细粒尾矿综合利用技术研究

王荣林 王欢

（马钢（集团）控股有限公司姑山矿业公司）

摘要：姑山矿业公司为提高细粒尾矿的综合利用率电厂尾矿，研究分析了细粒尾矿的性质电厂尾矿，系统研究了尾矿含量、煅烧工艺制度对不同成分体系尾矿陶粒堆积密度、表观密度、空隙率、吸水率、筒压强度及软化系数的影响。研究得出了全尾矿陶粒、细粒尾矿+污泥陶粒、细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒3种成分体系的尾矿陶粒较优的尾矿含量及煅烧工艺制度，且3种尾矿陶粒均可代替石头用作粗集料。

关键词：细粒尾矿　陶粒　堆积密度　筒压强度　软化系数

DOI：10.3969/j.issn.16746082.2020.03.032

在矿产资源的加工过程中，会排放出大量细粒尾矿，这些尾矿会带来严重的环境污染和生态问题[1～2]。近年来，尾矿综合利用的研究应用成为热点，把废弃的尾矿用作原料，开发出具有商业价值的产品，可以解决尾矿的处理问题，提高了资源利用效率，具有重要的经济效益和社会效益[35]。姑山矿业公司年入库细粒尾矿120万t，目前未得到有效利用，按照现在的尾矿入库堆存处置方式，不仅占用大量土地，且处置成本高，而且还存在环境和安全隐患，迫切需要尾矿资源化新技术以综合利用尾矿，通过综合利用产生效益来降低尾矿处置的总成本，保护生态环境安全。

1　细粒尾矿性质

1.1 成分

干燥后未过筛分级的细粒尾矿粉末XRF光谱分析见表1。

表1 细粒尾矿粉末XRF光谱分析结果

由表1可知，细粒尾矿成分复杂，以二氧化硅、氧化镁、氧化铁、氧化钙、氧化铝、五氧化二磷及氧化钾等为主，这5种成分占总量的97.76％。

1.2 粒度

粉末的粒度分布范围宽，呈两头小、中间大的状态，101～50μｍ尾矿粉末含量为5.68％，50～10μｍ尾矿粉末含量为46.68％，10～1μｍ尾矿粉末含量为44.6％,尾矿粉末中还存在3.22％的纳米粉末。尾矿粉末主要由50～1μｍ的微米级颗粒构成，占总量的91.28％，同时存在大于50μｍ及纳米尺寸的尾矿粉末。

1.3 结构

细粒尾矿粉末由六方SiO2晶相、立方Fe2O3晶相、斜方Al2O3晶相、三方Ca3(PO4)2晶相、斜方CaCO3晶相及立方MgO晶相构成。细粒尾矿中存在含量3.33％的五氧化二磷，五氧化二磷与水反应生成磷酸，氧化钙与水反应生成氢氧化钙，磷酸与氢氧化钙反应生成磷酸钙，由于氧化钙的含量显著高于五氧化二磷含量，所以多余的氧化钙在水中形成的氢氧化钙与水中的二氧化碳反应形成碳酸钙。以上结果说明，细粒尾矿粉末主要为二氧化硅、三氧化二铁、氧化铝、磷酸钙、碳酸钙及氧化镁等成分，其他成分含量低，从XRD衍射图谱中未检测到信号。

2　尾矿陶粒的制备

2.1 原料

细粒尾矿陶粒试验所用原料主要为细粒尾矿粉末（马钢集团姑山矿业有限责任公司），配料为污泥（马鞍山市政污泥）、粉煤灰（马鞍山第二电厂）。原料的主要成分及含量见表2。

表2 原料的主要成分及含量

3　尾矿陶粒制备结果及分析

通过控制煅烧温度及保温时间研究煅烧温度及保温时间对尾矿陶粒性能的影响，确定较优的尾矿陶粒煅烧温度及保温时间。

3.1 全尾矿陶粒

3.1.1 保温时间对全尾矿陶粒性能的影响

陶粒煅烧温度通常为1100～1200℃，把1100℃作为煅烧温度来研究保温时间对尾矿陶粒性能的影响，确定较优的保温时间，保温时间选择10、20、30、40min。不同保温时间全尾矿陶粒性能见表3，全尾矿陶粒筒压强度与保温时间关系曲线见图1。

表3 不同保温时间全尾矿陶粒的性能

煅烧工艺制度

陶粒性能/(kg/m3)

堆积密度

表观密度

空隙率

吸水率

1100℃､保温10min

951.21

1737.02

45.24

11.02

1100℃､保温20min

1159.80

2044.91

43.28

4.30

1100℃､保温30min

1245.56

2186.08

43.02

2.35

1100℃､保温40min

1260.57

2208.42

42.92

2.18

图1 全尾矿陶粒的筒压强度与保温时间的关系曲线

由表3及图1可知，随着保温时间的增加，全尾矿陶粒的堆积密度、表观密度和筒压强度显著增加，与堆积密度和表观密度变化趋势相反的是，全尾矿陶粒的空隙率与吸水率随保温时间的增加而明显降低，以上结果表明在1100℃的高温煅烧时，随着保温时间的增加，陶粒的烧结更加充分，导致堆积密度、表观密度和筒压强度的提高，而空隙率及吸水率随之减少。

由图1可见，当保温时间为30min和40min时，筒压强度达到最大值，且这两种保温时间所得陶粒的筒压强度是相似的，而保温时间越少，陶粒的煅烧成本也越低。1100℃、保温时间30min所得尾矿陶粒的筒压强度达到14.3MPa，因此，确定1100℃煅烧陶粒较优的保温时间为30min，此时所得全尾矿陶粒的堆积密度为1245.56kg/m3、筒压强度14.3MPa。

3.1.2 煅烧温度对全尾矿陶粒性能的影响

通过控制煅烧温度，研究煅烧温度对全尾矿陶粒性能的影响。煅烧温度分别选择700、800、900、1000℃，保温30min。不同温度的全尾矿陶粒的性能见表4，全尾矿陶粒的筒压强度与温度的关系曲线见图2。

表4 不同温度的全尾矿陶粒的性能

煅烧工艺制度

陶粒性能/(kg/m3)

堆积密度

表观密度

空隙率

吸水率

700℃､保温30min

890.90

1701.46

47.64

19.0

800℃､保温30min

902.86

1710.53

47.22

18.70

900℃､保温30min

911.28

1721.63

47.07

18.08

1000℃､保温30min

916.49

1729.21

46.99

17.85

1100℃､保温30min

1245.56

2186.08

43.02

2.35

石头

1210.55

2115.83

42.79

1.22

图2 全尾矿陶粒的筒压强度与温度的关系曲线

由表４及图２可知，随着煅烧温度的升高，堆积密度、表观密度及筒压强度显著增加，而空隙率和吸水率降低。此结果表明煅烧温度低于1000℃时，所得全尾矿陶粒中的水分气化，有机物、碳酸钙等化合物发生氧化和分解反应，产生的气体逸出时使得陶粒的内部形成大量的孔隙，陶粒致密度低导致所得陶粒的密度低、吸水率高。随煅烧温度增加到110０℃，堆积密度、表观密度及筒压强度急剧增加，当温度超过1000℃后，陶粒的体积收缩，致密度提高，从而提高了陶粒的密度及筒压强度。因此，确定全尾矿陶粒较优的煅烧工艺制度为1100℃、保温30min，此时所得全尾矿陶粒的堆积密度为1245.56kg/m3、筒压强度14.3MPa。

3.2 细粒尾矿+污泥陶粒

3.2.1 尾矿含量对细粒尾矿+污泥陶粒性能的影响

控制尾矿含量分别为95％、90％、85％、80％，煅烧温度及保温时间分别为1100℃、30min。研究尾矿含量对细粒尾矿+污泥体系陶粒性能的影响，确定较优的尾矿含量。不同尾矿含量的细粒尾矿+污泥体系陶粒性能见表5，细粒尾矿+污泥陶粒的筒压强度与尾矿含量的关系曲线见图3。

表 5 不同尾矿含量的细粒尾矿+污泥体系陶粒性能

尾矿含量／％

陶粒性能／（kg/m3）

堆积密度

表观密度

空隙率

吸水率

95

1067.63

2163.10

59.64

7.30

95

1067.63

2163.10

59.64

7.30

85

1024.81

1858.73

44.87

10.82

80

1002.42

1776.02

43.56

12.34

图3细粒尾矿+污泥陶粒的筒压强度与尾矿含量关系曲线

由表5及图３可知，随着尾矿含量的降低，所得尾矿陶粒的堆积密度、表观密度、空隙率和筒压强度均显著降低，说明原料中降低尾矿含量即增加污泥含量，由于污泥中有机物及其他低熔点的成分含量高，导致高温时由于产生气体的逸出使陶粒内部孔隙增加，从而降低了陶粒的密度，也使得陶粒的吸水率明显增加。当尾矿含量分别为90％和95％时，所得尾矿陶粒的筒压强度分别为10.1、10.8MPa，其筒压强度是相近的。因此，确定细粒尾矿+污泥体系陶粒较优的配方为尾矿90％、污泥10％。

3.2.2 保温时间对细粒尾矿+污泥陶粒性能的影响

不同保温时间的细粒尾矿+污泥陶粒的性能见表6，细粒尾矿+污泥陶粒的筒压强度与保温时间关系曲线见图4。

表6 不同保温时间的细粒尾矿+污泥陶粒的性能

·

陶粒性能/（kg/m3）

堆积密度

表观密度

空隙率

吸水率

1100℃､保温10min

878.99

1717.58

48.82

9.81

1100℃､保温20min

974.01

1880.01

48.19

9.1

1100℃､保温20min

974.01

1880.01

48.19

9.1

1100℃､保温20min

974.01

1880.01

48.19

9.1

图４细粒尾矿+污泥陶粒的筒压强度与保温时间关系曲线

由表6及图４可知，随着保温时间的增加，堆积密度、表观密度、筒压强度明显增加，空隙率与吸水率有所降低。说明随着保温时间的增加，陶粒的烧结更加充分，增加了陶粒的致密性，使细粒尾矿/污泥陶粒密度提高，空隙率、吸水率降低。但随着保温时间增加到40min时，陶粒可能出现了过烧现象，陶粒中气孔增加，使得密度降低。当保温时间为30min和40min时，所得细粒尾矿/污泥陶粒的筒压强度分别为10.1MPa和10.6MPa,筒压强度接近，因此，1100℃时较优的保温时间为30min，所得细粒尾矿／污泥陶粒的堆积密度为1036.57kg/m3，筒压强度为10.1MPa。

3.2.3 煅烧温度对细粒尾矿+污泥陶粒性能的影响

不同温度的尾矿+污泥陶粒的性能见表7,尾矿+污泥陶粒的筒压强度与温度关系曲线见图5。

表7 不同温度的尾矿+污泥陶粒的性能

煅烧工艺制度

陶粒性能/(kg/m3

堆积密度

表观密度

空隙率

吸水率

700℃保温30min

711.76

1388.97

48.76

29.14

800℃保温30min

719.67

1392.93

48.33

26.95

900℃保温30min

734.17

1415.02

48.11

26.63

1000℃保温30min

760.72

1460.48

47.91

25.96

1100℃保温30min

1036.57

1973.01

47.46

8.52

图5尾矿+污泥陶粒的筒压强度与温度关系曲线

由表7及图5可知，类似于煅烧温度对全尾矿陶粒性能的影响，随煅烧温度的升高，堆积密度、表观密度及筒压强度显著增加，而空隙率和吸水率降低。对比全尾矿陶粒的性能，尾矿＋污泥陶粒的密度、筒压强度更低，而吸水率更高，这是由于在尾矿粉中加入污泥，污泥有机物含量高，密度低，在陶粒的煅烧过程中有机物等高活性物质的反应挥发导致陶粒的密度降低，吸水率提高，筒压强度降低。随煅烧温度增加到1100℃，堆积密度、表观密度及筒压强度急剧增加，而吸水率急剧降低，此结果表明煅烧温度达到1100℃，陶粒的反应完全，产生体积收缩，致密度提高，从而提高了陶粒密度及筒压强度。根据试验结果，确定尾矿+污泥陶粒较优的煅烧工艺制度为1100℃、保温30min。

3.3 细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒

3.3.1 尾矿含量对细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒性

能的影响控制尾矿含量分别为70％、80％、90％，原料及其比例见表8，煅烧温度及保温时间分别为1100℃、30min。研究尾矿含量对细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒性能的影响，确定较优的尾矿含量。

表8 细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒原料及比例％

细粒尾矿粉末

粉煤灰

污泥粉末

70

20.0

10.0

80

13.4

6.6

90

6.7

3.3

不同尾矿含量的细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒的性能见表9，细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒的筒压强度与尾矿含量关系曲线见图6。

表9 不同尾矿含量的细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒的性能

尾矿含量／％

陶粒性能/（kg/m3）

堆积密度

表观密度

空隙率

吸水率

90

930.23

1737.06

46.45

13.15

80

1000.73

1829.50

45.31

11.46

70

1052.75

1912.79

44.96

9.4

图6 细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒的筒压强度与尾矿含量关系曲线

由表9及图6可知,随尾矿含量的降低，所得尾矿陶粒的堆积密度、表观密度、筒压强度明显增加，以上结果与尾矿含量对细粒尾矿+污泥陶粒的影响结果是相反的。虽然污泥和粉煤灰中有机物及其他低熔点的成分含量高，导致了高温时由于产生的气体逸出使得陶粒内部孔隙增加，但粉煤灰中的氧化硅和氧化铝的含量比尾矿粉末中的含量高得多，高含量的氧化硅和氧化铝与其他成分在高温下出现高温固相反应使得陶粒致密度提高，从而增加了细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒的密度。与堆积密度、表观密度随尾矿含量变化趋势相反的是，随尾矿含量的增加，空隙率和吸水率显著增加，因此，确定细粒尾矿+污泥+粉煤灰体系陶粒较优的配方为尾矿70％、污泥10％、粉煤灰20％。

3.3.2 保温时间对细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒性能的影响

不同保温时间的细粒尾矿+污泥陶粒的性能见表10，细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒的筒压强度与保温时间关系曲线见图7。

表10 不同保温时间的细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒的性能

煅烧工艺制度

陶粒性能/（kg/m3）

堆积密度

表观密度

空隙率

吸水率

1100℃､保温10min

981.34

1820.72

46.11

10.92

1100℃､保温20min

1036.68

1891.35

45.19

10.68

1100℃､保温30min

1052.75

1912.79

44.96

9.46

1100℃､保温40min

1115.51

2014.21

44.62

8.65

图7 细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒的筒压强度与保温时间关系曲线

由表10及图7可知,随保温时间的增加，堆积密度、表观密度、筒压强度明显增加，空隙率与吸水率有所降低。试验结果说明随保温时间的增加，陶粒的烧结更加充分，增加了陶粒的致密性，导致细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒密度的提高，空隙率、吸水率的降低。当保温时间为30min和40min时，所得细粒尾矿+污泥+粉煤灰陶粒的筒压强度分别为9.5、10.1MPa，筒压强度接近，综合考虑，确定1100℃煅烧陶粒较优的保温时间为30min，细粒尾矿＋污泥＋粉煤灰陶粒的筒压强度为9.5MPa，堆积密度为1052.75kg/m3。

４　细粒尾矿陶粒的软化系数分析

对全尾矿陶粒、尾矿+污泥陶粒、尾矿+污泥+粉煤灰陶粒3种体系陶粒的研究结果表明，3种体系的陶粒较优的制备工艺参数为1100℃、保温30min。尾矿+污泥陶粒较优的成分体系为尾矿90％、污泥10％；尾矿+污泥+粉煤灰陶粒较优的成分体系为尾矿70％、污泥10％、粉煤灰20％。对优化出的3种体系陶粒进行了软化系数分析，全尾矿陶粒、尾矿+污泥陶粒、尾矿+污泥+粉煤灰陶粒的软化系数分别为0.94、0.87、0.87，显著高于国家标准的软化系数要求的0.8，尤其是全尾矿陶粒的软化系数最高，达到了0.94。

5　结论

（1）全尾矿陶粒较优的煅烧工艺制度为1100℃、保温30min，所得陶粒的堆积密度、筒压强度和软化系数分别为1245.56kg/m3、14.3MPa和0.94，全尾矿陶粒可代替石头用作粗集料。

（2）尾矿+污泥陶粒较优的成分体系为尾矿90％、污泥10％。较优的煅烧工艺制度为1100℃、保温30min，所得陶粒的堆积密度为1036.57kg/m3，筒压强度和软化软化系数分别为10.1MPa和0.87，尾矿+污泥陶粒可代替石头用作粗集料。

（3）尾矿+污泥+粉煤灰陶粒较优的成分体系为尾矿70％、污泥10％、粉煤灰20％。较优的煅烧工艺制度为1100℃、保温30min，所得陶粒的堆积密度为1052.75kg/m3，筒压强度和软化软化系数分别为9.5MPa和0.87，尾矿+污泥+粉煤灰陶粒可代替石头用作粗集料。

参考文献

[1]梅国栋.尾矿综合利用与无尾矿山建设探讨书[J].金属矿山,2010(10):142-145.

[2]曹惠昌,郑竞,高淑玲.我国铁尾矿综合利用研究进展[J].现代矿业,2011(10):68-71.

[3]朱晓丽,陈瑞军,幺琳,等.铁尾矿陶粒的制备及对生活污水的处理[J].金属矿山,2015(8):178-180.

[4]曹曦娇,邱俊,吕宪俊.铁尾矿陶粒的发展现状和存在问题分析[J].现代矿业,2013(12):152-154.

[5]杨芳洁,杨时元.我国陶粒矿产资源概况[J].砖瓦世界,2013(3):12-17.