高掺量赤铁矿尾矿烧结砖的制备及性能研究-

1、湖北鄂西高磷赤铁矿是我国目前唯一未被开发利用的巨型铁矿床,其资源总面积约为3.3万km 2,储量约22亿t ,远景资源量可达30亿40亿t 。“十一五”期间,国家投入巨资给予重点支持,进行开发利用研究。已有的系统工作结果表明,未来矿山开发过程中,无论采取何种选矿方法都不可避免地将产生大量赤铁矿尾矿。能否成功实现赤铁矿尾矿的高效合理利用,避免大量尾矿带来的环境压力,已成为该项目能否顺利实施的关键之一。尾矿资源化利用在国内外备受关注,并在尾矿中回收有价金属与非金属元素、利用尾矿作为采空区充填材料、磁化尾矿做土壤改良剂、利用尾矿库复垦植被以及尾矿制作建筑材料等方面已经取得了一定的成果1-3,其中利用

2、尾矿制作建筑用砖是实现其大宗处理并资源化利用的有效途径。为此,本研究在先期工作的基础上,针对高掺量(质量分数大于50%赤铁矿尾矿烧结砖的制备工艺及其性能进行研究,为大规模工业化赤铁矿尾矿生产烧结砖提供技术与理论支撑。1试验1.1原材料及试验方法试验用尾矿取自湖北鄂西某矿业公司选矿厂,外观为红色。按照T 011593筛分法进行尾矿粒径大小分析,利用LP-1000型塑性指数测试仪测定塑性指数,用X 射线荧光光高掺量赤铁矿尾矿烧结砖的制备及性能研究陈永亮1,张一敏1,陈铁军1,赵云良2(1.武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北武汉430081;2.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北武汉430070

3、摘要:在对鄂西赤铁矿尾矿的基本特性进行综合分析的基础上,以该尾矿为主要原料添加少量的黏土、粉煤灰进行复配制备烧结砖,进行尾矿烧结砖的制备工艺及其性能研究,并对烧结砖的微观结构和性能的形成机理进行探讨。结果表明,采用半干压成型,在成型水分15%、成型压力20MPa 、干燥温度105下干燥68h 、烧成温度1000保温2h 的条件下,可制得尾矿掺量高达84%的烧结砖,其物理力学性能及耐久性均达到GB/T 51012003烧结普通砖中MU20的要求。关键词:赤铁矿尾矿;综合利用;烧结砖;性能中图分类号:TU522.1+9文献标识码:A 文章编号:1001-702X (201009-0022-04Pr

4、eparation and performances of fired bricks with high content of hematite tailingsCHEN Yongliang 1,ZHANG Yimin 1,CHEN Tiejun 1,ZHAO Yunliang 2(1.College of Resource and Environmental Engineering ,Wuhan University of Science and Technology ,Wuhan 430081,Hubei ,China ;2.College of Resource and Environm

5、ental Engineering ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,Hubei ,China Abstract :Fired bricks were made with hematite tailings from western Huibei as the main material based on comprehensive analysis of its basic characterizations ,together with clay and fly ash ,the process conditions and per

6、formances of fired bricks were studied ,the microstructure and the mechanism of forming strength of fired bricks were discussed.The results showed that the fired bricks with hematite tailings content as high as 84%can be prepared with forming water content 15%,forming pressure 20MPa in semi-dry pres

7、sing ,drying time 68h at 105,sintering temperature 1000for 2h ,and the mechanical properties and durability of bricks were able to meet the requirements of MU20in Chinese standard “Fired Common Bricks ”GB/T 51012003.Key words :hematite tailings ;comprehensive utilization ;fired bricks ;performances

8、基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2007BAB15B02收稿日期:2010-04-30作者简介:陈永亮,女,1977年生,湖北浠水人,讲师,博士研究生,主要从事固体废物处理与处置技术研究 。 全国中文核心期刊谱仪(XRF,型号:AXIOS测定化学组成,用X射线衍射仪(XRD,型号:D/MX-A测定矿物组成。试验用黏土取自湖北武汉市某地;粉煤灰取自湖北武汉市某电厂,利用XRF对两者的化学组成进行了分析。1.2制作工艺流程尾矿烧结砖的制作工艺为:物料经过磨细后按照配比在搅拌机中加水15%搅拌,使各物料混合均匀,之后在室温下陈化2h,再在WE-30型液压万能材料试验机上以20MPa 压

9、力压制成型,将压制成型的砖坯置于DHG-9241A型电热恒温干燥箱中,在105下干燥68h,制成半成品,然后将其置于X2-1-13型数控箱式电阻炉中烧制,烧成温度为1000,保温2h,最后自然冷却至室温,得烧成制品。1.3尾矿烧结砖性能检测尾矿烧结砖的外观质量、抗压强度、吸水率及密度参照GB/T25422003砌墙砖试验方法进行测试。选定最佳配比烧结砖样品,采用XRD测试其矿物组成,SEM测试其微观结构,探讨其性能的形成机理。2试验结果与讨论2.1原料性质分析2.1.1赤铁矿尾矿鄂西赤铁矿尾矿的XRD图谱如图1所示。图1赤铁矿尾矿的XRD图谱由图1可知,该尾矿的矿物组成主要为赤铁矿、石英,少量

10、的绿泥石、方解石等,与黏土等建筑材料比较接近。鄂西赤铁矿尾矿颗粒级配及化学成分分别见表1、表2。表1赤铁矿尾矿的颗粒级配由表1可见,该尾矿粒度较细,粒径小于0.044mm的占49.27%,小于0.074mm的占80.97%。一般粒度较细的原料塑性较高4,所以,该尾矿是制备普通烧结砖的理想材料。表2赤铁矿尾矿的主要化学成分%对照普通黏土烧结砖的组成:SiO240%70%、Fe2O32% 9%、Al2O316%40%、CaO0.5%8%、MgO0.4%2%5,由表2可知,该尾矿中铁的含量偏高,而硅的含量较低,其它成分均能满足制砖要求。含铁量高会增加烧结砖制品密度,含硅量低会降低制品的强度,从而影响

11、成品的质量和销路,因此,可考虑在配料中添加铁含量低而硅含量高的原料。原料的可塑性是塑性成型最基本的工艺性能之一,不但影响成型性能,而且影响生产效率和产品质量。该尾矿的塑性指数为13.9,可塑性中等,满足烧结砖的成型要求。综上所述,在粒度分布、可塑性等方面,该尾矿均满足制备建筑用砖的基本要求,若添加一定量的高硅低铁原料,制备烧结砖是可行的。2.1.2黏土和粉煤灰黏土具有颗粒细、可塑性强、结合性好、收缩适宜、耐火度高等工艺性能,是黏土砖厂制砖的最基本原料。由于黏土中含有较高的SiO2,可与低硅的赤铁矿尾矿配比,增强原料的可塑性,提高烧结砖制品的强度,同时降低密度。粉煤灰是煤粉在锅炉中高温燃烧而成,

12、属瘠性材料,主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3等,是一种成熟的制砖原料,由于其质轻使得制成砖体密度较小6,因此,掺于尾矿中制备烧结砖,能有效降低制品密度。但是由于粉煤灰是瘠性材料,其掺量不可太高,若掺量过大会降低原料的可塑性,影响制品的强度。试验用黏土和粉煤灰的主要化学成分如表3所示。表3黏土和粉煤灰的主要化学成分%由表3可见,该黏土和粉煤灰中TFe含量均较低(分别为4.35%和2.66%,SiO2含量高(分别为63.96%和48.41%,能够满足配料需求,且黏土中CaO含较低,仅为0.87%,有利于避免砖体体积膨胀而产生开裂现象,同时,该粉煤灰Al2O3含量高达28.05%,有利于提

13、高烧结砖的强度。该黏土和粉煤灰是尾矿烧结砖的理想配料。2.2黏土掺量对烧结砖性能的影响在成型水分15%、成型压力20MPa、105下干燥68h、烧成温度1000保温2h的条件下,改变尾矿和黏土的配比,考察了黏土掺量对烧结砖性能的影响(见表4。筛孔/mm 0.9000.4200.4200.3010.3010.1800.1800.1520.1520.1000.1000.0740.0740.044<0.044筛余/%1.73 2.07 3.07 2.63 3.43 4.9331.7049.27Fe2O3SiO2Al2O3CaO MgO P2O5K2O TiO2Na2O MnO S IL44.5

14、024.4010.95 6.200.99 2.780.860.420.280.240.106.95项目TFe SiO2Al2O3CaO MgO P2O5K2O Na2O IL黏土 4.3563.9616.930.87 1.640.19 2.350.90 5.59粉煤灰 2.6648.4128.05 5.780.590.32 1.340.439.12陈永亮,等: 高掺量赤铁矿尾矿烧结砖的制备及性能研究表4黏土掺量对烧结砖性能的影响从表4可以看出,制品外观均规则、完整;并且随着黏土掺量增加,烧结砖的抗压强度迅速逐渐增大,当黏土掺量达到15%时,其抗压强度达到25.99MPa。原因是黏土的可塑性大,

15、 SiO2含量高,有利于制品强度的提高;同时,烧结砖的吸水率和密度有所降低。2.3粉煤灰掺量对烧结砖性能的影响在固定其它条件不变的情况下,改变尾矿和粉煤灰的配比,考察了粉煤灰掺量对烧结砖性能的影响(见表5。表5粉煤灰掺量对烧结砖性能的影响从表5可以看出,粉煤灰的少量掺入对制品外观没有影响,但随着粉煤灰掺量的增加,制品的抗压强度迅速降低,吸水率也逐渐增大,当粉煤灰掺量为5%时,其抗压强度下降至11.49MPa。这是由于粉煤灰塑性差,比较松散,从而成型效果差,密实度低,导致烧结制品强度降低,吸水率增大,但同时制品密度也明显降低。当粉煤灰掺量为10%时,密度降至1.86 g/cm3,符合一般建筑用砖

16、密度1.61.9g/cm3的要求,但抗压强度降至MU10以下,综合考虑,应控制粉煤灰掺量在10%以内为宜。2.4黏土和粉煤灰复配掺量对烧结砖性能的影响在固定其它条件不变的情况下,改变尾矿、黏土和粉煤灰的配比,考察黏土和粉煤灰复配掺量对烧结砖性能的影响,如表6所示。从表6可以看出,当尾矿用量84%、黏土用量10%、粉煤灰用量6%时,烧结砖抗压强度最大达到20.35MPa,吸水率为17.79%,密度为1.85g/cm3,可达到GB51012003烧结普通砖中强度MU20的要求,且烧结砖的外观质量良好,无石灰爆裂和泛霜现象。故选择m(尾矿m(黏土m(粉煤灰= 84106为最佳配比。表6黏土和粉煤灰复

17、配掺量对烧结砖性能的影响2.5尾矿烧结砖的微观分析为了解烧结砖的微观矿物性能,对最佳工艺条件下制得的烧结砖样品进行了XRD和SEM分析,烧结砖样品的XRD 图谱如图2所示,SEM形貌图如图3所示。图2烧结砖样品的XRD图谱将图2与图1赤铁矿尾矿的XRD图谱比较可知,烧结砖样品中方解石和绿泥石的特征峰已消失,说明经烧结过程后方解石和绿泥石均已分解,且烧结后样品有新晶相钙长石和鳞石英生成,主晶相为赤铁矿、石英、钙长石和鳞石英,这些晶相构成了烧结砖的矿物骨架,从而赋予烧结砖强度。图3烧结砖样品的SEM形貌从图3(a可以看出,样品表面密实,玻璃相均匀分布,相互连接,这既有利于样品的平整性,也对样品的强

18、度有很大的帮助;从图3(b可以看出,晶体均匀生长,气孔少,气孔间有较多的细小晶相和玻璃相物质填充,条状和片状晶体生长呈网状交织结构,从而保证了烧结砖样品的优良性能,使其具有尾矿/%黏土/%吸水率/%抗压强度/MPa密度/(g/cm3外观100020.3417.54 2.13规则、完整95519.7621.41 2.05规则、完整901017.3024.85 2.03规则、完整851516.3825.99 1.97规则、完整802016.4627.68 1.91规则、完整尾矿/%粉煤灰/%吸水率/%抗压强度/MPa密度/(g/cm3外观100020.3417.54 2.13规则、完整95521.

19、4911.49 1.93规则、完整901022.438.96 1.86规则、完整851524.768.67 1.75规则、完整802024.247.62 1.69规则、完整尾矿/%黏土/%粉煤灰/%吸水率/%抗压强度/MPa密度/(g/cm3外观1000020.3417.54 2.13规则、完整915420.3812.98 1.92规则、完整895620.5013.71 1.90规则、完整875820.6712.65 1.87规则、完整8610418.7516.78 1.90规则、完整8410617.7920.35 1.85规则、完整8210819.5016.28 1.82规则、完整81154

20、18.3418.18 1.88规则、完整797715156818.5019.0414.7515.161.831.80规则、完整规则、完整陈永亮,等: 高掺量赤铁矿尾矿烧结砖的制备及性能研究(上接第18页尾矿的效率高,故银尾矿多掺1.11.2倍才能等量代替消石灰粉,以此计算得出每使用1t 银尾矿可以节省60元。而且生产石灰时还会消耗大量的资源如石灰石、煅烧时的燃料、粉磨时的电能等。特别是石灰石分解产生的二氧化碳会对环境造成危害,所以银尾矿作为代替建筑砂浆中的石灰使用,不仅可减少尾矿对环境的危害,降低建筑成本,而且还有显著的社会效益。3用银尾矿代替石灰的工程试验在四平市海银帝景小区建筑工程中对掺入

21、银尾矿代替石灰膏的砌筑砂浆和抹面砂浆做了实际工程试用。从试验结果可知,按表3配合比配制的砌筑砂浆,不仅满足砌筑砂浆的各项指标要求,而且可以提高其早期强度、改善砌筑砂浆的和易性。按m (水泥m (砂=12.5、银尾矿掺量为60kg/m 3制备了抹面砂浆,在工程中做了内、外墙的抹灰试用,证实银尾矿代替石灰的良好效果。因抗裂性好、强度较高,可以免去混合砂浆抹面阳角需要用水泥砂浆的麻烦,特别对混凝土砌块墙面的抹面,用普通混合砂浆很容易产生裂缝,而采用银尾矿抹面砂浆,裂缝情况明显变好,具有大范围推广应用价值。表3四平海银帝景小区工程砌筑砂浆的配比及强度4结语四平昊融银业有限公司排放的银尾矿具有颗粒细小、

22、质地细质的特点,加之银矿浮选的过程中,需加入一定的表面活性剂,尽管在银尾矿中残留含量很低,但对改善建筑砂浆和易性有利。经实验室验证和工程实践检验证明,该银尾矿代替石灰制备建筑砂浆完全可行,不仅可以大量节省建筑用石灰,降低生产成本,而且还能减少碳排量。掺入银尾矿砌筑砂浆的稠度、分层度、凝结时间、抗压强度、含气量、保水性和抹面砂浆的抗裂性能均满足建筑砂浆规范要求。掺入银尾矿的砌筑砂浆具有早期强度高、抹面砂浆抗裂性能好的特点,银尾矿掺量为60kg/m 3时,M5.0、M7.5砌筑砂浆28d 抗压强度分别为9.40、13.48MPa 。参考文献:1牛福莲.尾矿综合利用亟须破题N.北京:人民日报,200

23、9-06-15.2袁剑雄,刘维平.国内尾矿在建筑材料中的应用现状及发展前景J.中国非金属矿工业导刊,2005(1:13-16.3陈秀云.民用建筑抹灰砂浆配合比设计方法的探讨J.技术研发,2008(3:44-46.4蒋勇.浮选中央操作管理系统的研究及应用J.有色金属,2000,52(4:41-44.蒉设计等级P ·C32.5水泥/kg 机制砂/kg 银尾矿/kg 水/kg 抗压强度/MPa 7d 28d M5.0210157088310 5.58.1M7.52401570593107.613.4各方向的较高强度,且烧成品中的玻璃相较多,大量的晶相和玻璃相物质填充于气孔之间,使得气孔不贯通,有利于样品吸水率的降低以及强度的提高。3结论(1对鄂西赤铁矿尾矿的主要化学成分、矿物组成、粒度分布及可塑性等研究表明,其可作为制备普通烧结砖的材料。(2添加少量黏土和粉煤灰对于提高尾矿烧结砖的性能起到积极作用,当m (尾矿m (黏土m (粉煤灰=84106时,在