馬 瑩 朱 軍 尹洪峰 李林波 袁蝴蝶 劉新運(yùn)

(1.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院;2.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院;3.陜西五洲礦業(yè)股份公司)

石煤是我國特有的一種含釩資源，分布廣泛，儲(chǔ)量豐富，可用于發(fā)電、提釩、制建材等［1］。其中，濕法提釩是低熱值石煤最主要的利用方式，但會(huì)產(chǎn)生大量的尾礦。目前，石煤提釩尾礦大都以尾礦壩堆存的方式進(jìn)行處理，尾礦壩不僅投資大，占用大量土地，而且會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和地下水造成污染。同時(shí)，由于尾礦排放量的逐年增加，尾礦壩存在發(fā)生突發(fā)性潰壩事故的隱患，對(duì)尾礦壩附近居民的生命安全造成了潛在的威脅［2］。

陜西省商洛地區(qū)有豐富的低熱值含釩石煤資源，釩品位較低(1%左右)。近年來釩產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其中陜西五洲礦業(yè)公司是我國石煤提釩的骨干企業(yè)，年排放尾礦量在80萬t左右。按照國家清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)政策要求，全面開展石煤提釩尾礦綜合利用研究是石煤提釩產(chǎn)業(yè)的共性問題，具有重要的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。利用尾礦制備建筑用磚是消耗尾礦的有效方法之一。本研究根據(jù)陜西五洲礦業(yè)公司石煤提釩尾礦的理化性質(zhì)，結(jié)合當(dāng)?shù)仞ね临Y源缺乏的實(shí)際情況［3］，開展利用該尾礦制備免燒磚的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原料

(1)石煤提釩尾礦。由陜西五洲礦業(yè)公司提供，其化學(xué)組成見表1，X射線衍射分析結(jié)果見圖1，粒度組成見表2。

由表1和圖1可知，尾礦化學(xué)組成以二氧化硅為主，含少量鈣和鐵，物相組成主要為石英、石膏、硫鋁酸鈣和鈣長(zhǎng)石，滿足制磚的成分要求。

表1 石煤提釩尾礦化學(xué)多元素分析結(jié)果 %

圖1 石煤提釩尾礦XRD分析圖譜

表2 石煤提釩尾礦粒度分析結(jié)果

由表2可見，尾礦中+0.5 mm粒級(jí)占22.8%，0.5～0.2 mm粒級(jí)占69.7%，－0.088 mm粒級(jí)只有6.2%，表明尾礦細(xì)粉比例偏低，要制備免燒磚，還需將部分尾礦磨細(xì)，以達(dá)到制磚原料的顆粒級(jí)配要求。

(2)水泥。采用秦嶺P.042.5R水泥，其主要力學(xué)性能見表3。

表3 水泥主要力學(xué)性能 MPa

2 試驗(yàn)方法

采用壓制成型法制備免燒磚［4］，工藝流程見圖2。

圖2 試驗(yàn)流程

(1)將部分尾礦每次取5 kg，用SYM 500 mm×500 mm水泥試驗(yàn)?zāi)シ勰? h，篩?。?.088 mm粒級(jí)作為尾礦細(xì)粉。

(2)按一定比例每次取水泥和尾礦細(xì)粉共2 kg，用QM－I輕型球磨機(jī)干混10 min。

(3)向一定量未經(jīng)粉磨的原尾礦中加入適量的水人工攪拌均勻。

(4)按一定比例每次取水泥－尾礦細(xì)粉干混料和加水原尾礦共2 kg，用QM－I輕型球磨機(jī)濕混20 min，然后在自然條件下困料1 h。

(5)將經(jīng)過困料的混合原料倒入不銹鋼模具中，在YA71－45A型液壓機(jī)上以一定壓力壓制成 36 mm×36 mm的免燒磚試塊，每4個(gè)相同的試塊為1組。

(6)將試塊自然養(yǎng)護(hù)1 d后蓋布灑水養(yǎng)護(hù)至3、7、28 d。

(7)參照《JC/T 422—2007 非燒結(jié)垃圾尾礦磚》，用TYE－300B型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試塊各齡期的抗壓強(qiáng)度，按阿基米德法測(cè)試塊的體積密度、氣孔率和吸水率［5］，取每組試塊的測(cè)試平均值作為最終測(cè)試結(jié)果。

(8)用VEGA 3 LMH型掃描電鏡(SEM)對(duì)試塊進(jìn)行微觀形貌分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 粗細(xì)尾礦配比對(duì)制品性能的影響

3.1.1 粗細(xì)尾礦配比對(duì)制品抗壓強(qiáng)度的影響

固定水泥在固體干料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水與固體干料的質(zhì)量比均為8%、成型壓力為15 MPa，考察原尾礦與尾礦細(xì)粉的配比對(duì)免燒磚試塊抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 粗細(xì)尾礦配比對(duì)制品抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可以看出:隨著固體干料中原尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多和尾礦細(xì)粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，試塊各齡期的抗壓強(qiáng)度總體上均呈先升后降趨勢(shì)。當(dāng)固體干料中原尾礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%、尾礦細(xì)粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于22%時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度降低較為明顯;當(dāng)固體干料中原尾礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%、尾礦細(xì)粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%時(shí)，試塊的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

3.1.2 粗細(xì)尾礦配比對(duì)制品其他性能的影響

固定水泥在固體干料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水與固體干料的質(zhì)量比均為8%、成型壓力為15 MPa，考察原尾礦與尾礦細(xì)粉的配比對(duì)免燒磚試塊體積密度、氣孔率和吸水率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 粗細(xì)尾礦配比對(duì)制品體積密度、氣孔率和吸水率的影響

由表5可知，隨著固體干料中原尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多和尾礦細(xì)粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，試塊體積密度相對(duì)減小，氣孔率相對(duì)提高，但變化都不大。結(jié)合表4結(jié)果，選取原尾礦與尾礦細(xì)粉比例為65∶27。

3.2 水泥用量對(duì)制品性能的影響

3.2.1 水泥用量對(duì)制品抗壓強(qiáng)度的影響

水泥的作用一是作為膠結(jié)劑，在水化初期生成水化物，賦予制品早期強(qiáng)度;二是作為激發(fā)劑，使水化生成的Ca(OH)2進(jìn)一步與尾礦中的活性成分發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，使制品的強(qiáng)度繼續(xù)提高［6］。因此，水泥的用量直接影響免燒磚的力學(xué)性能，同時(shí)還影響磚的生產(chǎn)成本。

在原尾礦與尾礦細(xì)粉的比例為65∶27、水與固體干料的質(zhì)量比為8%、成型壓力為15 MPa的條件下考察水泥用量對(duì)免燒磚試塊抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 水泥用量對(duì)制品抗壓強(qiáng)度的影響

由表6可以看出:隨著水泥用量的增多，試塊各齡期的抗壓強(qiáng)度總體均呈逐漸提高趨勢(shì)。當(dāng)尾礦與水泥的配比為97∶8時(shí)，試塊的28 d抗壓強(qiáng)度為30.43 MPa，已滿足《JC/T 422—2007 非燒結(jié)垃圾尾礦磚》中MU25強(qiáng)度等級(jí)的要求，此后試塊的28 d強(qiáng)度提高不是很顯著。

3.2.2 水泥用量對(duì)制品其他性能的影響

在原尾礦與尾礦細(xì)粉的比例為65∶27、水與固體干料的質(zhì)量比為8%、成型壓力為15 MPa的條件下考察水泥用量對(duì)免燒磚試塊體積密度、氣孔率和吸水率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 水泥用量對(duì)制品體積密度、氣孔率和吸水率的影響

由表7可以看出，隨著水泥用量的增大，試塊的體積密度逐漸提高、氣孔率和吸水率逐漸下降，但水泥在固體干料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%后，試塊的體積密度、氣孔率和吸水率變化都不大。結(jié)合表6結(jié)果，選取尾礦與水泥的配比為97∶8，即固體干料中原尾礦、尾礦細(xì)粉、水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65%、27%、8%。

3.3 制品SEM分析結(jié)果

在固體干料中原尾礦、尾礦細(xì)粉、水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65%、27%、8%，水與固體干料的質(zhì)量比為8%，成型壓力為15 MPa的條件下，所得免燒磚試塊養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的SEM分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 制品表面的SEM照片

由圖3可以看出，制品表面呈現(xiàn)水泥水化后的層狀產(chǎn)物，基質(zhì)與顆粒結(jié)合緊密，氣孔分布較均勻。由圖4可以看出，制品斷口處裂紋較少，空隙處水化產(chǎn)物較多，從而促進(jìn)了制品密實(shí)度和強(qiáng)度的提高［7］。

圖4 制品斷口的SEM照片

4 結(jié)論

(1)陜西五洲礦業(yè)公司石煤提釩尾礦的主要物相組成為石英、石膏、硫鋁酸鈣和鈣長(zhǎng)石，適合制備免燒磚。但該尾礦粒度較粗，需要將其中的一部分加工成－0.088 mm的尾礦細(xì)粉以滿足免燒磚原料的顆粒級(jí)配要求。

(2)利用該尾礦制備免燒磚的配方是:原尾礦、尾礦細(xì)粉、水泥在固體干料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65%、27%、8%，水與固體干料的質(zhì)量比為8%。按照此配方，在成型壓力為15 MPa的條件下，可制備出強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到《JC/T 422—2007 非燒結(jié)垃圾尾礦磚》中MU25級(jí)要求的免燒磚。

［1］ 張錦瑞，徐 暉．循環(huán)經(jīng)濟(jì)與尾礦的綜合利用［C］∥2004年全國礦產(chǎn)資源合理開發(fā)、有效利用和生態(tài)環(huán)境綜合整治技術(shù)交流會(huì)論文集．馬鞍山:《金屬礦山》雜志社，2004:434-437．

［2］ 時(shí) 亮，魏 昶，樊 剛，等．石煤提釩浸出渣制取建筑用磚的研究［J］.礦產(chǎn)綜合利用，2009(6):35-37．

［3］ 何廷樹，王盤龍，陳向軍，等．鐵尾礦干壓免燒磚的制備［J］.金屬礦山，2009(4):168-171．

［4］ 陳敏健，陳學(xué)江，任如學(xué)，等．鐵礦尾礦礦相組成與制磚燒成工藝關(guān)系的研究［J］.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2005(3):13-14．

［5］ 尹洪峰，夏麗紅，任 耘，等．利用邯邢鐵礦尾礦制備建筑用磚的研究［J］.金屬礦山，2006(2):79-81．

［6］ 劉鳳春，劉家弟，傅海霞．鐵礦尾礦雙免磚的研制［J］.礦業(yè)快報(bào)，2007(3):33-35．

［7］ 張婷婷．鄂西赤鐵礦尾礦制備免燒磚工藝及機(jī)理研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2010．