尾礦燒結制磚研究和應用

王曉明

（南京福翊銘環保新材料有限公司，南京 211153）

梅山鐵礦梁塘尾礦庫距離梅山鐵礦12 km，庫容為823.5萬m3，占地面積為53.3 hm2，其屬于四等庫。西側主壩下游緊鄰梁塘村，2#副壩處有高壓電線路通過，梁塘尾礦庫屬典型的頭頂庫，從長周期安全考慮，取砂銷庫能夠徹底消除危險源，恢復原始生態地形地貌。隨著建材行業機械工藝技術的進步，國家對建筑材料提出了綠色、環保、節能的新要求。用尾礦燒結多孔磚不僅可以提高鐵礦資源利用率，還能減少土地資源占有量。當前，國家鼓勵和支持研發尾礦綜合利用共性關鍵技術。因此，南京福翊銘環保新材料有限公司和梅山鐵礦協同合作，利用梁塘尾礦庫庫內堆存尾礦生產燒結磚，在全國冶金礦山率先整體利用尾礦庫，以期實現堆存尾礦1 000萬t全部利用，打造綠水青山環境，共建和諧友好社會。

1 尾礦性質

尾礦真比重為3.15 g/cm3，容重為1.50 g/cm3，比表面積為10.44 m2/g，塑性指數為8.57，礦物組成如表1所示，多成分分析如表2所示，鐵物相分析如表3所示，粒度分析如表4所示。

表1 尾礦礦物分析

表2 尾礦多成分分析

表3 尾礦鐵物相分析

表1顯示，尾礦中礦物有磁鐵礦、菱鐵礦、石英、方解石、赤鐵礦、白云石和高嶺土等，含有一定量的黏土礦物；表2顯示，鐵品位和CaO較高，燒損較高；表3顯示，尾礦中含鐵礦物主要是赤鐵礦和碳酸鐵，此外有少量硅酸鐵和黃鐵礦；表4顯示，粒度組成細，-400目占67.72%，-200目占83.16%，+0.45 mm產率只有0.46%，粒級降低，鐵品位升高。經初步分析，尾礦含有綠泥石、云母等片層狀結構的黏土礦物，滿足制磚對物料塑性指數大于7的要求，尾礦是鐵礦石經過球磨機磨礦分級，粒度大幅度降低后工序選別的產物，因此粒度細而且均勻，比黏土的比表面積大，平均粒徑小，有利于固相分解反應和燒結過程的進行，可減少游離氧化鈣和氧化鎂。

表4 尾礦粒度分析

2 燒結制磚研究

燒結磚瓦是一種多功能齊備于一體的建筑材料，以防火、防潮、防化學腐蝕、抗風化能力強而稱著[1]。燒結磚是綜合物理、生物、建筑和美學性能的理想墻體材料。遠古時期，人類已經開始生產和使用燒結磚，它伴隨著人類文明史發展的全過程。我國燒結磚出現在戰國時期，到了秦漢時期，磚瓦生產迅速發展，燒結磚是久經考驗的墻體材料。

2.1 擠出成型

試驗設備采用實驗室用真空擠出機，由上級喂料系統和下級擠出系統組成，分為三種不同磚型。

擠出試樣為三孔磚，孔形為矩形，機口截面尺寸為80 mm×60 mm，孔洞率為15.39%，擠出壓力為1 MPa，真空度為0.082 MPa，成型含水率為17.76%；擠出試樣為三孔磚，孔形為矩形，機口截面尺寸為45 mm×35 m，孔洞率為18.7%，擠出壓力為0.8 MPa，真空度為0.082 MPa，成型含水率為17.76%；擠出試樣為36孔磚，孔形為矩形，機口截面尺寸72 mm×72 m，孔洞率為44.4%，擠出壓力為0.5 MPa，真空度為0.086 MPa，成型含水率為18.39%。擠出過程順利，磚坯表面光滑，無裂紋。

2.2 干燥

坯體干燥過程中，由于水分蒸發，顆粒自然靠攏，體積收縮。對于干燥收縮率大的物料，應該緩慢干燥，避免坯體出現干燥裂紋，生產中要求收縮率小于6%。泥料成型后干燥，沒有出現干燥裂紋，干燥良好，干燥過程升溫參數如下：室溫35 ℃升溫速度5 ℃/h，35～50 ℃升溫速度7 ℃/h，50～80 ℃升溫速度15 ℃/h，80～105 ℃升溫速度30 ℃/h，105 ℃保溫2 h。

2.3 燒成

將干燥好的試樣置于馬弗爐中燒成，升溫速度如下：0～800 ℃升溫速度120 ℃/h，800 ℃至燒成溫度升溫速度60 ℃/h，保溫4 h。如燒成溫度低于800 ℃，則按120 ℃/h到燒成溫度，燒成后的降溫過程電爐自動斷電，自然降溫。

焙燒過程中發生一系列物理化學變化，產生燒成收縮，燒結后的磚坯敲擊聲音清脆，強度較高。燒成參數如下：900 ℃燒成，燒成線收縮率-0.13%膨脹，干燥燒成總收縮率為4.04%，燒失量為13.92%；950 ℃燒成，燒成線收縮率-0.04%膨脹，干燥燒成總收縮率為4.24%，燒失量為14.37%；1 000 ℃燒成，燒成線收縮率為0%，干燥燒成總收縮率為4.24%，燒失量為14.69%；1 050 ℃燒成，燒成線收縮率0.17%膨脹，干燥燒成總收縮率為4.24%，燒失量為15.76%。

1 000～1 050 ℃燒成品表面呈淡青色，1 050 ℃燒成，燒失量偏高；900～950 ℃燒成品表面呈淺紅色，出現輕微膨脹現象；800～850 ℃燒成品表面呈暗紅色；700～750 ℃燒成品表面呈暗紅色。經初步判定，燒成溫度合適范圍為850～1 000 ℃。

2.4 試驗結論

尾礦符合硬塑擠出成型要求，干燥敏感性較低，干燥和燒成不開裂、不變形。燒結磚中，尾礦利用率可以超過60%，適宜燒成溫度為850～1 000 ℃。燒成品顏色呈紅色和褐色，與燒結普通磚相近，市場滿意度較高。鐵礦尾礦比重略高，因此燒成品密度略高，可以通過調整開孔率降低質量。

3 工業生產

投資22 000萬元建設年產1.2億塊標磚生產線，配置兩條143 m×4.8 m×3.7 m隧道窯干燥焙燒生產線，研發了細粒鐵尾礦回采-原料破碎-混勻陳化-擠出碼坯-隧道窯燒結的新工藝。

3.1 尾礦回采

根據尾砂在庫內位置和堆存情況，針對安全需求、尾砂特性、作業順序及需要采取的措施，劃分為回采Ⅰ區、回采Ⅱ區、回采Ⅲ區，共計三個區，其中回采Ⅰ區位于庫區中后部，屬于細粒級、飽和、流塑狀態尾砂；回采Ⅱ區位于庫區壩前，沿壩頂內周邊庫內環繞布置，尾砂粒度較粗，含水量較低；回采Ⅲ區保護區位于廠房及輔助設施布置區。

尾礦庫回采嚴格執行《尾礦庫安全規程》（GB 39496—2020），采用專業工程設計，編制安全技術方案，組織崗位培訓，取得安全生產許可證。采用外排式回采方案進行干式回采。回采Ⅰ區采用挖掘機，也可采用水上挖掘機、鏟裝機、小型自卸汽車及皮帶運輸機；回采Ⅱ區采用挖掘機、鏟裝機、中型自卸汽車等進行。在回采Ⅰ區設置若干取砂便道，用于車輛和機械運行及尾砂倒運；在壩前設置環庫運輸道路，用于尾砂運輸。采砂順序總體按先內后外、先上后下、最后拆除壩體及排洪構筑物，分區、分塊、分帶、分層開采的原則進行；回采過程中，必須始終保持溢流塔溢流區標高最低，便于庫區地表匯流能夠順坡自流至溢流塔所在區域。

3.2 原料處理

庫內尾礦經回采后輸送至原料儲備庫堆存備用，對原料均化處理。采用三輥兩攪原料處理工藝，原料按配方計量后，分別進入處理系統進行逐級碾壓，經攪拌機加水混合之后，送入容積7 500 m3的陳化庫進行儲存，使原料的物理性能得到均化，經陳化后的泥料，性能改善，混合均勻，滿足擠制成型質量要求。陳化過后的混合料用自動多斗機取出，送進箱式給料機中緩沖并均衡給料，再經過最后一道攪拌工序再次攪拌，直接送到硬塑真空擠出機擠出成型。

根據尾礦粒度細，CaO含量高，SiO2、AL2O3、K2O和Na2O含量較低的實際情況，添加煤矸石和碎磚骨料，進行配比校正，提高磚坯強度，保證焙燒需要的發熱量。原料配比為高熱值煤矸石∶低熱值煤矸石∶碎磚∶尾礦=30∶9∶1∶60，全部利用煤矸石發熱量燒結，全內燃轉，熱值控制在1 464.4～1 673.6 J/g。

3.3 一次碼燒生產工藝。

擠出的泥條經切條機、切坯機，切割成規格坯體，由濕坯步進編組皮帶對濕坯進行編組，再由機械手將磚坯直接碼到窯車上，碼好磚坯的窯車由液壓頂車機頂入干燥窯中進行脫水干燥，干燥完成的磚坯經擺渡車轉運至隧道窯中，經歷預熱、燒成、保溫、冷卻等熱工過程，使磚坯經高溫燒成強度合格的產品。

生 產KP1磚（240 mm×115 mm×90 mm）和KP2磚（190 mm×190 mm×90 mm），成型水分為15.4%，干燥后水分為0.5%，機器人自動碼坯15層，裝載量為5 760塊/窯車，人工操作牽引車和擺渡車進出干燥和焙燒隧道窯。以KP1磚為例，燒成磚檢測指標如表5所示。

表5 隧道窯240 mm×115 mm×90 mm燒成磚指標

檢測表明，沒有出現石灰爆裂和泛霜現象，指標全部滿足《燒結多孔磚和多孔砌塊》（GB/T 13544—2011）的要求，因此其被認定為江蘇省新型墻體材料產品。

3.4 尾氣處理

尾礦和煤矸石中含硫高溫焙燒后產生的SO2，通過余熱分離工藝，再經過石灰和氫氧化鈉鈣鈉雙堿中和脫硫工藝，處理后達標排放。檢測表明，排出的煙氣SO2濃度最低為15.96 mg/m3，最高為63.84 mg/m3，優于《磚瓦工業大氣污染物排放標準》（GB 29620—2013）中規定的最高允許限值，即300 mg/m3。

4 效益測算

年產1.2億塊標磚，安置就業100人，消耗尾礦30萬t。據統計，每堆存1 t尾礦，占地費、建設和筑壩費、濃縮輸送設備成本費合計55元/t；1 t尾礦可以生產KP1磚300塊，產值為150元，制磚成本為90元/t，年直接效益達到1 800萬元，節約尾礦經營費用1 650萬元。

5 結論

研究和應用實踐證實，梅山鐵礦尾礦經過磨礦，粒度細，有塑性，可以替代黏土，降低原料處理成本，采用隧道窯生產出滿足國家標準的墻材新產品。尾礦制磚符合循環經濟理念，把尾礦看作資源，既生產出合格建材制品，又消除尾礦庫危險源，騰出土地資源，產生經濟效益，真正做到了企業與環境的協調發展。綜合利用尾礦資源，建設制磚生產線，在全國礦山率先做到整體利用尾礦庫資源，消除危險源，循環利用，為企業可持續發展奠定基礎，主動履行社會責任，帶動就業，有利于共建和諧社會。建議繼續研究使用尾礦作為筑路材料的技術途徑，加快規模利用進度，盡早銷庫。