铁尾矿资源高效利用路径探析
2023-06-05乔波于晓兵陶东平张美霞
乔波 于晓兵 陶东平 张美霞
摘要：随着中国钢铁工业的蓬勃发展，铁尾矿已经成为中国储量最多的工业固体废物之一，铁尾矿的治理已成为矿山企业、冶金企业面临的关键环节。从铁尾矿资源的高效化利用角度出发，讨论了中国的铁尾矿作为混凝土原料、砂浆原料、路基材料、制砖原料、加气混凝土材料、矿井充填材料等的研究现状、存在问题及未来发展方向，以期为铁尾矿的综合利用提供参考。
关键词：综合利用;尾矿混凝土;加气混凝土;胶凝材料；铁尾矿
中图分类号：TF523文章编号：1001-1277（2023）04-0038-06
文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230409
引 言
随着中国钢铁工业的蓬勃发展，年产粗钢在2021年达到了10.3亿t，占全球钢铁产能的50%以上［1-2］。沿海钢铁企业主要依靠进口矿石作为炼铁原料，而内陆钢铁企业主要靠开采内陆矿作为原料来源。铁尾矿成为中国储量最多的工业固体废物之一。近年来，中国矿山企业、钢铁企业每年产生的铁尾矿超过26.5亿t，其中能够实现综合利用的仅有1.8亿t，利用率仅为6.95%，南方地区的利用率明显高于北方地区［3-5］。随着中国铁矿品位的日益下降，尾矿产量将进一步增加，而堆存所带来的经济压力及环境风险、安全风险将进一步增大，不仅浪费大量的土地资源，同时可能造成重金属污染、尾矿坝溃坝等灾难性事故［6-8］。2018年，为了响应国家绿色矿山的发展要求，中国各类矿山企业积极开展了尾矿综合利用项目研究，但当前铁尾矿治理主要面临的问题是产量大、利用率低、地理位置偏僻等，难以实现大宗化利用。随着尾矿坝服务年限到期或即将堆满，铁尾矿的综合利用已迫在眉睫。
本文主要从大宗化利用的角度分析中国铁尾矿在混凝土原料、砂浆原料、路基材料、制砖原料、加气混凝土材料、矿井充填材料等方面的应用现状和发展趋势，为中国铁尾矿的资源化利用提供参考。
1 铁尾矿资源的特点
1.1 粒度特点
由于中国地形复杂，铁矿资源普遍具有“贫、难、细、杂”等特点，也造成了铁尾矿成分复杂、分布不均的情况，且不同地域尾矿中有价元素种类、含量差别很大，所以尾矿综合利用方式有所不同［9-11］。总的来讲，粒径较大的采矿废石、选矿废石，其粗粒级铁尾矿利用率较高，在市场上较受欢迎;粒度较细的铁尾矿产量巨大，有价元素含量较低，利用率不高。以山西地区为例，经过多段细磨、磁选或者反浮选后产生的细颗粒尾矿大部分粒径在500 μm以下，該类尾矿的综合利用成为各矿山的痛点和难点。山西某矿山铁尾矿粒度分布见图1。
由图1可知，铁尾矿粒度较细，几乎没有粗颗粒尾矿，41.22%尾矿的粒径在37.4 μm以下，属于特细砂，难以作为建筑用砂的骨料使用。
1.2 成分特点
典型铁尾矿化学成分分析结果见表1。从表1可知，铁尾矿具有高硅、低硫、贫铁的特点，SiO2的品位高达60.11%，主要以石英砂的形式存在。TFe品位在14.82%，根据生产运行情况，会有±1%的偏差，其中铁相主要以SFe、FeO的形式存在，较为稳定。由于受到生产成本限制，该尾矿不具备再次选铁的条件。
根据康伟花［12］的研究结果，尾矿中的铁相多以稳定形式存在，不会发生铁生锈等化学反应，不会对混凝土及其他建筑材料产生不利影响。铁尾矿重金属检测均符合国家标准，属于第Ⅰ类一般工业固体废物，环境风险较低。基于铁尾矿的这些特点，提出了以下利用途径。
2 大宗化利用路径
2.1 混凝土原料
铁尾矿在混凝土中作为骨料的技术在国内较为成熟，近几年来中国陆续出台了多项国家标准和行业标准，如GB/T 31288—2014 《铁尾矿砂》［13］、GB 51032—2014 《铁尾矿砂混凝土应用技术规范》［14］、YB/T 4561—2016 《用于水泥和混凝土中的铁尾矿粉》［15］等，以推动铁尾矿在混凝土行业中的利用。
在铁矿生产过程中产出大量尾矿，其粒级组成较为分散，涵盖从碎石到粗、中、细、特细砂等，而且随着中国砂石资源管控力度的不断加大，河沙限采，砂石骨料原料日益紧缺，市场对铁尾矿的接受程度较高。众多专家学者对此展开了研究，杨明镜等［16］用特细铁尾矿粉取代粉煤灰作为混凝土掺合料，研究结果表明，铁尾矿的加入能够有效增加混凝土的致密度，使铁尾矿混凝土的内部孔隙明显减少，提高了耐硫酸盐侵蚀性能，可经受140次硫酸盐侵蚀，但由于混凝土的自膨胀效应，会导致其混凝土产生微裂纹，降低其强度。2种混凝土酸蚀后的SEM形貌对比见图2。
李世华等［17］对铁尾矿粗骨料和天然砂石骨料进行了横向对比，研究了二者对混凝土性能的影响。结果表明，铁尾矿骨料的常规性能符合高速公路高性能混凝土的配制要求，但在热物理性能方面与常规砂石骨料相比较差。因此，使用铁尾矿粗骨料制备的混凝土可用于对热性能要求较低的场合，如承台、墩柱等对横向受力要求不高的构件。康迎杰等［18］通过将铁尾矿机制砂石加入混凝土中，研究了全铁尾矿作为骨料和天然细砂作为骨料制备的混凝土工作性、力学性能和耐久性能差异。结果表明，全铁尾矿混凝土的工作性较差，需要搭配外加剂才能保证其性能的稳定。同时，该混凝土的力学性能与常规混凝土几乎一致，在耐腐蚀性能方面同样表现优异。
综上可知，铁尾矿可作为填料、骨料用于混凝土中，最需要关注的问题是混凝土的力学性能。因此，需要结合当地铁尾矿特点和混凝土的施工技术要求，设计适用的利用和施工方案。铁尾矿在混凝土行业中的应用工艺技术成熟，又能适应各地环保政策，不仅可以大量消纳铁尾矿，且不会造成二次污染，是铁尾矿资源化利用的首选途径。
2.2 砂浆原料
砂浆是一种重要的建筑材料，其种类多种多样，如水泥基砂浆、石膏基砂浆、自流平砂浆等，主要用于各类建材的黏接、砌筑、抹平等，其消耗量与工业、民用建筑息息相关。砂浆中填料所占比例一般为50%以上。铁尾矿主要含有石英、部分铁相，其微观形貌呈不规则状，与机制砂相似，但铁尾矿堆积密度和密度较高，分别在1 500～1 900 kg/m3、2 400～2 600 kg/m3，比一般的天然砂、机制砂密度大，但砂浆在建筑中的用量相对较少，不会造成质量失衡等问题。因此，铁尾矿可以代替天然砂、机制砂应用于砂浆中。铁尾矿干混砂浆工艺流程见图3。
王营等［19］以高硅型铁尾矿制备的机制砂为原料，研究了铁尾矿对水泥基砂浆性能的影响。结果表明，相同掺比下铁尾矿砂浆在力学性能等方面优于普通砂浆，主要原因在于机制砂的微观形貌优异，表面粗糙，颗粒咬合度较好。然而，在微观尺度下，铁尾矿砂浆的水化产物较为单一，但基本性能符合要求。黄天勇等［20］将铁尾矿分为0.3～0.5 mm、0.1～0.3 mm、0～0.1 mm 3种粒级，探究铁尾矿粒度级配对石膏基自流平砂浆性能的影响。结果表明，各粒级单独制备的砂浆性能较差，强度较低。通过对3种粒级铁尾矿的组合搭配，能够有效提高砂浆强度，但会导致铁尾矿石膏基自流平砂浆的工作性降低，所以需要补充水分以提高流动性。侯云芬等［21］将原铁尾矿粉、比表面积为340 m2/kg铁尾矿粉及比表面积为680 m2/kg细磨铁尾矿粉作为原料，掺加在水泥砂浆中，研究不同细度铁尾矿对水泥砂浆性能的影响。结果表明，水胶比为0.5时，随着细磨铁尾矿粉的增加（最大掺加量30%），砂浆的强度逐渐提高，28 d强度达到50 MPa以上。主要原因是细磨铁尾矿粉能够有效填充水泥砂浆的微孔隙，增加砂浆的密实度，从而提高强度。
目前，在铁尾矿特细砂制砂浆的应用研究中，多是采用尾矿砂与天然砂复掺、不同粒级的尾矿砂复掺、铁尾矿机制砂3种形式。而采用全尾矿砂配制的砂浆性能还有待提升，距市场完全认可还有一定距离。冶金行业为推广铁尾矿在砂浆中的应用，出台了YB/T 4185—2009 《尾矿砂浆技术规程》［22］。后續可加大标准建设力度，推广铁尾矿在砂浆中的应用。
2.3 路基材料
在修建公路时会消耗大量的土石方，特别是在路基工程中通常需要消耗大量的细砂、碎石。若能将铁尾矿应用于道路工程，不仅可以消耗大量的尾矿，而且可以减少对河沙等自然资源的消耗，在降低公路工程造价的同时，还具有良好的社会效益、环境效益。铁尾矿可应用于路底基层、基层及面层等。经过特定技术手段处理铁尾矿完全可以应用于道路建设中，多地已有成功应用案例。
杨青等［23］将铁尾矿、石灰、水泥按照不同配比制备成胶凝材料，探究铁尾矿在路基材料中的应用。结果表明，当水泥与铁尾矿的质量比为11∶100时，该路基材料的性能最好，7 d抗压强度为2.12 MPa，28 d抗压强度为2.34 MPa，在抗压强度、劈裂强度方面满足国标最低要求，但在水稳性能方面表现较差。从成本方面考虑，如果能够就地取材，其造价更为低廉。郭晓华［24］总结了国内近年来以铁尾矿作为路基材料的应用案例，例如：河北野兴公路，其将铁尾矿、石灰粉、粉煤灰作为原料，铺设了厚18 cm的路基层试验段，经过多年的实际使用，该试验段性能良好，完全符合公路使用标准;河北省省道平青乐线改建工程，公路全长39 km，采用水泥稳定铁尾矿碎石填料，同时配以天然碎石作为路基面层使用，经过精心养护后正常投入使用;辽宁省老宽线，在大修期间选择了两段公路做试验，长度分别为100 m和170 m，工程使用铁尾矿作为路基原料，并搭配其他建筑材料进行施工，截至目前，该试验段运行状况良好，验证了铁尾矿作为路基材料使用的可行性。
利用铁尾矿取代砂石料应用于道路工程建设，不仅能减少因铁尾矿带来的环境问题，而且可以减少石料的使用，节约资源，提升道路质量，但路用铁尾矿必须在合理的运输半径内才可以体现其优越性。因此，需要得到地方政府大力支持，多家单位协同合作才能有效开展项目。通过就地取材、试验论证等方式来实现绿色矿山建设。
3 建材类利用路径
3.1 制砖原料
铁尾矿在制砖方面有着天然的优势，粗粒级铁尾矿可作为骨料使用，细粒级铁尾矿可作为填料使用，能够极大地减少黏土矿的开采及土地资源的浪费。特细铁尾矿比黏土、粉煤灰等材料具有更高的比表面积，且粒度均匀，有较好的成型塑性。可利用现有的设备基础，仅通过调整配料比例、成型压力、养护制度等工艺参数就能实现尾矿砖的工业化生产。为推广铁尾矿在制砖中的应用，近年来中国出台了2项冶金标准：YB/T 4775—2019 《路面砖用铁尾矿》［25］、YB/T 4776—2019 《免烧砖用铁尾矿》［26］。
使用铁尾矿制砖已经有着相当成熟的工业应用，例如：宝武环科山西资源循环利用有限公司使用铁尾矿、粉煤灰、除尘灰等原料通过180 ℃～200 ℃、1.1 MPa的高温高压蒸汽养护，生产全固废尾矿砖，其产品抗压强度达到15 MPa以上，收缩率＜0.35%，吸水率＜17.8%。铁尾矿砖生产工艺流程见图4。
赵礼兵等［27］采用焙烧铁尾矿、水泥、粉煤灰制备的胶凝材料，以及2.36～4.75 mm粒级铁尾矿砂作为粗骨料，通过振动成型工艺制备免烧透水砖，并探究最佳的工艺路线。试验结果表明，最佳工艺参数为水胶比0.3、振动时间40 s、焙烧铁尾矿掺加量60%，在此条件下，透水砖的抗压强度最高达到15.44 MPa，透水率达到 2.58×10-2cm/s。该工艺能够实现铁尾矿的高掺量、高值化利用。陈永亮等［28］使用湖北地區的赤铁矿尾矿、黏土、粉煤灰作为原料，按照质量比84∶10∶6压制成型，通过干燥、加热（500 ℃～1 000 ℃）、保温（2 h）、冷却等4个过程制备烧结尾矿砖，并探究烧结过程中铁尾矿的固结机理。结果表明，在烧结初期加热阶段通过扩散传质实现固结，在烧结中后期主要在熔融液相的作用下实现晶体的重排，以此来达到强度要求。
3.2 加气混凝土材料
加气混凝土一般是指以粉煤灰为主要原料，掺加细磨生石灰及工业石膏，采用铝粉发气工艺，经过高温高压湿热养护而成的墙体填充材料，内置钢筋网片后可制成装配式一体板。加气混凝土的密度一般在500～600 kg/m3，是一种多孔型的轻质建筑材料，广泛应用于民用建筑领域，作为非承重墙体的填充材料使用。加气混凝土实物见图5。
随着技术的更新迭代，出现了许多以其他固体废
物为原料生产加气混凝土的工艺。史迪等［29］通过对鞍钢、首钢、燕钢产生的铁尾矿进行横向对比研究发现，鞍钢、首钢的尾矿中SiO2质量分数分别达到80.0%、72.6%，更适合作为加气混凝土的原材料使用。试验结果表明，在掺加量50%条件下，2种尾矿均可成功制备出干密度在500～600 kg/m3、抗压强度＞5.0 MPa的铁尾矿型加气混凝土。主要作用机理为：铁尾矿中存在大量的SiO2，在高温高压湿热环境下能快速地与石灰中的CaO发生水化反应生成致密的水化硅酸钙化合物，即Ca5Si6O16（OH）·4H2O（通常写作C-S-H），有利于强度的提高。2种尾矿制备的加气混凝土XRD谱图见图6。
罗立群等［30］使用低贫钒钛铁尾矿制备出强度为3.5 MPa、密度等级为B06的铁尾矿型加气混凝土砌块，通过XRD、扫描电镜、红外光谱等检测手段来探究铁尾矿在加气混凝土中的作用机理。试验结果表明，高温高压蒸养条件下，由于加气混凝土砌块中的CaO发生消解，产生Ca（OH）2，创造了碱性环境，使得铁尾矿中硅氧四面体的键合打开，转变成网状的聚合物结构，从而与其他反应物产生C-S-H凝胶、莫来石等硬化相，以此来提高强度。
综上可知，中国使用铁尾矿生产砖、加气混凝土等产品的工艺路线、设备基础非常完善。建议使用铁尾矿生产建筑材料时，一是铁尾矿原料的运输距离必须短，尽可能就地建厂，在半径300 km的区域内进行销售，减少转运产生的费用;二是铁尾矿的密度较大，会造成砖、加气混凝土砌块的密度偏高，因此适用于中低层的民用住宅或工业厂房建设。结合上述2条建议可知，铁尾矿生产建材是一条优质的利用途径，对于助力矿山所在的县、镇等区域发展基础建设有着重要作用。
4 矿井充填材料利用路径
中国尾矿充填采空区技术起步于20世纪 60 年代中期，其发展历程见图7。
目前，膏体充填工艺已成为矿山充填的主流，铁尾矿作为井下充填物，工艺简单、耗资少，能够有效降低矿山运营成本。一般来说，铁矿厂附近300 km的运输距离内，都会有钢铁冶金企业。因此，可将冶金企业产生的大量钢渣、高炉渣、各类除尘灰等通过改性处理后制备成胶凝材料与铁尾矿混合进行充填。随着时间的推移，钢渣可能会使充填材料产生微膨胀，可将未填满的矿井进一步充实。这不仅能够解决尾矿堆存带来的土地占用问题，避免环境污染，还能够防止矿山二次塌陷等地质灾害，实现冶金行业固体废物的高效治理。铁尾矿充填技术工艺流程见图8。
任真真［31］使用钢渣-矿渣-铁尾矿制备胶凝材料作为矿井的充填料，并研究其固结机理。结果表明，钢渣在机械研磨后具有较高的反应活性，7 d、28 d的活性指数能够达到65.60%、78.71%，同时具有一定的微膨胀性。因此，在钢渣-矿渣-石膏-铁尾矿的共同作用下能够发生水化反应，产生大量胶凝性物质，28 d抗压强度能够达到7.5 MPa，验证了全固废矿井充填材料的性能。
截至目前，铁尾矿充填技术已经应用于白象山铁矿、铜绿山铜矿、冬瓜山铜矿、金川镍矿、会宝岭铁矿等多个矿山的采空区治理［32］，是尾矿利用最直接的途径，通过就地取材、就近取材的方式，实现矿山清洁生产，具有广阔的应用前景。
5 结论与展望
对于矿山企业来说，治理尾矿必须站在“人与自然和谐共生”的高度进行全局统筹。因此，本文从铁尾矿高效利用的角度分析了铁尾矿利用的路径，得出如下结论：
1）中国目前已经有多种成熟的大宗化铁尾矿利用技术，如制备混凝土、砂浆、路基、砖、加气混凝土、充填材料等。因此，开发更大宗化、更高性能的新型铁尾矿利用技术是未来发展的必然趋势。
2）铁尾矿制品存在许多缺陷，尤其表现在强度、耐久性、市场接受度等方面。在市场上与同类商品竞争时往往处于劣势，制造类企业不愿意继续投资开发，科研单位的创新成果难以落地，造成恶性循环。因此，铁尾矿的利用需要得到政策的扶持和倾斜，尤其需要在人才培养、项目落地、经济收益、市场推广等方面下功夫。
3）铁尾矿利用需要因地制宜，各地区地理位置、铁尾矿性质差异较大，需要根据市场环境、运输半径、产品特点，开发合理的工艺路线。同时也需要设计、生产、应用等单位之间进行协作，才能共同发展。
综上所述，铁尾矿的综合利用研究要着眼于大宗化和高效化，以此来缓解矿山企业、冶金企业的生产压力，这对于建设高质量钢铁生态圈有着重要意义。
［参 考 文 献］
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Exploration of effective utilization paths for iron tailings resources
Qiao Bo1，Yu Xiaobing2，Tao Dongping1，Zhang Meixia3
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Shandong University of Science and Technology;
2.Shandong Jinfu Mining Co.，Ltd.; 3.Shanxi Resources Recycling Utilization Co.，Ltd.，Baowu Environmental Science）
Abstract：With the thriving development of China's steel industry，iron tailings have become one of the most deposited industrial solid wastes in China，the treatment of which has become a key link faced by mining and smelting enterprises.With the perspective of effective utilization of iron tailings resources，the paper discussed the current research status of iron tailings in China used as concrete raw materials，sand slurry raw materials，roadbed materials，brick fabrication materials，aerated concrete materials，mine backfill materials and so on，as well as the existing problems and outlook for future development，in hope that it can provide references for the comprehensive utilization of iron tailings.
Keywords：comprehensive utilization;tailings concrete;aerated concrete;binding material;iron tailings
