铁尾矿资源综合利用现状研究*

杨亚东，刘新亮，张 冰，刘秀玉，唐 刚

(安徽工业大学 建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032)

0 引言

随着矿山的开采和钢铁行业的不断发展，铁尾矿作为选矿后的废弃物，其储存量也在不断增加。据统计，2018年我国尾矿总产生量约为12.11亿t，其中铁尾矿产生量最大，约为4.76亿t，占尾矿总产生量的39.31%[1]。因技术限制，铁尾矿一般作堆填处理，这既造成了大量土地资源的浪费，又对周围的生态环境造成了极大的破坏，另外铁尾矿坝还存在一定的安全隐患。铁尾矿资源的二次利用，一方面可以提高资源的利用效率，缓解资源短缺的压力，另一方面可以有效解决铁尾矿乱堆乱放带来的环境破坏。因此，广大科研人员正在积极探索铁尾矿的综合利用方法。

随着科学技术的进步，铁尾矿的综合利用效率在不断提高。为建设资源节约型、环境友好型社会，实现绿色矿山建设目标，需要更加深入地开展铁尾矿综合利用研究。目前铁尾矿的综合利用方向主要有：铁尾矿中有价组分回收、填充采空区、制备肥料和土壤改良剂、制备混凝土和路基材料以及制备建筑材料等。本文将对国内铁尾矿的综合利用研究现状进行总结，以期为其进一步开发利用提供参考。

1 铁尾矿综合利用研究现状

1.1 铁尾矿有价组分的回收技术

我国铁尾矿的种类繁多，性质复杂，产地和选矿工艺不同，其成分和含量也不尽相同，但其化学成分基本相似，主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O等。提取尾矿中的金属、非金属元素，对提高资源的综合利用率、实现资源的二次利用具有重要意义。

1.1.1 铁尾矿中的铁回收技术

LI等[2]采用磁选后磁化焙烧工艺从铁尾矿中回收铁，当煤和铁尾矿质量比为1∶100时，在800 ℃下焙烧30 min后再球磨15 min，得到铁品位为61.3%、回收率为88.2%的铁精矿产品。李芸邑等[3]采用磁化焙烧-磁选分离工艺从鞍山市齐大山风水沟铁尾矿库中回收铁粉，并研究了焙烧温度、保护气流速、磨矿时间等对回收铁的影响，结果表明，当炭的质量为铁尾矿的0.8%、焙烧温度为800 ℃、保护气流速为1 L/min、焙烧时间为30 min、磨矿时间为2 min、激磁电流为2 A时，可获得铁品位58%、回收率大于80%的铁精矿。邓小龙等[4]采用磁选-絮凝-反浮选工艺从山东某TFe品位为19.97%、分布率为62.41%的铁尾矿中回收铁，结果表明：弱磁-强磁预富集可得到铁品位为42.88%、回收率为68.33%的磁选混合精矿；对混合精矿进行两段选择性絮凝脱泥，可得到铁品位为47.65%、回收率为63.76%的沉砂；沉砂再经1粗1精3扫反浮选，可得到铁品位为65.43%、回收率为53.34%的铁精矿。

1.1.2 铁尾矿其他有价组分的回收

霍松洋等[5]从承德某铁尾矿中回收磷、钛两种元素，采用1粗3精的工艺流程，获得了P2O5品位为32.74%、P2O5回收率为86.11%的磷精矿；再通过磁选-重选流程，得到了TiO2品位为23.00%、TiO2回收率为91.24%的钛精矿。牛福生等[6]以Na2CO3为pH调节剂、水玻璃为抑制剂、aw-01(一种由氧化石蜡皂、脂肪酸类捕收剂按一定比例混合制成的聚合物)为捕收剂，采用1粗3精的工艺从承德某选矿厂回收磷矿物，并研究了调节剂、抑制剂和捕收剂对P2O5回收率的影响，结果表明：在pH=8.5、水玻璃用量为900 g/t、aw-01用量为700 g/t的条件下，可获得P2O5品位为31.66%、P2O5回收率为84.58%的磷精矿。王宇斌等[7]采用1粗1精2扫的闭路流程从某铁尾矿中回收硫，并设计了正交实验研究显著影响因素，结果表明：DHN(一种含硫化合物，主要成分为硫化钠)是影响硫品位的最重要因素，浮选时间是影响回收率的最重要因素；在DHN为250 g/t、丁基黄药为80 g/t、2#油为40 g/t、浮选时间为9 min的条件下，可获得S品位为48.64%、S回收率为83.45%的硫精矿。

1.2 铁尾矿作采空区充填料

矿山开采形成了大量的采空区，其给周边的设施以及正常生产带来了严重的安全隐患。利用铁尾矿作为采空区充填料，既解决了铁尾矿大量堆积造成的土地资源浪费和由此引发的环境问题，也解决了采空区带来的安全问题。CHU等[8]采用疏浚河道沉积物(DRS)、铁尾矿渣(ITS)、电石渣(CCS)作为采空区充填材料进行了充填试验，结果表明：尽管普通硅酸盐水泥(OPC)抑制了坍落度，但CCS提高了流动性；当DRS与ITS的质量比为70∶30、水泥掺量为16.7%时，流动性达到最大值；铁尾矿的加入提高了DRS混合物强度，并通过OPC和CCS对其进行稳固，以达到骨架效应和降低含水量的目的；当DRS、ITS、OPC、CCS的质量比为60∶40∶16∶4时，坍落度约为160 mm，养护7 d后的无侧限抗压强度约为2.8 MPa。杨陆海[9]将铁尾矿代替河沙作为充填骨料，当充填料浆的质量分数为73%～79%时，铁尾矿物理性能满足要求，可作为下向胶结充填采矿法的充填骨料。

1.3 铁尾矿作肥料及土壤改良剂

铁尾矿中含有植物生长所需要的铁、锌、铜、钼、磷等微量元素，利用铁尾矿制作磁化肥料，可改良土壤，提高土地肥力。丁文金等[10]以铁尾矿粉作为磁性材料以先造粒后磁化的工艺生产磁化复混肥，在磁化场强为8 T下磁化10 s生产的磁化复混肥料磁化效果最佳，且放置时间对肥料的磁感应强度影响弱；磁化复混肥料重金属含量均低于GB/T 23349-2009《肥料中砷、镉、铅、铬、汞生态指标》的限值，不会对土壤产生重金属污染和影响作物品质。孙希乐等[11]利用铁尾矿及其副产品白云石、云母等制备土壤改良剂，当铁尾矿、云母、白云石的质量比为1.0∶1.5∶2.5、煅烧温度为1 100 ℃时，各组分的活化效果最佳，调理剂呈碱性对酸性土壤的改良具有重要意义。张丛香等[12]将铁尾矿、有机酸性肥、酸性调理剂等按照一定比例制备了土壤改良剂并将其应用于东北某盐碱地，研究结果表明，铁尾矿复合改良剂能明显改善盐碱地的质地，降低盐碱地的pH和盐分，使其具备植被生长的条件。

1.4 铁尾矿作路基材料

刘甲荣等[13]用水泥改良铁尾矿用于路基填筑，研究发现：水泥的加入能够提高铁尾矿的水稳定性、无侧限抗压强度和抵抗局部压入形变的能力；水泥添加量为6%～8%时，养护3 d的无侧限抗压强度可达1.0 MPa，浸水强度损失率小于15%；养护7 d和28 d，浸水强度损失率小于10%。易龙生等[14]选用金山选铁厂的铁尾矿作路基材料，研究了不同组分的添加量对路基材料的无侧限抗压强度的影响，结果表明，当水泥掺量为5%、碎石掺量为30%、聚丙烯纤维掺量为1.4 kg/m3时，路基材料的无侧限抗压强度满足JTGE 51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的要求，达到了4.24 MPa。张智豪等[15]采集了巴西米纳斯吉拉斯州的一个尾矿库的铁尾矿，利用水泥、钢渣和石灰对铁尾矿进行了改良，通过击实实验、无侧限抗压实验等对改良后的铁尾矿性能进行了分析，结果表明，水泥的改良效果好，当铁尾矿掺量为5%时，室内外条件下养护7 d的无侧限抗压强度分别达到1.44、1.32 MPa，加州承载比(RCB)大于80%，满足路基材料的要求。

1.5 铁尾矿作建筑材料

铁尾矿因其主要的矿物成分与天然砂相似而被广泛应用于建筑领域。利用铁尾矿制备建筑材料，既能缓解铁尾矿大量堆积而造成的环境污染、土地浪费等问题，又能因其代替了部分原材料而降低生产成本，且制备的混凝土、砖材、微晶玻璃等性能更好。

1.5.1 铁尾矿混凝土

YOUNG等[16]用高镁低硅铁尾矿代替黏土，采用常规烧结工艺生产水泥熟料；当铁尾矿质量分数低于10%时，1 420 ℃烧结1 h生产出的水泥熟料力学性能与42.5R级相当，物理性能符合GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》的要求。WANG等[17]利用煤矸石(CGC)和铁矿石尾矿(ITOs)研制了一种新型蒸压加气混凝土(ACC)，在添加20%CGC、40%铁尾矿、25%石灰、10%水泥、5%脱硫石膏和0.06%铝粉的条件下可制得密度为609 kg/m3、抗压强度为3.68 MPa的蒸压加气混凝土，满足GB/T 11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》中A3.5、B06级的要求。CHENG等[18]采用机械力化学活化的高硅铁尾矿代替部分水泥作为配制混凝土的辅助性胶凝材料，当替代率小于30%时，混凝土抗压强度满足设计要求；当加入适量的减水剂，铁尾矿的替代率可提高至40%；研究结果表明，机械化学活化的高硅铁尾矿作为预拌混凝土的辅助胶凝材料是可行的。

1.5.2 铁尾矿制砖

LI等[19]利用细粒低硅铁尾矿和无水泥固化剂为原料制备环境友好型砖，在防水剂和固化剂质量分数均为0.3%、初始养护温度为60 ℃的条件下养护28 d后，其抗压强度、饱和抗压强度分别达到27.2、24.3 MPa，其他物理性能和耐久性也满足JC/T 422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》的要求。张全宏等[20]选用湖北省广水市松立矿业有限公司的铁尾矿为主要原料制备蒸压灰砂砖，研究了石灰与石膏掺量、成型压力等对灰砂砖抗压强度的影响，结果表明：尾矿、河砂和石灰的质量比为74∶15∶11、磷石膏质量为石灰的2%时，成型压力为20 MPa；在蒸汽压力为1.0 MPa、升温2.5 h、恒温8 h、自然降温3 h条件下，可制得满足GB/T 11945-2019《蒸压灰砂实心砖和实心砌块》的MU20级标准灰砂砖，其密度为1 900～2 000 kg/m3，平均抗压强度可达21.5 MPa。陈永亮等[21]选用湖北鄂西某矿业公司选矿厂赤铁矿尾矿为原料制备烧结砖，并利用综合差热分析(TG-DSC)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)研究了烧结砖的烧结过程和机理，结果表明：烧结过程分为干燥、加热、烧成和冷却四个阶段；900 ℃前的烧结初期，砖体内的结晶水、结构水等脱去，以固相表面的扩散传质为主；900 ℃后的烧结中后期，砖内的非晶态物质结晶并与石英等构成骨架，熔融液相固定骨架，使烧结砖更加致密。

1.5.3 铁尾矿保温墙体材料

喻振贤等[22]选用黄石市灵乡选矿厂的铁尾矿为主要原料，加入水泥、废旧聚苯乙烯(PS)颗粒、激发剂、阻燃剂等制备了阻燃型保温墙体材料，研究了不同组分的掺量对墙体材料性能的影响，结果表明，当铁尾矿与(水泥+铁尾矿)的质量比为68%、水灰比为0.7、激发剂与铁尾矿的质量比为10%、阻燃剂与水的质量比为20%时，可以制得密度小于900 kg/m3、导热系数小于0.231 W/(m·K)、氧指数大于32 %的阻燃性保温墙体材料。陈永亮等[23]以湖北省大冶市金山店镇锡冶山尾矿坝中的铁尾矿为主要原料，以稻壳为造孔剂制备了轻质保温墙体材料(LTIWM)，利用正交实验和单因素分析确定了最佳的原料配比——铁尾矿掺量46%、膨润土掺量35%、稻壳掺量9%、长石掺量10%；利用综合差热(TG-DSC)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)研究其烧结机理后发现，其烧结过程与制砖相似，分为干燥脱水、造孔、黏结和冷却四个阶段；制备的墙体保温材料的密度为1.229 4 g/cm3，抗压强度为7.6 MPa，导热系数为0.292 5 W/(m·K)。杨航等[24]选用河北某铁尾矿和废石制备了建筑外墙陶瓷保温材料，并利用综合差热分析、X射线衍射物相分析、导热测试等对铁尾矿和制备的墙体材料进行了表征，研究发现，铁尾矿质量分数为40%～55%、废石质量分数为45%～60%、发泡剂质量分数为0.5%，在1 160 ℃下烧结60 min，可获得密度为350 kg/m3、导热系数为0.09 W/(m·K)、抗压强度为2.20 MPa的外墙保温材料。

1.5.4 铁尾矿制备微晶玻璃

微晶玻璃作为一种新型的建筑材料，其性能优于一般的玻璃、陶瓷和天然石材。而铁尾矿中所含的SiO2、Al2O3、CaO、MgO等是制备微晶玻璃的主要原材料。南宁等[25]以商洛铁尾矿为主要原料，采用烧结法制备了CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元体系微晶玻璃，并探究了晶化温度对玻璃的抗压强度、密度和化学稳定性的影响，结果表明：铁尾矿玻璃的密度和抗压强度随晶化温度的升高呈现出先增后降的趋势，而玻璃的耐酸碱性却呈现相反的趋势；体系的最佳晶化温度为900 ℃，制备的微晶玻璃主晶相为透辉石相，抗压强度为164.75 MPa，密度为2.82 g/cm3，耐酸碱的质量损失率分别为0.11%、0.13%。杨博宇等[26]以包头地区的铁尾矿、金尾矿为原料，采用玻璃熔制-微波热处理方法制备了微晶玻璃，对制备的微晶玻璃进行了差热分析(DTA)、X射线衍射分析(XRD)、显微形貌分析(SEM)和理化性能分析，结果表明，所制备的微晶玻璃的综合性能远优于常规的微晶玻璃。王长龙等[27]选用房山煤矸石和山西灵丘铁矿尾矿，采用熔融法制备了微晶玻璃，并利用差示扫描量热法(DSC)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)研究了核化温度和晶化温度对材料性能的影响，结果表明：随着核化温度的升高，微晶玻璃的弯曲强度呈现先增后降的趋势，晶化温度的影响呈现出相同的趋势；最佳的热处理工艺为核化(60 ℃，3 h)与晶化(980 ℃，1 h)。

2 结语

随着绿色矿山和可持续发展观的深入人心，对铁尾矿的回收再利用受到了人们的密切关注，铁尾矿的资源化利用对于生态文明建设具有重要意义。铁尾矿的回收利用，不仅能解决大量堆积造成的环境污染和土地资源浪费等问题，而且还挖掘了其潜在利用价值，变废为宝。虽然我国的铁尾矿综合利用研究取得了一定的进展，但供需之间还存在着很大的差距，今后仍需探索新的利用途径，以提高其资源利用效率。