梅山細粒濕尾特性及資源化利用研究

張祖剛 許繼龍 歐張文

（寶鋼資源南京梅山礦業公司）

尾礦是一種主要的工業固廢，是各類礦石經破碎、磨礦、分選后丟棄的細粒固體廢棄物。尾礦在地表尾礦庫堆存是目前世界各國處理尾礦的主要方式，大量尾礦的排放已成為重要的污染源和安全隱患。隨著我國對貧礦資源的逐步開發，磨礦細度越來越細，產生了大量的微細粒尾礦［1-2］。由于尾礦粒度細，通常含有大量的黏土礦物，脫水十分困難；而輸送至尾礦庫堆存時，沉降速度慢，不易形成干灘，給尾礦庫的安全運行帶來極大的隱患。因此，微細粒尾礦的高效濃縮、低成本高效脫水和全部予以資源化利用已成為尾礦處理領域的共性難題。目前，我國大部分礦山只把粗顆粒預選拋尾廢石用于生產建筑材料，濕尾資源化利用率水平整體較低，國內濕尾資源化利用率不到10%。所以，提高微細粒尾礦的綜合利用率，化尾礦固廢為資源，對我國經濟與生態文明建設意義重大。

梅山礦業是國內距離大城市最近的大型地下鐵礦，每年產生180多萬噸細粒濕尾，針對其細粒尾礦鐵品位高、微細粒多、濃縮脫水難的重大技術難題，按照資源化綜合利用“3R”原則，深入研究梅山濕尾物理化學特性，同步開展了工藝技術研發和市場產品開拓，重點研究細粒尾礦在線提取機制砂工藝和尾礦用作水泥鐵質校正劑的可行性。

1 梅山細粒濕尾特性研究

1.1 梅山細粒濕尾礦物組成

梅山鐵礦細粒濕尾主要鐵礦物為赤鐵礦、菱鐵礦、少量黃鐵礦和磁鐵礦；主要脈石礦物為碳酸鹽（白云石、方解石）、石英、高嶺石、長石、透輝石、綠泥石、石榴石、磷灰石等［3］。細粒濕尾的全鐵品位18.49%，有用鐵礦物主要是赤鐵礦、菱鐵礦，磁性鐵鐵品位0.4%；雜質主要是SiO2和CaO，含量分別為27.68%，12.80%，硫品位1.20%，磷品位0.634%。細粒濕尾XRD分析結果見圖1。

由圖1可見，細粒濕尾中主要的金屬礦物為赤鐵礦和菱鐵礦，主要的脈石礦物為石英、高嶺石和方解石。

1.2 尾礦微粒微觀結構研究

尾礦中的礦物成分可分為原生礦物和次生礦物，次生礦物主要為黏土礦物高嶺石，其具有和原生礦物很不相同的特性，對黏土性質的影響很大。黏土礦物是一種復合的鋁-硅鹽晶體，顆粒呈片狀，由硅片和鋁片構成的晶包組疊而成。硅片的基本單元是硅-氧四面體，由1個居中的硅離子和4個在角點的氧離子構成。鋁片的基本單元是鋁-氫氧八面體，由1個鋁離子和6個氫氧離子構成。高嶺石晶層結構由1個硅片和鋁片上下組疊而成，為1:1的2層結構（圖2）。

高嶺石晶層間通過O2-與OH-相互聯結，為氫鍵聯結，聯結力強、能組疊很多晶層，多達百個以上，成為1個顆粒，晶格不能自由活動，水難以進入晶格間，是一種遇水較為穩定的黏土礦物。顆粒長0.3～3 μm，厚0.03～1 μm，不容易吸水膨脹和失水收縮。從微觀結構研究表明，尾礦中的高嶺石理論上具有脫水到較低含水量并予以資源化利用的可能。

2 梅山尾礦用作水泥配料研究

2.1 水泥原料與尾礦化學成分對比

水泥工業生產中的水泥熟料的原料為石灰石、黏土、鐵粉，石灰石提供煅燒熟料所需的氧化鈣，黏土提供二氧化硅和氧化鋁，鐵粉提供氧化鐵。水泥原料與梅山微細粒尾礦的化學成分對比見表1。

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由表1可知，梅山微細粒尾礦主要含有氧化鐵、二氧化硅和氧化鈣，其次含有氧化鋁，這些成分均是水泥原料的有用成分，用微細粒尾礦代替鐵粉從礦物成分來看是可行的。該研究的目的是最大限度利用尾礦代替鐵粉生產水泥熟料，配料方案滿足水泥生產工藝要求，用微細粒尾礦代替鐵粉所生產的水泥熟料性能不低于用鐵粉配料時所生產的水泥熟料，即可用微細粒尾礦代替價格較高的鐵粉。

2.2 水泥易燒性試驗方案及結果

按配料方案要求，設計16組配料方案進行易燒性試驗，編號1～8為鐵粉配料，9～16為尾礦代替鐵粉配料，每個編號成型18個小試體，6個小試體分成1組，在1 350，1 400，1 450℃下煅燒，分別測f-CaO，結果見表2。

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在水泥水化、硬化的過程中，f-CaO在水泥具有一定的強度后才開始水化，并伴隨一定的體積膨脹，從而導致混凝土內部產生巨大的膨脹應力，致使混凝土的強度急劇下降。當膨脹應力超過混凝土的強度極限時，就會引起混凝土的開裂和損壞。水泥應有良好的體積安定性，熟料中的f-CaO是引起水泥安定性不良的主要因素。從1～8號樣品的f-CaO數據可以看到用石灰石、黏土、鐵粉所配的生料，煅燒溫度到1 450℃時，熟料的f-CaO含量平均1.16%；而9～16號樣品用尾礦代替鐵粉煅燒的熟料f-CaO含量大多低于1.00%，平均0.91%；只有12號樣為1.097%，這可能是因為12號樣品的配料率值偏高所致，因為與12號對應的2號樣，即用鐵粉配料的樣品在鐵粉配料中熟料的f-CaO也是最高的1.513%。綜上所述，用尾礦所配的生料比用鐵粉所配的生料易燒性要好，平均燒成溫度可降低50℃左右；這是由于尾礦中微量元素的作用所致，尾礦中含有多種微量元素，有助熔的作用，能降低燒成溫度，降低液相黏度，有利于C3S的形成，有利于熟料的燒成。

2.3 水泥熟料力學性能試驗方案及結果

原料首先采用水泥試驗磨進行粉磨，細度控制80 μm篩余小于10%，配料后將原料充分混合均勻。生料制成?13 mm×13 mm的試體，在（105±5）℃條件下烘干，放入硅炭棒電爐內進行煅燒，煅燒溫度950℃，煅燒時間30 min。取出后分別放入1 350，1 400，1 450℃恒溫硅鉬棒電爐內煅燒30 min，取出急冷，分別測定試樣中f-CaO，選出使用鐵粉配料和尾礦代替鐵粉適合新型干法窯和立窯生產的各1組配料方案。按照配料方案制成60 mm×60 mm×30 mm的試塊，放入硅鉬棒電爐中煅燒，煅燒溫度1 450℃，煅燒時間30 min。所得熟料摻入適量的二水石膏磨細，細度控制在80 μm篩余小于2.0%，分別測定凝結時間和3，28 d強度，結果見表3。

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由表3可知，梅山尾礦配料比鐵粉配料燒制的水泥熟料3 d抗壓強度高0.9 MPa，28 d抗壓強度高3.9 MPa，性能優于鐵粉配料制成的熟料。對使用鐵粉配料與梅山微細粒尾礦配料所煅燒的熟料進行XRD測定，發現它們的礦物組成相似，主要礦物均為C3S、C2S、C3A、C4AF等，用尾礦配料燒制的熟料與鐵粉配料相比，尾礦配料與鐵粉配料試樣的礦物組成基本相同。經試驗研究，梅山微細粒尾礦替代鐵質校正材料作水泥生料配料是可行的，其摻入量為3.0%～6.0%。

3 梅山細粒濕尾提取機制砂研究

3.1 機制砂標準及指標檢測

機制砂是指經除土處理，由機械破碎、篩分制成的粒徑-4.75 mm的巖石顆粒，但不包括軟質巖石、風化巖石顆粒。機制砂粒徑在4.75~0.15 mm，對-0.075 mm的石粉有一定的比例限制，其粒級分為4.75，2.36，1.18，0.60，0.30，0.15 mm。機制砂粒級最好要連續，且每一粒級要有一定的比例，砂子的空隙率取決于砂料各級粒徑的搭配程度［4］。級配好的砂子不僅可以節省水泥，還可提高混凝土和砂漿的密實度和強度。由于立方體顆粒帶棱角，其棱角能夠起到顆粒與顆粒間相互鎖緊的作用。同時，立方體顆粒比針片狀顆粒和圓形顆粒附著力更強，且占有更大的表面積，機制砂粒型最好呈立方體，對針片狀顆粒的含量也有一定的限制要求。根據國家標準《建筑用砂》（GB/T14684—2011），機制砂規格按細度模數分為粗、中、細和特細砂。粗砂3.7～3.1，中砂3.0～2.3，細砂2.2～1.6，特細砂＜1.5。細度模數越大，表示砂越粗；細度模數越小，表示砂越細。機制砂的等級按其性能需求分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級。Ⅰ類砂適用于強度等級大于C60的混凝土；Ⅱ類砂適用于強度等級C30～C60及抗凍、抗滲或其他要求的混凝土；Ⅲ類砂適用于強度等級小于C30的混凝土與構筑砂漿。

3.2 梅山細粒濕尾粒度分析

梅山鐵礦為巖漿后期陸相火山—熱液侵入型鐵礦床，賦存于輝石閃長玢巖和安山巖侵入接觸帶中，脈石礦物主要有石英、方解石，還有少量磷灰石、透輝石、長石和白云母等，圍巖中暗色礦物為富含鐵鎂的硅酸鹽礦物，屬于基性巖［5］。原礦經磨礦—浮選—磁選后的降磷濕尾粒度及元素成分分析結果見表4。

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由表4可知，梅山降磷尾礦全鐵品位為21.95%，-0.074 mm粒級占64.75%，-0.0374 mm粒級占53.75%，說明降磷尾礦含鐵品位高并以細粒級組成為主。

細篩篩上+0.3 mm粒級真密度為2.85 g/cm3，表觀密度為2.67 g/cm3，輕物質含量少。集料表面粗糙，有利于提高集料與結合料之間的黏結性能，從而提高混合料的強度，尤其是抗折強度。梅山造巖礦物活性SiO2含量少，不具有集料堿活性，有利于提高水泥混凝土耐久性。篩上+0.3 mm粒級顆粒的壓碎值、磨光值、堅固性等力學性能指標均滿足《公路水泥混凝土路面施工技術細則》（JTG/T F30—2014）對集料的技術要求。

3.3 旋流器+高頻細篩提取細砂研究

為提高機制砂產量，開展旋流器+高頻細篩提取細砂工藝試驗，利用砂石分級撬裝設備（旋流器+高頻細篩）開展工業試驗，研究旋流器+高頻細篩對梅山降磷細粒級濕尾脫水脫泥在線提取細砂的可行性。試驗設備為?350 mm旋流器+LKLM1836G高頻脫水篩，篩孔尺寸0.3 mm。試驗流程見圖3。

試驗期間，旋流器+高頻細篩提取細砂的平均產率為43.15%，篩上提取的細砂平均水分含量14.98%，但細砂中-0.074 mm粒級含量偏高。試驗通過把高頻篩的篩孔尺寸調整到0.5 mm和減小旋流器沉砂嘴直徑，降低旋流器+高頻細篩提取細砂的-0.074 mm粒級含量，提取到符合要求的機制細砂。對旋流器+高頻細篩提取細砂的篩上產品機制砂（500g）的粒級組成進行細度模數分析，結果見表5。

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梅山機制砂細度模數

屬于特細砂。

4 結論

（1）梅山鐵尾礦配料與鐵粉配料作水泥鐵質校正劑燒制的水泥熟料主要礦物均為C3S，C2S，C3A，C4AF等，摻入量3.0%～6.0%。用尾礦配料燒制的熟料中C3S及硅酸鹽礦物含量高些，性能優于鐵粉配料制成的熟料，其3 d抗壓強度提高0.9 MPa，28 d抗壓強度提高3.9 MPa。

（2）由于梅山鐵尾礦中含有多種微量元素，有助熔的作用，能降低燒成溫度，降低液相黏度，有利于C3S的形成，有利于熟料的燒成，尾礦所配的生料易燒性好，平均燒成溫度可降低50℃左右，有明顯的節能降本效果。

（3）梅山鐵礦為巖漿后期陸相火山—熱液侵入型鐵礦床，脈石礦物主要有石英、方解石，還有少量磷灰石、透輝石、長石和白云母等，圍巖中暗色礦物為富含鐵鎂的硅酸鹽礦物，屬于基性巖。造巖礦物活性SiO2含量少，不具有集料堿活性，有利于提高水泥混凝土耐久性。

（4）梅山降磷細粒濕尾采用旋流器+高頻細篩生產工藝能夠在線提取到細度模數為1.407的機制特細砂，其壓碎值、磨光值、堅固性等力學性能指標均滿足集料的技術要求。