陶粒，即表面具有一层隔水保气的陶质层或釉质层，内部呈均匀多孔结构的陶质颗粒。因其具有质轻、高强、吸水率低、耐火耐腐蚀等多项优点，因此被广泛应用于建筑、滤料、花卉等领域中。铁尾矿陶粒即以铁尾矿为主要原料的陶粒，传统的陶粒原料一般为粘土、页岩。随着自然资源的日渐枯竭和尾矿堆存量的不断增加，以工业固体废弃物作为原料代替自然资源制备工业材料、建筑材料的研究越来越多。铁尾矿作为一类堆存量较大的矿山尾矿，其堆存现状及综合利用问题受到国内外广泛关注。
1 铁尾矿堆存现状及利用技术
1.1 铁尾矿堆存现状
铁尾矿作为我国主要的矿山尾矿之一，其堆存量高达十几亿t，占到矿山尾矿总量的近30%，而且仍以每年3亿t的速度在增加，但综合利用率还不到20%[1]，绝大多数尾矿仍旧堆存在尾矿库中。铁尾矿堆存将带来巨大的社会和环境问题，大量堆积的铁尾矿占用农田林地，污染环境，增加矿山企业生产成本。据统计，我国冶金矿山尾矿库每吨尾矿需要基建投资1～3元，生产经营管理费用3～5元[2]，这些费用直接反映在生产成本上，降低了企业利润。除此之外，随着尾矿库使用年限的增加，安全隐患日益增大，尤其是坝高超过100m的大型尾矿库，一旦发生事故，其造成的破坏程度不亚于地震、泥石流的破坏程度。自建国以来，我国己发生过大小不同的事故数十次，给人民的生命和财产带来重大的损失。
1.2 铁尾矿利用技术
目前矿山企业对尾矿的处理方式从经济效益和环境效益来看主要有安全环保技术、尾矿再选及有用金属回收技术和尾矿综合利用技术[3-6]3大类。
1.2.1 安全环保技术
安全环保技术主要包括尾矿干排、尾矿充填及尾矿复垦。这3类处理方式环境效益比较明显，经济效益较小或者短时间内没有经济效益，但对于矿山可持续发展具有重要意义。干排尾矿能够减少尾矿库的使用量，降低危害，增加安全系数，但没有从根本上解决尾矿利用的问题。尾矿充填使用的尾矿量较大，能有效提高矿山回采率，间接增加矿山的经济效益，可降低堆存量。尾矿复垦则是对尾矿土地进行适宜性评价后在尾矿之上种植适宜的树木或农作物。例如2009年山东科技大学与五矿矿业昌邑郑家坡铁矿有限公司合作，采用铁尾砂进行造地复垦工作，采取边筑坝边复垦的方式对项目所在区域的沼泽地进行复垦，项目周边新增364668.49m2土地，新增土地总价值约为2188万元，消耗堆存尾矿约148万t，为企业节省尾矿库建设及运行管理费用约1384.67万元，种植的沙棘、速生杨、大豆、花生等作物也获得了一定的经济效益，尾矿复垦环境效益明显高于其产生的经济效益。
1.2.2 尾矿再选、有用金属回收技术
尾矿再选即通过再磨再选以及浮选、反浮选等一系列工艺流程提取尾矿中剩余的铁矿以及金、铜、镍等有价金属组分。我国铁尾矿根据伴生元素的多少分为单金属铁尾矿和多金属铁尾矿，单金属铁尾矿中伴生元素含量极少，且其中的高硅型铁尾矿基本不含有价伴生元素，仅多金属铁尾矿中有价金属含量较多，提取价值较高。由于铁尾矿是选矿后剩余的一类工业固体废弃物，因此其非金属成分含量占到90%以上，提取的有价成分虽然可以增加经济效益，但达不到大量利用尾矿的目的，不能从根本上解决问题。
1.2.3 尾矿综合利用技术
尾矿综合利用技术主要有直接利用和高附加值利用2大类。直接利用即是将尾矿按粒度分离后直接作为筑路材料或者建筑砂使用。这种利用方式利用量较大，但售价低，低硅铁尾矿的市场售价大约为40元/t。高附加值利用方式主要是利用铁尾矿做新型墙体材料、水泥、微晶玻璃、陶粒等。这种方式处理的铁尾矿不仅经济效益显著，而且铁尾矿利用量大，能有效改善周围环境。因此寻求附加值高、综合利用率高的铁尾矿利用方式是如今国内外铁尾矿利用的主要研究方向。
铁尾矿陶粒不仅能够大量消耗铁尾矿，还能为建材行业输入新型材料，增加矿山循环经济效益，是尾矿综合利用的一种有效方式。
2 铁尾矿陶粒的研究现状
2.1 铁尾矿主要性质
铁尾矿是铁矿石经过选取铁精矿后剩余的固体废弃物，是一类成分较复杂的复合矿物材料。虽然各类铁尾矿中伴生元素的种类和数量存在差异，个别元素的含量也存在些微差别，但总体上来讲其主要矿物成分和化学成分大同小异。主要矿物成分有石英、辉石、长石、石榴石、角闪石及其蚀变矿物，化学成分主要为sio2、al2o3、fe2o3、cao、mgo等，此外还含有少量k2o、na2o以及s、p等。除高硅鞍山型铁尾矿平均粒度为0.04～0.2mm外，其余类型铁尾矿中粒度在0.074mm以下的数量约占50%，这极大地降低了原料处理过程中的磨矿量。几种铁尾矿与页岩中主要化学成分含量见表1。
表1 铁尾矿、页岩主要化学成分分析结果 %
|
成分 |
sio2 |
al2o3 |
fe2o3 |
cao |
mgo |
so3 |
烧失 |
|
|
含量 |
鞍山式铁尾矿 |
73.27 |
4.07 |
11.60 |
3.04 |
4.22 |
0.25 |
2.18 |
|
火山岩式铁尾矿 |
34.86 |
7.42 |
29.51 |
8.51 |
3.68 |
12.46 |
5.52 |
|
|
夕卡岩式铁尾矿 |
35.66 |
5.06 |
16.55 |
23.95 |
6.79 |
7.18 |
6.54 |
|
|
页岩 |
45～80 |
12～25 |
2～10 |
0.2～12 |
0.1～5 |
1.2～4.9 |
2.0～6.59 |
|
由表1可知，页岩中主要的矿物组成为硅酸盐类矿物以及石英、长石等，化学成分以sio2、al2o3为主，粘度系数较高[7]。铁尾矿在化学成分和含量上与页岩比较相近，粘度系数较低，因此在添加合适外加剂以及适当焙烧工艺的条件下理论上能够形成陶粒。
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