膏相鐵尾砂綜合利用工藝流程研究

何曉文 吳新義

（1.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)有限公司）

安徽馬鋼羅河鐵礦與一般礦山尾砂高硅、高鈣的性質(zhì)不同，其尾砂具有含硅較低、含硬石膏較高的典型特征，二氧化硅含量約22%，硬石膏含量高達(dá)30%左右，不宜直接用作建筑用砂等細(xì)骨料。經(jīng)多年技術(shù)研究，對膏相鐵尾砂進(jìn)行預(yù)活化后為主材、添加30%左右的摻合料，可制備石膏基干粉砂漿、裝配式墻板等綠色建材產(chǎn)品，為礦山固廢綜合利用開辟了新途徑。

1 尾砂理化特征檢測與分析

羅河鐵礦屬于火山高溫氣液交代充填型礦床，成礦母巖為火山碎屑沉凝灰?guī)r，礦體上盤及脈巖主要為硬石膏輝石巖和輝石堿性長石巖，原礦中Ⅱ型硬石膏含量10%左右，富集后尾砂中Ⅱ型硬石膏含量達(dá)29%以上。尾砂粒度分布及礦物含量檢測結(jié)果見表1、表2，尾砂其他建筑材料性能見表3。

?

由表1可知，該尾砂粒度較細(xì)，顆粒尺寸主要分布在1.05～600μm，粒徑+150μm累計(jì)率僅為46.2%，粒度不符合《鐵尾礦砂》（GB/T31288—2014）標(biāo)準(zhǔn)中顆粒粒徑+150μm累計(jì)率70%～90%的規(guī)定。

由表2可知，該尾砂主要礦物為硬石膏（Ⅱ型）、氧化鐵、氧化硅、氧化鈣，次要礦物為氧化鋁、氧化鎂、黃鐵礦，微量礦物為鉀鹽、鈉鹽、氯化物等；硫、氯含量不符合《鐵尾礦砂》（GB/T 31288—2014）標(biāo)準(zhǔn)中硫化物及硫酸鹽限量SO3≤0.5%、Cl?≤0.02%的規(guī)定。

?

注：①為《鐵尾礦砂》（GB/T 31288—2014）；②為《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2022）；③為《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）。

由表3可知，該尾砂樣品內(nèi)照射指數(shù)I Ra=0.14 Bq/kg，外照射指數(shù)Ir=0.22 Bq/kg，均符合《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）標(biāo)準(zhǔn)中I Ra≤1.0、Ir≤1.0的規(guī)定。硬度指標(biāo)值不符合《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2022）標(biāo)準(zhǔn)中單級最大壓碎指標(biāo)≤30%的限值，表明樣品硬度較低。

經(jīng)分析，該尾砂樣品粒度、硬度及硫、氯含量共4項(xiàng)指標(biāo)不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值，不宜直接用作建筑用砂等細(xì)骨料。為此，須對該尾砂進(jìn)行物相優(yōu)化重組研究，并間接利用。

2 膏相鐵尾砂綜合利用方向定位

影響尾砂綜合利用的四大因素為放射性、有毒有害元素、礦物組分和細(xì)度。前三者由礦山地質(zhì)自然稟賦決定，后者由選礦工藝流程決定。在尾砂的放射性和有毒有害元素符合建材相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過物理或化學(xué)方法，改善尾砂的礦物組分和細(xì)度，可作為建筑材料的主要原料。

尾砂是多種細(xì)顆粒礦物的離散混合體，再利用方式有組分分離、顆粒分級、煅燒或化學(xué)改性、摻合均化4種技術(shù)路線。根據(jù)該尾砂特點(diǎn)，對技術(shù)路線整合形成2種開發(fā)利用方案。方案1為膏相鐵尾砂組分分離-顆粒分級綜合利用方案，方案2為膏相鐵尾砂改性-混勻綜合利用方案。方案比選見表4。

由表4可知，方案2糅合了硬石膏煅燒水化硬化改性與赤鐵礦焙燒磁化改性的先進(jìn)技術(shù)，生產(chǎn)工藝糅合了選礦行業(yè)與石膏行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)產(chǎn)品為替代水泥基的石膏基新型建材，技術(shù)上成熟可靠，經(jīng)濟(jì)合理，市場有容量，節(jié)能環(huán)保，符合國家產(chǎn)業(yè)政策，推薦方案2。

方案2確定研究內(nèi)容：①定位加工石膏基生態(tài)建材，以輕質(zhì)內(nèi)墻抹灰石膏生產(chǎn)工藝為主流程，開展可行性研究；②Ⅱ型硬石膏煅燒改性與赤鐵礦焙燒磁化改性的匹配技術(shù)，抹灰石膏配方及配比技術(shù)；③硬石膏煅燒、赤鐵礦磁化焙燒熱工制度，估算能源單耗；④全尾砂脫水、磨細(xì)工藝及設(shè)備選型；⑤智慧制造框架方案；⑥調(diào)研國內(nèi)、近邊市場容量。

3 工藝流程研究

利用膏相鐵尾砂制備抹灰石膏技術(shù)在我國尚沒有成熟的工業(yè)案例，工藝流程及技術(shù)需要?jiǎng)?chuàng)新性研究開發(fā)。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)原料及產(chǎn)品特點(diǎn)，將選礦工藝與水泥生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行流程再造，科學(xué)分割、提取、組合兩大行業(yè)生產(chǎn)工序，創(chuàng)新提出尾礦漿高濃度管道泵送—尾砂脫水—烘干—磁化焙燒—打散磨細(xì)—選鐵降鐵—摻料混勻—沉化—包裝流水線生產(chǎn)工藝流程。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 膏相鐵尾砂膠凝特性機(jī)理

在CaSO4-H2O系統(tǒng)中，一般公認(rèn)的石膏相有5種形態(tài)7個(gè)變種，分別為石膏、α型和β型半水石膏、α型和β型Ⅲ型硬石膏、Ⅱ型硬石膏、Ⅰ型硬石膏，在自然地質(zhì)條件下生成的一般均為天然Ⅱ型硬石膏［1］，該尾砂中即為Ⅱ型硬石膏。

Ⅱ型硬石膏為斜方晶系結(jié)構(gòu)，晶胞尺寸為a=0.915 nm、b=0.695 nm、c=0.696 nm，難溶或不溶于水，水化速度慢，膠凝效果差。經(jīng)物理活化、化學(xué)激發(fā)［2］、煅燒改性［3］等加工處理后，可改變硬石膏的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，增加晶格畸變和缺陷，提高比表面積，改善水化硬化的活性，產(chǎn)生良好的膠凝特征，常用于建筑行業(yè)室內(nèi)工程的膠固劑。

該尾砂經(jīng)煅燒、選鐵、脫硫石膏返回利用等工藝處理后，Ⅱ型硬石膏+半水石膏的占比達(dá)32.5%以上，膠凝物含量較高。尾礦中非膠結(jié)礦物主要為SiO2、Al2O3、CaO、MeO、Fe2O3等，這些礦物集合體經(jīng)采選工藝的破碎、磨細(xì)、水洗后，顆粒圓潤，粒級均勻，也是干粉砂漿的良好細(xì)骨料。

膏相鐵尾砂已具有較好的自膠結(jié)性能，膠凝特性機(jī)理在補(bǔ)充添加少量石膏粉等，再添加少量膠固劑后，即可加工符合《抹灰石膏》（GB/T28627—2012）標(biāo)準(zhǔn)的石膏基干粉砂漿，進(jìn)一步加工可生產(chǎn)裝配式墻板等生態(tài)建材產(chǎn)品。

?

4.2 尾砂膏相煅燒改性試驗(yàn)

根據(jù)硬石膏中溫煅燒活化特征［4］，選擇?780煅燒純化窯進(jìn)行500～800℃6組煅燒探索試驗(yàn)，對比結(jié)果見表5。

由表5可知，Ⅱ型硬石膏相鐵尾砂在550～800℃煅燒時(shí)，水化硬化指標(biāo)均可滿足后續(xù)加工要求，以700℃活化效果最好。故確定熱工制度為采用天然氣為熱介質(zhì)的閃燒工藝，溫度區(qū)間700±25℃，煅燒時(shí)間20～16 min，天然氣單耗20.88 m3/t。

?

4.3 尾砂鐵相磁化焙燒試驗(yàn)

磁化焙燒試驗(yàn)采用小型沸騰爐［5］，試驗(yàn)天然氣為燃燒介質(zhì)，添加4%焦炭粉作還原劑，干燥后尾礦給料濃度-0.074 mm占55%，赤鐵礦Fe2O3含量22.86%，天然氣單耗20.88 m3/t，空氣吹風(fēng)量210 m3/t。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在還原氣氛中，赤鐵礦加熱到400℃時(shí)開始還原反應(yīng)，達(dá)到600℃時(shí)還原速度顯著加快，850℃達(dá)到峰值，隨后逐步下降趨于穩(wěn)定；在還原氣氛中焙燒，膏相水化硬化指標(biāo)在500～750℃時(shí)與表5基本吻合，焙燒時(shí)間可縮短1.5～2 min；隨著溫度升高、焙燒時(shí)間加長，鐵還原度越來越高，膏相硬化指標(biāo)逐步降低（圖1）。

確定熱工制度為采用天然氣為熱介質(zhì)的閃燒工藝，溫度區(qū)間700±25℃，焙燒時(shí)間16.5±1.5 min，天然氣單耗20.88 m3/t，空氣吹風(fēng)量210 m3/t。

4.4 選鐵降鐵試驗(yàn)

根據(jù)國內(nèi)紅礦回收成熟工藝技術(shù)，經(jīng)干式強(qiáng)磁選機(jī)（955.41 kA/m）粗選，中礦鐵品位富集后TFe品位為58%～60%，再經(jīng)濕式弱磁選機(jī)（143.31 kA/m）精選后，鐵精礦品位可達(dá)67%以上。因暫不具備工業(yè)試驗(yàn)條件，采取試驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn)，尾礦經(jīng)磁化焙燒—磨細(xì)—選鐵降鐵處理后，TFe品位67%的磁鐵精礦產(chǎn)率約8.57%，鐵回收率39.5%，尾礦中Fe2O3含量下降到10%以下；同時(shí)，尾礦中的FeS2基本完全氧化，可滿足制備石膏基干粉砂漿質(zhì)量的主原料要求。說明該尾礦磁化焙燒后，鐵回收率理論值可達(dá)60%以上，殘留適量的氧化鐵有利于提高石膏砂漿的抗壓強(qiáng)度，該試驗(yàn)不追求鐵回收率。

4.5 摻合料配比試驗(yàn)

以選鐵降鐵后的尾砂粉為主要原料（占比70%），添加半水石膏或硬石膏粉、輕質(zhì)骨料、激發(fā)劑、早強(qiáng)劑、保水劑等摻合料進(jìn)行混合、均化、沉化，通過4 000多組正交試驗(yàn)，遴選出了最佳配合比、沉化時(shí)間等技術(shù)參數(shù)。

5 一般技術(shù)研究

5.1 尾砂脫水工藝試驗(yàn)及選型

脫水尾礦的含水率直接影響后續(xù)煅燒工序的能耗，其含水率指標(biāo)極為重要。目前，成熟的脫水工藝設(shè)備主要有盤式過濾機(jī)、陶瓷過濾機(jī)和壓濾機(jī)等。盤式過濾機(jī)工業(yè)能耗高、噪音大，從節(jié)能、環(huán)保角度考慮直接淘汰。選擇陶瓷過濾機(jī)和壓濾機(jī)工藝進(jìn)行探索試驗(yàn)對比，隨著濃度和單機(jī)處理量增大，采用陶瓷過濾機(jī)工藝的效果更為優(yōu)越，且陶瓷過濾機(jī)工藝具有投資少、耗能低、噪音低、濾水清澈等優(yōu)點(diǎn)。推薦選擇T70以上大型陶瓷過濾機(jī)，含水率可降低到10%以下。尾礦脫水工藝對含水率指標(biāo)的影響見表6。

?

5.2 煅燒尾砂易磨性試驗(yàn)及設(shè)備選型

尾砂經(jīng)煅燒后易產(chǎn)生結(jié)塊現(xiàn)象，必須進(jìn)行打散磨細(xì)處理，使干粉料細(xì)度-0.074 mm含量≥90%、比表面積為500～800 m2/kg。經(jīng)易磨性試驗(yàn)檢測，煅燒尾砂在?80μm篩網(wǎng)80%通過時(shí)，邦德功指數(shù)為13.45 kW·h/t。

常用磨細(xì)設(shè)備有球磨、立磨、雷蒙磨、高壓輥磨等，前三者磨粉比表面積較小，不利于Ⅱ型硬石膏的物理活化，遴選高壓輥磨機(jī)作為打散磨細(xì)設(shè)備。

6 智慧制造框架方案

采用智能制造系統(tǒng)保障產(chǎn)線生產(chǎn)高效、過程受控、在線檢測、自動(dòng)配料，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，以PLC為控制核心，以智能化儀表檢測、智能點(diǎn)檢、遠(yuǎn)程智能取樣、智能包裝、智能倉庫等為手段，通過總線和以太網(wǎng)技術(shù)將基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）系統(tǒng)整合為智能化基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，通過二級過程控制系統(tǒng)（L2）引入智能配料計(jì)算、產(chǎn)品成分分析、智能配上料控制模型、熱工狀態(tài)監(jiān)測分析、燃燒控制、熱風(fēng)平衡等智能控制模塊，以生產(chǎn)智能化提高生產(chǎn)過程的控制效率和控制能力，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

配料工藝質(zhì)量控制關(guān)鍵因子為CaSO4含量、四元堿度等，需在線品位檢測SO4、Fe、Ca、Mg、Si、Al、H2O等因子，根據(jù)有益有害元素載入量智能配料、上料。

熱工工藝需在線檢測焙燒溫度、物料流速、流量，智能調(diào)控天然氣、吹風(fēng)、吹碳量，管控磁化焙燒工序質(zhì)量。

7 樣品鑒定

通過委托其他工廠代加工，利用羅河尾砂半工業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)的抹灰石膏樣品送檢，通過地方建材行業(yè)權(quán)威部門鑒定，符合《抹灰石膏》（GB/T 28627—2012）質(zhì)量指標(biāo)要求。

8 市場容量調(diào)研分析

石膏基干粉砂漿是朝陽型產(chǎn)品，市場容量巨大，主要用于房地產(chǎn)行業(yè)的內(nèi)墻抹灰、自流平砂漿、裝配式墻體材料等。以內(nèi)墻抹灰、自流平砂漿市場容量為調(diào)研對象，匡算抹灰面積與建筑面積的比例約為3.8倍。根據(jù)《2020—2026年中國商品房市場分析與投資前景研究報(bào)告》可知，2019年商品住宅竣工總面積全國、江浙滬皖、安徽省統(tǒng)計(jì)值分別為62.8，11.9，3.19億m2，內(nèi)墻抹灰砂漿需求總量分別為2.4億t、4 544萬t和1 214萬t，室內(nèi)自流平砂漿需求總量分別為1.6億t、3 048萬t和812萬t。

目前，全國抹灰石膏在內(nèi)墻粉刷砂漿需求總量中占比僅為20%，在室內(nèi)自流平砂漿中占比更低。在室內(nèi)建筑工程中，石膏基替代水泥基是必然趨勢，市場容量巨大。

9 利用規(guī)模及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

整體規(guī)劃，分步實(shí)施，與礦山生產(chǎn)規(guī)模配套。一期工程利用尾礦70萬t/a制備90萬t/a抹灰石膏，副產(chǎn)品TFe品位67%的磁鐵精礦6萬t/a。礦山二期1 000萬t/a采選規(guī)模時(shí)，利用尾礦140萬t/a制備180萬t/a石膏基干粉砂漿，副產(chǎn)品TFe品位67%的磁鐵精礦12萬t/a。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要是生產(chǎn)抗折強(qiáng)度≥1.0 MPa、抗壓強(qiáng)度≥2.5 MPa、拉伸黏結(jié)強(qiáng)度≥0.3 MPa、涂布率≥110 m2/t的輕質(zhì)底層抹灰石膏，副產(chǎn)為TFe品位67%的磁鐵精礦。

10 研究結(jié)果

（1）達(dá)到同類產(chǎn)品中高端水平。經(jīng)磁化焙燒降鐵后尾砂容重1.478 t/m3，混勻約30%的摻合料，配制的石膏基干粉砂漿樣品容重0.83～0.85 t/m3，涂布率理論值達(dá)117.99～120.3 m2/t，接近同類高端產(chǎn)品涂布率120～140 m2/t的質(zhì)量。制品色調(diào)由淡紅色升級為主流顏色青灰色，易被客戶市場接受。

（2）經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)樣品性能檢驗(yàn)，所有檢測指標(biāo)均符合《抹灰石膏》（GB/T28627—2012）標(biāo)準(zhǔn)要求。

11 結(jié)語

（1）該膏相鐵尾砂的綜合利用經(jīng)可行性研究表明，一期工程總投資4.16億元，達(dá)產(chǎn)后年均工業(yè)總產(chǎn)值（不含稅）7.38億元，總投資收益率33.2%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（2）石膏基干粉砂漿替代水泥產(chǎn)品抹灰或自流平砂漿，具有質(zhì)輕、保溫、調(diào)節(jié)濕度、不空鼓開裂等顯著優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色建材，其節(jié)能、環(huán)保等社會意義重大。