钒铁矿渣资源综合利用的应用研究

■黄明夫，甘 璐，施麟芸 ■江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西 南昌 330001

目前，我国产钒企业排出的钒尾矿渣每年约为40万吨。除了一小部分钒铁矿渣为了回收其中的稀有金属而进行了二次开发利用外，大部分的钒铁矿渣只能成为工业废弃物。钒铁渣的物性不同于其它固体废弃物，它无法自然分解也无法通过焚烧来处理。尾渣长期堆放不仅占用大量土地空间而且其中含有的一些有害物质，经雨水淋洗带入土壤，破坏当地土地植被结构，给发展可持续性经济带来巨大的环境压力。因此，如何通过资源综合利用来解决目前比较严重的钒铁渣废弃物现状，并能给企业创造一定的经济效益，带动市场对于废弃物二次利用的积极性，亟待我们通过研究充分了解钒铁渣矿的性能，并进行相应的资源化利用研究。

1 化学成分

经多次取样，并按GB/T 176《水泥化学分析方法》测试，取自江西省新余市的钒铁矿渣粉化学成分分析结果见表1。

表1 钒铁矿渣粉的化学成分

从化学分析结果看，钒铁矿渣粉属高钙低铝灰渣。其中CaO含量达57～60%，高于冶金钢渣和高炉矿渣，，接近硅酸水泥熟料;SiO2含量为28～30%，而钢渣中SiO2含量一般在20%以下，高炉矿渣中SiO2含量大于30%;Al2O3含量在2.5%以下，低于钢渣(5%以下)和高炉矿渣(10%以上);MgO含量为6～10%左右，与钢渣和高炉矿渣相近。按照钢渣碱度系数评定钢渣活性的办法;碱度系数0.78～1.8属低活性的橄榄石渣，碱度系数1.8～2.5属中等活性硅酸二钙渣，碱度系数大于2.5属高活性硅酸三钙渣。根据化学成分分析结果，钒铁矿渣粉碱度系数在1.82～2.07，属具有中等活性的硅酸二钙渣。

2 矿物组成

钒铁矿渣粉经X射线衍射(XRD)分析结果表明:矿粉E主要矿物组成为:硅酸二钙(2CaO·SiO2)、硅酸钙(CaO·SiO2)、方镁石(MgO)和少量钙铝石榴子石(3CaO·Al2O3·SiO2)、尖晶石(MgO·Al2O3)、铁橄榄石(CaO·FeO·SiO2)等矿物。

3 显微结构

由上图可见，一定颗粒形态下的钒铁矿渣粉具有层状结构，也就解释了它具有良好的增稠作用的原因，然而当破碎到更小粒径时会破坏颗粒本身的层状结构，形成层片状微小颗粒，反而降低了材料的性能。

图1 矿物掺料E的微观结构图

4 物理性能

经存放粉化后的钒铁矿渣粉外观呈灰白色的粉状物料，粉料中含有块状和粒状金属物，经筛除回收后，密度为3.06～3.10g/cm3，细度:45um筛的筛余量高达63.5%，比较面积在125～142m2/kg，经不同时间球磨后的比表面积见表2。

表2 钒铁矿渣粉不同时间球磨后的比表面积

从表2看出:钒铁矿渣粉经球磨后细度显著提高，随着球磨时间增加细度增大，在球磨时间10～20min时，细度比原状钒铁矿渣粉提高了4～5倍，随着球磨时间陆续增加，细度增加减缓。从上述试验结果表明，钒铁矿渣粉具有较好的易磨性。

5 矿粉E活性

参照GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准中胶砂测试方法。矿粉E掺量占胶凝材料30%，胶凝材料和标准砂按1∶3，水灰比0.5，水泥为P.O42.5级水泥，试验方法按GB/T1596规定进行，试验结果见表3。

表3 矿粉E活性试验结果

从表3看出:钒铁矿渣粉经球磨加工后具有较高的活性，尤其早期(3d、7d)活性发展较快，后期(28d)活性指数稳定在80%以上。随着钒铁矿渣粉比表面积增加，活性指数有些提高，但增加幅度较平缓，当比表面积达975m2/kg时，活性指数提高幅度较明显。

6 掺矿粉E水泥体积安定性

参照GB/T1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、体积安定性检验方法》标准规定，实验采用了沸煮法和压蒸法分别检验掺钒铁矿渣粉的水泥体积安定性。钒铁矿渣粉经磨细后比表面积为557m2/kg。

试饼法试件由70%P.O42.5级水泥和30%钒铁矿渣粉组成，标准稠度用水量125ml。检验方法按GB/T1346规定进行。检验结果:水泥试饼的体积安定性符合国家标准要求。

压蒸法试件由70%P.O42.5级水泥和20%钒铁矿渣粉、10%Ⅱ级粉煤灰组成。检验方法按GB/T750规定进行，试件在压力2.0MPa、湿度215℃压蒸釜内保持3h以上，经测试压蒸膨胀为0.14%，符合普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥的压蒸膨胀率不大于0.50%的规定。

上述检验结果表明:钒铁矿渣粉经磨细比表面积在500m2/kg以上，且掺量在20%以下，掺钒铁矿渣粉水泥体积安定性符合国家标准规定。

7 矿粉E的放射性指标

试验依据GB6566《建筑材料放射性核素限量》标准，用γ谱仪测定了钒铁矿渣粉放射性核素镭-226、钍-232、钾-40的放射性比活度，检测结果见表4。

表4 矿粉E放射性核素指标

表4看出:钒铁矿渣粉的放射性指标符合国家标准GB6566规定的IRa≤1和Ir≤1的要求。

8 结论与建议

根据试验结果，取自新余的钒铁矿渣粉无有害矿物元素、放射性指标达到国家标准规定。经磨细比表面积在500m2/kg以上的钒铁矿渣粉具有较好的活性，早期活性表现活跃。钒铁矿渣粉掺量在20%以下水泥体积安定性符合国家标准规定，可作为一般掺合料应用于预拌混凝土及建筑墙体材料等领域中。