鐵尾礦規(guī)?；醚芯楷F(xiàn)狀及其利用途徑

劉愛平，曹苗佳，張雄濤

（華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

我國的鋼鐵等重工業(yè)正在迅猛發(fā)展，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時，也帶來了不容忽視的環(huán)境問題，其中一大問題則是我國的尾礦庫數(shù)量及尾礦堆存量巨大，還呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。據(jù)調(diào)查，目前的尾礦廢渣量高達(dá)十幾億噸，處理不當(dāng)，利用率低，并且逐年增加上億噸，不光是許多礦山企業(yè)頭疼的問題，也給環(huán)境帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。主要表現(xiàn)在：

①破壞土壤結(jié)構(gòu)。由于鐵尾礦數(shù)量巨大，因此只得堆放在露天，長期直接與土地接觸，再加上自然條件作用，極容易使鐵尾礦中的有害物質(zhì)進(jìn)入土壤，長此以往，改變了土壤的酸堿性，穩(wěn)定性，孔結(jié)構(gòu)，濕度等，不利于農(nóng)作物的種植。②污染水源。在自然環(huán)境下，鐵尾礦由于雨水沖刷，易隨水流匯入河流、湖泊等自然水源，鐵尾礦中含有重金屬物質(zhì)，會打破水中生態(tài)平衡，水質(zhì)改變、富營養(yǎng)化等嚴(yán)重問題隨之而來，魚群等水生生物也會受到污染，流入生物鏈，最終的受害者還是我們自己。③大氣受到污染。研究發(fā)現(xiàn)，與空氣接觸的鐵尾礦除了自身的揮發(fā)，粉末的隨風(fēng)飄散，還會與空氣中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而釋放對植物、動物、人體有害的氣體。④浪費(fèi)土地資源。巨量的鐵尾礦產(chǎn)生量，使得礦山企業(yè)不得不征用那些用來種植農(nóng)作物的高產(chǎn)量土地以及種植樹木的土壤肥沃的土地，并且征用的土地面積有增無減，致使當(dāng)?shù)氐募Z食生產(chǎn)總量下降。⑤安全隱患。由于鐵尾礦露天而放，加之雨水沖刷，風(fēng)化等原因，使得鐵尾礦堆松弛，若發(fā)生塌方等事故，后果不堪設(shè)想。⑥資源浪費(fèi)。目前國內(nèi)外都重視了固體廢物的利用，以鐵尾礦為主要原料在建筑材料、陶瓷、再選富集等領(lǐng)域都開辟了道路，所以要加快研究，提高鐵尾礦的利用率。

綜上所述，鐵尾礦的綜合利用研究在變廢為寶產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時，更能走可持續(xù)發(fā)展的道路，為后代創(chuàng)造綠水青山。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

鐵尾礦是選礦后的廢棄物，是工業(yè)固體廢棄物的主要組成部分。隨著礦山企業(yè)的不斷發(fā)展，鐵尾礦的堆存量越來越多。大量尾礦帶來的危害促使國家制定相應(yīng)措施，提倡礦山企業(yè)及鋼鐵工業(yè)對固體廢棄物的綜合利用，其中的鐵尾礦因占比多所以成為重要的研究對象。對鐵尾礦的處理已經(jīng)成為礦山企業(yè)的發(fā)展的包袱。目前國內(nèi)的研究利用主要體現(xiàn)在建筑材料、再選富集、陶瓷、土壤修復(fù)治理、微晶玻璃、礦渣纖維調(diào)質(zhì)劑等方面。

目前的研究熱點(diǎn)主要集中在利用鐵尾礦制備建筑制品方面。楊傳猛[1]首先系統(tǒng)的分析了鐵尾礦的獨(dú)有特性：鐵尾礦的主要礦物組成為斜綠泥石 ((Mg, Fe)6(Si, Al)4O10(OH)8)、方解石(CaCO3)、石英(Si02)、赤鐵礦(Fe2O3)和黃鐵礦(FeS2)等，其中斜綠泥石的存在使得鐵尾礦具有較好的可塑性。以此為基礎(chǔ)，以鐵尾礦為主要原料，研究燒制了燒結(jié)磚和燒結(jié)陶粒的工藝，并對燒結(jié)磚和陶粒的性能進(jìn)行了以下方面的分析。①對尾礦磚性能分析，結(jié)果表明：當(dāng)燒結(jié)溫度在900℃~1000℃時，尾礦磚的吸水率在13%~18%之間，抗壓強(qiáng)度大，體積密度高，且質(zhì)量損失小。②對陶粒性能分析，結(jié)果表明：鐵尾礦占比可達(dá)30%，堆積密度和表觀密度小，且膨脹系數(shù)均大于1，為符合國家標(biāo)準(zhǔn)的陶粒。

唐可[2]等人研究鐵尾礦砂對混凝土的流動性、粘聚性、保水性、力學(xué)性能及混凝土抵抗自身和自然環(huán)境雙重因素長期破壞作用能力的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵尾礦砂摻量為25%～50%時，混凝土的和易性和力學(xué)性能隨鐵尾礦的增加而增強(qiáng)。當(dāng)鐵尾礦砂摻量為75%時，檢測到混凝土的質(zhì)量變化幅度最小，使得混凝土的密實(shí)性顯著提高，結(jié)構(gòu)不易破壞，增加了混凝土的使用周期，還有利于抑制水分及硫酸鹽的侵入。

陳永亮[3]等人以鐵尾礦為主要原料，通過添加造孔劑、粘結(jié)劑和助熔劑來制備輕質(zhì)保溫墻體材料。結(jié)果表明，鐵尾礦的最佳摻量可達(dá)46%，當(dāng)燒結(jié)溫度為900℃時，通過綜合差熱分析(TGDSC)、X射線衍射分析(XRD)和掃描電子顯微鏡分析(SEM)，得到體積密度、抗壓強(qiáng)度、開口氣孔率和導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.23g/cm~3g/cm、7.6MPa、45.54%和0.293W/(m·K)的符合國家標(biāo)準(zhǔn)的輕質(zhì)保溫墻體材料。

由于傳統(tǒng)公路建設(shè)所需材料價格日益增長，所以要開發(fā)價格更為低廉的建設(shè)原料，吳進(jìn)[4]則以鞍山地區(qū)齊大山鐵尾礦砂為研究對象,通過測定其粗細(xì)程度、表觀密度及集料各級粒徑顆粒的分配情況等工程技術(shù)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)鐵尾礦砂可以用于建設(shè)公路，且鐵尾礦堆存量大，價格不高，可以在公路建設(shè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2 國外研究現(xiàn)狀

在國外鐵尾礦等因礦山企業(yè)和鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物堆存量也相當(dāng)巨大，但在國外對于鐵尾礦的綜合利用起步早，國家重視尾礦的處理及合理利用問題，在70年代，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且重視環(huán)境保護(hù)的國家就已經(jīng)為固體廢棄物的堆存制定了相關(guān)的法律法規(guī)，改善了當(dāng)?shù)氐耐寥馈⑺|(zhì)、空氣等對人類至關(guān)重要的生存條件，不光如此，國外在有價成分的回收，建筑原料、路基材料、土地利用、土壤改良等領(lǐng)域取得了明顯的成效。

像德國、美國、澳大利亞等國家雖然地廣人稀，但卻注重土地的利用率。鐵尾礦的堆存改變了土壤的鹽堿性，但經(jīng)過對鐵尾礦中的化學(xué)成分分析可知，其含有十分之一左右的鐵，若加入一定比例的氮、磷、鉀等植物需要量和收獲時帶走量較多的營養(yǎng)元素，組成復(fù)合肥，可使種植的農(nóng)作物生長健壯，莖稈粗硬，增強(qiáng)病蟲害和抗倒伏的抵抗能力。而且經(jīng)研究表明，在鐵尾礦上種植植物也有減少水土流失的作用，降低了鐵尾礦堆的安全隱患。

在國外鐵尾礦應(yīng)用于建筑材料方面越來越廣泛。俄羅斯利用鐵尾礦生產(chǎn)建筑材料占鐵尾礦綜合利用的60%左右，生產(chǎn)出的微晶玻璃、耐化學(xué)腐蝕玻璃、膠結(jié)料等都具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。

除了應(yīng)用于建筑材料方面，在建筑墻體材料方面也得到了研究和應(yīng)用，其中加拿大國家在此領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，以鐵尾礦為主要原料再加上粘結(jié)劑生產(chǎn)出的硅磚硬度大，已廣泛用于建筑墻體領(lǐng)域。

針對鐵尾礦中有價成分的回收，美國做了大量研究，回收的石英等礦物可二次應(yīng)用于各個領(lǐng)域。又通過對鐵尾礦自身硬度、韌性、抗拉強(qiáng)度和耐久性的系統(tǒng)分析，得出鐵尾礦可作路基材料的結(jié)論。

3 鐵尾礦的利用途徑

（1）制備陶粒。為解決鐵尾礦帶來的環(huán)境壓力和資源堆存浪費(fèi)等問題，以鐵尾礦為主要原料制備陶粒已經(jīng)成為一條解決途徑。隨著鐵尾礦的加入，可使燒結(jié)陶粒的吸水率、膨脹率均升高, 筒壓強(qiáng)度和堆積密度總體均降低。

（2）建筑材料。①加氣混凝土。在以鐵尾礦為主要原料制備加氣混凝土方面，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，鐵尾礦的加入可使加氣混凝土內(nèi)部的小氣孔和微孔變得致密，質(zhì)輕的特點(diǎn)可減輕建筑物自重，提高了加氣混凝土的防火、隔音、保溫、抗?jié)B、抗震等性能。②尾礦瓷質(zhì)磚。由于鐵尾礦中鐵、鈣含量較高,其可與原料中的石英及硅鋁酸鹽反應(yīng)形成低共熔物,促進(jìn)坯體的燒結(jié)致密。③水泥混凝土。鐵尾礦砂可提高混凝土密實(shí)性，適量鐵尾礦微粉的摻加使得硬化體內(nèi)部缺陷減少,增大密實(shí)度,減少水分及硫酸鹽的侵入,抑制混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。

（3）再選富集。通過對鐵尾礦成分的分析，可確定對有效成分的回收利用，提高了鋅鉬混合精礦、硫精礦、鐵精礦的利用率。

（4）陶瓷。鐵尾礦中的主晶相石英因溶解于液相而使陶瓷衍射峰明顯變?nèi)?同時可使燒結(jié)體結(jié)構(gòu)緊密,強(qiáng)度顯著提高，顯氣孔率下降、孔徑變小,體積密度和抗壓強(qiáng)度增大、孔壁變厚。

（5）土壤化。利用生物技術(shù)改性鐵尾礦的酸堿度、濕度、穩(wěn)定性、孔結(jié)構(gòu)等進(jìn)行鐵尾礦土壤化利用，并滿足使用要求。

（6）微晶玻璃。鐵尾礦的加入，提高了微晶玻璃的抗折強(qiáng)度、密度、耐酸性及耐堿性。

（7）礦渣纖維調(diào)質(zhì)劑。隨著鐵尾礦加入量的增加，調(diào)質(zhì)熔渣的黏度系數(shù)不斷增加致使流動性降低，適宜的成纖溫度范圍變大,鐵尾礦有利于改善高爐渣的成纖性能。