中國鐵尾礦資源的綜合利用途徑

孫志勇，林 棟，張 芹

（1.陜西天地建設有限公司,陜西 西安 710199；2.西部礦業股份有限公司,青海 海西 816203；3.武漢科技大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430081）

礦產資源作為人類生存和發展的根本性保障基礎，具有重要的戰略地位。2018 年，我國累積的尾礦庫存量約207×108t，其中超過一半為鐵尾礦[1]。尾礦堆存不僅占用大量土地、造成社會資源閑置浪費，也給生態環境帶來嚴重污染。隨著2020 年國家八部委印發《防范化解尾礦庫安全風險工作方案》（應急〔2020〕15 號），要求尾礦庫“只減不增”準入管理，鐵尾礦作為一種二次資源，越來越受到政府和企業的重視。10 年間我國尾礦綜合利用率從個位數逐步提升，2019 年，我國尾礦綜合利用率達到27%[2]，但細分領域的尾礦利用率仍差距明顯，鐵尾礦利用率仍低于行業平均值。立足我國鐵尾礦資源際，大力開展鐵尾礦資源綜合利用技術研究開發，現鐵尾礦資源開發與節約并舉，提高鐵尾礦資源利用效率，具有重要的經濟和社會意義[3]。

1 鐵尾礦資源現狀及其特征

1.1 鐵尾礦資源概述

我國鐵礦石資源豐富，但資源稟賦差，鐵精礦與相應的鐵尾礦產出量之比約為1：3。中國鋼鐵工業協會2021 年數據顯示，我國鐵精礦產量為2.85×108t，“十四五”末我國鐵精礦將年產3.7×108t。據此估算，我國每年產生的鐵尾礦扣除綜合利用后堆存量約為6×108t，并持續增長。長期堆存累積的鐵尾礦數量更加可觀，初步估算鐵尾礦累積堆存預計在80×108t 左右。

1.2 鐵尾礦類型及其特征

表1 鐵尾礦類型及其化學成分 %

根據鐵尾礦中金屬元素的含量，一般分為單金屬尾礦和多金屬尾礦。多金屬鐵尾礦礦物組成復雜，含有元素種類多，以西南攀西地區、包頭地區和長江中下游武鋼地區為主要類型。單金屬鐵尾礦主要有以下4 種類型[4]。

（1）高硅鞍山鐵尾礦。具有數量大、硅含量高、伴生元素少的特點，同類型有國內本鋼歪頭山、大孤山、弓長嶺、齊大山等。

（2）高鋁馬鋼鐵尾礦。具有產出量低、Al2O3含量高、伴生硫磷元素少的特點，長江中下游寧蕪一帶為主要產地，如姑山鐵礦、黃梅山鐵礦等。

（3）高鈣、鎂邯鄲鐵尾礦。具有伴生S、Co、Cu、Ni、Pb、Zn、Au、Ag 等微量元素的特點，如王家子、玉石洼、玉泉嶺等。

（4）低鈣、鎂、鋁、硅鐵尾礦。特點是以非金屬重晶石、碧玉等礦物為主，并含有Co、Ni、Cu 等元素，如酒鋼鐵尾礦。

2 鐵尾礦綜合利用途徑及案例

2.1 鐵尾礦再選回收有價元素

鐵尾礦中有益元素的再富集和回收是開展鐵尾礦綜合利用的首要因素之一，其優勢是通過較少的投資、較少的生產成本和集約節約管理，現有價成分回收利用。該方法從20 世紀90 年代以來，陸續在一些選礦廠投產驗證，得到較好經濟效益。

鐵尾礦再選回收工藝具有簡單、經濟等特點，但需要根據礦石性質及原生產工藝進行具體試驗研究。如赤鐵礦尾礦應考慮浮選和重選工藝，連生體磁鐵礦尾礦應考慮再磨分散磁選等。如東鞍山選礦廠生產工藝流程是單一堿性浮選，產出的鐵尾礦含鐵15%左右[5]；通過在尾礦管線上截流，采用脫泥脫藥預處理和螺旋溜槽重選工藝，可年產鐵品位60%左右的鐵精礦9×104t。大弧山選礦廠鐵尾礦采用圓盤磁選機粗選，粗精礦再磨磁選加細篩再選，可獲得鐵精礦鐵品位60%左右[5]。遼寧某低品位鐵尾礦采用中磁選、強磁選、磨礦后再中磁選和強磁選的工藝得到中礦，然后采用正浮選得到鐵品位59.05%的鐵精礦[6]。

針對含有多種有價元素的鐵尾礦，使用具有綜合經濟價值的技術工藝更加科學合理。如某含銅0.83%、含鐵24.04%的鐵尾礦，采用浮選銅、再磨精選、尾礦選鐵、反浮選脫硫的工藝得到銅品位26.15%、伴生金品位2.14 g/t、伴生銀品位107.50 g/t的合格銅精礦和鐵品位68.32%的合格鐵精礦，現了廢棄多金屬元素的再回收利用[7]。如云南某富鎂鐵尾礦含銅0.22%、含鋅0.68%、含鎂14.34%，采用銅、鋅優先浮選工藝流程分別得到銅品位27.34%的銅精礦和鋅品位48.51%、含銦1160 g/t 的鋅精礦，較好地現了有價元素再富集再回收[8]。

新中國建立以后，渴望發展的畢節人就開始了建設鐵路的步伐。但直到1966年，貴昆鐵路、內昆鐵路建成通車，畢節才結束了沒有火車的歷史。

2.2 鐵尾礦作為建筑材料應用

鐵礦在選別有價元素后，所得尾礦化學成分一般與工程材料的成分相似，并具有粒度細、開采便捷等特點。一般建筑材料的化學成分為：SiO2＞65%、Al2O3＞15%、Fe2O3＜15%、MgO＜5%、鈉、鉀微量。鐵尾礦通過適當調整成分，可作為制造墻磚、玻璃、混凝土等的原材料。我國利用尾礦生產建材的研究在“十二五”“十三五”時期得到大力推進，一批示范項目建成并取得良好發展。目前，尾礦產品已廣泛應用于建筑材料中。

（1）生產墻磚。由于綠色建筑、海綿城市、智慧城市等相繼發展，傳統建筑材料逐步向新型綠色建筑材料轉型，其中墻體材料以低耗、高效、多功能的免燒磚、砌塊、環保彩磚、復合板材等成為主流。如免燒磚生產工藝是：原料加工—配料—攪拌—消化—成型—靜置—養護—包裝，將鐵尾礦作為骨料添加，鐵尾礦的用量最高可達70%[9]。制備彩色地面磚，采用反打振動工藝要求產品抗壓強度大，以符合道路高強度嚴苛條件，采用鐵尾礦可減少原材料成本，在礦區附近地區的企業已現成熟應用。

（2）生產玻璃。玻璃的主要原料為尾礦、石英砂、碳酸鈣、氧化鋁、氧化鎂、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋇、硼砂等，其中尾礦用量可達到60%。國內外對此開展研究較多，如沈陽建筑工程學院利用歪頭山鐵尾礦及新城金礦尾礦研制成建筑用微晶玻璃，尾礦摻量達65%以上[10]；王明[11]論述的以垣曲鐵尾礦采用燒結法制備黑色微晶玻璃，取得了較好成果。

（3）生產凝膠材料。利用鐵尾礦生產水泥可從代替配方元素和代替骨料組分兩方面考慮，代替水泥配方的鐵粉，對鐵尾礦的消耗量較少；代替水泥骨料組分，則需要調整配方以達到水泥標號要求，鐵尾礦消耗量相對較大。如桃沖鐵礦的水泥廠，對鐵尾礦資源的消耗量占選鐵廠尾礦總量的1/7，減少了選鐵廠尾礦的堆存量，也降低了企業的直接生產成本[12]。

（4）其他建筑材料。將鐵尾礦作為二次資源開發的建筑產品種類較為豐富。在美國，大多數尾礦用于生產混凝土、鋪路材料、輕質磚等。在日本，將鐵尾礦、硅藻土配料生產混凝土輕集料，可用于建材的原材料。建筑用粉煤灰砌塊墻體材料的原材料為尾礦、粉煤灰、粗骨料和水泥等，其中采用鐵尾礦的摻和量高達45%[12]。近幾年，由于環保監管，我國各大城市的混凝土砌塊企業原材料從天然砂開始轉向機制砂，對尾礦和粉煤灰的需求更加迫切，推動礦企現了尾礦資源化銷售。

2.3 鐵尾礦作為礦山填料應用

據廖國禮教授公開報告，我國尾礦庫存量6731個，已納入地方尾礦庫安全生產包保責任制系統。2020年，八部委出臺的《防范化解尾礦庫安全風險工作方案》（應急〔2020〕15 號），要求對尾礦庫進行“只減不增”治理管控。2021 年9 月開始施的《尾礦庫安全規程》（GB 39496—2020），制定了尾礦庫回采安全防范的強制性標準。尾礦庫管理已然成為選礦廠生產管理的重要部分，如何大幅度消納尾礦、降低庫存是礦山開發企業的重要問題，其中尾礦充填技術最為用而高效。

尾礦充填技術通常具有多種有益成效，經濟上最為顯著的是成本費用低，較傳統的充填費用可降低70%～90%；對于不能設置尾礦庫的企業，采用充填的效益更加突出。例如，安徽前常銅鐵礦公司位于淮北平原，由于項目所在地地形及環保政策等要求，必須將選礦廠排出的尾礦全部用于采空區的充填。

我國礦山充填技術及應用的迅速發展，加上環保政策的高質量發展要求，為鐵尾礦充填創造了基礎性條件。目前，具有代表性的充填方法主要包括全尾礦膠結充填方法和高水固結充填方法兩種。全尾礦膠結充填技術基于物理化學、膠體化學理論，采用濃度為15%～20%的尾礦漿，經過壓濾脫水工藝得到尾砂充填骨料。高水固結充填技術是以“高水速凝固材料”為膠結材料，將礦山尾礦作為充填骨料，按一定比例配制成濃度30%～70%的高水固化料漿，直接凝結為固體充填體。

2.4 鐵尾礦應用新途徑

利用鐵尾礦資源可推動區域的山水林田湖草沙等生態區域協調，現資源本位利用和提升綜合效益。

（1）應用于土壤改良。鞍鋼研究院將鐵尾礦與有機肥、離子置換劑等制備成土壤改良劑，將東北某蘇打鹽堿地改良為稻田，擴大試驗表明，土壤pH 值和鹽度都得到明顯改善，具備農作物成長條件[13]。

（2）應用于綠色新型材料。將鐵尾礦與廢聚苯乙烯、水泥等材料進行配料，制備成輕質保溫材料，是鐵尾礦進入高端保溫裝配式材料領域的新途徑。由于砂石骨料在資源和環保方面監管趨嚴，鐵尾礦作為主要原材料在裝配式材料、3D 打印建筑材料[14]等綠色新型材料中的研究和應用具有可行性。

（3）應用于全域綜合整治。德國、美國、加拿大、澳大利亞等國，針對礦山及生態的制度體系較為健全，基本形成法律、規劃、技術等有效的治理機制，其礦山復墾率超過80%[15]。我國的礦山土地復墾從1990 年前后進入了快速發展階段。利用尾礦進行生態恢復的土地可用于農、林、牧、漁、綠化等社會活動，還可以將尾礦與環境、空間等融合考慮開展全域綜合整治，對于新增土地、重建生態、減少隱患、可持續發展等意義重大[16-18]。

（4）應用于替代更新材料。發揮尾礦物理化學性質差異作用，采用鐵尾礦作為高爐渣調質劑可改善高爐渣性能[19-20]，采用鐵尾礦作為環境工程處理劑可現環境天然或人工修復，采用鐵尾礦生產路面基料可減少天然砂石料的消耗量[21]。

3 結束語

鐵尾礦具有儲量大、有害成分少、自然屬性強的特點，采用適宜的技術手段，與發展綠色、環保、國土、生態等融合，能夠創造基礎條件，現多層次綜合效益，是一種相對較好的二次資源。在資源戰略與和諧發展的背景下，大力推進基于鐵尾礦的回收、填充、替代材料等應用的同時，結合我國生態環境改善及新領域綠色、科技等方面的發展需求，探索國土綜合整治、貧瘠土壤改良、高端裝配式材料、3D 打印建筑材料等新應用研究，也是鐵尾礦緊跟時代步伐、現資源價值的重要途徑之一。鐵尾礦日益體現出的多功能性、基礎保障性和資源戰略性，將對緩解資源約束、平衡資源開發結構、推進可持續發展具有積極意義。