铁尾矿规模化利用研究现状及其利用途径

刘爱平，曹苗佳，张雄涛

（华北理工大学材料科学与工程学院，河北 唐山 063210）

我国的钢铁等重工业正在迅猛发展，经济飞速发展的同时，也带来了不容忽视的环境问题，其中一大问题则是我国的尾矿库数量及尾矿堆存量巨大，还呈现不断上升的趋势。据调查，目前的尾矿废渣量高达十几亿吨，处理不当，利用率低，并且逐年增加上亿吨，不光是许多矿山企业头疼的问题，也给环境带来了沉重的负担。主要表现在：

①破坏土壤结构。由于铁尾矿数量巨大，因此只得堆放在露天，长期直接与土地接触，再加上自然条件作用，极容易使铁尾矿中的有害物质进入土壤，长此以往，改变了土壤的酸碱性，稳定性，孔结构，湿度等，不利于农作物的种植。②污染水源。在自然环境下，铁尾矿由于雨水冲刷，易随水流汇入河流、湖泊等自然水源，铁尾矿中含有重金属物质，会打破水中生态平衡，水质改变、富营养化等严重问题随之而来，鱼群等水生生物也会受到污染，流入生物链，最终的受害者还是我们自己。③大气受到污染。研究发现，与空气接触的铁尾矿除了自身的挥发，粉末的随风飘散，还会与空气中物质发生化学反应，进而释放对植物、动物、人体有害的气体。④浪费土地资源。巨量的铁尾矿产生量，使得矿山企业不得不征用那些用来种植农作物的高产量土地以及种植树木的土壤肥沃的土地，并且征用的土地面积有增无减，致使当地的粮食生产总量下降。⑤安全隐患。由于铁尾矿露天而放，加之雨水冲刷，风化等原因，使得铁尾矿堆松弛，若发生塌方等事故，后果不堪设想。⑥资源浪费。目前国内外都重视了固体废物的利用，以铁尾矿为主要原料在建筑材料、陶瓷、再选富集等领域都开辟了道路，所以要加快研究，提高铁尾矿的利用率。

综上所述，铁尾矿的综合利用研究在变废为宝产生经济效益的同时，更能走可持续发展的道路，为后代创造绿水青山。

1 国内研究现状

铁尾矿是选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分。随着矿山企业的不断发展，铁尾矿的堆存量越来越多。大量尾矿带来的危害促使国家制定相应措施，提倡矿山企业及钢铁工业对固体废弃物的综合利用，其中的铁尾矿因占比多所以成为重要的研究对象。对铁尾矿的处理已经成为矿山企业的发展的包袱。目前国内的研究利用主要体现在建筑材料、再选富集、陶瓷、土壤修复治理、微晶玻璃、矿渣纤维调质剂等方面。

目前的研究热点主要集中在利用铁尾矿制备建筑制品方面。杨传猛[1]首先系统的分析了铁尾矿的独有特性：铁尾矿的主要矿物组成为斜绿泥石 ((Mg, Fe)6(Si, Al)4O10(OH)8)、方解石(CaCO3)、石英(Si02)、赤铁矿(Fe2O3)和黄铁矿(FeS2)等，其中斜绿泥石的存在使得铁尾矿具有较好的可塑性。以此为基础，以铁尾矿为主要原料，研究烧制了烧结砖和烧结陶粒的工艺，并对烧结砖和陶粒的性能进行了以下方面的分析。①对尾矿砖性能分析，结果表明：当烧结温度在900℃~1000℃时，尾矿砖的吸水率在13%~18%之间，抗压强度大，体积密度高，且质量损失小。②对陶粒性能分析，结果表明：铁尾矿占比可达30%，堆积密度和表观密度小，且膨胀系数均大于1，为符合国家标准的陶粒。

唐可[2]等人研究铁尾矿砂对混凝土的流动性、粘聚性、保水性、力学性能及混凝土抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用能力的影响。发现当铁尾矿砂掺量为25%～50%时，混凝土的和易性和力学性能随铁尾矿的增加而增强。当铁尾矿砂掺量为75%时，检测到混凝土的质量变化幅度最小，使得混凝土的密实性显著提高，结构不易破坏，增加了混凝土的使用周期，还有利于抑制水分及硫酸盐的侵入。

陈永亮[3]等人以铁尾矿为主要原料，通过添加造孔剂、粘结剂和助熔剂来制备轻质保温墙体材料。结果表明，铁尾矿的最佳掺量可达46%，当烧结温度为900℃时，通过综合差热分析(TGDSC)、X射线衍射分析(XRD)和扫描电子显微镜分析(SEM)，得到体积密度、抗压强度、开口气孔率和导热系数分别为1.23g/cm~3g/cm、7.6MPa、45.54%和0.293W/(m·K)的符合国家标准的轻质保温墙体材料。

由于传统公路建设所需材料价格日益增长，所以要开发价格更为低廉的建设原料，吴进[4]则以鞍山地区齐大山铁尾矿砂为研究对象,通过测定其粗细程度、表观密度及集料各级粒径颗粒的分配情况等工程技术指标，发现铁尾矿砂可以用于建设公路，且铁尾矿堆存量大，价格不高，可以在公路建设领域广泛应用。

2 国外研究现状

在国外铁尾矿等因矿山企业和钢铁企业产生的固体废弃物堆存量也相当巨大，但在国外对于铁尾矿的综合利用起步早，国家重视尾矿的处理及合理利用问题，在70年代，一些经济发达且重视环境保护的国家就已经为固体废弃物的堆存制定了相关的法律法规，改善了当地的土壤、水质、空气等对人类至关重要的生存条件，不光如此，国外在有价成分的回收，建筑原料、路基材料、土地利用、土壤改良等领域取得了明显的成效。

像德国、美国、澳大利亚等国家虽然地广人稀，但却注重土地的利用率。铁尾矿的堆存改变了土壤的盐碱性，但经过对铁尾矿中的化学成分分析可知，其含有十分之一左右的铁，若加入一定比例的氮、磷、钾等植物需要量和收获时带走量较多的营养元素，组成复合肥，可使种植的农作物生长健壮，茎秆粗硬，增强病虫害和抗倒伏的抵抗能力。而且经研究表明，在铁尾矿上种植植物也有减少水土流失的作用，降低了铁尾矿堆的安全隐患。

在国外铁尾矿应用于建筑材料方面越来越广泛。俄罗斯利用铁尾矿生产建筑材料占铁尾矿综合利用的60%左右，生产出的微晶玻璃、耐化学腐蚀玻璃、胶结料等都具有较高的机械强度。

除了应用于建筑材料方面，在建筑墙体材料方面也得到了研究和应用，其中加拿大国家在此领域处于领先地位，以铁尾矿为主要原料再加上粘结剂生产出的硅砖硬度大，已广泛用于建筑墙体领域。

针对铁尾矿中有价成分的回收，美国做了大量研究，回收的石英等矿物可二次应用于各个领域。又通过对铁尾矿自身硬度、韧性、抗拉强度和耐久性的系统分析，得出铁尾矿可作路基材料的结论。

3 铁尾矿的利用途径

（1）制备陶粒。为解决铁尾矿带来的环境压力和资源堆存浪费等问题，以铁尾矿为主要原料制备陶粒已经成为一条解决途径。随着铁尾矿的加入，可使烧结陶粒的吸水率、膨胀率均升高, 筒压强度和堆积密度总体均降低。

（2）建筑材料。①加气混凝土。在以铁尾矿为主要原料制备加气混凝土方面，经实验研究表明，铁尾矿的加入可使加气混凝土内部的小气孔和微孔变得致密，质轻的特点可减轻建筑物自重，提高了加气混凝土的防火、隔音、保温、抗渗、抗震等性能。②尾矿瓷质砖。由于铁尾矿中铁、钙含量较高,其可与原料中的石英及硅铝酸盐反应形成低共熔物,促进坯体的烧结致密。③水泥混凝土。铁尾矿砂可提高混凝土密实性，适量铁尾矿微粉的掺加使得硬化体内部缺陷减少,增大密实度,减少水分及硫酸盐的侵入,抑制混凝土结构的破坏。

（3）再选富集。通过对铁尾矿成分的分析，可确定对有效成分的回收利用，提高了锌钼混合精矿、硫精矿、铁精矿的利用率。

（4）陶瓷。铁尾矿中的主晶相石英因溶解于液相而使陶瓷衍射峰明显变弱,同时可使烧结体结构紧密,强度显著提高，显气孔率下降、孔径变小,体积密度和抗压强度增大、孔壁变厚。

（5）土壤化。利用生物技术改性铁尾矿的酸碱度、湿度、稳定性、孔结构等进行铁尾矿土壤化利用，并满足使用要求。

（6）微晶玻璃。铁尾矿的加入，提高了微晶玻璃的抗折强度、密度、耐酸性及耐碱性。

（7）矿渣纤维调质剂。随着铁尾矿加入量的增加，调质熔渣的黏度系数不断增加致使流动性降低，适宜的成纤温度范围变大,铁尾矿有利于改善高炉渣的成纤性能。