铁尾矿生产陶瓷玻化砖离工业化还有多远？

供稿|隋延力, 王继全, 杨芳, 雷远坤, 刘曙, 刘红光/ SUI Yan-li, WANG Ji-quan, YANG Fang, LEI Yuan-kun, LIU Shu, LIU Hong-guang

铁尾矿生产陶瓷玻化砖离工业化还有多远？

How Far Is It from Iron Ore Tailings to the Industrialized Production of Ceramic Tiles ?

供稿|隋延力1, 王继全1, 杨芳1, 雷远坤2, 刘曙2, 刘红光2/ SUI Yan-li1, WANG Ji-quan1, YANG Fang1, LEI Yuan-kun2, LIU Shu2, LIU Hong-guang2

内容导读

铁尾矿因综合利用技术复杂、难度大等原因，长期以来未能得到高效利用，矿山企业多采取矿山回填或简单堆放方式对其进行处理。研究表明用铁尾矿制备陶瓷玻化砖是完全可行的，但如果想要实现工业化生产仍需要解决一系列技术问题。技术问题一旦解决，产品质量就有了保障，后续的产品推广和市场开拓才能相继展开。文章重点从我国实际出发，以解决技术问题为突破口，分析了成分稳定、水化凝胶、释气性物质等影响陶瓷玻化砖质量的因素，阐明了解决途径和办法，并对整个产业的全面规划和整体实施提出了几点建议。

图1 人均金属矿产消费与人均GDP的关系

我国的矿产资源种类齐全，总储量较高。充足的矿产资源是中国经济高速增长的保证。图1所示为相关学者对100多年来各国工业化过程中经济增长与矿产资源消费的规律进行研究的结果[1]。我国从20世纪90年代步入快速工业化过程，对资源的需求量显著增加。随着矿产资源被消耗，不可避 免 的要产生大量尾矿。据推算我国赋存铁尾矿资源量达到67亿t[2]。

目前我国尾矿综合利用率不足10%，铁尾矿的综合利用率更是仅为7% 左右，远低于发达国家60%的利用率[3]。我国工业和信息化部在《金属尾矿综合利用专项规划（2010—2015年）》中明确指出“十二五”末尾矿综合利用率要达到20%。铁尾矿的简单堆放不仅占用土地、浪费资源，而且污染环境、存在安全隐患，近年尾矿坝垮塌造成的事故频繁发生，尾矿中的金属离子进入水环境中还会造成极大的污染[4]，如图2和图3所示。

图2 尾矿坝垮塌造成的事故

随着我国经济的高速增长，城市化建设速度加快，房地产业空前发展，与此同时，对建筑材料的用量骤增、品质要求更高。建筑陶瓷瓷质砖以玻化砖为主，陶瓷玻化砖产品主要有：地砖、锦砖、瓷质外墙砖等，属中高档建筑陶瓷用砖，图4所示为市场上各种颜色的陶瓷玻化砖。其特点是强度大、硬度高、机械性能好，具有玻璃相含量较高、晶相量较多的微观结构，材料的吸水率原则上低于0.5%。同时，陶瓷玻化砖也是建筑陶瓷生产中质量较难控制的产品类型。

图3 受到尾矿污染的河流

图4 各种颜色的玻化砖

用铁尾矿生产高附加值的陶瓷玻化砖不仅可以大量消纳铁尾矿，而且可以降低建筑材料的生产成本，是提高资源利用率、实现资源整体利用的重要途径。我国对铁尾矿生产陶瓷玻化砖的研究较早，但目前仍未实现铁尾矿大批量工业化生产陶瓷玻化砖，这其中存在诸多影响因素。

相关研究

铁尾矿作为工业固体废弃物，本身经济价值不高，而且处理不当还会带来负面效果，我们不禁要怀疑，用铁尾矿生产高附加值的陶瓷玻化砖可行吗？

制备玻化砖首先要求原料SiO2和Al2O3含量高，同时含有一定量的K2O、Na2O、CaO、MgO等低熔点物质[5]，国内外的陶瓷玻化砖化学组成如图5所示。我国几种典型铁矿的化学组成如图6所示[6]，对比之后可以发现，鞍山式铁矿基本可以满足成分要求，而火山型铁矿通过添加石英砂也可以达到要求。值得注意的是，铁尾矿中含有一定量的Fe2O3，在经过不同工艺处理后可以使烧结坯体呈现棕、黄、红、黑等不同颜色，是制备彩色陶瓷玻化砖的天然着色剂。

图5 国内外陶瓷玻化砖产品的化学成分

图6 国内几种典型铁矿的化学成分

早在20世纪末我国就开始探索利用铁尾矿制备陶瓷玻化砖的可行性。1997年，倪文等最先利用大庙铁矿或者添加一定量的黏土制备出陶瓷玻化砖，抗压强度162 MPa，抗折强度62 MPa，吸水率<0.1[7]。近年来随着尾矿资源化利用受到重视，同时建筑材料的市场需求不断提高，对铁尾矿制备玻化砖的研究越来越多。2007年，湖南有色金属研究院以本钢尾矿为原料进行玻化砖工业实验，产品颜色为灰色，吸水率0. 68%，抗压强度65. 3 MPa，符合国家建材行业标准[8]。2012年，石棋等利用攀钢铁尾矿制备了黑色玻化砖，吸水率0.1%～0.4 %，抗折强度46.2～48.7 MPa，耐磨性146～155 mm-3[9]。2013年，焦娟等[10-11]对程潮铁尾矿制备黑色通体砖及陶瓷玻化砖进行了实验，研究表明程潮铁尾矿可制备灰黑色陶瓷玻化砖（也称通体砖）。

国外也有利用铁尾矿制备陶瓷玻化砖的报道。1996年，Ramachandrarao P等人研究了用KIOCL铁尾矿制备陶瓷玻化砖的可行性。2000年，印度的S.K. Das等人以铁尾矿、黏土和助熔剂等为原料制备出玻化砖，莫氏硬度＞6，抗折强度＞25 MPa，其他各项指标均符合欧洲标准。

技术分析

虽然相关研究表明铁尾矿可以作为生产陶瓷玻化砖的原料，但如果想实现工业化大规模生产仍需解决技术问题、产品的推广、市场的开拓等一系列问题。技术问题解决的是产品生产问题，产品推广及市场开拓解决的是产品销售问题。目前我国利用铁尾矿生产陶瓷玻化砖存在的技术问题主要有以下几点：

成分稳定问题

我国铁尾矿多为单金属类铁尾矿，按主要组成元素将其分为4种类型：(1)鞍钢高硅型铁尾矿；(2)马钢高铝型铁尾矿；(3)邯钢、邢钢高钙镁型铁尾矿；(4) 酒钢低钙、镁、铝、硅型铁尾矿[12]。无论哪种铁尾矿的化学成分中均含有硅、钙、铁、镁、钾、钠等，符合陶瓷生产所需成分要求。但铁尾矿没有固定的矿物组成，因而组成成分多变，不同类型的铁尾矿化学成分含量差异甚大。建筑陶瓷的生产要求原材料配方组成处于一个相对稳定的范围，因此把铁尾矿作为建筑陶瓷生产原料首先要解决的是组成成分的稳定性问题。

均化处理方法在矿山、水泥、陶瓷等生产中已经得到广泛而成功的应用。为此矿山需要增设铁尾矿均化系统，而在建筑陶瓷企业需要增设大型铁尾矿球磨均化系统，并全程严格监控。

水化凝胶问题

钙是铁尾矿中的重要成分，如图5所示[6]，在矽卡岩式和火山岩式的铁尾矿中钙含量较高，在鞍山式铁尾矿中钙含量较少。程潮铁尾矿的矿物组成如表1所示[11]，可见钙往往以无水石膏、半水石膏、石膏及碳酸钙形式存在。特别是当钙以石膏形式存在时，易产生水化胶凝现象，使得陶瓷浆料极难分散，严重影响陶瓷泥浆的流动性，并且常用的陶瓷浆料减水剂均不能有效解决其胶凝问题。水化胶凝现象对现有的建筑陶瓷生产工艺（湿法球磨→浆料输送→喷雾造粒）是十分不利的。

表1 程潮铁尾矿的矿物组成（质量分数，%）

解决水化胶凝难题的方法有2种：一是研究出针对石膏水化胶凝的解胶剂或其他相关减水剂；二是采用干法球磨配套干法造粒。其中，干法造粒是目前建筑陶瓷研究发展的重要方向。相信不久的将来，随着先进的建筑陶瓷干法制粉技术的逐步成熟和推广，高钙含量铁尾矿作为建筑陶瓷生产原材料存在的水化胶凝问题将迎刃而解。

释气性物质的影响

尾矿中含有大量碳酸盐和硫酸盐等释气性物质。碳酸钙在玻化砖烧成过程中易分解释放出气体，过量的碳酸钙坯体烧成收缩大，易残留气孔，影响玻化砖的机械性能。硫酸钙分解温度一般高于玻化砖的成瓷温度，但在熔剂的作用下会提前缓慢分解，在气体得不到充分释放时，玻化砖易形成黑心，这一点对快速烧成（烧成周期1 h左右）的建筑陶瓷玻化砖是很不利的。

云母的影响

云母也是铁尾矿中常见的矿物质。云母呈片状结构，不利于泥浆的分散及稳定悬浮；且在坯体成形时易定向排列，导致坯体的干燥收缩与烧成收缩的各向异性，致陶瓷制品开裂。历代陶瓷工作者为解决云母问题做了大量工作[13]，随着科技的进步，研究的深入，希望这个问题可得以解决。

铁元素的影响

铁尾矿中铁含量（质量分数）高达10%～30%，铁元素在尾矿中以游离铁、氧化铁、铁的硅酸盐、硫化铁等形式存在。为获得满足玻化砖实用要求的力学性能，烧结温度在1180℃以上较为适当。但大量存在的铁酸盐在较低温度形成低共熔化合物，使玻化砖坯体在1280℃以上烧结时黏度下降，导致坯体变形、过烧发泡。铁尾矿砖常呈现出一定的颜色，以棕色、茶色、灰黑、黑色等颜色为多见。这与材料中铁的存在形式、铁的含量及少量、微量的其他着色元素密切相关。

其他因素

除了技术问题，产品推广和市场开拓也是阻碍铁尾矿工业化生产陶瓷玻化砖的重要因素。

对建筑陶瓷而言，制约尾矿大量应用的因素主要是成本，虽然尾矿的价格低但运输成本不可避免。可以就近建设企业，由政府提供政策和经费支持，围绕铁尾矿开发利用做大做强。

铁尾矿陶瓷玻化砖制品可以分为高端产品和中低端产品，高端产品如微晶玻璃，中低端产品如玻化砖、釉面砖。加大中低端产品的生产，开发中低端客户市场，无疑将大大增加尾矿的消耗量。

综合利用

在综合分析铁尾矿工业化生产陶瓷玻化砖面临的诸多问题和解决方法的基础上，提出5点建议：

(1) 有的放矢地对综合利用铁尾矿产业进行全面规划、整体布局和推进实施。

(2) 以国家或行业层面，制定铁尾矿整体利用条例，尾矿排污治理和监管管理办法，有效遏制尾矿对环境的污染；

(3) 在行业内建立铁尾矿资源数据库及整体利用信息管理系统；

(4) 建立铁尾矿整体利用工程技术中心，加强研究成果向生产力转化；

(5) 开展铁尾矿整体开发利用方面的国际合作，共同研究尾矿整体利用和清洁生产工艺技术，借鉴国际成功经验，统筹规划，建设尾矿整体利用示范工程和无尾矿废料示范矿山。

展望

加快铁尾矿综合利用开发，是发展循环经济，建设资源节约型、环境友好型社会的有效措施。将简单堆积的铁尾矿转化为附加值高、生态环保的建筑用陶瓷玻化砖，不仅节约宝贵的土地资源、减少对环境的污染，而且可以更大限度地利用尾矿中的有用成分，实现矿产资源的全方位整体利用。

尽管我国利用铁尾矿生产建筑材料包括陶瓷玻化砖方面还存在一些技术难题，但只要国家增加相关政策的支持力度，行业进行科学规划，企业、院校、研究机构相互合作，共同努力，积极探索，相信相关技术难题就会逐一攻克，铁尾矿在建筑陶瓷玻化砖中的应用会越来越普遍，最终会实现大规模工业化生产。

[1] 王安建，王高尚，张建华，等. 矿产资源与国家经济发展. 北京：地震出版社，2002.

[2] 邓文，江登榜，杨波兰，等. 我国铁尾矿综合利用现状和存在的问题. 现代矿业，2010(9)：1-3.

[3] 梅国栋. 尾矿综合利用与无尾矿山建设探讨. 金属矿山，2010(10):142-145.

[4] 常前发. 我国矿山尾矿综合利用和减排的新进展. 金属矿山，2010(3):1-5.

[5] 倪 文，邹一民，张春艳. 利用山东焦家金矿尾矿制作玻化砖的研究. 地质论评，1998，44(1):71-76.

[6] 王金忠. 我国利用铁尾矿研制生产建筑材料的现状及展望. 房材与应用，1998(4)：16-21.

[7] 倪文，张春艳，邹一民. 大庙铁矿尾矿制作玻化砖研究. 陶瓷，1997(6):27-31.

[8] 李明碧，赵言勤. 本钢歪头山铁矿尾矿综合利用研究. 湖南有色金属，2013，29(3):23-26.

[9] 石棋，崔文豪，隋延力. 利用攀钢铁尾矿制备黑色玻化砖的研究.中国陶瓷，2012，48(10):55-57.

[10] 焦娟，郭志猛，刘祥庆，等. 用程潮铁尾矿制备黑色通体砖. 金属矿山，2010(12):167-170.

[11] 石 棋，郭玉忠，陈井清，等. 程潮铁尾矿在玻化砖中的应用研究.中国陶瓷，2011，47(9):41-44.

[12] 有色金属矿物学编委会. 现代铁矿石选矿. 合肥: 中国科学技术大学出版社，2009.

[13] 李家驹. 日用陶瓷工艺学. 武汉: 武汉理工大学出版社，1992.

隋延力，女，研究员，就职于北京科技大学新金属材料国家重点实验室，主要研究方向：粉末冶金技术及其应用、稀土永磁材料、直接还原海绵铁以及尾矿综合利用等。E-mail: yls@ustb.edu.cn。

王继全，男，博士研究生，现就读于北京科技大学新金属材料国家重点实验室，主要研究方向：钴铁氧体各向异性和磁致伸缩性能研究、尾矿综合利用。E-mail: 949813583@qq.com。

1. 北京科技大学，北京 100083；2. 武汉钢铁（集团）矿业有限责任公司程潮铁矿，湖北 鄂州 436051

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.004