鐵尾礦資源綜合利用現(xiàn)狀研究*

楊亞東，劉新亮，張 冰，劉秀玉，唐 剛

(安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

隨著礦山的開采和鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，鐵尾礦作為選礦后的廢棄物，其儲存量也在不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國尾礦總產(chǎn)生量約為12.11億t，其中鐵尾礦產(chǎn)生量最大，約為4.76億t，占尾礦總產(chǎn)生量的39.31%[1]。因技術(shù)限制，鐵尾礦一般作堆填處理，這既造成了大量土地資源的浪費(fèi)，又對周圍的生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞，另外鐵尾礦壩還存在一定的安全隱患。鐵尾礦資源的二次利用，一方面可以提高資源的利用效率，緩解資源短缺的壓力，另一方面可以有效解決鐵尾礦亂堆亂放帶來的環(huán)境破壞。因此，廣大科研人員正在積極探索鐵尾礦的綜合利用方法。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鐵尾礦的綜合利用效率在不斷提高。為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，實(shí)現(xiàn)綠色礦山建設(shè)目標(biāo)，需要更加深入地開展鐵尾礦綜合利用研究。目前鐵尾礦的綜合利用方向主要有：鐵尾礦中有價組分回收、填充采空區(qū)、制備肥料和土壤改良劑、制備混凝土和路基材料以及制備建筑材料等。本文將對國內(nèi)鐵尾礦的綜合利用研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，以期為其進(jìn)一步開發(fā)利用提供參考。

1 鐵尾礦綜合利用研究現(xiàn)狀

1.1 鐵尾礦有價組分的回收技術(shù)

我國鐵尾礦的種類繁多，性質(zhì)復(fù)雜，產(chǎn)地和選礦工藝不同，其成分和含量也不盡相同，但其化學(xué)成分基本相似，主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O等。提取尾礦中的金屬、非金屬元素，對提高資源的綜合利用率、實(shí)現(xiàn)資源的二次利用具有重要意義。

1.1.1 鐵尾礦中的鐵回收技術(shù)

LI等[2]采用磁選后磁化焙燒工藝從鐵尾礦中回收鐵，當(dāng)煤和鐵尾礦質(zhì)量比為1∶100時，在800 ℃下焙燒30 min后再球磨15 min，得到鐵品位為61.3%、回收率為88.2%的鐵精礦產(chǎn)品。李蕓邑等[3]采用磁化焙燒-磁選分離工藝從鞍山市齊大山風(fēng)水溝鐵尾礦庫中回收鐵粉，并研究了焙燒溫度、保護(hù)氣流速、磨礦時間等對回收鐵的影響，結(jié)果表明，當(dāng)炭的質(zhì)量為鐵尾礦的0.8%、焙燒溫度為800 ℃、保護(hù)氣流速為1 L/min、焙燒時間為30 min、磨礦時間為2 min、激磁電流為2 A時，可獲得鐵品位58%、回收率大于80%的鐵精礦。鄧小龍等[4]采用磁選-絮凝-反浮選工藝從山東某TFe品位為19.97%、分布率為62.41%的鐵尾礦中回收鐵，結(jié)果表明：弱磁-強(qiáng)磁預(yù)富集可得到鐵品位為42.88%、回收率為68.33%的磁選混合精礦；對混合精礦進(jìn)行兩段選擇性絮凝脫泥，可得到鐵品位為47.65%、回收率為63.76%的沉砂；沉砂再經(jīng)1粗1精3掃反浮選，可得到鐵品位為65.43%、回收率為53.34%的鐵精礦。

1.1.2 鐵尾礦其他有價組分的回收

霍松洋等[5]從承德某鐵尾礦中回收磷、鈦兩種元素，采用1粗3精的工藝流程，獲得了P2O5品位為32.74%、P2O5回收率為86.11%的磷精礦；再通過磁選-重選流程，得到了TiO2品位為23.00%、TiO2回收率為91.24%的鈦精礦。牛福生等[6]以Na2CO3為pH調(diào)節(jié)劑、水玻璃為抑制劑、aw-01(一種由氧化石蠟皂、脂肪酸類捕收劑按一定比例混合制成的聚合物)為捕收劑，采用1粗3精的工藝從承德某選礦廠回收磷礦物，并研究了調(diào)節(jié)劑、抑制劑和捕收劑對P2O5回收率的影響，結(jié)果表明：在pH=8.5、水玻璃用量為900 g/t、aw-01用量為700 g/t的條件下，可獲得P2O5品位為31.66%、P2O5回收率為84.58%的磷精礦。王宇斌等[7]采用1粗1精2掃的閉路流程從某鐵尾礦中回收硫，并設(shè)計了正交實(shí)驗(yàn)研究顯著影響因素，結(jié)果表明：DHN(一種含硫化合物，主要成分為硫化鈉)是影響硫品位的最重要因素，浮選時間是影響回收率的最重要因素；在DHN為250 g/t、丁基黃藥為80 g/t、2#油為40 g/t、浮選時間為9 min的條件下，可獲得S品位為48.64%、S回收率為83.45%的硫精礦。

1.2 鐵尾礦作采空區(qū)充填料

礦山開采形成了大量的采空區(qū)，其給周邊的設(shè)施以及正常生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的安全隱患。利用鐵尾礦作為采空區(qū)充填料，既解決了鐵尾礦大量堆積造成的土地資源浪費(fèi)和由此引發(fā)的環(huán)境問題，也解決了采空區(qū)帶來的安全問題。CHU等[8]采用疏浚河道沉積物(DRS)、鐵尾礦渣(ITS)、電石渣(CCS)作為采空區(qū)充填材料進(jìn)行了充填試驗(yàn)，結(jié)果表明：盡管普通硅酸鹽水泥(OPC)抑制了坍落度，但CCS提高了流動性；當(dāng)DRS與ITS的質(zhì)量比為70∶30、水泥摻量為16.7%時，流動性達(dá)到最大值；鐵尾礦的加入提高了DRS混合物強(qiáng)度，并通過OPC和CCS對其進(jìn)行穩(wěn)固，以達(dá)到骨架效應(yīng)和降低含水量的目的；當(dāng)DRS、ITS、OPC、CCS的質(zhì)量比為60∶40∶16∶4時，坍落度約為160 mm，養(yǎng)護(hù)7 d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為2.8 MPa。楊陸海[9]將鐵尾礦代替河沙作為充填骨料，當(dāng)充填料漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73%～79%時，鐵尾礦物理性能滿足要求，可作為下向膠結(jié)充填采礦法的充填骨料。

1.3 鐵尾礦作肥料及土壤改良劑

鐵尾礦中含有植物生長所需要的鐵、鋅、銅、鉬、磷等微量元素，利用鐵尾礦制作磁化肥料，可改良土壤，提高土地肥力。丁文金等[10]以鐵尾礦粉作為磁性材料以先造粒后磁化的工藝生產(chǎn)磁化復(fù)混肥，在磁化場強(qiáng)為8 T下磁化10 s生產(chǎn)的磁化復(fù)混肥料磁化效果最佳，且放置時間對肥料的磁感應(yīng)強(qiáng)度影響弱；磁化復(fù)混肥料重金屬含量均低于GB/T 23349-2009《肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞生態(tài)指標(biāo)》的限值，不會對土壤產(chǎn)生重金屬污染和影響作物品質(zhì)。孫希樂等[11]利用鐵尾礦及其副產(chǎn)品白云石、云母等制備土壤改良劑，當(dāng)鐵尾礦、云母、白云石的質(zhì)量比為1.0∶1.5∶2.5、煅燒溫度為1 100 ℃時，各組分的活化效果最佳，調(diào)理劑呈堿性對酸性土壤的改良具有重要意義。張叢香等[12]將鐵尾礦、有機(jī)酸性肥、酸性調(diào)理劑等按照一定比例制備了土壤改良劑并將其應(yīng)用于東北某鹽堿地，研究結(jié)果表明，鐵尾礦復(fù)合改良劑能明顯改善鹽堿地的質(zhì)地，降低鹽堿地的pH和鹽分，使其具備植被生長的條件。

1.4 鐵尾礦作路基材料

劉甲榮等[13]用水泥改良鐵尾礦用于路基填筑，研究發(fā)現(xiàn)：水泥的加入能夠提高鐵尾礦的水穩(wěn)定性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抵抗局部壓入形變的能力；水泥添加量為6%～8%時，養(yǎng)護(hù)3 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.0 MPa，浸水強(qiáng)度損失率小于15%；養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，浸水強(qiáng)度損失率小于10%。易龍生等[14]選用金山選鐵廠的鐵尾礦作路基材料，研究了不同組分的添加量對路基材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)水泥摻量為5%、碎石摻量為30%、聚丙烯纖維摻量為1.4 kg/m3時，路基材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足JTGE 51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，達(dá)到了4.24 MPa。張智豪等[15]采集了巴西米納斯吉拉斯州的一個尾礦庫的鐵尾礦，利用水泥、鋼渣和石灰對鐵尾礦進(jìn)行了改良，通過擊實(shí)實(shí)驗(yàn)、無側(cè)限抗壓實(shí)驗(yàn)等對改良后的鐵尾礦性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，水泥的改良效果好，當(dāng)鐵尾礦摻量為5%時，室內(nèi)外條件下養(yǎng)護(hù)7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到1.44、1.32 MPa，加州承載比(RCB)大于80%，滿足路基材料的要求。

1.5 鐵尾礦作建筑材料

鐵尾礦因其主要的礦物成分與天然砂相似而被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。利用鐵尾礦制備建筑材料，既能緩解鐵尾礦大量堆積而造成的環(huán)境污染、土地浪費(fèi)等問題，又能因其代替了部分原材料而降低生產(chǎn)成本，且制備的混凝土、磚材、微晶玻璃等性能更好。

1.5.1 鐵尾礦混凝土

YOUNG等[16]用高鎂低硅鐵尾礦代替黏土，采用常規(guī)燒結(jié)工藝生產(chǎn)水泥熟料；當(dāng)鐵尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%時，1 420 ℃燒結(jié)1 h生產(chǎn)出的水泥熟料力學(xué)性能與42.5R級相當(dāng)，物理性能符合GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。WANG等[17]利用煤矸石(CGC)和鐵礦石尾礦(ITOs)研制了一種新型蒸壓加氣混凝土(ACC)，在添加20%CGC、40%鐵尾礦、25%石灰、10%水泥、5%脫硫石膏和0.06%鋁粉的條件下可制得密度為609 kg/m3、抗壓強(qiáng)度為3.68 MPa的蒸壓加氣混凝土，滿足GB/T 11969-2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》中A3.5、B06級的要求。CHENG等[18]采用機(jī)械力化學(xué)活化的高硅鐵尾礦代替部分水泥作為配制混凝土的輔助性膠凝材料，當(dāng)替代率小于30%時，混凝土抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計要求；當(dāng)加入適量的減水劑，鐵尾礦的替代率可提高至40%；研究結(jié)果表明，機(jī)械化學(xué)活化的高硅鐵尾礦作為預(yù)拌混凝土的輔助膠凝材料是可行的。

1.5.2 鐵尾礦制磚

LI等[19]利用細(xì)粒低硅鐵尾礦和無水泥固化劑為原料制備環(huán)境友好型磚，在防水劑和固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.3%、初始養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃的條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，其抗壓強(qiáng)度、飽和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到27.2、24.3 MPa，其他物理性能和耐久性也滿足JC/T 422-2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》的要求。張全宏等[20]選用湖北省廣水市松立礦業(yè)有限公司的鐵尾礦為主要原料制備蒸壓灰砂磚，研究了石灰與石膏摻量、成型壓力等對灰砂磚抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：尾礦、河砂和石灰的質(zhì)量比為74∶15∶11、磷石膏質(zhì)量為石灰的2%時，成型壓力為20 MPa；在蒸汽壓力為1.0 MPa、升溫2.5 h、恒溫8 h、自然降溫3 h條件下，可制得滿足GB/T 11945-2019《蒸壓灰砂實(shí)心磚和實(shí)心砌塊》的MU20級標(biāo)準(zhǔn)灰砂磚，其密度為1 900～2 000 kg/m3，平均抗壓強(qiáng)度可達(dá)21.5 MPa。陳永亮等[21]選用湖北鄂西某礦業(yè)公司選礦廠赤鐵礦尾礦為原料制備燒結(jié)磚，并利用綜合差熱分析(TG-DSC)、掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)研究了燒結(jié)磚的燒結(jié)過程和機(jī)理，結(jié)果表明：燒結(jié)過程分為干燥、加熱、燒成和冷卻四個階段；900 ℃前的燒結(jié)初期，磚體內(nèi)的結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水等脫去，以固相表面的擴(kuò)散傳質(zhì)為主；900 ℃后的燒結(jié)中后期，磚內(nèi)的非晶態(tài)物質(zhì)結(jié)晶并與石英等構(gòu)成骨架，熔融液相固定骨架，使燒結(jié)磚更加致密。

1.5.3 鐵尾礦保溫墻體材料

喻振賢等[22]選用黃石市靈鄉(xiāng)選礦廠的鐵尾礦為主要原料，加入水泥、廢舊聚苯乙烯(PS)顆粒、激發(fā)劑、阻燃劑等制備了阻燃型保溫墻體材料，研究了不同組分的摻量對墻體材料性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)鐵尾礦與(水泥+鐵尾礦)的質(zhì)量比為68%、水灰比為0.7、激發(fā)劑與鐵尾礦的質(zhì)量比為10%、阻燃劑與水的質(zhì)量比為20%時，可以制得密度小于900 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)小于0.231 W/(m·K)、氧指數(shù)大于32 %的阻燃性保溫墻體材料。陳永亮等[23]以湖北省大冶市金山店鎮(zhèn)錫冶山尾礦壩中的鐵尾礦為主要原料，以稻殼為造孔劑制備了輕質(zhì)保溫墻體材料(LTIWM)，利用正交實(shí)驗(yàn)和單因素分析確定了最佳的原料配比——鐵尾礦摻量46%、膨潤土摻量35%、稻殼摻量9%、長石摻量10%；利用綜合差熱(TG-DSC)、掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)研究其燒結(jié)機(jī)理后發(fā)現(xiàn)，其燒結(jié)過程與制磚相似，分為干燥脫水、造孔、黏結(jié)和冷卻四個階段；制備的墻體保溫材料的密度為1.229 4 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為7.6 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.292 5 W/(m·K)。楊航等[24]選用河北某鐵尾礦和廢石制備了建筑外墻陶瓷保溫材料，并利用綜合差熱分析、X射線衍射物相分析、導(dǎo)熱測試等對鐵尾礦和制備的墻體材料進(jìn)行了表征，研究發(fā)現(xiàn)，鐵尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～55%、廢石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～60%、發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，在1 160 ℃下燒結(jié)60 min，可獲得密度為350 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.09 W/(m·K)、抗壓強(qiáng)度為2.20 MPa的外墻保溫材料。

1.5.4 鐵尾礦制備微晶玻璃

微晶玻璃作為一種新型的建筑材料，其性能優(yōu)于一般的玻璃、陶瓷和天然石材。而鐵尾礦中所含的SiO2、Al2O3、CaO、MgO等是制備微晶玻璃的主要原材料。南寧等[25]以商洛鐵尾礦為主要原料，采用燒結(jié)法制備了CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元體系微晶玻璃，并探究了晶化溫度對玻璃的抗壓強(qiáng)度、密度和化學(xué)穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明：鐵尾礦玻璃的密度和抗壓強(qiáng)度隨晶化溫度的升高呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，而玻璃的耐酸堿性卻呈現(xiàn)相反的趨勢；體系的最佳晶化溫度為900 ℃，制備的微晶玻璃主晶相為透輝石相，抗壓強(qiáng)度為164.75 MPa，密度為2.82 g/cm3，耐酸堿的質(zhì)量損失率分別為0.11%、0.13%。楊博宇等[26]以包頭地區(qū)的鐵尾礦、金尾礦為原料，采用玻璃熔制-微波熱處理方法制備了微晶玻璃，對制備的微晶玻璃進(jìn)行了差熱分析(DTA)、X射線衍射分析(XRD)、顯微形貌分析(SEM)和理化性能分析，結(jié)果表明，所制備的微晶玻璃的綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的微晶玻璃。王長龍等[27]選用房山煤矸石和山西靈丘鐵礦尾礦，采用熔融法制備了微晶玻璃，并利用差示掃描量熱法(DSC)、X射線衍射分析(XRD)、掃描電鏡(SEM)研究了核化溫度和晶化溫度對材料性能的影響，結(jié)果表明：隨著核化溫度的升高，微晶玻璃的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降的趨勢，晶化溫度的影響呈現(xiàn)出相同的趨勢；最佳的熱處理工藝為核化(60 ℃，3 h)與晶化(980 ℃，1 h)。

2 結(jié)語

隨著綠色礦山和可持續(xù)發(fā)展觀的深入人心，對鐵尾礦的回收再利用受到了人們的密切關(guān)注，鐵尾礦的資源化利用對于生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。鐵尾礦的回收利用，不僅能解決大量堆積造成的環(huán)境污染和土地資源浪費(fèi)等問題，而且還挖掘了其潛在利用價值，變廢為寶。雖然我國的鐵尾礦綜合利用研究取得了一定的進(jìn)展，但供需之間還存在著很大的差距，今后仍需探索新的利用途徑，以提高其資源利用效率。