釩鐵礦渣資源綜合利用的應(yīng)用研究

■黃明夫，甘 璐，施麟蕓 ■江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

目前，我國產(chǎn)釩企業(yè)排出的釩尾礦渣每年約為40萬噸。除了一小部分釩鐵礦渣為了回收其中的稀有金屬而進(jìn)行了二次開發(fā)利用外，大部分的釩鐵礦渣只能成為工業(yè)廢棄物。釩鐵渣的物性不同于其它固體廢棄物，它無法自然分解也無法通過焚燒來處理。尾渣長期堆放不僅占用大量土地空間而且其中含有的一些有害物質(zhì)，經(jīng)雨水淋洗帶入土壤，破壞當(dāng)?shù)赝恋刂脖唤Y(jié)構(gòu)，給發(fā)展可持續(xù)性經(jīng)濟(jì)帶來巨大的環(huán)境壓力。因此，如何通過資源綜合利用來解決目前比較嚴(yán)重的釩鐵渣廢棄物現(xiàn)狀，并能給企業(yè)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，帶動(dòng)市場對(duì)于廢棄物二次利用的積極性，亟待我們通過研究充分了解釩鐵渣礦的性能，并進(jìn)行相應(yīng)的資源化利用研究。

1 化學(xué)成分

經(jīng)多次取樣，并按GB/T 176《水泥化學(xué)分析方法》測試，取自江西省新余市的釩鐵礦渣粉化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 釩鐵礦渣粉的化學(xué)成分

從化學(xué)分析結(jié)果看，釩鐵礦渣粉屬高鈣低鋁灰渣。其中CaO含量達(dá)57～60%，高于冶金鋼渣和高爐礦渣，，接近硅酸水泥熟料;SiO2含量為28～30%，而鋼渣中SiO2含量一般在20%以下，高爐礦渣中SiO2含量大于30%;Al2O3含量在2.5%以下，低于鋼渣(5%以下)和高爐礦渣(10%以上);MgO含量為6～10%左右，與鋼渣和高爐礦渣相近。按照鋼渣堿度系數(shù)評(píng)定鋼渣活性的辦法;堿度系數(shù)0.78～1.8屬低活性的橄欖石渣，堿度系數(shù)1.8～2.5屬中等活性硅酸二鈣渣，堿度系數(shù)大于2.5屬高活性硅酸三鈣渣。根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果，釩鐵礦渣粉堿度系數(shù)在1.82～2.07，屬具有中等活性的硅酸二鈣渣。

2 礦物組成

釩鐵礦渣粉經(jīng)X射線衍射(XRD)分析結(jié)果表明:礦粉E主要礦物組成為:硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、硅酸鈣(CaO·SiO2)、方鎂石(MgO)和少量鈣鋁石榴子石(3CaO·Al2O3·SiO2)、尖晶石(MgO·Al2O3)、鐵橄欖石(CaO·FeO·SiO2)等礦物。

3 顯微結(jié)構(gòu)

由上圖可見，一定顆粒形態(tài)下的釩鐵礦渣粉具有層狀結(jié)構(gòu)，也就解釋了它具有良好的增稠作用的原因，然而當(dāng)破碎到更小粒徑時(shí)會(huì)破壞顆粒本身的層狀結(jié)構(gòu)，形成層片狀微小顆粒，反而降低了材料的性能。

圖1 礦物摻料E的微觀結(jié)構(gòu)圖

4 物理性能

經(jīng)存放粉化后的釩鐵礦渣粉外觀呈灰白色的粉狀物料，粉料中含有塊狀和粒狀金屬物，經(jīng)篩除回收后，密度為3.06～3.10g/cm3，細(xì)度:45um篩的篩余量高達(dá)63.5%，比較面積在125～142m2/kg，經(jīng)不同時(shí)間球磨后的比表面積見表2。

表2 釩鐵礦渣粉不同時(shí)間球磨后的比表面積

從表2看出:釩鐵礦渣粉經(jīng)球磨后細(xì)度顯著提高，隨著球磨時(shí)間增加細(xì)度增大，在球磨時(shí)間10～20min時(shí)，細(xì)度比原狀釩鐵礦渣粉提高了4～5倍，隨著球磨時(shí)間陸續(xù)增加，細(xì)度增加減緩。從上述試驗(yàn)結(jié)果表明，釩鐵礦渣粉具有較好的易磨性。

5 礦粉E活性

參照GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標(biāo)準(zhǔn)中膠砂測試方法。礦粉E摻量占膠凝材料30%，膠凝材料和標(biāo)準(zhǔn)砂按1∶3，水灰比0.5，水泥為P.O42.5級(jí)水泥，試驗(yàn)方法按GB/T1596規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 礦粉E活性試驗(yàn)結(jié)果

從表3看出:釩鐵礦渣粉經(jīng)球磨加工后具有較高的活性，尤其早期(3d、7d)活性發(fā)展較快，后期(28d)活性指數(shù)穩(wěn)定在80%以上。隨著釩鐵礦渣粉比表面積增加，活性指數(shù)有些提高，但增加幅度較平緩，當(dāng)比表面積達(dá)975m2/kg時(shí)，活性指數(shù)提高幅度較明顯。

6 摻礦粉E水泥體積安定性

參照GB/T1346《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、體積安定性檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，實(shí)驗(yàn)采用了沸煮法和壓蒸法分別檢驗(yàn)摻釩鐵礦渣粉的水泥體積安定性。釩鐵礦渣粉經(jīng)磨細(xì)后比表面積為557m2/kg。

試餅法試件由70%P.O42.5級(jí)水泥和30%釩鐵礦渣粉組成，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量125ml。檢驗(yàn)方法按GB/T1346規(guī)定進(jìn)行。檢驗(yàn)結(jié)果:水泥試餅的體積安定性符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

壓蒸法試件由70%P.O42.5級(jí)水泥和20%釩鐵礦渣粉、10%Ⅱ級(jí)粉煤灰組成。檢驗(yàn)方法按GB/T750規(guī)定進(jìn)行，試件在壓力2.0MPa、濕度215℃壓蒸釜內(nèi)保持3h以上，經(jīng)測試壓蒸膨脹為0.14%，符合普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥的壓蒸膨脹率不大于0.50%的規(guī)定。

上述檢驗(yàn)結(jié)果表明:釩鐵礦渣粉經(jīng)磨細(xì)比表面積在500m2/kg以上，且摻量在20%以下，摻釩鐵礦渣粉水泥體積安定性符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

7 礦粉E的放射性指標(biāo)

試驗(yàn)依據(jù)GB6566《建筑材料放射性核素限量》標(biāo)準(zhǔn)，用γ譜儀測定了釩鐵礦渣粉放射性核素鐳-226、釷-232、鉀-40的放射性比活度，檢測結(jié)果見表4。

表4 礦粉E放射性核素指標(biāo)

表4看出:釩鐵礦渣粉的放射性指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB6566規(guī)定的IRa≤1和Ir≤1的要求。

8 結(jié)論與建議

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，取自新余的釩鐵礦渣粉無有害礦物元素、放射性指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。經(jīng)磨細(xì)比表面積在500m2/kg以上的釩鐵礦渣粉具有較好的活性，早期活性表現(xiàn)活躍。釩鐵礦渣粉摻量在20%以下水泥體積安定性符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可作為一般摻合料應(yīng)用于預(yù)拌混凝土及建筑墻體材料等領(lǐng)域中。