热活化温度对铁尾矿矿物组成及微观结构的影响

热活化温度对铁尾矿矿物组成及微观结构的影响

铁渣的粒度一般较小，通常为0.0.07mm。目前,铁尾矿的综合利用主要集中在以下几个方面:①回收有价元素;②作为采空区的充填材料;③用作土壤改良剂;④用作建筑材料;⑤利用尾矿库复垦植被。但总体利用效果较差、利用量较少。而全世界每年排出尾矿在100亿t以上,我国每年排出的尾矿量高达5亿t,堆积的尾矿量近50亿t。大量尾矿的堆存对当地生态环境造成了严重的危害。本文以铁尾矿为主要原料,通过带有结构水物料的低温脱水对铁尾矿进行蚀变,从而提高铁尾矿的反应活性。在此基础上,将改性铁尾矿作为胶凝材料的主要生产原料,从而实现铁尾矿的大宗无害化利用。1铁渣矿的化学组成本实验中所用的铁尾矿来自吉林通化。铁尾矿化学成分见表1。2实验与分析2.1纯铁渣热激活活性优化研究2.1.1矿物组成的变化为确定热处理过程中铁尾矿的物相变化,分别对100℃烘干和600、800、1000℃加热处理后的铁尾矿进行了XRD分析,结果见图1。由图1可见,铁尾矿的矿物组成主要有SiO2、钾长石和钠长石等。在整个煅烧温度范围内,随着煅烧温度的变化,SiO2(0.337、0.228、0.181nm)、钾长石(0.337、0.212、0.198nm)、钠长石(0.191、0.229nm)的峰没有明显变化。只是在煅烧温度为1000℃时,钠长石的峰略有降低,但变化不明显。这说明在实验温度范围内,煅烧温度对铁尾矿的矿物组成影响不大。2.1.2显微结构分析煅烧温度为100、600、1000℃铁尾矿的显微结构如图2所示。由图2可见,随着煅烧温度的升高,铁尾矿的显微结构没有发生明显变化,基本上仍保持不规则的外形。2.1.3热煅烧铁尾矿的活化技术表2为以不同煅烧温度处理铁尾矿为主要原料的胶砂强度实验结果。胶砂试块中铁尾矿掺量为33.7%,其余为矿渣、粉煤灰、熟料及其他微量物质。由表2可见,在铁尾矿掺量为50%时,不同温度煅烧后铁尾矿所制备的胶砂强度差别微小。这说明对铁尾矿单独热活化很难使其反应性能提高,若要实现铁尾矿的高效利用必须采取其他活化技术。含有结构水的物料在高温煅烧时由于结构水的脱除,将使物料处于高能的介稳状态。若这类物料和其他物料一起混烧,那么在高温下由这种物料释放出的含有部分溶质的结构水,将可能使另一种物料的稳定状态显著降低。同时还可能通过固相反应生成某类介稳物料,从而使整个体系反应性能改善。2.2高簇法对铁渣矿活性的影响2.2.1高化学组成本实验所用的高岭土为苏州纯高岭土,其化学成分见表3。2.2.2解决高温作用下高岭土的一般情况为研究高岭土在室温～900℃温度范围内加热处理过程中内部所发生的物理化学变化,对高岭土试样在室温～900℃的加热过程中质量损失进行了跟踪测定,结果如图3所示。在室温～400℃之间,高岭土主要表现为连续的质量损失,这意味着高岭土中有一部分含水矿物,而且这些水在含水矿物中的结合状态及牢固程度并不完全相同。在400～800℃温度范围内,高岭土失重速度明显加快,尤其在450～530℃之间,质量陡降,这是热作用下高岭土脱除羟基的结果。而在温度高于800℃之后,高岭土质量基本不发生变化,这表明存在于高岭土中各种形态的水分在800℃之前已经基本脱除和分解。因此,综合考虑高岭土的最佳煅烧温度应为600℃。2.2.3干磨材料对铁矿活性的影响(1)胶砂强度试验在600℃下分别煅烧高岭土、铁尾矿,达到温度后恒温2h。将煅烧后的高岭土与铁尾矿按5∶5的比例混合均匀做胶砂试验,强度结果见表4。由表4可知,以采用干磨-分烧工艺处理物料为主体所制备的胶砂试块28d强度均较低。(2)分烧与混烧物料胶砂强度对比将高岭土与铁尾矿按5∶5的比例混合均匀,然后将混合料在600℃下煅烧,恒温2h。胶砂强度结果见表5。由表4和表5可知,对于采用干磨处理后的物料,虽然与分烧相比,混烧可在一定程度上提高铁尾矿体系的反应性能,但是以采用这两种处理工艺所制备物料为主要原料的胶砂强度整体均较低。这说明在本实验原料条件下,无论采用分烧还是混烧均难使干磨铁尾矿物料的反应活性得以提高。2.2.4胶砂试块的制备将高岭土与铁尾矿按5∶5的比例混合湿磨30min,100℃烘干后在600℃温度下煅烧,恒温2h。以磨细物料为主体制备胶砂试块,其强度见表6。由表6可知,对高岭土-铁尾矿采用湿磨-混烧工艺处理后,可使其反应性能大大提高,在尾矿-高岭土混合物掺量为50%时,28d胶砂强度达到29.4MPa,而在干磨时,胶砂28d强度仅为20.1MPa。2.3湿磨对高岭石的影响为了研究煅烧温度对高岭土-铁尾矿体系矿物组成的影响,分别研究了100、600、800℃温度处理下高岭土-铁尾矿体系矿物组成的变化,同时与湿磨高岭土-铁尾矿体系600℃热处理条件下的矿物组成进行了对比,结果见图4。由图4可见,干磨高岭土尾矿混合物在600℃混烧时,高岭石的衍射峰(0.713、0.357nm)显著降低,这可能是由于该矿物的羟基被部分脱除,使(001)晶面结构遭到破坏,向偏高岭石转变,而在800℃混烧时基本上消失了,这可能是高岭石(020)晶面的剩余结构水进一步脱除所造成的。湿磨高岭土铁尾矿的混合物在600℃混烧时,高岭石的衍射峰(0.713、0.357nm)就消失了,表明湿磨较干磨有利于高岭石向偏高岭石的转变。石英(0.337、0.228、0.181nm)、正长石(0.337、0.212、0.198nm)、钠长石(0.191、0.229nm)、伊利石(1.001nm)和透闪石(0.838nm)的衍射峰在几个试样中没有明显变化,表明800℃以下煅烧湿磨和干磨工艺对混合物中的这些矿物均没有明显影响。2.4铁尾矿体系成矿成分为了研究粉磨对高岭土-铁尾矿体系显微结构的影响,分别对干磨和湿磨条件下高岭土-铁尾矿体系进行了SEM分析,结果见图5。由图5可见,在干磨情况下高岭土-铁尾矿体系中,高岭土和铁尾矿颗粒连接不紧密、彼此分离,颗粒粒径较大。而在湿磨时,高岭土-铁尾矿体系颗粒变小,有大颗粒团聚团产生,高岭土和铁尾矿已经很紧密的粘结在一起。2.5cao对高岭土-铁尾矿体系矿物组成的影响为了研究CaO对高岭土-铁尾矿热活化效应的影响,在铁尾矿和高岭土的混合料中分别加入5%和20%的CaO。所制备的胶砂强度结果见表7,其中O表示为在铁尾矿高岭土的混合料中加5%的CaO;P表示在铁尾矿高岭土的混合料中加20%的CaO。由表7可知,在一定范围内,随着铁尾矿和高岭土混合料中CaO含量的增多,胶砂试块早期强度大幅度提高。当CaO添加量为5%,铁尾矿混合物掺量40%时,其3d强度已达27.6MPa。而在铁尾矿混合物掺加量相同的条件下,添加5%的CaO和添加20%的CaO相比较,前者的后期强度明显高于后者。为了研究CaO含量对高岭土-铁尾矿湿磨体系矿物组成的影响,分别研究了600℃温度下5%、20%CaO对高岭土-铁尾矿体系矿物组成的变化,结果见图6。由图6可见,湿磨600℃混烧的高岭土铁尾矿混合物已经没有高岭土的衍射峰存在。加入5%CaO后,出现了CaCO3的衍射峰(0.304、0.191nm),加入20%CaO后,石英的衍射峰(0.181、0.154nm)没有变化,正长石(0.337、0.212、0.198nm)、钠长石(0.191、0.229nm)、伊利石(1.001nm)、透闪石(0.838nm)的衍射峰均有所降低,CaCO3的衍射峰明显增强。这说明加入20%的CaO后,在一定程度上使铁尾矿体系的稳定性能显著降低。但加入20%CaO体系的胶砂强度低于加入5%CaO体系的强度,这可能是由于加入20%CaO造成体系内存在多于的游离CaO,从而使体系强度降低的缘故。3在复合热处理体系中加入适量cao(1)单独对铁尾矿进行热活化不能使铁尾矿活性提高,若要实现铁尾矿的高效利用必须采取其他活化技术对其进行处理。(2)在铁尾矿体系中加入高岭土可在一定程度上提高体系的反应性能,再在该体系中加入适量CaO(5%)则能显著改善体系的反应性能。(3)与干磨相比,湿磨在使物料颗粒规则度得到提高的基础上,使不同物料之间更紧密