鐵尾礦資源高效利用路徑探析

喬波 于曉兵 陶東平 張美霞

摘要：隨著中國鋼鐵工業的蓬勃發展，鐵尾礦已經成為中國儲量最多的工業固體廢物之一，鐵尾礦的治理已成為礦山企業、冶金企業面臨的關鍵環節。從鐵尾礦資源的高效化利用角度出發，討論了中國的鐵尾礦作為混凝土原料、砂漿原料、路基材料、制磚原料、加氣混凝土材料、礦井充填材料等的研究現狀、存在問題及未來發展方向，以期為鐵尾礦的綜合利用提供參考。

關鍵詞：綜合利用;尾礦混凝土;加氣混凝土;膠凝材料；鐵尾礦

中圖分類號：TF523文章編號：1001-1277（2023）04-0038-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230409

引 言

隨著中國鋼鐵工業的蓬勃發展，年產粗鋼在2021年達到了10.3億t，占全球鋼鐵產能的50%以上^［1-2］。沿海鋼鐵企業主要依靠進口礦石作為煉鐵原料，而內陸鋼鐵企業主要靠開采內陸礦作為原料來源。鐵尾礦成為中國儲量最多的工業固體廢物之一。近年來，中國礦山企業、鋼鐵企業每年產生的鐵尾礦超過26.5億t，其中能夠實現綜合利用的僅有1.8億t，利用率僅為6.95%，南方地區的利用率明顯高于北方地區^［3-5］。隨著中國鐵礦品位的日益下降，尾礦產量將進一步增加，而堆存所帶來的經濟壓力及環境風險、安全風險將進一步增大，不僅浪費大量的土地資源，同時可能造成重金屬污染、尾礦壩潰壩等災難性事故^［6-8］。2018年，為了響應國家綠色礦山的發展要求，中國各類礦山企業積極開展了尾礦綜合利用項目研究，但當前鐵尾礦治理主要面臨的問題是產量大、利用率低、地理位置偏僻等，難以實現大宗化利用。隨著尾礦壩服務年限到期或即將堆滿，鐵尾礦的綜合利用已迫在眉睫。

本文主要從大宗化利用的角度分析中國鐵尾礦在混凝土原料、砂漿原料、路基材料、制磚原料、加氣混凝土材料、礦井充填材料等方面的應用現狀和發展趨勢，為中國鐵尾礦的資源化利用提供參考。

1 鐵尾礦資源的特點

1.1 粒度特點

由于中國地形復雜，鐵礦資源普遍具有“貧、難、細、雜”等特點，也造成了鐵尾礦成分復雜、分布不均的情況，且不同地域尾礦中有價元素種類、含量差別很大，所以尾礦綜合利用方式有所不同^［9-11］。總的來講，粒徑較大的采礦廢石、選礦廢石，其粗粒級鐵尾礦利用率較高，在市場上較受歡迎;粒度較細的鐵尾礦產量巨大，有價元素含量較低，利用率不高。以山西地區為例，經過多段細磨、磁選或者反浮選后產生的細顆粒尾礦大部分粒徑在500 μm以下，該類尾礦的綜合利用成為各礦山的痛點和難點。山西某礦山鐵尾礦粒度分布見圖1。

由圖1可知，鐵尾礦粒度較細，幾乎沒有粗顆粒尾礦，41.22%尾礦的粒徑在37.4 μm以下，屬于特細砂，難以作為建筑用砂的骨料使用。

1.2 成分特點

典型鐵尾礦化學成分分析結果見表1。從表1可知，鐵尾礦具有高硅、低硫、貧鐵的特點，SiO₂的品位高達60.11%，主要以石英砂的形式存在。TFe品位在14.82%，根據生產運行情況，會有±1%的偏差，其中鐵相主要以SFe、FeO的形式存在，較為穩定。由于受到生產成本限制，該尾礦不具備再次選鐵的條件。

根據康偉花^［12］的研究結果，尾礦中的鐵相多以穩定形式存在，不會發生鐵生銹等化學反應，不會對混凝土及其他建筑材料產生不利影響。鐵尾礦重金屬檢測均符合國家標準，屬于第Ⅰ類一般工業固體廢物，環境風險較低。基于鐵尾礦的這些特點，提出了以下利用途徑。

2 大宗化利用路徑

2.1 混凝土原料

鐵尾礦在混凝土中作為骨料的技術在國內較為成熟，近幾年來中國陸續出臺了多項國家標準和行業標準，如GB/T 31288—2014 《鐵尾礦砂》^［13］、GB 51032—2014 《鐵尾礦砂混凝土應用技術規范》^［14］、YB/T 4561—2016 《用于水泥和混凝土中的鐵尾礦粉》^［15］等，以推動鐵尾礦在混凝土行業中的利用。

在鐵礦生產過程中產出大量尾礦，其粒級組成較為分散，涵蓋從碎石到粗、中、細、特細砂等，而且隨著中國砂石資源管控力度的不斷加大，河沙限采，砂石骨料原料日益緊缺，市場對鐵尾礦的接受程度較高。眾多專家學者對此展開了研究，楊明鏡等^［16］用特細鐵尾礦粉取代粉煤灰作為混凝土摻合料，研究結果表明，鐵尾礦的加入能夠有效增加混凝土的致密度，使鐵尾礦混凝土的內部孔隙明顯減少，提高了耐硫酸鹽侵蝕性能，可經受140次硫酸鹽侵蝕，但由于混凝土的自膨脹效應，會導致其混凝土產生微裂紋，降低其強度。2種混凝土酸蝕后的SEM形貌對比見圖2。

李世華等^［17］對鐵尾礦粗骨料和天然砂石骨料進行了橫向對比，研究了二者對混凝土性能的影響。結果表明，鐵尾礦骨料的常規性能符合高速公路高性能混凝土的配制要求，但在熱物理性能方面與常規砂石骨料相比較差。因此，使用鐵尾礦粗骨料制備的混凝土可用于對熱性能要求較低的場合，如承臺、墩柱等對橫向受力要求不高的構件。康迎杰等^［18］通過將鐵尾礦機制砂石加入混凝土中，研究了全鐵尾礦作為骨料和天然細砂作為骨料制備的混凝土工作性、力學性能和耐久性能差異。結果表明，全鐵尾礦混凝土的工作性較差，需要搭配外加劑才能保證其性能的穩定。同時，該混凝土的力學性能與常規混凝土幾乎一致，在耐腐蝕性能方面同樣表現優異。

綜上可知，鐵尾礦可作為填料、骨料用于混凝土中，最需要關注的問題是混凝土的力學性能。因此，需要結合當地鐵尾礦特點和混凝土的施工技術要求，設計適用的利用和施工方案。鐵尾礦在混凝土行業中的應用工藝技術成熟，又能適應各地環保政策，不僅可以大量消納鐵尾礦，且不會造成二次污染，是鐵尾礦資源化利用的首選途徑。

2.2 砂漿原料

砂漿是一種重要的建筑材料，其種類多種多樣，如水泥基砂漿、石膏基砂漿、自流平砂漿等，主要用于各類建材的黏接、砌筑、抹平等，其消耗量與工業、民用建筑息息相關。砂漿中填料所占比例一般為50%以上。鐵尾礦主要含有石英、部分鐵相，其微觀形貌呈不規則狀，與機制砂相似，但鐵尾礦堆積密度和密度較高，分別在1 500～1 900 kg/m³、2 400～2 600 kg/m³，比一般的天然砂、機制砂密度大，但砂漿在建筑中的用量相對較少，不會造成質量失衡等問題。因此，鐵尾礦可以代替天然砂、機制砂應用于砂漿中。鐵尾礦干混砂漿工藝流程見圖3。

王營等^［19］以高硅型鐵尾礦制備的機制砂為原料，研究了鐵尾礦對水泥基砂漿性能的影響。結果表明，相同摻比下鐵尾礦砂漿在力學性能等方面優于普通砂漿，主要原因在于機制砂的微觀形貌優異，表面粗糙，顆粒咬合度較好。然而，在微觀尺度下，鐵尾礦砂漿的水化產物較為單一，但基本性能符合要求。黃天勇等^［20］將鐵尾礦分為0.3～0.5 mm、0.1～0.3 mm、0～0.1 mm 3種粒級，探究鐵尾礦粒度級配對石膏基自流平砂漿性能的影響。結果表明，各粒級單獨制備的砂漿性能較差，強度較低。通過對3種粒級鐵尾礦的組合搭配，能夠有效提高砂漿強度，但會導致鐵尾礦石膏基自流平砂漿的工作性降低，所以需要補充水分以提高流動性。侯云芬等^［21］將原鐵尾礦粉、比表面積為340 m²/kg鐵尾礦粉及比表面積為680 m²/kg細磨鐵尾礦粉作為原料，摻加在水泥砂漿中，研究不同細度鐵尾礦對水泥砂漿性能的影響。結果表明，水膠比為0.5時，隨著細磨鐵尾礦粉的增加（最大摻加量30%），砂漿的強度逐漸提高，28 d強度達到50 MPa以上。主要原因是細磨鐵尾礦粉能夠有效填充水泥砂漿的微孔隙，增加砂漿的密實度，從而提高強度。

目前，在鐵尾礦特細砂制砂漿的應用研究中，多是采用尾礦砂與天然砂復摻、不同粒級的尾礦砂復摻、鐵尾礦機制砂3種形式。而采用全尾礦砂配制的砂漿性能還有待提升，距市場完全認可還有一定距離。冶金行業為推廣鐵尾礦在砂漿中的應用，出臺了YB/T 4185—2009 《尾礦砂漿技術規程》^［22］。后續可加大標準建設力度，推廣鐵尾礦在砂漿中的應用。

2.3 路基材料

在修建公路時會消耗大量的土石方，特別是在路基工程中通常需要消耗大量的細砂、碎石。若能將鐵尾礦應用于道路工程，不僅可以消耗大量的尾礦，而且可以減少對河沙等自然資源的消耗，在降低公路工程造價的同時，還具有良好的社會效益、環境效益。鐵尾礦可應用于路底基層、基層及面層等。經過特定技術手段處理鐵尾礦完全可以應用于道路建設中，多地已有成功應用案例。

楊青等^［23］將鐵尾礦、石灰、水泥按照不同配比制備成膠凝材料，探究鐵尾礦在路基材料中的應用。結果表明，當水泥與鐵尾礦的質量比為11∶100時，該路基材料的性能最好，7 d抗壓強度為2.12 MPa，28 d抗壓強度為2.34 MPa，在抗壓強度、劈裂強度方面滿足國標最低要求，但在水穩性能方面表現較差。從成本方面考慮，如果能夠就地取材，其造價更為低廉。郭曉華^［24］總結了國內近年來以鐵尾礦作為路基材料的應用案例，例如：河北野興公路，其將鐵尾礦、石灰粉、粉煤灰作為原料，鋪設了厚18 cm的路基層試驗段，經過多年的實際使用，該試驗段性能良好，完全符合公路使用標準;河北省省道平青樂線改建工程，公路全長39 km，采用水泥穩定鐵尾礦碎石填料，同時配以天然碎石作為路基面層使用，經過精心養護后正常投入使用;遼寧省老寬線，在大修期間選擇了兩段公路做試驗，長度分別為100 m和170 m，工程使用鐵尾礦作為路基原料，并搭配其他建筑材料進行施工，截至目前，該試驗段運行狀況良好，驗證了鐵尾礦作為路基材料使用的可行性。

利用鐵尾礦取代砂石料應用于道路工程建設，不僅能減少因鐵尾礦帶來的環境問題，而且可以減少石料的使用，節約資源，提升道路質量，但路用鐵尾礦必須在合理的運輸半徑內才可以體現其優越性。因此，需要得到地方政府大力支持，多家單位協同合作才能有效開展項目。通過就地取材、試驗論證等方式來實現綠色礦山建設。

3 建材類利用路徑

3.1 制磚原料

鐵尾礦在制磚方面有著天然的優勢，粗粒級鐵尾礦可作為骨料使用，細粒級鐵尾礦可作為填料使用，能夠極大地減少黏土礦的開采及土地資源的浪費。特細鐵尾礦比黏土、粉煤灰等材料具有更高的比表面積，且粒度均勻，有較好的成型塑性。可利用現有的設備基礎，僅通過調整配料比例、成型壓力、養護制度等工藝參數就能實現尾礦磚的工業化生產。為推廣鐵尾礦在制磚中的應用，近年來中國出臺了2項冶金標準：YB/T 4775—2019 《路面磚用鐵尾礦》^［25］、YB/T 4776—2019 《免燒磚用鐵尾礦》^［26］。

使用鐵尾礦制磚已經有著相當成熟的工業應用，例如：寶武環科山西資源循環利用有限公司使用鐵尾礦、粉煤灰、除塵灰等原料通過180 ℃～200 ℃、1.1 MPa的高溫高壓蒸汽養護，生產全固廢尾礦磚，其產品抗壓強度達到15 MPa以上，收縮率＜0.35%，吸水率＜17.8%。鐵尾礦磚生產工藝流程見圖4。

趙禮兵等^［27］采用焙燒鐵尾礦、水泥、粉煤灰制備的膠凝材料，以及2.36～4.75 mm粒級鐵尾礦砂作為粗骨料，通過振動成型工藝制備免燒透水磚，并探究最佳的工藝路線。試驗結果表明，最佳工藝參數為水膠比0.3、振動時間40 s、焙燒鐵尾礦摻加量60%，在此條件下，透水磚的抗壓強度最高達到15.44 MPa，透水率達到 2.58×10^-2cm/s。該工藝能夠實現鐵尾礦的高摻量、高值化利用。陳永亮等^［28］使用湖北地區的赤鐵礦尾礦、黏土、粉煤灰作為原料，按照質量比84∶10∶6壓制成型，通過干燥、加熱（500 ℃～1 000 ℃）、保溫（2 h）、冷卻等4個過程制備燒結尾礦磚，并探究燒結過程中鐵尾礦的固結機理。結果表明，在燒結初期加熱階段通過擴散傳質實現固結，在燒結中后期主要在熔融液相的作用下實現晶體的重排，以此來達到強度要求。

3.2 加氣混凝土材料

加氣混凝土一般是指以粉煤灰為主要原料，摻加細磨生石灰及工業石膏，采用鋁粉發氣工藝，經過高溫高壓濕熱養護而成的墻體填充材料，內置鋼筋網片后可制成裝配式一體板。加氣混凝土的密度一般在500～600 kg/m³，是一種多孔型的輕質建筑材料，廣泛應用于民用建筑領域，作為非承重墻體的填充材料使用。加氣混凝土實物見圖5。

隨著技術的更新迭代，出現了許多以其他固體廢

物為原料生產加氣混凝土的工藝。史迪等^［29］通過對鞍鋼、首鋼、燕鋼產生的鐵尾礦進行橫向對比研究發現，鞍鋼、首鋼的尾礦中SiO₂質量分數分別達到80.0%、72.6%，更適合作為加氣混凝土的原材料使用。試驗結果表明，在摻加量50%條件下，2種尾礦均可成功制備出干密度在500～600 kg/m³、抗壓強度＞5.0 MPa的鐵尾礦型加氣混凝土。主要作用機理為：鐵尾礦中存在大量的SiO₂，在高溫高壓濕熱環境下能快速地與石灰中的CaO發生水化反應生成致密的水化硅酸鈣化合物，即Ca5Si6O₁6（OH）·4H₂O（通常寫作C-S-H），有利于強度的提高。2種尾礦制備的加氣混凝土XRD譜圖見圖6。

羅立群等^［30］使用低貧釩鈦鐵尾礦制備出強度為3.5 MPa、密度等級為B06的鐵尾礦型加氣混凝土砌塊，通過XRD、掃描電鏡、紅外光譜等檢測手段來探究鐵尾礦在加氣混凝土中的作用機理。試驗結果表明，高溫高壓蒸養條件下，由于加氣混凝土砌塊中的CaO發生消解，產生Ca（OH）₂，創造了堿性環境，使得鐵尾礦中硅氧四面體的鍵合打開，轉變成網狀的聚合物結構，從而與其他反應物產生C-S-H凝膠、莫來石等硬化相，以此來提高強度。

綜上可知，中國使用鐵尾礦生產磚、加氣混凝土等產品的工藝路線、設備基礎非常完善。建議使用鐵尾礦生產建筑材料時，一是鐵尾礦原料的運輸距離必須短，盡可能就地建廠，在半徑300 km的區域內進行銷售，減少轉運產生的費用;二是鐵尾礦的密度較大，會造成磚、加氣混凝土砌塊的密度偏高，因此適用于中低層的民用住宅或工業廠房建設。結合上述2條建議可知，鐵尾礦生產建材是一條優質的利用途徑，對于助力礦山所在的縣、鎮等區域發展基礎建設有著重要作用。

4 礦井充填材料利用路徑

中國尾礦充填采空區技術起步于20世紀 60 年代中期，其發展歷程見圖7。

目前，膏體充填工藝已成為礦山充填的主流，鐵尾礦作為井下充填物，工藝簡單、耗資少，能夠有效降低礦山運營成本。一般來說，鐵礦廠附近300 km的運輸距離內，都會有鋼鐵冶金企業。因此，可將冶金企業產生的大量鋼渣、高爐渣、各類除塵灰等通過改性處理后制備成膠凝材料與鐵尾礦混合進行充填。隨著時間的推移，鋼渣可能會使充填材料產生微膨脹，可將未填滿的礦井進一步充實。這不僅能夠解決尾礦堆存帶來的土地占用問題，避免環境污染，還能夠防止礦山二次塌陷等地質災害，實現冶金行業固體廢物的高效治理。鐵尾礦充填技術工藝流程見圖8。

任真真^［31］使用鋼渣-礦渣-鐵尾礦制備膠凝材料作為礦井的充填料，并研究其固結機理。結果表明，鋼渣在機械研磨后具有較高的反應活性，7 d、28 d的活性指數能夠達到65.60%、78.71%，同時具有一定的微膨脹性。因此，在鋼渣-礦渣-石膏-鐵尾礦的共同作用下能夠發生水化反應，產生大量膠凝性物質，28 d抗壓強度能夠達到7.5 MPa，驗證了全固廢礦井充填材料的性能。

截至目前，鐵尾礦充填技術已經應用于白象山鐵礦、銅綠山銅礦、冬瓜山銅礦、金川鎳礦、會寶嶺鐵礦等多個礦山的采空區治理^［32］，是尾礦利用最直接的途徑，通過就地取材、就近取材的方式，實現礦山清潔生產，具有廣闊的應用前景。

5 結論與展望

對于礦山企業來說，治理尾礦必須站在“人與自然和諧共生”的高度進行全局統籌。因此，本文從鐵尾礦高效利用的角度分析了鐵尾礦利用的路徑，得出如下結論：

1）中國目前已經有多種成熟的大宗化鐵尾礦利用技術，如制備混凝土、砂漿、路基、磚、加氣混凝土、充填材料等。因此，開發更大宗化、更高性能的新型鐵尾礦利用技術是未來發展的必然趨勢。

2）鐵尾礦制品存在許多缺陷，尤其表現在強度、耐久性、市場接受度等方面。在市場上與同類商品競爭時往往處于劣勢，制造類企業不愿意繼續投資開發，科研單位的創新成果難以落地，造成惡性循環。因此，鐵尾礦的利用需要得到政策的扶持和傾斜，尤其需要在人才培養、項目落地、經濟收益、市場推廣等方面下功夫。

3）鐵尾礦利用需要因地制宜，各地區地理位置、鐵尾礦性質差異較大，需要根據市場環境、運輸半徑、產品特點，開發合理的工藝路線。同時也需要設計、生產、應用等單位之間進行協作，才能共同發展。

綜上所述，鐵尾礦的綜合利用研究要著眼于大宗化和高效化，以此來緩解礦山企業、冶金企業的生產壓力，這對于建設高質量鋼鐵生態圈有著重要意義。

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Exploration of effective utilization paths for iron tailings resources

Qiao Bo¹，Yu Xiaobing²，Tao Dongping¹，Zhang Meixia³

（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Shandong University of Science and Technology;

2.Shandong Jinfu Mining Co.，Ltd.; 3.Shanxi Resources Recycling Utilization Co.，Ltd.，Baowu Environmental Science）

Abstract：With the thriving development of China's steel industry，iron tailings have become one of the most deposited industrial solid wastes in China，the treatment of which has become a key link faced by mining and smelting enterprises.With the perspective of effective utilization of iron tailings resources，the paper discussed the current research status of iron tailings in China used as concrete raw materials，sand slurry raw materials，roadbed materials，brick fabrication materials，aerated concrete materials，mine backfill materials and so on，as well as the existing problems and outlook for future development，in hope that it can provide references for the comprehensive utilization of iron tailings.

Keywords：comprehensive utilization;tailings concrete;aerated concrete;binding material;iron tailings