粉煤灰研磨-磁選制備蒸壓加氣混凝土砌塊研究

胡榮建，喬波，楊朝剛，張美霞，劉鵬，張慧月，范卉娟

（寶武環(huán)科山西資源循環(huán)利用有限公司，山西 太原 030003）

我國是煤炭大國，僅2020年煤炭消耗量超過40 億t[1]，產(chǎn)生的粉煤灰超過8 億t[2]。大量的粉煤灰外排堆積不僅會(huì)占用耕地，還會(huì)造成土壤、水體的污染[3-4]。部分發(fā)達(dá)國家的粉煤灰利用率已達(dá)到70%～80%，而我國的利用率僅為30%～40%[5-6]。當(dāng)前，我國主要通過制備粉煤灰基建筑材料來實(shí)現(xiàn)粉煤灰的利用[7-8]。粉煤灰蒸壓加氣混凝土制品具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫性能優(yōu)異、低碳環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣受市場(chǎng)青睞[9-10]。

但粉煤灰中含有很多有價(jià)元素沒有得到充分利用[11-12]，因此，本文研究了粉煤灰磁選Fe2O3、Fe3O4等含鐵化合物的工藝方法以及粉煤灰尾渣制備蒸壓加氣混凝土砌塊的性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

粉煤灰來自太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司的自備電廠，是由2 臺(tái)煤粉爐發(fā)電機(jī)組燃燒產(chǎn)生的粉煤灰，具有較高活性，其中二氧化硅含量為46.30%、氧化鋁含量為33.37%、TFe 含量為5.35%。粉煤灰中主要參與水化反應(yīng)的SiO2含量較高，TFe 品位較低，需要進(jìn)一步磁選富集。試驗(yàn)所用粉煤灰、生石灰、脫硫石膏、水泥的主要化學(xué)成分如表1 所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

FZ-150 破碎制樣機(jī)、XCGS-50 小型濕式磁選機(jī)、手持式電動(dòng)攪拌器；JJ-5 型水泥膠砂攪拌機(jī)；100 mm×100 mm×100 mm 三聯(lián)模具；YH-40B 型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱；YAW-200B型微機(jī)控制加氣混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)；D8 DISCOVER A25 X射線衍射儀等。

1.3 試驗(yàn)方案

建立在傳統(tǒng)的制備粉煤灰基加氣混凝土材料的基礎(chǔ)上，通過破碎制樣機(jī)研磨增加粉煤灰活性，再進(jìn)行制漿工序。使用濕式磁選法選出TFe 品位較高的含鐵塵泥，通過XRD 測(cè)試其晶體組成。該部分含鐵塵泥具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，能夠返回?zé)Y(jié)、球團(tuán)等煉鐵工序，或者作為水泥鐵質(zhì)校正料使用。采用GB/T 11968—2020《蒸壓加氣混凝土砌塊》中的方法對(duì)粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度、吸水率、干密度等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

粉煤灰研磨：將粉煤灰分為5 組進(jìn)行干磨，研磨時(shí)間分別控制為0、2、4、6、8 min，將磨好的粉煤灰檢測(cè)細(xì)度指標(biāo)，再分別稱取5 kg 進(jìn)行制漿。

粉煤灰磁選：采用濕式磁選的方法，磁選次數(shù)為2 次，控制水灰比為3∶1。粉煤灰漿進(jìn)行磁選，將選出含鐵泥再次制漿進(jìn)行磁選，最后將物料進(jìn)行烘干制成鐵粉。

加氣混凝土砌塊制備：將剩余的粉煤灰尾渣漿加入脫硫石膏、水泥、生石灰等膠結(jié)料，倒入10 cm×10 cm×10 cm 的模具中進(jìn)行發(fā)泡，發(fā)泡溫度為50 ℃。待配體定型后，放入工業(yè)蒸壓釜內(nèi)，在180 ℃、蒸壓壓力1.0 MPa、蒸壓時(shí)間10 h 的條件下高溫高壓濕熱養(yǎng)護(hù)。待蒸養(yǎng)結(jié)束后，測(cè)試樣品的抗壓強(qiáng)度、干密度等性能指標(biāo)。蒸壓加氣混凝土砌塊原料配比為m（粉煤灰）∶m（生石灰）∶m（石膏）∶m（水泥）∶m（發(fā)泡劑）=76.0∶15.0∶4.4∶4.5∶0.11。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰磁選

鐵粉的性能指標(biāo)見表2。

表2 鐵粉性能指標(biāo)

由表2 可知，粉煤灰未經(jīng)研磨時(shí)，細(xì)度為32.5%，磁選率最高達(dá)到10.5%，但TFe 品位最低，僅為33.87%。粉煤灰研磨2 min 后，磁選率明顯降低，為6.8%。隨著研磨時(shí)間的延長，粉煤灰的細(xì)度逐漸降低，當(dāng)研磨時(shí)間達(dá)到6 min 時(shí)，細(xì)度明顯降低，達(dá)到4.5%，研磨時(shí)間為8 min 時(shí)，細(xì)度最低，為4.0%。粉煤灰經(jīng)研磨后，細(xì)度與磁選率呈正相關(guān)，與磁選鐵粉的TFe 品位呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)粉煤灰細(xì)度達(dá)到4.0%～4.5%時(shí)，磁選率有明顯提高，最高達(dá)到8.9%，鐵粉的TFe 品位逐漸趨于穩(wěn)定。

煤粉爐燃燒溫度在1300 ℃左右，煤炭經(jīng)燃燒后產(chǎn)生粉煤灰，主要由石英、莫來石、高嶺土、赤鐵礦、磁鐵礦等穩(wěn)定的化合物組成，其活性較低，微觀下呈球狀顆粒態(tài)。粉煤灰在研磨時(shí)，能夠有效改變其微觀形貌，增加表面活性，使得粉煤灰粘聚顆粒破碎為不規(guī)則碎屑，玻璃體包裹或者粘附的赤鐵礦、磁鐵礦顆粒得以分離。因此，未經(jīng)研磨粉煤灰的磁選率最高，鐵粉的TFe 品位最低。隨著研磨時(shí)間的延長，鐵粉的提取率與TFe 品位均有提高。圖1 為研磨前和研磨6 min 后鐵粉的宏觀形貌對(duì)比。

圖1 研磨前后鐵粉的宏觀形貌對(duì)比

圖2 為粉煤灰研磨不同時(shí)間后磁選鐵粉的XRD 圖譜。

圖2 粉煤灰研磨不同時(shí)間后磁選鐵粉的XRD 圖譜

由圖2 可知，磁選鐵粉的主要物相為莫來石（3Al2O3·2SiO2）、石英（SiO2）、磁鐵礦（Fe3O4）、赤鐵礦（Fe2O3）。隨著研磨時(shí)間的延長，1#～5#鐵粉16.2°、26.1°處的特征峰逐漸減弱，3#鐵粉35.5°處的特征峰更強(qiáng)。這是由于機(jī)械研磨使得莫來石相的微觀形貌被破壞，對(duì)層間堆積產(chǎn)生了不利影響，導(dǎo)致莫來石結(jié)晶度下降，磁鐵礦、赤鐵礦相衍射強(qiáng)度更高。

由此可見，粉煤灰經(jīng)研磨后能有效去除莫來石相，促進(jìn)磁鐵礦、赤鐵礦的富集。在粉煤灰研磨6～8 min 時(shí)，磁選率最高達(dá)到8.9%，TFe 品位能夠穩(wěn)定在45.26%以上，最高達(dá)到45.37%。

2.2 粉煤灰尾渣制備加氣混凝土砌塊

粉煤灰尾渣SiO2含量見表3，粉煤灰尾渣制備蒸壓加氣混凝土砌塊的性能見表4。

表3 粉煤灰尾渣SiO2 含量 %

表4 粉煤灰尾渣制備蒸壓加氣混凝土砌塊的性能

由表3、表4 可知：

（1）砌塊的吸水率在26.3%～28.2%，干密度在543～556 kg/m3，原灰制備砌塊的抗壓強(qiáng)度為3.52 MPa，1#粉煤灰經(jīng)磁選后制備砌塊的抗壓強(qiáng)度為3.57 MPa，二者細(xì)度相同，在配料、工藝相同的條件下，砌塊的強(qiáng)度主要取決于粉煤灰的化學(xué)成分，磁選后1#粉煤灰的SiO2含量為49.58%，高于原灰的含量（46.30%）。在蒸壓釜內(nèi)Ca（OH）2、SiO2、H2O 等化合物發(fā)生水化反應(yīng)的效果更好，促進(jìn)C-S-H（B）水化產(chǎn)物的生成。

（2）隨著研磨時(shí)間的延長，2#～5#粉煤灰中SiO2含量有小幅度提高，粉煤灰細(xì)度逐漸降低，磁選率逐漸增高，砌塊的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。2#、4#粉煤灰的細(xì)度分別為29.5%、4.5%，相較于1#和3#有明顯的提高。2#、4#砌塊抗壓強(qiáng)度分別為3.88、4.32 MPa，也相較于1#和3#有明顯的提高。在化學(xué)成分相近的情況下，粉煤灰的粒度組成對(duì)砌塊抗壓強(qiáng)度有更重要影響。粉煤灰經(jīng)研磨后，微觀形貌呈不規(guī)則碎屑狀，隨著研磨時(shí)間的延長，SiO2含量提高，粒度以及微觀形貌均發(fā)生了較大變化，反應(yīng)活性增強(qiáng)，在高溫高壓濕熱養(yǎng)護(hù)下生產(chǎn)的C-S-H（B）水化產(chǎn)物強(qiáng)度更高。

（3）粉煤灰的化學(xué)成分及粒度對(duì)加氣混凝土砌塊的強(qiáng)度均有影響。在4#、5#粉煤灰尾渣中，細(xì)度達(dá)到4.0%～4.5%，SiO2含量均高于50.30%，加氣混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.32～4.35 MPa，二者強(qiáng)度較為接近。因此，粉煤灰研磨時(shí)間在6～8 min 時(shí)，能夠極大提升磁選效率，同時(shí)能夠有效提高加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度。該方法能夠有效提高粉煤灰的綜合利用率，實(shí)現(xiàn)粉煤灰低成本、高附加值轉(zhuǎn)化，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和研究價(jià)值。

3 結(jié)論

（1）粉煤灰經(jīng)研磨后，能夠有效去除莫來石、石英等渣相，極大地提高鐵氧化物的磁選效率，TFe 品位最高達(dá)到45.37%。

（2）粉煤灰尾渣的化學(xué)成分及粒度組成對(duì)加氣混凝土砌塊的強(qiáng)度有顯著影響。粉煤灰經(jīng)研磨磁選后，SiO2含量最高能夠達(dá)到50.36%，細(xì)度到達(dá)4.0%，加氣混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到4.35 MPa。

（3）從經(jīng)濟(jì)角度考慮，研磨時(shí)間6 min 較合適，此時(shí)粉煤灰細(xì)度為4.5%，磁選率為8.4%，TFe 品位為45.26%，加氣混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度為4.32 MPa。