（矿业工程专业论文）综合利用齐大山铁矿矿业废渣生产烧结空心砖的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 综合利用齐大山铁矿矿业废渣生产烧结空心砖的研究 摘要 论文选取齐大山铁矿矿业废渣为研究对象，以综合利用齐大山铁矿矿业废 渣生产烧结空心砖为出发点，采用理论分析、试验研究及技术经济分析相结合 的研究路线，利用现代测试手段和分析方法，分析金属矿山剥离废渣中的绿泥 石、千枚岩制取空心砖的原料可行性；试验研究了铁矿矿业废渣掺量及尺寸效 应对空心砖物理、力学性能的影响。结合市场调研，从技术经济的角度论证项 目的技术可行性和经济合理性。 通过对剥离废弃物中的千枚岩和绿泥石的化学成分检测、矿物组成分析及 物理性能测试，分析了原料的性质和评价了利用剥离废弃物制砖的可行性；通 过实验室内基础试验研究，优选了用其制砖的合理配比范围；烧成基础实验及 分析测试结果表明：制砖原料的配比范围为千枚岩( 1 5 5 0 ) + 绿泥石( 6 5 3 0 ) + 煤矸石( 2 0 ) ，最佳焙烧温度范围9 7 0 1 1 4 0 0 c ；原料配比范围宽，焙烧 温度适中，故用其作为生产烧结空心砖的原料切实可行；经合理配比，调节坯 体颗粒组成、矿物组成、可塑性指数及干燥与焙烧敏感性，采用适合的原料制 备和成型、焙烧工艺，利用齐大山矿剥离废弃物生产承重和非承重烧结空心砖， 原料利用率可达1 0 0 。 对齐大山铁矿矿业废渣生产空心砖项目进行了工艺技术研究和经济指标分 析，对项目的生产线方案和投资回收期，投资利润率和收益率等经济技术指标 研究结果表明：投资矿山废弃物生产空心砖生产线方案技术可行、工艺可靠、 经济合理，不仅具有很高的经济、社会效益，并具有较强的抗风险能力。 综合利用齐大山铁矿矿业废渣生产烧结空心砖，利废节能，治污排患，符 合国家资源综合利用的政策，产品市场前景广阔，将为企业调整产业结构、培 植非矿产业新的经济增长点开辟新途径。 关键词；齐大山矿矿业废渣烧结空心砖资源综合利用技术经济分析 ，i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o nt h es i n t e r e dh o l l o wb l o c kb a s e do n c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o nw i t ht h ew a s t eo f q i d a s h a no p e n p i tm i n e a b s t r a c t t h ef c a s i b i l i t ys t u d yo nt h ep r o d u c t i o no fs i n t e r e dh o l l o wb l o c k sr a wm a t e r i a l i sa n a l y s i z e db ye x t r a c t i n gt h ec h l o r i t ea n dt h eh y a i t ef r o mt h ew a s t eo fq i d a s h a n o p e n d “m i n ew i t ht h em o d e m t e s tm e t h o da n da n a l y t i e a p r o c e d u r e w h i c hi sb a s e d o nt h ei n t e g r a t i o nw i t ht h et h e o r y a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n a n d c o s t e f f c c t i v e n e s sa n a l y s i s a tt h es a m et i m e t h ei n f l u e n c eo f t h em i n ew a s t ec o n t e n t a n dd i m e n s i o n a le f f e c to nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o n t l a n c ec o m e so u tb v t c s ts t u d y f i n a l l y , t h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t ya n de c o n o m i cr a t i o n a l i t yi sd e m o n s t r a t e d a tt h ep o i n tf r o mt l l et c c h n i c a le c o n o m y t h ep r o d u c t i o nf e a s i b i l i t yo ft h es i n t e r e dh o l l o wb l o c kw i t ht h em i n ew a s t ei s e v a l u a t e da n dt h ep r o p e r t yo fr a wm a t e r i a li sa n a l y s i z e db yt h es t u d yo nt h ec h e m i c a l c o n s t i t u t i o n ，m i n e r a lc o m p o s i t i o na n dp h y s i c a lp r o p e r t yo ft h ec h l o r i t ea n dt h e h v a l i t ee x t r a c t e df r o mt h ew a s t eo ft h em e t a lm i n e o nt h eo t h e rh a n d 。t h ep r o p e r m a t c hr a n g ei sa c h i e v e dt h r o u g hi n d o o rt e s t t h ep r o p e rm a t c hr a n g ef o rr a w m a t e d a lo fs i n t e r e dh o l l o wb l o c k i s ( 1 5 6 0 ) h y a l i t e ，( 6 5 3 0 ) c h l o r i t e ， f 2 0 ) g a n g u ew i mt h eo p t i m u mt e m p e r a t u r e9 7 0 - 11 4 0 。c n l ew i d em a t c hr a n g e a n dm o d e r a t ec a l c i n a t i o n st e m p e r a t u r eg u a r a n t e e st h ef e a s i b i l i t yf o rt h ep r o d u c t i o n o fr a wm a t e r i a l n 心u t i l i z a t i o no ft h em i n ew a s t ec a nb e1 0 0 b a s e do na c t a p t i v e p r o d u c t i o n , e o n f e c t i o n i n ga n dc a l c i n a t i o n st e c h n o l o g yo fl a wm a t e r i a lb ym e a n so f p r o p e rm a t c h ，m o d e r a t ea d j u s t m e n t f o rt h ee m b r y oa n dm i n e r a lc o m p o s i t i o n ， p l a s t i c i t yi n d e x ，d r y i n ga n dc a c i n a t i o n ss e n s i t i v i t y t h er e s e a r c hc o n s e q u e n c e b a s e do nt h ea n a l y z ei nt e c h n o l o g ya n de c o n o m i c i n d e xw h i c hi n c l u d e st h ep r o f i ta n de a m i n gr a t ea n ds oo n s h o w st h a tt h ep r o d u c t i o n t e c h n o l o g yi sf e a s i b l e ，r e l i a b l e ，e c o n o m i cw i t l lh i g h e re c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t a n ds t r o n g e ra n t i - r i s kc a p a b i l i t y t h et e c h n o l o g yt h a tt h es i n t e r e dh o l l o wb l o c ki sp r o d u c e db yt h em i n ew a s t e f i t s 也ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o np o l i c yo fn a t i o n a le n e r g y o nt h eo t h e rh a n d t h e p r o d u c t i o n so w ne x t e n s i v ep r o s p e c t ，w h i c hc a np a v et h er o a df o rt h er e g u l a t i o no f i n d u s t r i a ls t r u c t u r ea n dt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i cg r o w t hi nt h en o n m i n e e n t e r p r i s e k e yw o r d sw a s t eo fq i d a s h a no p e n p i tm i n e ，s i n t e r e dh o l l o wb l o c k ，r e s o u r c e c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n ，t e c h n i c a la n de c o n o m i ca n a l y s e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：履堰滓 f 日期：似工， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 在当今世界经济、社会发展面临的三大问题( 人口、资源、环境) 中，矿业 废渣就与其中的两项有关。因此，综合利用矿业废渣资源，使之变废为宝、变害 为利，对于节约资源，改善环境，提高效益，促进经济增长方式的转变，实现矿 产资源的优化配置和矿业可持续发展，具有十分重要的作用【l 】。 我国是个矿业资源大国，据不完全统计，我国金属矿山积存的尾矿8 0 亿吨， 其中煤矸石3 0 亿吨，金属矿山堆存矿业废渣5 0 亿吨，每年递增各类矿业废渣3 亿吨以上。每年矿山开采产生的固体废物占全国工业固体废物排放量的8 5 以 上。矿业废渣排放物不仅占用了大量的土地，还污染了环境，尾矿坝也险况常现。 另据我国4 0 0 多个尾矿库统计，排放的矿业废渣直接污染土地上百万亩，间接污 染上千万亩。故如何综合利用这些矿业废渣资源，保护好我国的环境成为了亟待 解决的问题。中国2 l 世纪议程明确把“尾矿的处置、管理及资源化示范工程” 列入优先领域的优先项目计划；国家发展计划委员会和科学技术部发布的当前 优先发展的高技术产业化重点领域指南( 2 0 0 1 年度) 第六领域“先进环保和资源 综合利用”第1 0 1 项“工业废弃物资源综合利用”明确指出：“尾矿、冶炼渣、煤 矸石、粉煤灰等工业固体废弃物的大量堆存，不但对生态环境带来巨大危害和严 重的安全因患，同时也是对资源的一种浪费。”我国工业固体废弃物资源的综合 利用具有一定的技术基础。由于矿业废渣是一种复合矿物原料资源，其化学成分 主要以f e ，s i ，m g ，c a , a 1 的氧化物为主，细度已达o 5 m m 以下，小于o 0 7 4 r a m 的 占4 ( w o 以上，与建筑材料领域所用原料十分接近，是一种已经加工成细粒的天然 混合材料。正是由于尾矿的颗粒微细和多组分混合的特性，所以在建材领域利用 尾矿比其它领域利用其提纯有用矿物具有更多的优点。如姑山铁矿用细粒尾矿制 造免烧砖，仅1 9 8 8 年就获利1 4 2 万元，节约尾矿占地费排放费8 0 万元：马鞍山 市黄梅山铁矿从尾矿垮坝事故中汲取教训，研制成利用尾矿制造棕色墙地砖，年 处理尾矿4 0 0 0 吨，获利2 7 5 5 万元；黑龙江省双鸭山市建成用煤矸石制砖的系列 生产线，并生产成套设备推广成套技术等。铁矿矿业废渣的综合利用，可以大量 利用矿业废渣资源，变废为宝，而且可以大量节省水泥、粘土和砂等宝贵资源。 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 制成的混凝土制品可大量应用于道路面层、制成墙体材料，市场前景非常广阔。 据统计资料，上世纪9 0 年代，发达国家人均住房面积为4 8 6 m 2 ；其中美国 6 0 m 2 ，英国3 8 m 2 ，德国3 8 m 2 ，法国3 7 m 2 ，同本3 1m 2 ：中等收入国家2 0 1 m 2 ： 低收入国家8 m 2 。截止2 0 0 0 年底国内人均住房面积为2 0 4 m 2 ，刚好处于中等收入 国家人均水平上。世界各国的经验表明：在人均住房面积达到3 0 3 5 m 2 之前，会 保持比较旺盛的住房需求。建筑业是我国国民经济的支柱产业，“十五”期间， 随着国民经济的持续、快速、健康发展和消费市场需求的变化，居民住宅将成为 新的消费热点。据预测，我国全社会房屋年竣工面积将达到1 8 2 0 亿m 2 ，建筑业 增加值年均约7 ，5 0 0 亿元。其中城乡住宅年需求量将保持在1 3 1 5 亿m 2 左右，住 宅产业的投资增长率已远远大于g d p 的年均增长率，这为新型墙体材料的发展带 来了新的机遇和广阔的市场前景。 目前我国城镇化水平只有3 2 ，与世界中等发达国家4 9 的比例差距很大。 “十五”期间我国城镇化水平已有较大的提高，新型墙体材料工业应当充分利用 这一有利时机，扩大新型墙体材料应用的市场空间。我国上海、北京等大城市加 快现代化建设的步伐，特别是北京成功申办2 0 0 8 年奥运会都将推动新型墙体材 料的发展。据预测2 0 0 5 年全国新型墙体材料产量将达到3 ，0 0 0 亿块，比2 0 0 0 年 增加9 0 0 亿块，年均增长速度为8 ；淘汰实心粘土砖生产企业2 万家，减少产 量6 0 0 亿块，实心粘土砖总量控制在4 , 5 0 0 亿块年以内，累计节约土地1 1 0 万 亩，节能8 , 0 0 0 万吨标准煤，利用矿业废渣3 亿吨。 “十五”是新型墙体材料的快速发展时期。2 0 0 0 年，新型墙体材料产量达 2 ，1 0 0 亿块( 标准砖，下同) ，占墙体材料总量的2 8 ，比1 9 9 5 年提高1 2 个百分 点。实心粘土砖由1 9 9 5 年的6 ，3 0 0 亿块减少到2 0 0 0 年的5 , 4 0 0 亿块。累计节约 土地近4 0 万亩、节能6 ，0 0 0 万吨标准煤、利用废渣2 亿吨，实现新型墙材建筑面 积2 亿m 2 ，节能建筑面积7 , 4 7 0 万m 2 。 结构调整是“十五”时期经济工作的主线，用新型墙体材料代替“秦砖汉瓦” 是建材工业结构调整的重要内容。积极推广应用新型墙体材料，用先进技术和装 备改造传统产业，提升墙体材料行业的整体水平，提高建材产品的质量和档次。 是“十五”建材工业发展的方向，这为新型墙体材料的发展创造了十分有利的条 件。除到2 0 0 3 年6 月3 0 臼以前禁止使用实心粘土砖的1 7 0 个城市外，所有省会 城市在2 0 0 5 年底以前全面禁止使用实心粘土砖，以此带动各地淘汰实心粘土砖 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 和发展新型墙体材料工作。在大中城市禁止使用实心粘土砖的基础上，要把禁用 范围向三个方面延伸：一是由大中城市向小城市和城镇延伸；二是由城镇住宅向 农村住宅延伸；三是由民用建筑向工业建筑延伸，实施强制性淘汰措施。 可见，新型墙体材料替代粘土砖已是必然的发展趋势。 1 2 国内外矿业废渣综合利用情况 当前，随着地球资源的不断减少和人们环境意识的增强，世界各国都十分重 视对尾矿的综合利用。尤其是工业发达国家，他们投入大量人力物力广泛开展对 尾矿的综合利用，并把利用程度作为衡量科学技术水平和经济发达程度的标志【3 l 。 各工业化国家把无废料矿山作为矿山开发目标【4 】，广泛开展对矿业废渣的综合利 用研究，尤其是在利用尾矿研制生产建筑材料方面取得很大成果。俄罗斯、美国、 日本和加拿大等国最为突出。 1 2 1 国外利用矿业废潦研制生产建材的现状 对于矿业废渣建筑材料的开发研究，国外起步较早。 早在2 0 世纪6 0 年代，前苏联己开始利用矿业废渣研制生产建筑材料，现俄 罗斯选矿厂尾矿用作建筑材料约占6 0 【5 1 ，现己用尾矿制造建筑微晶玻璃、耐化 学腐蚀玻璃等制品【6 】，同时研制生产各种矿物胶凝材料和墙体材料，俄罗斯克里 沃罗格铁矿将尾矿中粗级别颗粒( 1 4 m m ) 用作重混凝士的骨料，并用于生产粘 土一硅酸盐渣砖等；小于1 4 r a m 的尾矿可适当代替天然砂，作密实的硅酸盐、蒸 压和非蒸压硅中的充填剂以及制备混凝土时代替部份水泥等【5 】。 俄罗斯最大的铁矿基地之一库尔斯克磁力异常区【l 】，对尾矿进行了合理利用， 其利用率达1 5 左右，矿区建起了水泥厂和硅酸盐玻璃厂等，取得了较好经济效 益；高加索矿物研究所，用尾矿生产硅酸盐砌墙材料、蒸压硬化饰面材料和沥青 混凝土等，并列出了以铁矿石生产中产生的废料为基础的新企业与原有建材企业 的主要技术经济指标比较，从中可看出：充分利用矿业废渣作为生产各种建材产 品的原料是经济和合理的。 俄罗斯科夫多尔和卡齐纳尔采选公司对低品位铁矿石选矿尾矿进行研究表 明：尾矿中含有大量硅酸镁类矿物( 镁橄榄石和辉石) ，而且尾矿中含有不同粒 级的超基性成份，经过深入研究发现，利用这些尾矿采用不同的生产工艺，除生 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 产矿物性胶凝物质外，还可以生产蒸压材料、饰面陶瓷、混凝土和掺合料等，其 中尤以生产矿物性胶凝材料物质最有代表性【_ ”。显微镜下对矿物性胶凝物质研究 表明：在正常硬化条件下辉岩的水化活性较弱，7 天后辉岩样的抗压强度o 1 5 m p a ， 加入2 5 石漉为1 2 m p a ，2 8 天后为5 0 m p a ；通过大量实验证明，硅酸镁具有胶 凝性质，而这些性质又与化学一矿物学成份、存在的杂质及其形成条件有关，在 不同情况下它们的化学一矿物学成份均有较大变化，对产品的性能有不同程度的 影响，其中尤以添加剂和矿物杂质的影响最为显著，基于这些研究，为充分利用 铁矿尾矿生产多种混合胶凝物质奠定了基础。目前，俄罗斯研制的混合胶凝物质 的特点是，充分利用含有硅酸镁的尾矿进行生产制备，生产中加入石灰和水泥作 活性添加剂，加入石灰可得到石灰橄榄石水泥或石灰辉岩水泥，其尾矿利用率 可达7 5 左右，通过对水泥的物化性能及耐久性测定，各项指标达到了要求，工 程应用中己使用这种水泥生产配筋建筑砌块。生产工艺简单，有较好的技术经济 效益。 与俄罗斯相比，加拿大利用尾矿研制生产建筑材料方面也积累了一定经验， 尤其是在利用铁尾矿研制墙体材料方面最具特色，c o l l i n g s r k 等人【8 】曾研究用 铁尾矿与石灰按一定比例混合制成千压灰砂砖，应用效果良好。加拿大魁北克矿 山将尾矿磨细至7 4 i _ a n ，并添加1 的木质磺酸钙作粘结剂，加压成型后在高温下 制成硅砖，达到了预期的效果。 美国矿业生产的废料有2 3 0 亿吨，除从废石中回收萤石、长石和石英等用于 其它工业部门外，目前，绝大部份用作混凝土骨料、地基及沥青路面材料【9 1 ，同 时也有人利用铁隧岩的尾矿制成密度可予控制的轻质砖【9 】，从而为尾矿在轻质建 材方面的利用找到了一条途径。 日本y a g i 和s e i e h i 等【9 将尾矿与1 0 硅藻土混合成型，并在1 1 5 0 。c 煅烧，研 制出轻质骨料，其密度为1 7 7 9 c m 3 ，抗压强度8 , 3 3 m p a 。鸟克兰b r 穆辛1 9 对含 铁石英岩的选别尾矿进行了研究，所做的各项研究工作以及在生产中实施所取得 的研究结果表明：含铁石英石的选别尾矿可按以下方式加以利用： o 1 4 m m 粒级 尾矿用作重混凝士建筑砂料， o 0 4 m m 粒级尾矿用来生产气孔玻璃和泡沫玻璃， 0 1 4 0 0 4 m m 粒级尾矿用来制备胶结充填料的混合粘接组份及生产泡沫混凝士 等。由于尾矿的物理化学性质与传统的建筑材料是不同的，通过尾矿大量的分析 测试为其作为原料生产建筑材料提供了科学依据。 4 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 从国际方面看，虽然各国的应用方向和利用程度各不相同，但都对矿业废渣 的开发利用十分重视。 1 2 2 国内矿业废渣的综合利用情况 我国对矿业废渣的开发和利用也非常重视，在国家计委和国家科委制定的 “中国2 l 世纪议程”中1 1 0 】，己将矿业废渣的开发和利用，作为今后支持发展的 内容之一。近几十年来，我国在矿业废渣研制和应用方面取得了批重要成果， 主要集中于以下几方面：利用矿业废渣生产墙体材料；利用矿业废渣生产水泥； 利用尾矿生产玻璃与玻璃质制品；利用矿业废渣生产建筑陶瓷制品；利用矿业废 渣制作无机人造大理石：利用矿业废渣生产耐火材料；用作混凝土粗细骨料和建 筑用砂；用于铺筑路基、基础垫层材料和路面沥青掺混料等。 目前我国墙体材料( 9 0 以上为粘土砖) 生产能耗和建筑采暖能耗约占全国 总能耗的1 5 ，每年烧砖毁田在6 7 0 0 万m 2 以上，这与我国社会和经济的可持续 发展极不相称，国家计委和科委等制定的“中国2 1 世纪议程”将矿业废渣利用 作为今后发展的主要内容之一。目前，我国铁矿矿业废渣的利用集中在以下几个 方面： ( 1 ) 用于研制生产水泥； ( 2 ) 用于生产建筑玻璃及微晶玻璃； ( 3 ) 用于生产建筑陶瓷； ( 4 ) 用于研制生产墙体材料，如蒸养砖、烧结砖以及面砖等； ( 5 ) 用作道路材料。 鞍钢矿山公司大孤山选矿厂自1 9 7 9 年就开始利用矿业废渣为主要原料进行 尾矿蒸养砖的试验研究1 1 】，该砖对原料有一定要求，其主要原料以含铁尾矿为主， 加入适量的c a o 活性材料，经一定的工艺制得。经反复研究试验，达到了国家规 定的蒸养灰砂砖标准。尾矿蒸养砖的反应机理是：尾矿粉、生石灰、水混合搅拌 后，生石灰遇水消解成c a ( o h ) 2 ，砖在蒸压处理时，c a ( o h ) 2 在高压( 8 k g e m 2 ) 饱和水蒸汽条件下与s i 0 2 进行硬化反应，生成含水硅酸钙即硬硅酸钙石及透闪 石，使砖产生强度。该尾砂蒸养砖的主要技术参数是：抗压强度1 4 7 1 , - + 2 9 4 1 m p a ， 抗折强度3 0 4 0 7 9 m p a ，容重1 9 3 4 2 0 0 0 k g m 3 ，抗压性、耐久性等均符合要求。 中南工业大学章庆和等人 1 羽也对尾矿进行了蒸养砖的研究，试验主要采用常 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 压蒸养固结的方法，并对尾矿的机理、工艺流程等进行了研究，该尾矿是铁矿石 经还原焙烧再磁选后的废弃物，其化学组成为s i 0 25 2 7 4 ，c a 0 21 8 ，m g o 0 1 6 ，a 1 2 0 31 7 ，粒度较细，砖的反应机理为：由于该尾矿是铁矿石经过还 原焙烧后再磁选的产物，尾矿中含有一定量活性s i 0 2 和活性a 1 2 0 3 ，在蒸养条件 下，可进行一定反应，生成一系列的水化产物，使制品固结并具有良好的物理化 学性能，试验采用了一次回归正交试验，并通过计算机处理对其配方进行了优化， 最后得到的最佳配方是：在尾矿中添加改性胶结剂1 4 1 6 ，生石灰1 5 1 6 ，水份 1 6 - - - 1 7 ，作者最后得出抗压强度和冻融强度损失各因子的回归方程。 南京梅山铁矿是我国较大的铁矿山，该矿山用细粒尾矿再选，获得铁精矿 ( f e ，5 2 ) 和中矿( f e ，3 4 ) 后，排出的最终尾矿用于烧制尾矿砖【1 3 】。所用 尾矿化学成份为s i o z2 9 1 3 ，c a o9 5 5 ，m g o3 2 ，a 1 2 0 38 7 4 ，尾矿在烧 结砖中的掺量为1 0 ，砖坯在窑中焙烧3 天后制成的尾矿砖呈铁红色，无开裂变 形等现象，其抗压强度达到5 8 8 6 8 7 m p a ；同时利用尾矿和粘土混合制成砖，尾 矿掺量达5 0 ，该砖抗压强度达到6 8 7 0 8 5 m p a ，超过了普通粘土砖指标。 彭建平等人【”】利用山东金岭铁尾矿进行了灰砂砖的试验研究，该砖以尾砂为 主，配以适量水泥，经搅拌均匀，再加入少量粘接材料进行碾压以提高其表面活 性，经一定的工艺而制成成品，该砖达到了免蒸免烧，同时工艺简单，成本较低， 并通过技术鉴定。 潘一舟等人【h 】利用含铝铁尾矿代替部份水泥用原材料，进行配制水泥的试验 研究，通过对尾矿的分析表明；尾矿含有大量的s i 0 2 ，c a o , f e 2 0 3 ，m g o ，a 1 2 0 3 等氧化物，试验研究通过运用x 射线衍射、差热分析、电子显微镜等多种实验手 段，对熟料试样进行了宏观、微观分析研究，提出了微量元素铝在水泥熟料形成 过程中的作用机理，从铝铁矿的化学元素成份看，作为水泥原材料s i 0 2 含量偏高 ( 约3 5 5 0 之间) ，a 1 2 0 s 含量偏低，按水泥生产的常规配方，尾矿掺量极为有 限，如果改变其它原料采用高铝质粘士配料，会增加生产成本，达不到有效利用 尾矿降低生产成本目的，为此在实验室研究基础上进行了工业性试验，探索出了 适合于工厂生产的工艺参数和尾矿掺量并在试生产中成功，收到了明显的经济效 益。 我国生产建筑玻璃和建筑陶瓷已有多年历史，但用尾矿研制生产建筑玻璃和 建筑陶瓷则是近几年才开始的，建筑玻璃和建筑陶瓷是用铝硅酸盐矿物和某些氧 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 化物作主要原料，在一定的温度和气氛中烧制而成，其传统原料包括可塑性原料、 瘠性原料、熔剂原料、釉料和着色剂等。 唐仲民【4 1 利用栗木锡矿摇床尾矿，将尾矿成份控制在一定范围：s i 0 2 7 7 6 8 3 8 3 、a 1 2 0 39 0 8 1 2 9 0 、f e 2 0 30 1 5 0 3 0 、n a 2 01 8 , - 4 0 7 、 k 2 02 4 1 3 1 4 等。由于尾矿中含s i 0 2 ，k 2 0 ，n a 2 0 高，将其用于生产玻璃的 主要原料，己供应广州、湛江、梧州几家玻璃厂，生产出了优质产品，同时尾矿 中s i 0 2 ，k 2 0 ，n a 2 0 高亦可作为制作硅砖的优质原料。中国地科院尾矿中心【l 副， 利用首钢铁矿尾矿研制烧出优美的棕色工业陶瓷和日用陶瓷，取于导较好效果。 1 2 3 发展趋势 矿业废渣是一种复合矿物原料，可生产多种建筑材料，我国在利用矿业废渣 研制生产建筑材料方面己开展了大量研究工作，但仍存在不少问题，总的来说， 由于尾矿在制作砖等建筑材料时，常会出现固化反应困难，胶浆与尾矿的握裹力 差，粒级配比不合理，材料收缩性强等问题3 1 ，导致制品初始强度低，成品率低， 且在硬化过程中易出现微裂纹等【1 2 】，致使尾矿砖制品质量不稳定，不能有效阻止 和封闭砖内有毒有害组份向外迁移和渗透等 引，在一定程度上影响了尾矿砖制品 的推广应用。 根据目前情况，本世纪后叶我国一些企业将面i 临无米之炊的危险，一些资源 将日益枯竭，因此，加强矿业废渣在建材领域的应用是缓减我国资源不足的有效 途径。矿业废渣利用是一项多学科、多层次、多因素的系统工程，也是带有战略 性的大课题。关系着经济建设的可持续发展，相信2 1 世纪矿业废渣在建筑材料 领域的利用必将开发出更新的产品，使建材产品由传统型向高效、多功能、装饰 型发展，满足对建筑使用功能和节能环保要求i l “”j 。 因此，根据目前矿业废渣资源化处理的现有技术水平和发展趋势【l8 1 9 】，结合 矿业废渣的性质特点和未来环保发展要求，对矿业废渣制作砖等建筑材料进行相 应的技术攻关：通过深入系统研究，研制能有效提高矿业废渣砖制品固化速度及 强度，耐老化、抗渗透等性能制砖药剂，阻止有毒有害元素的渗漏，克服矿业废 渣砖制品存在的缺陷；研究成功低能耗、低成本、无污染的制品成型技术：初步 形成一套药剂制度与成型工艺配套的制砖技术，从而为提高我国矿业废渣资源化 处理技术和综合效益创造条件，显然是必要的。此外，及时研究开发矿业废渣制 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 作砖等建筑材料技术对消除尾矿对经济发展和环境造成的不良影响，强化废渣资 源化开发强度，有效解决矿业废渣堆放的不合理局面，改善矿山企业经济运行态 势都将起到良好促进作用。 1 3 空心砖的发展及应用 从本质上看，砖属于陶；从应用上看，砖瓦属于建筑材料，故应称之为陶 质建筑材料。我国最早的建筑材料是商代早期出现的陶水管，到战国时期又出 现了砖，待至秦汉，砖瓦烧制工艺得到了很大的发展，遂有“秦砖汉瓦”之美 称而享誉世界。我国的第一块空心砖一空心大砖，就出现于秦汉时代。 我国的空心砖虽然出现较早，但使用推广基本上是近三十年才开展，1 9 6 5 年 空心砖仅占1 ，1 9 7 4 年空心砖占总量的3 8 ，一直到现在也仅占8 左右。目前， 就全国范围来讲，空心砖的发展还很不均衡，空心砖在建筑中的应用仍不够广 泛。从原料上看，制砖基本上以粘土为主；四川、广东、山东等地砖厂，也有 以页岩、煤矸石和粉煤灰为原料 5 】。国内虽有蒸压、兔烧方法以工业废料为原料 制砖，但强度低，吸水量大，重量比粘土砖重，另外，蒸压免烧砖需加c a o ，而 c a o 对于砖的耐久性不好，时间长易泛霜、剥落等。因此，其使用范围受到限制。 八十年代末，国内开展了国外先进技术的引进消化工作，在砖瓦行业逐步 推广使用了真空挤泥、隧道式人工干燥、隧道窑焙烧、自动码坯等新技术，使国 内砖瓦行业的机械化和自动化水平上了一个新台阶。制砖设备与技术的进步提高 了资源的可利用性，目前，国内虽然制砖基本上仍以粘土为主，但新建砖厂已 充分重视了资源的综合利用，已成功的用煤矸石、粉煤灰、页岩等工业废料生产 空心砖。然而，目前为止，未见有用矿业废渣制空心砖的报道，本文用矿业废渣 制空心砖的设想，在我国制砖技术的提高、先进设备的引进的条件下，以及随着 用工业废弃物制砖经验的积累，用矿业废渣制砖将会变得可行。 建筑工程中应用空心砖有许多优点； ( 1 ) 生产方面：原料、燃料省，干燥周期短，烧成速度快，生产成本低( 省 土、节能2 0 5 0 ) ； ( 2 ) 施工方面：材料用量小，砂浆少，费用低，砌筑效率高： ( 3 ) 建筑物使用方面：保温隔热和透气性能好，给人以居住舒适感； 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 效益方面：结构自重轻( 可减轻自重1 0 2 0 ) ； ( 5 ) 建筑节能方面：可以实现建筑部提出的节能5 0 的小康住宅标准。 这些优越性，已经被国内外大量的工程建设实践所证明。所以，随着城市建 设、改造步伐的加快，安居工程的开展及限制粘土砖使用政策的深入实施，使工 业废弃物空心砖产品有一个长期看好的市场前景；预测至少在2 0 1 0 年以前，烧 结空心砖制品的市场看好。并且，随着建筑业成为我国国民经济的支柱产业，建 筑产业，尤其是新型材料将成为建筑物的重要产业。 目前我国城镇化水平只有3 2 ，与世界中等发达国家4 9 的比例差距很大。 “十五”期间我国城镇化水平将有较大的提高，新型墙体材料工业应当充分利用这 一有利时机，扩大新型墙体材料应用的市场空间。我国上海、北京等大城市加快 现代化建设的步伐，特别是北京成功申办2 0 0 8 年奥运会都将推动新型墙体材料 的发展。据预测2 0 0 5 年全国新型墙体材料产量将达到3 , 0 0 0 亿块，比2 0 0 0 年增 加9 0 0 亿块，年均增长速度为8 ；淘汰实心粘土砖生产企业2 万家，减少产量 6 0 0 亿块，实心粘土砖总量控制在4 , 5 0 0 亿块，年以内，累计节约土地1 1 0 万亩， 节能8 , 0 0 0 万吨标准煤，利用废渣3 亿吨。 “十五”是新型墙体材料的快速发展时期。2 0 0 0 年，新型墙体材料产量达2 ，1 0 0 亿块( 标准砖，下同) ，占墙体材料总量的2 8 ，比1 9 9 5 年提高1 2 个百分点。 实心粘土砖由1 9 9 5 年的6 , 3 0 0 亿块减少到2 0 0 0 年的5 , 4 0 0 亿块。累计节约土地 近4 0 万亩、节能6 , 0 0 0 万吨标准煤、利用废渣2 亿吨，实现新型墙材建筑面积2 亿平方米，节能建筑面积7 , 4 7 0 万平方米。“十五”期间，我国将新建城镇住宅及 其它建筑总计5 2 2 亿平方米，增体材料在建材中消耗量最大，以标砖记1 2 2 8 8 亿块，其中9 5 以上仍为实心砖，国家规定2 0 0 2 年取消以粘土烧砖，各省及不少 市县都制定有关法令，不允许使用实心砖建设框架式构筑物，市内零米以上工 业、民用建筑物禁用粘土砖，并配有以经济手段制裁。 建设部要求我国空心砖产量年达2 0 以上；除到2 0 0 3 年6 月3 0 日以前禁 止使用实心粘土砖的17 0 个城市外，所有省会城市在2 0 0 5 年底以前全面禁止使 用实心粘土砖，以此带动各地淘汰实心粘土砖和发展新型墙体材料工作。在大中 城市禁止使用实心粘土砖的基础上，要把禁用范围向三个方面延伸：一是由大中 城市向小城市和城镇延伸；二是由城镇住宅向农村住宅延伸；三是由民用建筑向 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 工业建筑延伸，实施强制性淘汰措施。同时，国家有关部委明令限期取缔用粘土 烧砖，以保护耕地。这些表明，随着建筑用空心砖的优越性的验证、环保政策的 深入人心、新型建筑材料需求的加大，尾矿空心砖制品面临一个十分广阔的市 场。 1 4 论文选题背景 鞍钢集团齐大山矿目前已形成2 0 0 0 万吨岩矿的年生产能力，矿体上覆盏的 绿泥石，在采矿时当作废渣剥离，与脉石千枚岩一起混排至排土场露天堆存，每 年需剥离排放绿泥石4 0 0 万吨、千枚岩3 5 0 万吨，不但浪费了宝贵的可制砖原料， 而且产生许多潜在的危害( 滑坡、飞尘等) 。随着开采强度加大，大量的剥离废弃 物增加了排土场维护费用和剥离、运输压力，其堆置存放占用土地、污染环境，矿 山废弃物排放产生的社会及环境逆效应，严重困扰着企业，日益成为制约成为制 约企业可持续发展的一大难题。在资源日渐枯竭、环境意识日益增强的今天，解 决困扰的根本出路必须依赖于二次资源的开发利用，矿业废渣综合利用已成为矿 业持续发展的必然选择。 近年来，制砖工艺及设备的改革和进步，为矿山废弃物综合利用提供了可能 性；随着城市建设的发展和建筑节能的需求，鞍山地区近年来建筑材料( 尤其是 节能型墙体材料) 市场出现了滞后于建设发展需求的局面。由于空心砖具有良好 的承重、保温、防火、隔音性能，使得传统建筑模式发生改变，逐渐形成了一种 新的建筑体系。用矿山剥离废弃物生产新型墙体材料烧结空心砖，既可大宗消耗 矿山废弃物，增收节支，又可为企业开辟新的经济增长点；且本项目环保利废， 在取得可观经济效益的同时，又有良好环境与社会效益，符合国家的新型墙体材 料革新和利用三废制砖等一系列产业发展方向，符合国民经济可持续发展战略。 1 5 本文主要研究内容 本研究以综合利用齐大山铁矿采矿废渣生产烧结空心砖为出发点，结合建筑 节土、节能及环保的产业政策，因地制宜，就地取材，开展矿业废渣综合利用的 技术研究和经济分析。采用理论分析、试验研究及技术经济分析相结合的研究路 线，利用现代测试手段和分析方法，分析金属矿山剥离废渣中的绿泥石、千枚岩 制取空心砖的原料可行性；试验研究了铁矿采矿废渣掺量及尺寸效应对空心砖物 1 0 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 理、力学性能的影响。结合市场调研，从技术经济的角度论证项目的技术可行性 和经济合理性。本论文用鞍钢集团齐大山露天铁矿剥离废弃物中的千枚岩和绿泥 石为原料生产烧结空心砖，可大宗消耗矿业废渣，利废环保，不仅符合国家新型 墙体材料革新和利用“三废”制砖等一系列产业政策方向，而且可降低排尾运输 费用及废石场维护费，增收节支，将为企业调整产业结构、培植非矿产业新的经 济增长点开辟新途径；并能充分利用原有工业设施，盘活企业固定资产，分流企 业富余人员，在取得良好的经济效益和社会效益的同时，为企业的可持续发展和 企业的稳定起到重要作用。 东北大学硕士学位论文第二章利用矿山废弃物制砖的原料评价 第二章利用矿山废弃物制砖的原料评价 2 1 概述 烧结砖作为一种墙体材料，已有数千年的历史，至今仍得到广泛的应用。烧 结砖原料，属地壳表面的沉积岩，各国大量应用粘物料生产烧结砖，到目前 为止，粘土砖仍是世界各国的主要墙体材料。近年来，随着制砖工艺及设备的改 革和进步，以及土地保护意识的目益加强，入们将制砖原料由秸土转移到资源 综合利用上来。目前，已成功地用煤矸石、页岩、粉煤灰、炉渣等工业废料生 产烧结空心砖。齐太山铁矿剥离废弃物系绿泥石、粘土和砂质黄土，矿体中夹 杂大量质地均匀的浅变质千枚岩，在剥离废弃物中，以绿泥石和千枚岩居多， 且产量稳定，用其作为制砖原料不但有充足的供应，而且可有效缓解排土、占地 压力。为了探讨该矿剥离废弃物能否作为烧结空心砖的原料，首先从原料的化 学成分、矿物组成和物理性质等方面进行了技术评价和基础实验研究。 2 2 用矿山废弃物制砖的技术评价 2 。2 1 从化学成分来看齐大山矿剥离废弃物是否遥合作砖原料 剥离废弃物和普通砖所使用原料的化学组成与它们的特征如下： 齐大山矿剥离废弃物化学组成如表2 1 所示。 表2 1 鞍钢齐大山矿剥离废弃物的化学组成单位： w t t a b l e 2 1 c h e m i c a lc o m p o n e n t so f m i n i n gw a s t om a t e r i a lf r o mq i d a s h a nm i n e w t 一般适用于普通砖原料的化学成分如表2 所示。 1 2 东北大学硕士学位论文第二章利用矿山废弃物秘砖的原料评价 表2 2 普通砖原料的化学组成范围单位： w t t a b l e 2 2c h e m i c a lc o m p c m e n t sr a n g eo f r o u g hm a t e r i a lf o rc o m m o nb r i c k s 制砖原料中各种化学成分的多少，均对其成品性能有一定的影响，因此， 选择什么成分的配合料作为制砖原料，有着极为重要的意义。 ( 1 ) 二氧化硅( s i 0 2 ) 二氧化硅常以游离状态存在于砂岩、砂砾岩或少量的云母 ( k 2 0 3 t 1 2 0 3 4 s i 0 2 ) 等矿物中，其含量一般在5 0 7 0 。 坯料中的二氧化硅，因其水化膜薄，渗滤性强，属于瘠性物质，在成型时 起降低可塑性的作用； 能降低砖坯在干燥和焙烧中的交形与收缩，有助于缩短干燥周期； 当二氧化硅粒度很细时，它会起到助熔作用，反之，粒度变粗时，又会提 高砖的焙烧温度； 二氧化硅的含量超过7 5 时，砖的力学强度将会降低，尤其是抗折强度会 明显下降； 二氧化硅含量过高，在砖坯进入高温阶段时，会发生爆炸现象，严重影响 砖的完整面及合格率。这主要是因为石英在焙烧过程中，发生多次的晶格形态 转交，致使砖的体积发生变化而产生应力所致。石英在加热过程中的晶型转变 及体积膨胀数值如下： 表2 3 石英在加热过程中的晶型转变及体积膨胀数值 t a b l e 2 3d a t ao f v o l u m ee x p a n s i o na n dc r y s t a l l i n et r a n s i t i o nf o rh e a t e dq u a r t z 一般，焙烧温度高时，其体积膨胀，二氧化硅的比重变小：反之，体积收 缩，而比重也由小变大。因此，二氧化硅的含量应严格控制，必要时，可采用 1 3 东北大学硕士学位论文第二章利用矿山废弃物制砖的原料评价 筛选法剔除大粒径的砂岩和砂砾岩。 ( 2 ) 三氧化二铝( a 1 2 0 3 ) a 1 2 0 3 含量以1 5 2 5 为宜。 三氧化二铝多数是以含水硅酸铝( x a l 2 0 3 y s i 0 2 n i - 1 2 0