鐵尾礦生產(chǎn)陶瓷?；u離工業(yè)化還有多遠(yuǎn)？

供稿|隋延力, 王繼全, 楊芳, 雷遠(yuǎn)坤, 劉曙, 劉紅光/ SUI Yan-li, WANG Ji-quan, YANG Fang, LEI Yuan-kun, LIU Shu, LIU Hong-guang

鐵尾礦生產(chǎn)陶瓷玻化磚離工業(yè)化還有多遠(yuǎn)？

How Far Is It from Iron Ore Tailings to the Industrialized Production of Ceramic Tiles ?

供稿|隋延力1, 王繼全1, 楊芳1, 雷遠(yuǎn)坤2, 劉曙2, 劉紅光2/ SUI Yan-li1, WANG Ji-quan1, YANG Fang1, LEI Yuan-kun2, LIU Shu2, LIU Hong-guang2

內(nèi)容導(dǎo)讀

鐵尾礦因綜合利用技術(shù)復(fù)雜、難度大等原因，長(zhǎng)期以來(lái)未能得到高效利用，礦山企業(yè)多采取礦山回填或簡(jiǎn)單堆放方式對(duì)其進(jìn)行處理。研究表明用鐵尾礦制備陶瓷?；u是完全可行的，但如果想要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)仍需要解決一系列技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)問(wèn)題一旦解決，產(chǎn)品質(zhì)量就有了保障，后續(xù)的產(chǎn)品推廣和市場(chǎng)開(kāi)拓才能相繼展開(kāi)。文章重點(diǎn)從我國(guó)實(shí)際出發(fā)，以解決技術(shù)問(wèn)題為突破口，分析了成分穩(wěn)定、水化凝膠、釋氣性物質(zhì)等影響陶瓷?；u質(zhì)量的因素，闡明了解決途徑和辦法，并對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的全面規(guī)劃和整體實(shí)施提出了幾點(diǎn)建議。

圖1 人均金屬礦產(chǎn)消費(fèi)與人均GDP的關(guān)系

我國(guó)的礦產(chǎn)資源種類(lèi)齊全，總儲(chǔ)量較高。充足的礦產(chǎn)資源是中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的保證。圖1所示為相關(guān)學(xué)者對(duì)100多年來(lái)各國(guó)工業(yè)化過(guò)程中經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與礦產(chǎn)資源消費(fèi)的規(guī)律進(jìn)行研究的結(jié)果[1]。我國(guó)從20世紀(jì)90年代步入快速工業(yè)化過(guò)程，對(duì)資源的需求量顯著增加。隨著礦產(chǎn)資源被消耗，不可避 免 的要產(chǎn)生大量尾礦。據(jù)推算我國(guó)賦存鐵尾礦資源量達(dá)到67億t[2]。

目前我國(guó)尾礦綜合利用率不足10%，鐵尾礦的綜合利用率更是僅為7% 左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家60%的利用率[3]。我國(guó)工業(yè)和信息化部在《金屬尾礦綜合利用專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃（2010—2015年）》中明確指出“十二五”末尾礦綜合利用率要達(dá)到20%。鐵尾礦的簡(jiǎn)單堆放不僅占用土地、浪費(fèi)資源，而且污染環(huán)境、存在安全隱患，近年尾礦壩垮塌造成的事故頻繁發(fā)生，尾礦中的金屬離子進(jìn)入水環(huán)境中還會(huì)造成極大的污染[4]，如圖2和圖3所示。

圖2 尾礦壩垮塌造成的事故

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，城市化建設(shè)速度加快，房地產(chǎn)業(yè)空前發(fā)展，與此同時(shí)，對(duì)建筑材料的用量驟增、品質(zhì)要求更高。建筑陶瓷瓷質(zhì)磚以?；u為主，陶瓷玻化磚產(chǎn)品主要有：地磚、錦磚、瓷質(zhì)外墻磚等，屬中高檔建筑陶瓷用磚，圖4所示為市場(chǎng)上各種顏色的陶瓷?；u。其特點(diǎn)是強(qiáng)度大、硬度高、機(jī)械性能好，具有玻璃相含量較高、晶相量較多的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，材料的吸水率原則上低于0.5%。同時(shí)，陶瓷?；u也是建筑陶瓷生產(chǎn)中質(zhì)量較難控制的產(chǎn)品類(lèi)型。

圖3 受到尾礦污染的河流

圖4 各種顏色的玻化磚

用鐵尾礦生產(chǎn)高附加值的陶瓷?；u不僅可以大量消納鐵尾礦，而且可以降低建筑材料的生產(chǎn)成本，是提高資源利用率、實(shí)現(xiàn)資源整體利用的重要途徑。我國(guó)對(duì)鐵尾礦生產(chǎn)陶瓷?；u的研究較早，但目前仍未實(shí)現(xiàn)鐵尾礦大批量工業(yè)化生產(chǎn)陶瓷?；u，這其中存在諸多影響因素。

相關(guān)研究

鐵尾礦作為工業(yè)固體廢棄物，本身經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高，而且處理不當(dāng)還會(huì)帶來(lái)負(fù)面效果，我們不禁要懷疑，用鐵尾礦生產(chǎn)高附加值的陶瓷玻化磚可行嗎？

制備玻化磚首先要求原料SiO2和Al2O3含量高，同時(shí)含有一定量的K2O、Na2O、CaO、MgO等低熔點(diǎn)物質(zhì)[5]，國(guó)內(nèi)外的陶瓷?；u化學(xué)組成如圖5所示。我國(guó)幾種典型鐵礦的化學(xué)組成如圖6所示[6]，對(duì)比之后可以發(fā)現(xiàn)，鞍山式鐵礦基本可以滿(mǎn)足成分要求，而火山型鐵礦通過(guò)添加石英砂也可以達(dá)到要求。值得注意的是，鐵尾礦中含有一定量的Fe2O3，在經(jīng)過(guò)不同工藝處理后可以使燒結(jié)坯體呈現(xiàn)棕、黃、紅、黑等不同顏色，是制備彩色陶瓷?；u的天然著色劑。

圖5 國(guó)內(nèi)外陶瓷玻化磚產(chǎn)品的化學(xué)成分

圖6 國(guó)內(nèi)幾種典型鐵礦的化學(xué)成分

早在20世紀(jì)末我國(guó)就開(kāi)始探索利用鐵尾礦制備陶瓷?；u的可行性。1997年，倪文等最先利用大廟鐵礦或者添加一定量的黏土制備出陶瓷玻化磚，抗壓強(qiáng)度162 MPa，抗折強(qiáng)度62 MPa，吸水率<0.1[7]。近年來(lái)隨著尾礦資源化利用受到重視，同時(shí)建筑材料的市場(chǎng)需求不斷提高，對(duì)鐵尾礦制備?；u的研究越來(lái)越多。2007年，湖南有色金屬研究院以本鋼尾礦為原料進(jìn)行?；u工業(yè)實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)品顏色為灰色，吸水率0. 68%，抗壓強(qiáng)度65. 3 MPa，符合國(guó)家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]。2012年，石棋等利用攀鋼鐵尾礦制備了黑色玻化磚，吸水率0.1%～0.4 %，抗折強(qiáng)度46.2～48.7 MPa，耐磨性146～155 mm-3[9]。2013年，焦娟等[10-11]對(duì)程潮鐵尾礦制備黑色通體磚及陶瓷?；u進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究表明程潮鐵尾礦可制備灰黑色陶瓷?；u（也稱(chēng)通體磚）。

國(guó)外也有利用鐵尾礦制備陶瓷玻化磚的報(bào)道。1996年，Ramachandrarao P等人研究了用KIOCL鐵尾礦制備陶瓷?；u的可行性。2000年，印度的S.K. Das等人以鐵尾礦、黏土和助熔劑等為原料制備出?；u，莫氏硬度＞6，抗折強(qiáng)度＞25 MPa，其他各項(xiàng)指標(biāo)均符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)分析

雖然相關(guān)研究表明鐵尾礦可以作為生產(chǎn)陶瓷?；u的原料，但如果想實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)仍需解決技術(shù)問(wèn)題、產(chǎn)品的推廣、市場(chǎng)的開(kāi)拓等一系列問(wèn)題。技術(shù)問(wèn)題解決的是產(chǎn)品生產(chǎn)問(wèn)題，產(chǎn)品推廣及市場(chǎng)開(kāi)拓解決的是產(chǎn)品銷(xiāo)售問(wèn)題。目前我國(guó)利用鐵尾礦生產(chǎn)陶瓷?；u存在的技術(shù)問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)：

成分穩(wěn)定問(wèn)題

我國(guó)鐵尾礦多為單金屬類(lèi)鐵尾礦，按主要組成元素將其分為4種類(lèi)型：(1)鞍鋼高硅型鐵尾礦；(2)馬鋼高鋁型鐵尾礦；(3)邯鋼、邢鋼高鈣鎂型鐵尾礦；(4) 酒鋼低鈣、鎂、鋁、硅型鐵尾礦[12]。無(wú)論哪種鐵尾礦的化學(xué)成分中均含有硅、鈣、鐵、鎂、鉀、鈉等，符合陶瓷生產(chǎn)所需成分要求。但鐵尾礦沒(méi)有固定的礦物組成，因而組成成分多變，不同類(lèi)型的鐵尾礦化學(xué)成分含量差異甚大。建筑陶瓷的生產(chǎn)要求原材料配方組成處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍，因此把鐵尾礦作為建筑陶瓷生產(chǎn)原料首先要解決的是組成成分的穩(wěn)定性問(wèn)題。

均化處理方法在礦山、水泥、陶瓷等生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛而成功的應(yīng)用。為此礦山需要增設(shè)鐵尾礦均化系統(tǒng)，而在建筑陶瓷企業(yè)需要增設(shè)大型鐵尾礦球磨均化系統(tǒng)，并全程嚴(yán)格監(jiān)控。

水化凝膠問(wèn)題

鈣是鐵尾礦中的重要成分，如圖5所示[6]，在矽卡巖式和火山巖式的鐵尾礦中鈣含量較高，在鞍山式鐵尾礦中鈣含量較少。程潮鐵尾礦的礦物組成如表1所示[11]，可見(jiàn)鈣往往以無(wú)水石膏、半水石膏、石膏及碳酸鈣形式存在。特別是當(dāng)鈣以石膏形式存在時(shí)，易產(chǎn)生水化膠凝現(xiàn)象，使得陶瓷漿料極難分散，嚴(yán)重影響陶瓷泥漿的流動(dòng)性，并且常用的陶瓷漿料減水劑均不能有效解決其膠凝問(wèn)題。水化膠凝現(xiàn)象對(duì)現(xiàn)有的建筑陶瓷生產(chǎn)工藝（濕法球磨→漿料輸送→噴霧造粒）是十分不利的。

表1 程潮鐵尾礦的礦物組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

解決水化膠凝難題的方法有2種：一是研究出針對(duì)石膏水化膠凝的解膠劑或其他相關(guān)減水劑；二是采用干法球磨配套干法造粒。其中，干法造粒是目前建筑陶瓷研究發(fā)展的重要方向。相信不久的將來(lái)，隨著先進(jìn)的建筑陶瓷干法制粉技術(shù)的逐步成熟和推廣，高鈣含量鐵尾礦作為建筑陶瓷生產(chǎn)原材料存在的水化膠凝問(wèn)題將迎刃而解。

釋氣性物質(zhì)的影響

尾礦中含有大量碳酸鹽和硫酸鹽等釋氣性物質(zhì)。碳酸鈣在?；u燒成過(guò)程中易分解釋放出氣體，過(guò)量的碳酸鈣坯體燒成收縮大，易殘留氣孔，影響?；u的機(jī)械性能。硫酸鈣分解溫度一般高于玻化磚的成瓷溫度，但在熔劑的作用下會(huì)提前緩慢分解，在氣體得不到充分釋放時(shí)，?；u易形成黑心，這一點(diǎn)對(duì)快速燒成（燒成周期1 h左右）的建筑陶瓷?；u是很不利的。

云母的影響

云母也是鐵尾礦中常見(jiàn)的礦物質(zhì)。云母呈片狀結(jié)構(gòu)，不利于泥漿的分散及穩(wěn)定懸??；且在坯體成形時(shí)易定向排列，導(dǎo)致坯體的干燥收縮與燒成收縮的各向異性，致陶瓷制品開(kāi)裂。歷代陶瓷工作者為解決云母問(wèn)題做了大量工作[13]，隨著科技的進(jìn)步，研究的深入，希望這個(gè)問(wèn)題可得以解決。

鐵元素的影響

鐵尾礦中鐵含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）高達(dá)10%～30%，鐵元素在尾礦中以游離鐵、氧化鐵、鐵的硅酸鹽、硫化鐵等形式存在。為獲得滿(mǎn)足?；u實(shí)用要求的力學(xué)性能，燒結(jié)溫度在1180℃以上較為適當(dāng)。但大量存在的鐵酸鹽在較低溫度形成低共熔化合物，使?；u坯體在1280℃以上燒結(jié)時(shí)黏度下降，導(dǎo)致坯體變形、過(guò)燒發(fā)泡。鐵尾礦磚常呈現(xiàn)出一定的顏色，以棕色、茶色、灰黑、黑色等顏色為多見(jiàn)。這與材料中鐵的存在形式、鐵的含量及少量、微量的其他著色元素密切相關(guān)。

其他因素

除了技術(shù)問(wèn)題，產(chǎn)品推廣和市場(chǎng)開(kāi)拓也是阻礙鐵尾礦工業(yè)化生產(chǎn)陶瓷玻化磚的重要因素。

對(duì)建筑陶瓷而言，制約尾礦大量應(yīng)用的因素主要是成本，雖然尾礦的價(jià)格低但運(yùn)輸成本不可避免?？梢跃徒ㄔO(shè)企業(yè)，由政府提供政策和經(jīng)費(fèi)支持，圍繞鐵尾礦開(kāi)發(fā)利用做大做強(qiáng)。

鐵尾礦陶瓷?；u制品可以分為高端產(chǎn)品和中低端產(chǎn)品，高端產(chǎn)品如微晶玻璃，中低端產(chǎn)品如?；u、釉面磚。加大中低端產(chǎn)品的生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)中低端客戶(hù)市場(chǎng)，無(wú)疑將大大增加尾礦的消耗量。

綜合利用

在綜合分析鐵尾礦工業(yè)化生產(chǎn)陶瓷?；u面臨的諸多問(wèn)題和解決方法的基礎(chǔ)上，提出5點(diǎn)建議：

(1) 有的放矢地對(duì)綜合利用鐵尾礦產(chǎn)業(yè)進(jìn)行全面規(guī)劃、整體布局和推進(jìn)實(shí)施。

(2) 以國(guó)家或行業(yè)層面，制定鐵尾礦整體利用條例，尾礦排污治理和監(jiān)管管理辦法，有效遏制尾礦對(duì)環(huán)境的污染；

(3) 在行業(yè)內(nèi)建立鐵尾礦資源數(shù)據(jù)庫(kù)及整體利用信息管理系統(tǒng)；

(4) 建立鐵尾礦整體利用工程技術(shù)中心，加強(qiáng)研究成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化；

(5) 開(kāi)展鐵尾礦整體開(kāi)發(fā)利用方面的國(guó)際合作，共同研究尾礦整體利用和清潔生產(chǎn)工藝技術(shù)，借鑒國(guó)際成功經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)籌規(guī)劃，建設(shè)尾礦整體利用示范工程和無(wú)尾礦廢料示范礦山。

展望

加快鐵尾礦綜合利用開(kāi)發(fā)，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的有效措施。將簡(jiǎn)單堆積的鐵尾礦轉(zhuǎn)化為附加值高、生態(tài)環(huán)保的建筑用陶瓷玻化磚，不僅節(jié)約寶貴的土地資源、減少對(duì)環(huán)境的污染，而且可以更大限度地利用尾礦中的有用成分，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的全方位整體利用。

盡管我國(guó)利用鐵尾礦生產(chǎn)建筑材料包括陶瓷玻化磚方面還存在一些技術(shù)難題，但只要國(guó)家增加相關(guān)政策的支持力度，行業(yè)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，企業(yè)、院校、研究機(jī)構(gòu)相互合作，共同努力，積極探索，相信相關(guān)技術(shù)難題就會(huì)逐一攻克，鐵尾礦在建筑陶瓷玻化磚中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越普遍，最終會(huì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

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隋延力，女，研究員，就職于北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要研究方向：粉末冶金技術(shù)及其應(yīng)用、稀土永磁材料、直接還原海綿鐵以及尾礦綜合利用等。E-mail: yls@ustb.edu.cn。

王繼全，男，博士研究生，現(xiàn)就讀于北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要研究方向：鈷鐵氧體各向異性和磁致伸縮性能研究、尾礦綜合利用。E-mail: 949813583@qq.com。

1. 北京科技大學(xué)，北京 100083；2. 武漢鋼鐵（集團(tuán)）礦業(yè)有限責(zé)任公司程潮鐵礦，湖北 鄂州 436051

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.004