Effect ofcompounding ratio of tailings and building sand on thecompressive strength of steam-cured bricks

3.2.2水泥用量對蒸養磚抗壓強度的影響確定骨料與尾礦的質量比為1∶8，水料比0.15，石膏摻量為總干物料的2%，水泥用量分別是4%，7%，8%，10%，13%，16%.每組均按同樣的總量配置，成型條件和養護條件同上.養護至齡期測試其抗壓強度結果如圖2所示，由圖可知：隨著水泥摻量的增加，蒸養磚的抗壓強度不斷增加，但當水泥摻量為10%時，其抗壓強度為15.24 MPa，已經達到非燒結磚強度等級MU15的國標要求.圖中誤差棒表示抗壓強度不確定度的大小，最大不確定度為0.45 MPa，最小不確定度為0.3 MPa，不確定度很小表明抗壓強度可靠性很好.因此確定水泥摻量為10%.3.2.3溫度制度對蒸養磚學性能的影響水泥、建筑砂與尾礦的質量比為1∶1∶8，水料比0.15，石膏摻量為總干物料的2%，成型方法同上.將成型好的樣品先標樣1d，再分別置于50℃，70℃，90℃的溫度下蒸養1d，最后再標養5d，測養護后的樣品抗壓強度，結果如圖3所示，知養護的溫度并不是越高越好，溫度越高，能耗越大.圖中誤差棒表示抗壓強度不確定度的大小，最大不確定度為0.61 MPa，最小不確定度為0.41 MPa，由圖可知其抗壓強度數值可靠性很好.由于50℃已經基本合適，因此確定樣品的養護溫度為50℃. 3.2.4最佳配合比確定最佳配合比：水泥、建筑砂與尾礦的質量比為1∶1∶8，水料比0.15，石膏摻量為總干物料的2%.成型條件是：先干混10 min，再濕混10 min，最后陳化30 min，成型壓力為20 MPa.養護條件是：脫模后先標養1d，再置于50℃下蒸養1d，再標養5d.

圖2　水泥摻量對蒸養磚抗壓強度的影響Fig.2　Effect ofcementdosage on thecompressive strength of steamcured bricks

圖3　養護溫度對樣品抗壓強度的影響Fig.3　Effect ofcuring temperature on thecompressive strength of samples

3.3蒸養磚的性能測試

采用上述最佳配合比制備蒸養磚，參照J/T422-2007［7］《非 燒 結 垃 圾 尾 礦 磚》和GB/T4111-1997［8］《混凝土小型空心砌塊試驗方法》標準對蒸養磚的抗折抗壓強度、干質量損失率、干燥收縮率、軟化系數以及吸水率進行檢驗.樣品的各項性能檢測結果如表3所示，從表中可以看出，制備的蒸養磚各項性能都能夠達到相關要求.與此同時，用干燥未煅燒的鐵礦尾礦做對比實驗，結果發現，使用干燥未煅燒的鐵礦尾礦在相同條件下，所制備蒸養磚的抗壓強度僅為5.34 MPa，而使用煅燒尾礦制備的蒸養磚，抗壓強度達到了15.74 MPa.當水泥摻量相同時，經靜停初養，煅燒尾礦制備的坯體，其強度0.8 MPa，而用未經煅燒尾礦制備的坯體，其強度僅有0.3 MPa.這兩項試驗說明，煅燒后的尾礦得到了顯著活化，與未煅燒尾礦相比，在達到同等強度的條件下，制備建材可以減少水泥用量.

表3　樣品性能的檢測結果Tab.3　Test results of the performances of samples

4　結　語

1）通過煅燒活化后，磁選能夠將重選尾礦、浮選尾礦中的鐵含量分別降低39.41%和45.10%，分選出來的鐵精礦的品位均在57%以上，可以回收利用，減低成本.重選尾礦的活性提高了近3倍、磁選尾礦的活性提高近2倍.

2）利用鐵礦尾礦制備蒸養磚中，較理想的原料配比及工藝條件是：水泥、建筑砂與尾礦的質量比為1∶1∶8，水料比0.15，石膏摻量為總干物料的2%.成型條件是：先干混10 min，再濕混10 min，最后陳化30 min，成型壓力為20 MPa.養護條件是：脫模后先標養1d，再置于50℃下蒸養1d，再標養5d.制備的蒸養磚各項性能都能達到相關的要求，與未煅燒尾礦相比，在達到同等強度的條件下，制備建材可以減少水泥用量.

［1］朱勝元.尾礦綜合利用是實現我國礦業可持續發展的重要途徑［J］.銅陵財經?？茖W校學報，2000，52（1）：38-40.

ZHU S Y.Tailings utilization is an important way to achieve sustainabledevelopment ofchina's mining industry［J］.Journal of Tonglingcollege of finance and economics，2000，52（1）：38-40.

［2］金家康.孫寶臣.淺談鐵尾礦綜合利用的現狀和問題［J］.山西建筑，2008，64（10）：26-27.

JIN J K，SUN Bc.Discussion on the present situation and problems ofcomprehensive utilization of iron tailings［J］.Shanxi architecture，2008，64（10）：26-27. ［3］郭春麗.利用鐵尾礦制造建筑用磚［J］.磚瓦，2006，78（2）：42-44.

GUOc L.Production of building bricks from iron ore tailings［J］.Brick，2006，78（2）：42-44.

［4］劉露.鐵尾礦制磚研究與利用現狀［J］.礦業快報，2008，98（10）：14-18.

LIU L.Research andcurrent situation of utilization of brick making by iron ore tailings［J］.Mining express，2008，98（10）：14-18.

［5］LI J，WANG Q，LIU J H，et al.Synthesis process of forsterite refractory by iron ore tailings［J］.Journal of environmental sciences supplement，2009，21（8）：92-95.

［6］郝先成，蹇守衛.利用鐵尾礦制備燒結磚的研究［J］.新型建筑材料，2012，39（7）：25-28.

HAO Xc，JIAN S W.Research on the sintered brick of iron-slag［J］.New building materials，2012，39（7）：25-28.

［7］黃世偉，李妍研，程麟，等.用梅山鐵尾礦制備免燒免蒸磚［J］.金屬礦山，2007，20（4）：81-84.

HUANG S W，LI Y Y，CHENG L，et al.Preparation of burning and steamcuring-free bricks from Meishan iron ore tailings［J］.Metal mining，2007，20（4）：81-84.

［8］中華人民共和國原冶金工業部.石灰石、白云石化學分析方法二氧化硅量的測定：GB/T 3286.2-1998 ［S］.北京：首鋼特鋼公司，1998.

［9］中華人民共和國原冶金工業部.石灰石、白云石化學分析方法氧化鋁量的測定：GB/T 3286.3-1998［S］.武漢：武漢鋼鐵（集團）公司技術中心，1998.

［10］中國建筑材料工業協會.非燒結垃圾尾礦磚.JC/ T422-2007［S］.北京：中國建材工業出版社，2008.

［11］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.混凝土小型空心砌塊試驗方法：GB/T4111-1997［S］.北京：中國標準出版社，1997.

本文編輯：龔曉寧

Activation of Iron Ore Tailings and Preparation of Steam-Cured Bricks

GAO Jinfeng，GAO Lun，AN Zibo，LIANG Shi，CAO Hong，XUE Jun*
School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

The iron ore tailings were used as the raw materials to prepare steam-cured bricks for better use of the waste materials，and thecalcination and magnetic separation technology was employed to modify the reactivity of the starting iron ore tailings.The mixtures of the tailings and acertain amount ofcoal powder werecalcined，so that they gained the pozzolanicity activities，the ore minerals in the tailings were transformed to magnetite iron minerals.After magnetic separation，the totaldissolution rate of alumina and silicondioxide wasdetermined. Finally，by using the activated and magnetic separated iron ore tailings as the major raw materials，the steamedcuring bricks were obtained by thedry pressing method.The results show that the ironcontent in reelected tailingsandflotationtailingsinthemagneticseparationaftercalciningreducesby39.41%and45.10%，respectively，and the iron oreconcentration is higher than57%in the sorting out.Meanwhile，the pozzolanic activities of the tailings achieves 3-fold increase by the gravitational separation and 2-fold increas by the magnetic separation. The optimumcompounding ratios for preparing steam-cured bricks are obtained at the mass ratio ofcement and building sand and tail ore of 1∶1∶8，the ratio of water anddry powders of 0.15，and 2%for thedosage of the gypsum in the totaldry powders.All the physical parameters，including flexural strength，compressive strength，water absorption，softeningcoefficient，dry mass loss anddrying shrinkage performance indicators of the prepared steam-cured bricks have reached the national standard of baked brick.

calcinations；activation；dissolution rate；strength；drying shrinkage

TU522.1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.02.010

1674-2869（2016）02-0158-05

2015-11-27

國家科技支撐計劃項目（2013BAB07B05）；湖北省自然科學基金項目（2014CFB788）；武漢工程大學科學研究基金（K201465）；武漢工程大學研究生教育創新基金（CX2014071，CX2015009）

高金峰，碩士研究生.E-mail：835247138@qq.com

薛俊，博士，副教授.E-mail：120373109@qq.com