尾礦燒結(jié)制磚研究和應(yīng)用

王曉明

（南京福翊銘環(huán)保新材料有限公司，南京 211153）

梅山鐵礦梁塘尾礦庫(kù)距離梅山鐵礦12 km，庫(kù)容為823.5萬(wàn)m3，占地面積為53.3 hm2，其屬于四等庫(kù)。西側(cè)主壩下游緊鄰梁塘村，2#副壩處有高壓電線路通過(guò)，梁塘尾礦庫(kù)屬典型的頭頂庫(kù)，從長(zhǎng)周期安全考慮，取砂銷庫(kù)能夠徹底消除危險(xiǎn)源，恢復(fù)原始生態(tài)地形地貌。隨著建材行業(yè)機(jī)械工藝技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)家對(duì)建筑材料提出了綠色、環(huán)保、節(jié)能的新要求。用尾礦燒結(jié)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(dāng)前，國(guó)家鼓勵(lì)和支持研發(fā)尾礦綜合利用共性關(guān)鍵技術(shù)。因此，南京福翊銘環(huán)保新材料有限公司和梅山鐵礦協(xié)同合作，利用梁塘尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)堆存尾礦生產(chǎn)燒結(jié)磚，在全國(guó)冶金礦山率先整體利用尾礦庫(kù)，以期實(shí)現(xiàn)堆存尾礦1 000萬(wàn)t全部利用，打造綠水青山環(huán)境，共建和諧友好社會(huì)。

1 尾礦性質(zhì)

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(shù)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(xì)，-400目占67.72%，-200目占83.16%，+0.45 mm產(chǎn)率只有0.46%，粒級(jí)降低，鐵品位升高。經(jīng)初步分析，尾礦含有綠泥石、云母等片層狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物，滿足制磚對(duì)物料塑性指數(shù)大于7的要求，尾礦是鐵礦石經(jīng)過(guò)球磨機(jī)磨礦分級(jí)，粒度大幅度降低后工序選別的產(chǎn)物，因此粒度細(xì)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(yīng)和燒結(jié)過(guò)程的進(jìn)行，可減少游離氧化鈣和氧化鎂。

表4 尾礦粒度分析

2 燒結(jié)制磚研究

燒結(jié)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(xué)腐蝕、抗風(fēng)化能力強(qiáng)而稱著[1]。燒結(jié)磚是綜合物理、生物、建筑和美學(xué)性能的理想墻體材料。遠(yuǎn)古時(shí)期，人類已經(jīng)開始生產(chǎn)和使用燒結(jié)磚，它伴隨著人類文明史發(fā)展的全過(guò)程。我國(guó)燒結(jié)磚出現(xiàn)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，到了秦漢時(shí)期，磚瓦生產(chǎn)迅速發(fā)展，燒結(jié)磚是久經(jīng)考驗(yàn)的墻體材料。

2.1 擠出成型

試驗(yàn)設(shè)備采用實(shí)驗(yàn)室用真空擠出機(jī)，由上級(jí)喂料系統(tǒng)和下級(jí)擠出系統(tǒng)組成，分為三種不同磚型。

擠出試樣為三孔磚，孔形為矩形，機(jī)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(jī)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(jī)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(guò)程順利，磚坯表面光滑，無(wú)裂紋。

2.2 干燥

坯體干燥過(guò)程中，由于水分蒸發(fā)，顆粒自然靠攏，體積收縮。對(duì)于干燥收縮率大的物料，應(yīng)該緩慢干燥，避免坯體出現(xiàn)干燥裂紋，生產(chǎn)中要求收縮率小于6%。泥料成型后干燥，沒有出現(xiàn)干燥裂紋，干燥良好，干燥過(guò)程升溫參數(shù)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(guò)程電爐自動(dòng)斷電，自然降溫。

焙燒過(guò)程中發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，產(chǎn)生燒成收縮，燒結(jié)后的磚坯敲擊聲音清脆，強(qiáng)度較高。燒成參數(shù)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(xiàn)輕微膨脹現(xiàn)象；800～850 ℃燒成品表面呈暗紅色；700～750 ℃燒成品表面呈暗紅色。經(jīng)初步判定，燒成溫度合適范圍為850～1 000 ℃。

2.4 試驗(yàn)結(jié)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(jié)磚中，尾礦利用率可以超過(guò)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(jié)普通磚相近，市場(chǎng)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(guò)調(diào)整開孔率降低質(zhì)量。

3 工業(yè)生產(chǎn)

投資22 000萬(wàn)元建設(shè)年產(chǎn)1.2億塊標(biāo)磚生產(chǎn)線，配置兩條143 m×4.8 m×3.7 m隧道窯干燥焙燒生產(chǎn)線，研發(fā)了細(xì)粒鐵尾礦回采-原料破碎-混勻陳化-擠出碼坯-隧道窯燒結(jié)的新工藝。

3.1 尾礦回采

根據(jù)尾砂在庫(kù)內(nèi)位置和堆存情況，針對(duì)安全需求、尾砂特性、作業(yè)順序及需要采取的措施，劃分為回采Ⅰ區(qū)、回采Ⅱ區(qū)、回采Ⅲ區(qū)，共計(jì)三個(gè)區(qū)，其中回采Ⅰ區(qū)位于庫(kù)區(qū)中后部，屬于細(xì)粒級(jí)、飽和、流塑狀態(tài)尾砂；回采Ⅱ區(qū)位于庫(kù)區(qū)壩前，沿壩頂內(nèi)周邊庫(kù)內(nèi)環(huán)繞布置，尾砂粒度較粗，含水量較低；回采Ⅲ區(qū)保護(hù)區(qū)位于廠房及輔助設(shè)施布置區(qū)。

尾礦庫(kù)回采嚴(yán)格執(zhí)行《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》（GB 39496—2020），采用專業(yè)工程設(shè)計(jì)，編制安全技術(shù)方案，組織崗位培訓(xùn)，取得安全生產(chǎn)許可證。采用外排式回采方案進(jìn)行干式回采?；夭散駞^(qū)采用挖掘機(jī)，也可采用水上挖掘機(jī)、鏟裝機(jī)、小型自卸汽車及皮帶運(yùn)輸機(jī)；回采Ⅱ區(qū)采用挖掘機(jī)、鏟裝機(jī)、中型自卸汽車等進(jìn)行。在回采Ⅰ區(qū)設(shè)置若干取砂便道，用于車輛和機(jī)械運(yùn)行及尾砂倒運(yùn)；在壩前設(shè)置環(huán)庫(kù)運(yùn)輸?shù)缆?，用于尾砂運(yùn)輸。采砂順序總體按先內(nèi)后外、先上后下、最后拆除壩體及排洪構(gòu)筑物，分區(qū)、分塊、分帶、分層開采的原則進(jìn)行；回采過(guò)程中，必須始終保持溢流塔溢流區(qū)標(biāo)高最低，便于庫(kù)區(qū)地表匯流能夠順坡自流至溢流塔所在區(qū)域。

3.2 原料處理

庫(kù)內(nèi)尾礦經(jīng)回采后輸送至原料儲(chǔ)備庫(kù)堆存?zhèn)溆?，?duì)原料均化處理。采用三輥兩攪原料處理工藝，原料按配方計(jì)量后，分別進(jìn)入處理系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)碾壓，經(jīng)攪拌機(jī)加水混合之后，送入容積7 500 m3的陳化庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存，使原料的物理性能得到均化，經(jīng)陳化后的泥料，性能改善，混合均勻，滿足擠制成型質(zhì)量要求。陳化過(guò)后的混合料用自動(dòng)多斗機(jī)取出，送進(jìn)箱式給料機(jī)中緩沖并均衡給料，再經(jīng)過(guò)最后一道攪拌工序再次攪拌，直接送到硬塑真空擠出機(jī)擠出成型。

根據(jù)尾礦粒度細(xì)，CaO含量高，SiO2、AL2O3、K2O和Na2O含量較低的實(shí)際情況，添加煤矸石和碎磚骨料，進(jìn)行配比校正，提高磚坯強(qiáng)度，保證焙燒需要的發(fā)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(fā)熱量燒結(jié)，全內(nèi)燃轉(zhuǎn)，熱值控制在1 464.4～1 673.6 J/g。

3.3 一次碼燒生產(chǎn)工藝。

擠出的泥條經(jīng)切條機(jī)、切坯機(jī)，切割成規(guī)格坯體，由濕坯步進(jìn)編組皮帶對(duì)濕坯進(jìn)行編組，再由機(jī)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(jī)頂入干燥窯中進(jìn)行脫水干燥，干燥完成的磚坯經(jīng)擺渡車轉(zhuǎn)運(yùn)至隧道窯中，經(jīng)歷預(yù)熱、燒成、保溫、冷卻等熱工過(guò)程，使磚坯經(jīng)高溫?zé)蓮?qiáng)度合格的產(chǎn)品。

生 產(chǎn)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(jī)器人自動(dòng)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(jìn)出干燥和焙燒隧道窯。以KP1磚為例，燒成磚檢測(cè)指標(biāo)如表5所示。

表5 隧道窯240 mm×115 mm×90 mm燒成磚指標(biāo)

檢測(cè)表明，沒有出現(xiàn)石灰爆裂和泛霜現(xiàn)象，指標(biāo)全部滿足《燒結(jié)多孔磚和多孔砌塊》（GB/T 13544—2011）的要求，因此其被認(rèn)定為江蘇省新型墻體材料產(chǎn)品。

3.4 尾氣處理

尾礦和煤矸石中含硫高溫焙燒后產(chǎn)生的SO2，通過(guò)余熱分離工藝，再經(jīng)過(guò)石灰和氫氧化鈉鈣鈉雙堿中和脫硫工藝，處理后達(dá)標(biāo)排放。檢測(cè)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(yōu)于《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 29620—2013）中規(guī)定的最高允許限值，即300 mg/m3。

4 效益測(cè)算

年產(chǎn)1.2億塊標(biāo)磚，安置就業(yè)100人，消耗尾礦30萬(wàn)t。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每堆存1 t尾礦，占地費(fèi)、建設(shè)和筑壩費(fèi)、濃縮輸送設(shè)備成本費(fèi)合計(jì)55元/t；1 t尾礦可以生產(chǎn)KP1磚300塊，產(chǎn)值為150元，制磚成本為90元/t，年直接效益達(dá)到1 800萬(wàn)元，節(jié)約尾礦經(jīng)營(yíng)費(fèi)用1 650萬(wàn)元。

5 結(jié)論

研究和應(yīng)用實(shí)踐證實(shí)，梅山鐵礦尾礦經(jīng)過(guò)磨礦，粒度細(xì)，有塑性，可以替代黏土，降低原料處理成本，采用隧道窯生產(chǎn)出滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的墻材新產(chǎn)品。尾礦制磚符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，把尾礦看作資源，既生產(chǎn)出合格建材制品，又消除尾礦庫(kù)危險(xiǎn)源，騰出土地資源，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，真正做到了企業(yè)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。綜合利用尾礦資源，建設(shè)制磚生產(chǎn)線，在全國(guó)礦山率先做到整體利用尾礦庫(kù)資源，消除危險(xiǎn)源，循環(huán)利用，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，主動(dòng)履行社會(huì)責(zé)任，帶動(dòng)就業(yè)，有利于共建和諧社會(huì)。建議繼續(xù)研究使用尾礦作為筑路材料的技術(shù)途徑，加快規(guī)模利用進(jìn)度，盡早銷庫(kù)。