鐵尾礦資源綜合利用現狀研究*

楊亞東，劉新亮，張 冰，劉秀玉，唐 剛

(安徽工業大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

隨著礦山的開采和鋼鐵行業的不斷發展，鐵尾礦作為選礦后的廢棄物，其儲存量也在不斷增加。據統計，2018年我國尾礦總產生量約為12.11億t，其中鐵尾礦產生量最大，約為4.76億t，占尾礦總產生量的39.31%[1]。因技術限制，鐵尾礦一般作堆填處理，這既造成了大量土地資源的浪費，又對周圍的生態環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。

隨著科學技術的進步，鐵尾礦的綜合利用效率在不斷提高。為建設資源節約型、環境友好型社會，實現綠色礦山建設目標，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、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。本文將對國內鐵尾礦的綜合利用研究現狀進行總結，以期為其進一步開發利用提供參考。

1 鐵尾礦綜合利用研究現狀

1.1 鐵尾礦有價組分的回收技術

我國鐵尾礦的種類繁多，性質復雜，產地和選礦工藝不同，其成分和含量也不盡相同，但其化學成分基本相似，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、實現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

LI等[2]采用磁選后磁化焙燒工藝從鐵尾礦中回收鐵，當煤和鐵尾礦質量比為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水溝鐵尾礦庫中回收鐵粉，并研究了焙燒溫度、保護氣流速、磨礦時間等對回收鐵的影響，結果表明，當炭的質量為鐵尾礦的0.8%、焙燒溫度為800 ℃、保護氣流速為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，結果表明：弱磁-強磁預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調節劑、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，并研究了調節劑、抑制劑和捕收劑對P2O5回收率的影響，結果表明：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，并設計了正交實驗研究顯著影響因素，結果表明：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 鐵尾礦作采空區充填料

礦山開采形成了大量的采空區，其給周邊的設施以及正常生產帶來了嚴重的安全隱患。利用鐵尾礦作為采空區充填料，既解決了鐵尾礦大量堆積造成的土地資源浪費和由此引發的環境問題，也解決了采空區帶來的安全問題。CHU等[8]采用疏浚河道沉積物(DRS)、鐵尾礦渣(ITS)、電石渣(CCS)作為采空區充填材料進行了充填試驗，結果表明：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DRS與ITS的質量比為70∶30、水泥摻量為16.7%時，流動性達到最大值；鐵尾礦的加入提高了DRS混合物強度，并通過OPC和CCS對其進行穩固，以達到骨架效應和降低含水量的目的；當DRS、ITS、OPC、CCS的質量比為60∶40∶16∶4時，坍落度約為160 mm，養護7 d后的無側限抗壓強度約為2.8 MPa。楊陸海[9]將鐵尾礦代替河沙作為充填骨料，當充填料漿的質量分數為73%～79%時，鐵尾礦物理性能滿足要求，可作為下向膠結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磁化復混肥，在磁化場強為8 T下磁化10 s生產的磁化復混肥料磁化效果最佳，且放置時間對肥料的磁感應強度影響弱；磁化復混肥料重金屬含量均低于GB/T 23349-2009《肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞生態指標》的限值，不會對土壤產生重金屬污染和影響作物品質。孫希樂等[11]利用鐵尾礦及其副產品白云石、云母等制備土壤改良劑，當鐵尾礦、云母、白云石的質量比為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、有機酸性肥、酸性調理劑等按照一定比例制備了土壤改良劑并將其應用于東北某鹽堿地，研究結果表明，鐵尾礦復合改良劑能明顯改善鹽堿地的質地，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，研究發現：水泥的加入能夠提高鐵尾礦的水穩定性、無側限抗壓強度和抵抗局部壓入形變的能力；水泥添加量為6%～8%時，養護3 d的無側限抗壓強度可達1.0 MPa，浸水強度損失率小于15%；養護7 d和28 d，浸水強度損失率小于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限抗壓強度的影響，結果表明，當水泥摻量為5%、碎石摻量為30%、聚丙烯纖維摻量為1.4 kg/m3時，路基材料的無側限抗壓強度滿足JTGE 51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》的要求，達到了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行了改良，通過擊實實驗、無側限抗壓實驗等對改良后的鐵尾礦性能進行了分析，結果表明，水泥的改良效果好，當鐵尾礦摻量為5%時，室內外條件下養護7 d的無側限抗壓強度分別達到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用于建筑領域。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境污染、土地浪費等問題，又能因其代替了部分原材料而降低生產成本，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，采用常規燒結工藝生產水泥熟料；當鐵尾礦質量分數低于10%時，1 420 ℃燒結1 h生產出的水泥熟料力學性能與42.5R級相當，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方法》中A3.5、B06級的要求。CHENG等[18]采用機械力化學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，當替代率小于30%時，混凝土抗壓強度滿足設計要求；當加入適量的減水劑，鐵尾礦的替代率可提高至40%；研究結果表明，機械化學活化的高硅鐵尾礦作為預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]利用細粒低硅鐵尾礦和無水泥固化劑為原料制備環境友好型磚，在防水劑和固化劑質量分數均為0.3%、初始養護溫度為60 ℃的條件下養護28 d后，其抗壓強度、飽和抗壓強度分別達到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度的影響，結果表明：尾礦、河砂和石灰的質量比為74∶15∶11、磷石膏質量為石灰的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《蒸壓灰砂實心磚和實心砌塊》的MU20級標準灰砂磚，其密度為1 900～2 000 kg/m3，平均抗壓強度可達21.5 MPa。陳永亮等[21]選用湖北鄂西某礦業公司選礦廠赤鐵礦尾礦為原料制備燒結磚，并利用綜合差熱分析(TG-DSC)、掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)研究了燒結磚的燒結過程和機理，結果表明：燒結過程分為干燥、加熱、燒成和冷卻四個階段；900 ℃前的燒結初期，磚體內的結晶水、結構水等脫去，以固相表面的擴散傳質為主；900 ℃后的燒結中后期，磚內的非晶態物質結晶并與石英等構成骨架，熔融液相固定骨架，使燒結磚更加致密。

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，結果表明，當鐵尾礦與(水泥+鐵尾礦)的質量比為68%、水灰比為0.7、激發劑與鐵尾礦的質量比為10%、阻燃劑與水的質量比為20%時，可以制得密度小于900 kg/m3、導熱系數小于0.231 W/(m·K)、氧指數大于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保溫墻體材料(LTIWM)，利用正交實驗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)研究其燒結機理后發現，其燒結過程與制磚相似，分為干燥脫水、造孔、黏結和冷卻四個階段；制備的墻體保溫材料的密度為1.229 4 g/cm3，抗壓強度為7.6 MPa，導熱系數為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、導熱測試等對鐵尾礦和制備的墻體材料進行了表征，研究發現，鐵尾礦質量分數為40%～55%、廢石質量分數為45%～60%、發泡劑質量分數為0.5%，在1 160 ℃下燒結60 min，可獲得密度為350 kg/m3、導熱系數為0.09 W/(m·K)、抗壓強度為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度、密度和化學穩定性的影響，結果表明：鐵尾礦玻璃的密度和抗壓強度隨晶化溫度的升高呈現出先增后降的趨勢，而玻璃的耐酸堿性卻呈現相反的趨勢；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，抗壓強度為164.75 MPa，密度為2.82 g/cm3，耐酸堿的質量損失率分別為0.11%、0.13%。楊博宇等[26]以包頭地區的鐵尾礦、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，結果表明，所制備的微晶玻璃的綜合性能遠優于常規的微晶玻璃。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，結果表明：隨著核化溫度的升高，微晶玻璃的彎曲強度呈現先增后降的趨勢，晶化溫度的影響呈現出相同的趨勢；最佳的熱處理工藝為核化(60 ℃，3 h)與晶化(980 ℃，1 h)。

2 結語

隨著綠色礦山和可持續發展觀的深入人心，對鐵尾礦的回收再利用受到了人們的密切關注，鐵尾礦的資源化利用對于生態文明建設具有重要意義。鐵尾礦的回收利用，不僅能解決大量堆積造成的環境污染和土地資源浪費等問題，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。