（矿物加工工程专业论文）鄂西赤铁矿尾矿制备免烧砖工艺及机理研究.pdf

摘要 从构建鄂西地区人与自然和谐发展的实际需要出发，同时更好的贯彻建设 环境友好型、资源节约型社会为宗旨，以开展利用鄂西赤铁矿尾矿高效“减量 化、无害化、资源化”的新技术研究受到广泛的关注。通过研究表明，鄂西赤 铁矿尾矿是一种复合矿物原料，其以赤铁矿、石英等矿物成分为主，且t f e 含 量较高，s i 0 2 含量较低。同时，其粒度较细，0 0 7 4 m m 占8 0 9 0 ，可塑性中等。 在上述条件下，本论文结合目前国家“十一五一计划对节能减排的大力支持， 以及对尾矿资源的综合利用研究的重视，结合本课题组的科研工作基础上，提 出利用鄂西赤铁矿尾矿制备建筑材料的研究。 试验在系统分析铁尾矿矿物组成、化学成分、粒度及可塑性的前提下，进 行了免烧砖的配方设计，确定了铁尾矿、骨料、水泥、石膏、外加剂的最佳掺 量及合适的成型压力和成型水分，在自然养护条件下，制备了满足国家标准性 能指标的免烧免蒸砖；且在此基础上，采用湿热养护方式，寻找适宜的蒸养制 度，制备出强度更高的蒸养砖；并通过x r d 、s e m 等检测手段对免烧砖制品进 行了微观分析。并进行了扩大性试验及经济可行性分析，为该技术的产业化提 供指导。 研究结果表明：( 1 ) 鄂西赤铁矿尾矿制备免烧砖免蒸砖的最佳配比为铁尾 矿：骨料：胶凝材料- = 7 8 ：1 0 ：1 2 ，外加剂采用三乙醇胺，其用量为水泥质量的 o 0 1 ，成型压力为2 0 m p a ，成型水分为1 5 ，自然养护2 8 天。( 2 ) 采用湿热 养护制备蒸养砖的蒸养制度为蒸养温度4 0 ，蒸养恒温时间6 h 。( 3 ) 所制备的 免烧砖制品满足非烧结垃圾尾矿砖( j c t 4 2 2 2 0 0 7 ) 建筑材料性能要求。( 4 ) 利用鄂西赤铁矿尾矿制备免烧砖，可形成年产2 3 0 0 万块节能砖的生产能力，每 年可消耗4 5 万吨左右的赤铁矿尾矿，实现销售收入4 6 0 万元年，利润1 0 9 万 元年，投资回收期4 8 年，投资收益率2 0 7 6 。 本文以鄂西赤铁矿尾矿为主要原料，综合考虑当地条件采用了切实可行的 工艺技术，制备出满足国家相关技术标准的免烧免蒸砖和蒸养砖，为该类铁矿 尾矿的大宗量、高效利用提供了可行性方案，并能给企业带来丰厚经济效益的 同时有效地改善矿场周边的生态环境，对经济、资源、环境及社会效益显著， 意义深远。 关键词：鄂西赤铁矿尾矿；综合利用；免烧砖；强度 a b s t r a c t an e wt e c h n o l o g yw h i c hc a nt r e a tt h et a i l i n g si nar e d u c i n g , h a r m l e s sa n d r e c y c l i n gw a y ，h a sb e e ng e t t i n gm u c ha t t e n t i o nf o r t h ep u r p o s eo fb u i l d i n g e n v i r o n m e n tf r i e n d l ya n dr e s o u r c e - s a v i n gs o c i e t ya n dt h ea c t u a ln e e do fc o n s t r u c t i n g h a r m o n i o u sd e v e l o p m e n tb e t w e e nh u m a na n dn a t u r ei nw e s t e r nh u b e ip r o v i n c e r e s e a r c hs h o w e dt h a tt h et a i l i n g sw e r eak i n do fc o m p l e xm i n e r a lm a t e r i a lw h i c h m a i n l yc o n t a i nh e m a t i t ea n dq u a r t z t h ec o n t e n to ft f e ，w h i c hc o m eu pt 03 1 5 ，i s l l i g hb u tt h a to fs i 0 2 ，w h i c ha c c o u t sf o r2 4 4 ，i sr e l a t i v e l y l o wi nt a i l i n g s f u r t h e r m o r e ，t h ep a r t i c l e so ft a i l i n g sa r ev e r yf i n e ，w h e r et h ep a r t i c l es i z eb e l o w 0 0 7 4 r a mi sa c c o u n tf o r8 0 9 0 ，a n dt h ep l a s t i c i t yo ft a i l i n g si sm e d i u m t h i sp a p e r p r e p a r e dt h eb u i l d i n gm a t e r i a lb yu s i n gt h et a i l i n g so nt h eb a s i so fs u p p o r tf r o mt h e t h ee l e v e n t hf i v e - y e a rp l a n o fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o na n do u r r e s e a r c hg r o u p sp r e l i m i n a r yw o r k i nt h ep a p e r , t h ef o r m u l a t i o no ft h en o n - b u r n e db r i c k sw a sd e s i g n e du n d e rt h e m i n e r a lc o m p o s i t i o n ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，p a r t i c l es i z ea n dp l a s t i c i t yo ft a i l i n g s t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to ft h ed o s a g eo fi r o nt a i l i n g s ，c e m e n t ，g y p s u ma n d a d d i t i v e ，a n da p p r o p r i a t em o l d i n gp r e s s u r ea n dm o i s t u r e ，o nt h ep e r f o r m a n c eo f n o n - b u r n e da n dn o n a u t o c l a v e db r i c k s t h e p r e p a r e d t h en o n - b u r n e da n d n o n - a u t o c l a v e db r i c k sc a nm e e tn a t i o n a ls t a n d a r d su n d e rt h en a t u r a lc o r i n gc o n d i t i o n i nt h i ss t u d y m o r e v e r , t h i ss t u d ya l s op r e p a r e dt h eh i g h e ri n t e n s i t ys t e a m - c u r e d b r i c k su n d e rt h ec o n d i t i o no fs u i t a b l es t e a mc u r i n gs y s t e mi nh y d r o t h e r m a lc u r i n g w a y f o r f u r t h e rm e c h a n i s mr e s e a r c h ，t h en o n - b u r n e d p r o d u c t s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e db yx r d ，s e me t cd e t e c t i o nm e a n s a tl a s t ，i no r d e rt op r o v i d eg u i d a n c e f o ri n d u s r i a la p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l g y ，t h ea u t h o ra l s od i dl a r g es c a l et e s ta n d e c o n o m i cf e a s i b i l i t ya n a l y s i s t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) t h eo p t i m u mp r o p o r t i o no fu s i n gh e m a t i t e t a i l i n g si nw e s t e r nh u b e ip r o v i n c et op r e p a r en o n - b u r n e da n dn o n - a u t o c l a v e db r i c k s i s t a i l i n g s ：a g g r e g a t e ：e e m e n t i t i o u sm a t e r i a l = 7 8 ：1 0 ：1 2 ，a d d i t i v ei st r i e t h a n o l a m i n e w i t hd o s a g ei s0 0 1 i nc e m e n t ，m o l d i n gp r e s s u r ei s2 0 m p a ，m o l d i n gm o i s t u r ei s 1 5 ，n a t u r a lc u r i n gp e r i o di s2 8d a y s ( 2 ) t h es t e a mc u r i n gs y s t e mi sm a i n t a i n i n g c o n s t a n tt e m p e r a t u r e4 0 f o r6h ( 3 ) t h ep e r f o r m a n c eo fp r o d u c tm e e t st h e s t a n d a r do fj c t 4 2 2 2 0 0 7 ( 4 ) t h i st e c h n o l o g yc a l lc o n s u m e4 5t h o u s a n d st o n t a i l i n g st op r o d u c e2 3 m i l l i o ne n e r g yc o n s e r v a t i o n ，w h i c hc a l l b r i n g1 0 9m i l l i o n p r o f i tp e ry e a r , a n dt h ep a y b a c kt i m ea n dr a t eo fr e t u r n a l e4 8y e a r sa n d2 0 7 6 ， r e s p e c t i v e l y t h ep r e p a r a t i o no fn o n b u r n e da n dn o n a u t o c l a v e db r i c k sa n ds t e a mc u r e d b r i c k st h a tm e e t st h er e l a t e ds t a n d a r d sm a d ef r o mt a i l i n g so fh e m a t i t ei nw e s t e r n h u b e ib yt h ef e a s i b l et e c h n o l o g yw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hc a np r o v i d e f e a s i b l es c h e m et ou t i l i z et a i l i n g sl a r g e l ya n de f f i c i e n t l y ，a n db r i n gr i c he c o n o m i c b e n e f i t st ot h ee n t e r p r i s e m e a n w h i l e ，i tw i l la l s oi m p r o v et h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a r o u n dm i n ef i e l d h e n c e ，t h i ss t u d yi ss i g n i f i c a n tf o rt h ee c o n o m y ，r e s o u r c e s ， e n v i r o n m e n ta n ds o c i a lo fw e s t e r nh u b e i k e yw o r d s ：h e m a t i t er a i l i n g s i nw e s t e r n h u b e i ；c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n ； n o n b u r n e db r i c k ；s t r e n g t h i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 龇晰胁甲辨日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 弛蝴一名咖胁 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 尾矿是矿业固体废弃物的一种。由于尾矿具有数量大，类型多，性质复杂 等特点。据统计，目前我国尾矿的平均利用率不到1 0 。铁尾矿又是尾矿中的 一种主要类型，目前铁矿石尾矿排放正以年均2 0 的速度增长。其中，大部分 尾矿主要采用堆存处理，不仅占用大量的土地，且造成管理成本的提高，还带 来许多的环境问题。然而，由于我国处在高速发展的时期，环境问题较多，尾 矿的危害还远未受到应有的重视。 1 1 铁尾矿的产生、组成及分类 铁尾矿是铁选矿厂在特定技术条件下，将铁矿石破碎磨细，选取“有用组 分 后排放的废弃物，也就是铁矿石经过选取铁精矿后剩余的废渣，除了含少 量金属组分外，其主要矿物组成是脉石矿物，如石英、高岭石、长石及其蚀变 矿物；其化学成分主要以铁、硅、铝、钙、镁的氧化物为主，并伴有少量的磷、 硫等，是一种重要的固体二次资源。 按照尾矿的矿物组成，一般将其分为四种类型：高硅型、高铝型、高钙镁 型和低钙镁铝硅型。这种划分，主要视其某种元素的含量，也有利于选择不同 的利用途径。 ( 1 ) 高硅型尾矿 高硅型尾矿是利用率最高的尾矿类型之一。如用于加气混凝土的硅质原料、 部分替代水泥熟料中的粘土、制造玻化砖和微晶玻璃花岗岩等中、高档装饰材 料。 ( 2 ) 高铝型尾矿 高铝型尾矿可以用于生产水泥和耐火材料的原料，在硅酸盐水泥中，可以 作为生料中2 0 3 的校正原料，也可用于生产铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥。 ( 3 ) 高钙镁型尾矿 高钙镁型尾矿可用于生产水泥的钙质原料或生产镁质胶凝材料和碱性耐火 材料的原料等。 ( 4 ) 低钙镁铝硅型 武汉理工大学硕士学位论文 这类尾矿没有主要的可利用元素，因而其可利用性取决于尾矿中的主要矿 物及其硬度。具有较高硬度的尾矿可以作为填料或骨料加以低值利用，而主要 矿物硬度较低的尾矿，不仅在利用上仍属于空白，在研究领域，也是极少涉及 的【1 捌。 1 2 我国铁尾矿资源现状及危害 1 2 1 铁尾矿资源现状 ( 1 ) 铁尾矿排放量大且综合利用率低 近年来我国铁矿石尾矿排放正以年均2 0 的速度增长。据中国矿业联合会 统计2 0 0 7 年我国铁矿石尾矿排放量约为4 4 亿吨，全国各地积存的铁矿尾矿量 高达几十亿吨，且每年仍以高速度的数量增长，而全国尾矿平均利用率仅有 8 2 。而长期以来对铁矿尾矿多采用堆填处置，不仅浪费资源、挤占土地，同 时企业还需缴纳相应的土地、运费和填埋费等，相应的增加了钢铁的生产成本。 ( 2 ) 铁尾矿存在分布不均匀 我国铁尾矿堆存量和排放量存在分布不均匀问题，按企业所有制形式分， 国有重点矿山最多，国有地方矿山次之；按地区分，辽宁、河北、山东、陕西、 四川5 省最高。距离城市近的尾矿堆存量小，偏远地区尾矿堆存量大。其原因 在于以下几点：一是国有重点、地方骨干矿山重视资源综合利用，贫矿富矿一 齐采，平均品位低，尾矿产率高；二是重点和骨干矿山都按照国家要求设置尾 矿坝，按工艺选别精矿，排放尾矿堆存量大。而许多民办矿山建矿时不设置尾 矿库，有的虽然有尾矿库，因为排放距离远、运营成本高，故有库不存，乱排 乱放现象普遍；三是距离城市较近的矿山土地资源紧缺，尾矿库征地困剌4 5 】。 1 2 2 铁尾矿的危害 随着经济的高速发展，矿产品的需求量大幅增长，矿业开发规模也随之加 大，为满足矿产品日益增长的需求，选矿规模也越来越大，排放的选矿尾矿数 量也大量增加。目前，除少部分尾矿得到利用外，相当大数量的尾矿只有堆存， 占用土地数量可观，而尾矿数量增加利用量却不大的状况仍在继续【6 l 。 中国矿业联合会的相关统计显示，我国现有矿山1 2 6 万个，其中8 0 的矿 产资源为共伴生矿。我国尾矿的现状是“占用耕地、污染环境、浪费资源、安 2 武汉理工大学硕士学位论文 全隐患 。据统计，截至2 0 0 7 年年底，我国尾矿积存总量高达8 0 多亿吨，尾矿 排放量约为9 2 亿吨；2 0 0 8 年全国尾矿排放量约为9 6 亿吨。大量堆存的尾矿对 土壤、水体及大气均有不同程度的污染，给我们生存的环境带来了危害。其不 利影响主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 铁尾矿的堆存占用了大量耕地 随着铁尾矿数量的增加，据粗略统计，2 0 0 2 年全国的尾矿废石破坏和堆存 占地面积达1 8 7 2 4 7 万k m 2 且每年以3 0 0 - , 4 0 0 k i n 2 速度递增。占用的土地面积 将继续扩大，导致尾矿库所在地区的土地资源失去平衡。 ( 2 ) 铁尾矿的堆存造成资源浪费 铁尾矿是潜在的资源，由于资金和技术等限制因素，造成尾矿中含有的大 量有用组分未得到有效的开发利用，以当前铁矿石尾矿总堆放存量3 0 亿吨计算， 铁矿石尾矿中还存有3 6 亿多吨铁。其浪费程度相当可观。 ( 3 ) 大气污染 由于铁尾矿在选矿过程中经受了破磨，使体积减小，细粒、粉末随风扬散， 导致大气污染。尤其在气候干旱、风大的季节或地区，尾矿粉尘在大风推动下 飞扬造成土质退化，甚至使周围居住致病。 ( 4 ) 土壤和水体污染 由于铁尾矿长期露天堆放，其中的有害成分经风化、雨淋、地表径流腐蚀 后很容易渗入土壤和水体，经过长期积累，杀死土壤中的微生物，使土壤盐碱 化、中毒，严重危害农作物的生长，使水质酸化、不仅毒害水生生物，而且造 成水体富营养化，影响水系中生态平衡【7 l 。 ( 5 ) 安全隐患 随着铁尾矿数量的不断增加，尾矿库的安全隐患及安全事故也日益增多。 如：2 0 0 8 年震惊全国的山西襄汾尾矿库溃坝事件、2 0 0 7 年辽宁海城尾矿库溃堤 事件等，给人民的生命和财产带来重大的损失。 综上所述，铁尾矿不仅造成环境污染、危害人民的生命和财产安全，而且 还占用大量的土地，大量资源流失。因此，合理并综合利用铁尾矿资源，使其 变废为宝是实现矿产资源可持续发展的重要途径。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 铁矿尾矿国内外利用现状 当前，由于资源的不断减少和人们对环保意识的不断增强，世界各国特别 是工业发达国家都十分重视铁尾矿的综合利用。他们投入大量人力、财力、物 力广泛开展对铁尾矿的综合利用研究工作，把无废矿山作为矿山开发的目标， 把铁尾矿综合利用程度作为衡量科学技术发展水平和经济发达程度的标志，并 且取得了显著的成纠踟。尤其是在利用铁尾矿研制生产建筑材料方面取得很大成 果。 1 3 1 国外铁矿尾矿利用现状 国外铁尾矿利用工作起步较早，注重有价成分的回收，广泛的给铁尾矿寻 找各种不同的利用途径。特别是2 0 世纪7 0 年代以来，经济发达国家为矿山环 境保护制定了一系列的法律法规，使矿山和尾矿场的环境有了很大改善。并在 铁尾矿中回收有价金属与非金属元素、磁化尾矿作土壤改良剂、尾矿制作建筑 材料、尾矿整体利用等方面已经取得了实用性成果【9 - 1 1 1 。 ( 1 ) 尾矿再选和有价元素的综合回收 有些国家在铁尾矿再选与有价元素的综合利用回收方面成就突出。国外一 些铁矿选矿厂主要采用高梯度磁选机，从弱磁选和浮选尾矿中回收细粒赤铁矿。 如美国的s i v a s d i v r i g i 选矿厂利用浮选法，在最佳浮选条件下从赤铁尾矿中回收 钴、镍和铜，回收率分别为：钴9 4 7 ，镍8 4 6 ，铜7 6 8 1 2 - 1 4 。 ( 2 ) 尾矿作土壤改良剂 德国、加拿大、美国、俄罗斯和澳大利亚等国家矿山对土地复垦十分重视， 其土地复垦率已达8 0 。其中对于含有少量磁铁矿，具有载磁性能的尾矿，对 这类尾矿进一步磁化并掺入一定比例磷、钾等元素，可磁化成磁尾复合肥。铁 尾矿上种植植被不仅有利于稳定和减少水土流失，而且促进了植被的生长【1 孓1 9 l 。 ( 3 ) 尾矿制作建筑材料 国外在尾矿制作建筑材料方面的研究和应用也很多。如印度利用铁尾矿生 产陶瓷地板和墙壁瓷砖，这些砖比传统瓷砖具有更高的强度和硬度，并符合大 多数的e n 标准1 2 0 - 2 5 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 国内铁矿尾矿利用现状 我国铁尾矿利用工作起步较晚，但进展较快。我国对铁尾矿综合利用研究 主要在以下三个方面。 一是铁矿尾矿再选回收有价元素，提高金属回收率。尤其是老尾矿的再选 工作多数企业均很重视；二是利用铁尾矿制作建筑材料；三是铁尾矿用做充填 采空区f 孤2 9 1 。 下面主要介绍在建筑材料方面，铁尾矿利用的国内研究现状。 1 ) 尾矿制备墙体材料 长期以来，我国墙体材料一直以粘土烧结砖占主导地位，而粘土烧结砖生 产占用大量农田，这己引起社会各界高度重视，随着工业化程度的不断提高， 各种工业废渣和矿山尾矿日益增多，我国除了应用粉煤灰、煤研石等制备墙体 材料外，在利用尾矿制备墙体材料方面也做了大量工作，且积累了一些经验。 其中以蒸养砖、烧结砖和免烧砖研究较多。 a 尾矿制备蒸养砖 由于尾矿的独特性，用于制备生产以河砂、页岩等高硅质材料为原料的蒸 养灰砂砖是有利的。8 0 年代开始鞍钢矿山公司大孤山选矿厂就利用铁矿石尾矿 为原料，掺入氧化钙等活性物料，再经一定的工艺研究后，制备出蒸养灰砂砖 并达到国家相关标准【2 7 1 。 m 尾矿制备烧结砖 烧结粘土砖原料来源于农田，为保护耕地人们正努力寻求利用工业废 渣制砖的途径。其中，南京梅山铁矿厂用细粒尾矿经再选后获得的精矿制作烧 结尾矿砖。 c ) 尾矿研制免烧免蒸砖 相对于蒸养砖和烧结砖，人们对免烧免蒸砖的研究要相对多一些，姚树刚【3 0 1 等人利用鞍山地区的铁尾矿进行了免烧尾矿砖的研究，该砖以石灰为固结剂， 水泥、石膏等胶凝材料为激发剂，并加入适量粉煤灰，经反复试验，确定其最 佳配比。 2 1 尾矿制备水泥 我国除粉煤灰、煤矸石和各种钢渣外，目前己将目光转移到尾矿制备水泥 方面的研究。其中，潘一舟【3 2 】等人利用含钼铁矿尾矿制备水泥，并提出了元素 铝在水泥熟料形成过程中的作用机理，确定了最佳配比。并在实验室试验基础 5 武汉理工大学硕士学位论文 上成功进行了工业性放大试验。 3 ) 尾矿研制装饰材料 a ) 建筑玻璃和建筑陶瓷 我国用尾矿生产建筑玻璃和建筑陶瓷则是最近几年才开始的，建筑玻璃和 建筑陶瓷是以铝硅酸盐矿物和某些氧化物作为主要原料，在一定的温度和气氛 条件下烧制而成，其传统原料包括塑性原料、瘠性原料、熔剂原料、釉料和着 色剂等。唐仲民1 3 2 】利用锡矿摇床尾矿生产玻璃，并取得了明显的经济效益。 b ) 尾矿研制彩釉砖 地矿部安徽中心实验室许荣奎【3 3 】利用马鞍山向山硫铁矿尾矿进行了彩釉烧 结砖试验研究，经检测尾矿中铁硫含量均较低，经反复试验研究表明，尾矿中 加入适量的粘土和瘠性原料，采用一定的生产工艺流程生产出的彩釉砖，其产 品各项指标均达到标准要求。 综上所述，用铁尾矿制作建筑材料是实现大宗处理并资源化利用的有效途 径，可生产多种墙体材料，2 1 世纪尾矿在墙体材料领域中的利用将向多功能、 装饰型的方向发展，同时也是缓解我国资源不足又一途径，对我国的经济和社 会发展具有很强的现实意义。 1 4 免烧砖简介 随着国民经济的飞速发展，国家对土地和自然资源的保护及节能减排越来 越重视，生产免烧砖等新型墙体建筑材料已提上日程。 1 4 1 概念 免烧砖又称非烧结砖或新型墙砖。它不是特指某一种墙砖，而是指一大类 不经烧结的符合利废、节能、节土、绿色环保、可持续发展方向的，符合建筑 墙体安全、承重、耐久技术要求的新型实心或空心墙体砖。它的概念由于时期 不同，技术状况不同，有狭义和广义两种不同概念的提法。 狭义的免烧砖是指硅酸盐混凝土免烧砖。它是指采用硅铝为主要成分的废 渣、砂子，加入石灰等，必要时加入外加剂，有时还加入少量水泥，经坯料制 备，然后压制( 或振动、浇注) 成型，蒸压养护( 或蒸养、自然养护) 而成的 实心或空心承重墙体砖。其主要成分为各种水热合成的水化硅酸钙，结石中没 有c a ( o - i h 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 广义的免烧砖包括水泥混凝土免烧砖及硅酸盐混凝土免烧砖两大类别。其 中，水泥混凝土免烧砖是以水泥为主要胶结材料，以砂石和废渣为骨料，必要 时加入夕1 - a n 剂，经坯料制备，然后压制( 或振动、浇注) 成型，在经自然养护 ( 或蒸汽养护) 而成的实心或空心承重墙体砖。其以各种水化硅酸钙为主要成 分。 1 4 2 种类 免烧砖的种类很多，概括起来讲可以按结构形态、固体废物的种类、生产 工艺等来分类。 ( 1 ) 按结构分 曲实心免烧砖。实心免烧砖是免烧砖的主要品种。砖体没有孔洞，为密实 结构，外形及规格和传统实心粘土烧结砖相同。它的优点是易于成型、易于砌 筑，缺点是密度大、用料多、成本较高。由于其是我国最早开发生产的免烧砖 品种，所以目前仍有7 0 的免烧砖为实心免烧砖。 b ) 空心免烧砖。空心免烧砖又名多孔砖，是我国免烧砖的新型品种。它的 结构特征，是在砖体上有许多圆孔或方孔，孔洞率一般2 0 - 5 0 。空心免烧砖 重量轻、用料少、成本低、并可大幅度降低建筑自重，提高建筑的保温隔热效 果，因此，空心免烧砖代表了免烧砖的发展方向。随着免烧砖的轻质化的发展， 空心免烧砖的比例将会日益上升。 c ) 微孔发泡砖。微孔发泡砖采用发泡工艺浇注成型的新型免烧砖。砖体的 内部具有孔径小于l m m 的微细球形封闭气孔。它的密度低，保温性好，适用作 于保温墙体材料。 ( 2 ) 按固体废弃物种类分 幻粉煤灰砖。粉煤灰砖是采用粉煤灰，加入石灰和水泥为粘结剂所制成的 免烧砖。在各种废弃物免烧砖中，它目前的产量最大。 b ) 煤渣砖。煤渣砖是我国最早生产的免烧砖品种之一，它以煤渣和水泥为 原料，经压制成型，采用各种养护方式所制成。近年，由于煤渣供应紧张，煤 渣砖的产量已逐步下降。 曲其他种类的废渣免烧砖。这些免烧砖是采用煤矸石、钢渣、矿渣、铅锌 渣等活性废渣，或者硫酸渣、尾矿渣、河砂、污泥、垃圾、秸秆粉等固体废弃 物为主要原料，所制成的免烧砖。这些废渣或固体废弃物可以一种单用，也可 7 武汉理工大学硕士学位论文 以多种并用。 ( 3 ) 按生产工艺分 曲蒸压砖。蒸压免烧砖是以各种固体废弃物为主要原料，经成型后，采用 蒸压釜在高温高压条件下养护而成。蒸压免烧砖在高温高压下所形成的强度更 高、品质更好。因此，蒸压免烧砖的性能优于蒸养养护砖或自然养护砖。我国 传统的免烧砖大部分是蒸压养护生产的。从发展的观点看，蒸压免烧砖仍将是 免烧砖的主要品种。 b ) 蒸养砖。蒸养免烧砖是在免烧砖成型以后，采用常压蒸气养护。它的质 量不如蒸压免烧砖，生产效率也低于蒸压免烧砖。但它的投资较小，易于实施。 c 1 免烧免蒸砖。免烧免蒸砖是近几年新型的水泥混凝土免烧砖品种。它在 成型后采用常温常压自然养护，因此养护期较长，产品质量不如蒸压养护或者 蒸气养护。但根据哥本哈根会议及京议定书关于提倡各国降低高能耗污染设备 以减少温室气体c 0 2 排放为前提下，加之免烧免蒸砖生产过程中不需要高耗能 的养护设备，投资小容易被企业所接受，而且生产成本低等特点，所以，奠定 了免烧免蒸砖将会成为未来新型墙体材料中的主力军。 1 5 铁尾矿制备免烧砖的原理 1 5 1 物理作用与化学作用 免烧砖的主要技术指标是抗压强度和耐久性。因此，免烧砖的生产时以抗 压强度和耐久性为中心。要生产好免烧砖，首先就要研究其抗压强度及耐久性 产生原理。 许多固体废弃物能用于生产免烧砖，其抗压强度及耐久性产生机理是十分 复杂的，这里概略分析如下。简单地说，免烧砖的抗压强度及耐久性主要来自 于两个方面：成型时成型机的物理作用，成型后胶凝材料或粘结材料的化学作 用。其抗压强度及耐久性的产生，一般是这两种共同作用的结果，而不是其中 单方面的因素。有了这种作用，任何固体废弃物，几乎都可以用于生产免烧砖f 弘 3 5 1 0 ( 1 ) 物理作用 物理作用就是不发生化学变化而依靠机械作用力所产生的作用。 免烧砖产生抗压强度及耐久性的物理作用力有成型机的压力、振动力、真 8 武汉理工大学硕士学位论文 空成型时的真空作用力等。另外，还有轮碾、搅拌对物料所产生的匀化、塑化 等辅助作用力。这些作用力有些是单作用力，如只采用压制成型或只采用振动 成型。有些是复合作用力。现在较流行的压制成型、振动成型、压振结合成型 三种成型方式都获得了十分广泛的推广应用。 ( 2 ) 化学作用 化学作用不依靠机械力，只通过化学变化所产生的作用。 免烧砖产生抗压强度的化学作用有直接化学作用和间接化学作用两种。这 两种作用有时单独存在，有时复合存在。 幻直接化学作用。直接化学作用是指依靠胶凝材料如水泥、石膏等胶结力， 或依靠胶黏剂如酚醛树脂、不饱和聚酯等的黏结力，将其他材料颗粒结合为一 个整体，从而满足技术要求的抗压强度和耐久性。这种化学作用是直接产生的。 对绝大多数固体废弃物均有效。直接化学作用在免烧砖的成型中使用最广。 b ) 间接化学作用。间接化学作用是其所产生的结合力并非所使用的激发材 料直接产生，而是通过这些激发材料对活性固体废弃物产生激发作用，使活性 固体废弃物具有胶凝性。例如，活化剂对活性工业废渣的活化，就属于间接化 学作用。间接化学作用不是对所有固体废弃物均有效，而只对活性固体废弃物 有效。因此，间接化学作用的应用相对会受到限制。 曲复合化学作用。在免烧砖的实际生产过程中，活性固体废弃物一般采用 直接化学作用与间接化学作用相结合的方法，即不仅使用水泥等胶凝材料，又 使用活化剂激发活性废渣的活性，使胶凝材料的胶凝性与活性废渣的胶凝性共 同发挥作用。而对活性固体废弃物之外的其他多数工固体废弃物，一般只采用 直接化学作用。 d ) 上述物理作用和化学作用，在单独使用时，不能达到需要的效果，或者 成本高，或者性能差。因此，在现实生产中，大多数采用的均是物理作用与化 学作用相结合的方法。即免烧砖的抗压强度和耐久性，一部分来源于物理机械 作用，一部分来自于化学胶结作用。在有些工艺中，物理作用大一些，而在有 些工艺中，物理作用小一些。应视废弃物的实际情况及免烧砖的技术要求而定。 1 5 2 物理作用与化学作用的关系 在赋予免烧砖抗压强度和耐久性的过程中，物理作用与化学作用是相互协 同、相互叠加的配合关系，而不孤立的。在一般情况下，只有二者良好的配合， 9 武汉理工大学硕士学位论文 且这种配合恰到好处，才能使免烧砖既有高性能，又有低成本。免烧砖技术的 核心，也就是如何使物理作用与化学作用最好地配合【3 5 3 6 1 。 物理作用与化学作用的关系可归纳为以下几点： 幻免烧砖理想强度及耐久性的产生，必须依靠物理作用与化学作用的良好 配合，二者是不可分割的统一整体。单独依靠物理加压作用，或单独依靠水泥 石灰等的化学作用，均不能满足技术要求。 b ) 加大成型压力可以减少水泥等的用量。所以，采用大吨位的成型压力， 有利于降低免烧砖成本。 曲对于有活性的固体废弃物直接化学作用如使用水泥胶结，必须与间接化 学作用如废渣的活化或硅钙水热反应等相结合。这样也有利于降低水泥或石灰 的用量。尽可能利用废渣或硅质本身产生的胶凝性，对实现免烧砖低成本生产 是非常有益的。 m 对于没有活性的固体废弃物，生产免烧砖时，应适当加大其物理作用， 加大成型压力，以弥补废渣本身不具有胶凝性的不足。 c ) 对于高硅固体废弃物，应尽量采用钙质材料( 主要是石灰) 与之在蒸压 下反应，形成硅酸钙，充分发挥其间接化学作用，降低成型压力，在较低压力 下生产高强度免烧砖。 f ) 对于通过煅烧可以产生胶凝性的固体废弃物，也应该充分利用间接化学 作用，将其进行煅烧处理( 如煤矸石、硼泥、淤泥或污泥、生活垃圾等) 。以降 低成型压力和水泥用量。 g ) 对于活性固体废弃物其强度形成的理想模式是：物理加压( 或振动) + 微量水泥的直接胶凝+ 固体废弃物活化间接胶凝。 ”对于没有活性的固体废弃物，其强度形成的理想模式是：较大成型压力 + 少量水泥的直接胶凝+ 合理的级配。 订对于高硅固体废弃物其强度形成的理想模式是：较大的成型压力+ 少量 石灰或其他钙质材料+ 蒸压或蒸养。 1 6 课题研究及意义 随着经济社会的不断发展，节能减排和固体废弃物处理已经成为国际一个 热点问题，特别是尾矿资源的开发利用程度己经成为衡量一个国家科学技术发 展水平和经济发达程度的标志。尾矿的大量排放造成资源流失，占用大面积耕 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 地，成为潜在的地质灾害源，并造成严重的环境污染1 1 1 。 同时，为了推动尾矿综合利用，实现经济可持续发展，有效地推进以铁尾 矿为原料的新型绿色节能墙体材料开始推广实施，并获得了全面跨越式发展， 受到了广阔的关注。在上述背景下，本论文结合目前国家“十一五计划对节 能减排的大力支持，以及对尾矿资源的综合利用研究的重视，考虑到鄂西赤铁 矿的尾矿利用状况，结合本课题组的科研工作基础上，提出利用鄂西赤铁矿尾 矿制备免烧砖的研究，不仅从治理行业污染、节能减排及实现建筑节能发展战 略角度都具有重要意义。 1 6 1 课题来源及意义 鄂西地区己探明的赤铁矿储贮量有2 2 亿t ，如全部开发利用，经济效益巨 大。恩施州已查明的赤铁矿有1 9 处，其中大型矿床2 处，中型矿床9 处，主要 分布在建始官店、巴东黑石板和恩施铁厂坝等地，累计探明赤铁矿石资源储量 1 3 8 5 亿吨占湖北省铁矿石总资源储量的4 2 8 9 ，居湖北省第一位，即将成为 鄂西赤铁矿开发利用的主战场1 3 7 l 。 由于鄂西赤铁矿属于微细粒嵌布的难选鲕状矿，选矿难度大。就目前的选 矿研究结果来看，其铁精矿品位不高，尾矿产生量大，尾矿中铁品位大都在3 0 以上。其化学成分以f c 、s i 、m g 、c a 、a i 的氧化物为主，- 0 0 7 4 r a m 以下粒级 占8 0 以上，同时由于原矿磨矿细度已经很细，如想通过尾矿再磨，分离矿石 中的硅和铁达到富集铁的目的，难度很大，且成本不合算。如弃置堆放不仅占 用大量的农田、污染环境，而且对铁矿资源也是一种浪费。正是由于该类尾矿 的颗粒微细和多组分混合的特性，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。从铁矿尾矿综合利用的实际和发展方向出发， 在建材领域利用赤铁矿尾矿比在其它领域利用具有更多的优点。 以鄂西赤铁矿尾矿为原料制备绿色节能建筑墙体免烧砖材料，不仅可大宗 量、高附加值地利用该尾矿，而且有效缓解铁尾矿堆存带来的环境问题，为鄂 西赤铁矿的高效利用提供有力支撑。论文选题来源于国家“十一五 科技支撑 计划重点项目鄂西高磷赤铁矿二次资源在线循环高效利用技术及设备。 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 2 研究内容 以鄂西赤铁矿尾矿为主要原料，再辅以骨料、胶凝材料、外加剂等辅料， 经过搅拌、陈化、成型、养护等工艺制备性能优异的免烧砖墙体材料。具体研 究内容如下： ( 1 ) 鄂西赤铁矿尾矿特性综合分析，了解原料的基本特性。 ( 2 ) 研究利用鄂西赤铁矿尾矿制备免烧免蒸砖墙体材料，探讨原料配比、 j i - 力n 剂选取及成型工艺等因素对免烧免蒸砖性能的影响，为最终制备免烧免蒸 砖墙体材料提供工艺参数及理论基础； ( 3 ) 研究利用鄂西赤铁矿尾矿制备蒸养砖墙体材料，探讨蒸养制度、养护 周期和外加剂种类及用量等因素对蒸养砖性能的影响； ( 4 ) 通过对免烧砖各种指标的测试来调整参数以达到最佳效果，确定最佳 制备工艺及条件。使制备的免烧砖具有较好的性能指标，可满足非烧结垃圾 尾矿砖( j c t 4 2 2 2 0 0 7 ) 建筑材料性能要求，并通过x r d 、s e m 等检测手段对 免烧砖制品进行微观分析。 ( 5 ) 对利用鄂西赤铁矿尾矿制备免烧砖墙体材料的扩大性试验及经济可行 性进行分析，为该技术的产业化提供指导。 武汉理工人学硕士学位论文 2 1 试验原料 第2 章试验原料及研究方法 2 1 1 铁尾矿来源 “十一五 期间，国家投入巨资重点支持湖北鄂西赤铁矿的开发利用研究。 该铁矿床总面积约为3 3 万k m 2 ，储量约2 2 亿吨。已有的系统工作表明，在矿 山开发过程中，无论采取何种选矿方法都不可避免地将产生大量赤铁矿尾矿。 大量废弃的赤铁矿尾矿的堆积量也将与日俱增，这样不仅造成了资源的浪费， 而且还严重污染矿山的周边环境。因此，从可持续发展的角度来看，能否成功 实现赤铁矿尾矿的高效合理利用，避免大量尾矿带来的环境压力，已成为该项 目关注的重点之一。 本试验赤铁矿取自湖北恩施州某矿业公司选矿厂。该尾矿是赤铁矿石经过 破碎、磨矿、离心分级、强磁选后得到的废渣，外观为红色。选厂工艺流程图 见图2 1 。 图2 1 湖北恩施某矿业公司选矿厂工艺流程图 f i g 2 1 f l o wc h a r to fm i n i n gc o m p a n yp r o c e s s 2 1 1 1 赤铁矿尾矿的预处理 赤铁矿尾矿烘干至含水率小于或等于5 后，经颚式破碎机两段破碎，对辊 破碎机细碎，得到预处理后的赤铁矿尾矿，备用。试样制备流程图见图2 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 尾矿 j 颚式破碎机( 粗碎) 上 i 颚式破碎机( 中碎) 上 对辊式破碎机 上 试验用样 图2 2 试样制备流程图 f i g 2 - 2f l o wc h a no fs a m p l ep r e p a r a t i o np r o c e s s 2 1 2 铁尾矿性质研究 由于赤铁矿尾矿的颗粒微细和多组分混合的特性，从铁矿尾矿综合利用的 实际和发展方向出发，在建材领域利用赤铁矿尾矿比在其它领域利用具有更多 的优点。 ( 1 ) 矿物组成经x 射线衍射分析该尾矿的矿物组成主要成分见图2 3 。 图2 - 3 赤铁矿尾矿x r d 图 f i g 2 - 3x r dp a t t e r no fh e m a t i t et a i l i n g s 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 由x r d 结果可知，该尾矿的矿物组成主要成分是赤铁矿、石英，次要矿物 为绿泥石、方解石等。 ( 2 ) 尾矿的化学成分 表2 - 1 铁尾矿化学成分 t a b l e 2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fh e m a t i t er a i l i n g s 生产尾矿砖类产品，主要是自然粒级的尾矿砂与碱性激发剂混合，依靠界 面反应实现化学或物理结合。但是为满足产品标准，尾矿中石英含量不宜低于 3 0 ，碳酸盐、有机物等非活性杂质含量最好不高于2 【弼】。 由表2 - 1 可知，鄂西赤铁矿尾矿中t f e 含量高达3 1 5 ，而s i 0 2 的含量较 之其他铁尾矿制作的尾矿砖中s i 0 2 含量偏低，不能满足制备免烧砖硅质原料的 要求，含硅低会降低制品的强度，从而影响成品的质量，因此可考虑在配料中 添加其他铁含量低而硅含量高的原料。表中还可知k 2 0 和n a 2 0 的含量较低， 这样可以避免制品因含碱过高，使其表面盐析现象的产生。 ( 3 ) 尾矿的粒度组成 矿物颗粒的粒级分布是衡量其理化性质的一项重要参数，与颗粒的矿物组 成、可塑性等存在着密切的关系。在砖瓦行业的生产工艺中，一般对原料颗粒 级配进行如下控制：将粒径小于0 0 5 m m 的粉粒称为塑性颗粒；粒径为 0 0 5 1 2 m m 的称为填充颗粒；粒径为1 2 2 r a