CN109111208A - 一种铁尾矿烧结砖及其制备方法 - Google Patents

一种铁尾矿烧结砖及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁尾矿烧结砖及其制备方法。铁尾矿烧结砖由如下质量份数的原料制备得到：铁尾矿49~59份；粉煤灰24~30份；矿山外排水厂含硫污泥11~27份。铁尾矿烧结砖以选矿生产的尾渣、矿外排水厂污泥、粉煤灰为原料，在特定的原料配比下烧结制备得到，通过各组分的协同作用得到的铁尾矿烧结砖的抗压强度大于10MPa，体积密度1600~1800 kg/m³，吸水率小于20%，浸出液中重金属浓度远低于规定阈值，并且能够固定污泥中的硫，实现了矿场废料的无害化和资源化利用，制备方法简单，易于规模化生产及实际应用，具有良好的应用前景，能应用于建筑材料中。

Description

一种铁尾矿烧结砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及尾矿无害化及综合利用领域，更具体地，涉及一种铁尾矿烧结砖及其制备方法。
背景技术
以黏土为主要原料生产烧结砖是最传统的方法，但因该方法会破坏耕地，影响生态环境，已经被国家命令禁止。尾矿是选矿过程中产生的固体废物，具有数量多、粒度细、可用性大等特点。我国尾矿综合利用率低，仅有18％左右，大部分尾矿堆存在尾矿库中，占用大量土地资源。现已有多项利用尾矿、页岩、煤矸石、粉煤灰等固体废物来生产蒸压加气混凝土切块、水泥砖、免烧砖等，但这些非烧结砖在强度、抗腐蚀性和使用寿命上不如传统烧结砖。
针对尾矿烧结砖的研究，现有技术中公开了尾矿烧结砖及其制备方法，但所得烧结砖抗压强度较低，未能达到国标规定中最低的MU10强度标准，且并未提及所用原料中所含重金属元素的浸出性测试，未提及所制产品是否达到环保要求。而尾矿中所含重金属易随着矿山酸性废水迁移到附近水体及地下水中，形成巨大安全隐患，除此之外，雨水和选矿废水流经尾矿库、拦泥库、排土场形成的污水经矿山外排水厂混凝沉淀处理后产生的污泥粒度细、含水率高、粘性强、热值低并且含有重金属及硫化物，因此，经济有效的处理上述环境污染问题具有重要意义。
发明内容
本发明的首要目的是克服上述现有技术的不足，提供一种铁尾矿烧结砖。该铁尾矿烧结砖具备良好的抗压强度，保水性、体积密度、吸水率和浸出液重金属浓度均达到国家标准规定的阈值，完全达到了烧结砖的环保要求。
本发明的进一步目的是提供一种铁尾矿烧结砖的制备方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种铁尾矿烧结砖，所述铁尾矿烧结砖由如下质量份数的原料制备得到：
铁尾矿 49～59份；
粉煤灰 24～30份；
矿山外排水厂含硫污泥 11～27份；
其中所述粉煤灰中SiO2含量为43～47％，Al2O3含量为17～19％，铁尾矿中Fe2O3含量为44～55％。
所述铁尾矿及污泥均伴随矿山生产产生，粉煤灰在使用燃煤锅炉的企业均有产生。
其中所述铁尾矿是指原矿进行选矿处理，主要成分已作为精矿收集，所剩下的成分，其中铁尾矿中SiO2含量为29％，Al2O3含量为14％。
所述粉煤灰是指燃煤燃烧后烟气中收集下来的飞灰，主要含有43～47％SiO2，17～19％％Al2O3，能弥补铁尾矿含硅低的缺点。
所述污泥是指矿山外排水厂板框压滤处理后的污泥，主要成分为矿山及尾矿库中的雨水及选矿废水流经排土场、拦泥库所携带的尾矿及矿山土壤，具有粒度细，含水率高、粘性强、热值低等特点能提高砖块可塑性。
本发明选用原料为铁尾矿、粉煤灰、矿山外排水厂污泥，与现有尾矿烧结砖技术相比，原料均为工业固体废物，即节约成本又消纳固体废物。粉煤灰能弥补铁尾矿中硅和铝含量低的缺点，矿山外排水厂污泥能提高砖块可塑性，铁尾矿中含有的44～55％的Fe2O3能够促使烧结中矿物成分的变化在更低的温度进行，可以降低烧结温度，减少能耗。
优选地，所述铁尾矿烧结砖按质量百分比计，由以下原料组成：
铁尾矿 52％；
粉煤灰 26％；
矿山外排水厂含硫污泥 22％；
所述粉煤灰中SiO2含量为44％，Al2O3含量为18％，铁尾矿中Fe2O3含量为46％。
优选地，所述铁尾矿和粉煤灰的粒径均≤0.08mm。
优选地，所述粉煤灰中含有不规则玻璃体。粉煤灰在高温下生成的不定形状的玻璃体有助于烧结过程中原料间的融合。
所述矿山外排水厂含硫污泥中的硫元素经高温烧结后与制砖原料反应产生CaSO4固定在体系中且能增强烧结砖强度。
一种铁尾矿烧结砖的制备方法，包括以下步骤：将原料混合，加水至物料含水率为8～15％，压片成型，于950～1100℃下烧制1.5～2.5h，得到所述铁尾矿烧结砖。
本发明所述的铁尾矿和粉煤灰预先经过烘干12h以上，再进行研磨过筛处理，所述污泥为板框压滤处理后的泥饼，再研磨破碎至粉末状。
本发明的铁尾矿烧结砖在烧制过程中，高温使原料中的结晶矿物晶形结构发生变化，杂质分解，促进玻璃相及莫来石相生成，赋予烧结砖强度，铁尾矿中Fe2O3的存在能够促使上述反应在更低的温度进行，同时，高温使原料中的重金属成份形成稳定的晶体结构稳定在体系中。
优选地，所述烧制温度的升温速率为3～10℃/min。烧结升温速度过慢会增加能耗影响生产进度，升温速度过快则会使烧结砖块强度下降，容易开裂。
更优选地，所述烧制温度的升温速率为5℃/min。
优选地，所述烧制温度为1050℃，烧制时间为2h。
优选地，所述物料含水率为10％。控制含水率的可以促使原料均匀混合及增加压片时的可塑性，更易成型。
优选地，所述压片成型的压力为15～25MPa。
更有选地，所述压片成型的压力为20MPa。
本发明的铁尾矿烧结砖的制备方法中，压片成型处理后还进行了陈化处理，且陈化时间为24h。
本发明所述铁尾矿烧结砖满足烧制普通砖标准(GB/T5101-2003)中规定的MU10强度等级要求，体积密度和吸水率也均达到国家标准，浸出液中重金属(铜，锌，铅，镉)浓度远低于(GB5085.3-2007)规定的阈值，达到环保要求，且所述尾矿烧结砖的制备方法简单，成本较低，易于工业化生产，能够应用于建筑材料中，且实现了尾矿回收的废渣、废气和废水的回收利用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种铁尾矿烧结砖及其制备方法，铁尾矿烧结砖以铁尾矿生产的废渣、废气和废水为原料，在特定的原料配比下烧结制备得到，通过各组分的协同作用既克服了铁尾矿硅和铝含量低的问题，又利用粉煤灰的不规则玻璃体提升了烧结过程中原料的融合程度，得到的铁尾矿烧结砖的抗压强度大于10MPa，体积密度介于1600～1800kg/m3之间，吸水率小于20％，且对于废水污泥中的重金属形成了稳定的晶体机构稳定存在，浸出液中重金属浓度远低于规定阈值，实现了矿场废料的无害化和资源化利用，制备方法简单，易于规模化生产及实际应用，具有良好的应用前景，能应用于建筑材料中。
附图说明
图1是实施例1所述铁尾矿烧结砖的X射线衍射图谱。
图2为实施例1所述铁尾矿烧结砖在发射场扫描电子显微镜下的微观结构。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
本发明实施例1～10所使用的原料成分见下表1。
表1
实施例1～4
一种铁尾矿烧结砖，由如下表2所列质量份数的原料制备得到：
表2
项目 铁尾矿(％) 粉煤灰(％) 矿山外排水厂含硫污泥(％)
实施例1 52 26 22
实施例2 59 30 11
实施例3 56 28 16
实施例4 49 24 27
其中实施例1所述铁尾矿烧结砖的制备方法，包括如下步骤：
将上述原料混合，其中铁尾矿和粉煤灰的粒径均为0.08mm以下，再加水至物料含水率为10％，用压片机于20MPa下压片成型，再以5℃/min的升温速率在1050℃下烧制2h，得到所述尾矿烧结砖。
实施例2～4所述铁尾矿烧结砖的制备方法和实施例1相同。
实施例5
一种铁尾矿烧结砖，其原料组成与实施例1相同，所述铁尾矿制备烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，所述烧制温度为950℃。
实施例6
一种铁尾矿烧结砖，其原料组成与实施例1相同，所述铁尾矿制备烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，所述烧制温度为1100℃。
实施例7
一种铁尾矿烧结砖，其原料组成与实施例1相同，所述铁尾矿制备烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，所述升温速度为10℃/min。
实施例8
一种铁尾矿烧结砖，其原料组成与实施例1相同，所述铁尾矿制备烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，所述升温速度为3℃/min。
实施例9
一种铁尾矿烧结砖，其原料组成与实施例1相同，所述铁尾矿制备烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，所述烧结时间为1.5h。
实施例10
一种铁尾矿烧结砖，其原料组成与实施例1相同，所述铁尾矿制备烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，所述烧结时间为2.5h。
对比例1
一种铁尾矿烧结砖，按质量百分比计，由以下原料组成：
铁尾矿 60％；
高岭土 40％；
其中所述铁尾矿中Fe2O3含量为46％，SiO2含量为29％，Al2O3含量为14％；所述高岭土中SiO2含量为56％，Al2O3含量为37％。
所述铁尾矿烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，所述原料为铁尾矿和高岭土。
对比例2
一种铁尾矿烧结砖，按质量百分比计，由以下原料组成：
铁尾矿 60％；
粉煤灰 30％；
高岭土 10％；
其中所述铁尾矿中Fe2O3含量为46％，SiO2含量为29％，Al2O3含量为14％；所述粉煤灰中SiO2含量为43％，Al2O3含量为18％；所述高岭土中SiO2含量为56％，Al2O3含量为37％。
所述铁尾矿烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，所述原料为铁尾矿、粉煤灰和高岭土。
对比例3～6
一种铁尾矿烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，所述原料为由如下表3所列质量份数的原料制备得到：
表3
项目 铁尾矿(％) 粉煤灰(％) 矿山外排水厂含硫污泥(％)
对比例3 45 25 22
对比例4 65 25 22
对比例5 52 26 30
对比例6 52 26 10
对比例7
一种铁尾矿烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，烧结温度为烧制温度为900℃。
对比例8
一种铁尾矿烧结砖的制备方法，与实施例1基本相同，其区别在于，烧结温度为烧制温度为1150℃。
性能测试及结果评价
对实施例1制得的尾矿烧结砖进行了X射线衍射检测和微观结构检测，其中X射线衍射检测采用德国布鲁克D8X射线衍射仪进行检测，微观结构检测采用德国蔡司扫描电子显微镜进行检测。检测结果如图1和图2所示。
其中图1为实施例1制得的尾矿烧结砖的X射线衍射图谱。从图中可以看出该尾矿烧结砖的主要矿物相成分为赤铁矿、石英、培长石和硫酸钙，尾矿烧结砖的矿物骨架决定了烧结砖优异的抗压强度。
图2为实施例1制得的铁尾矿烧结砖在发射场扫描电子显微镜下的微观结构。如图所示，该铁尾矿烧结砖的微观结构致密，晶相较多，矿物相呈长条状，具有尺寸小于200纳米的气孔，具有良好的烧结度。
对实施例和对比例中的铁尾矿烧结砖进行性能检测，其中抗压强度、体积密度、吸水率的检测方法参照GB/T2542-2012；浸出性能测试方法参照GB5085.3-2007。
本发明所述铁尾矿烧结砖的抗压强度、体积密度和吸水率的国家标准要求和检测结果见表4，其中所述国家标准参照GB/T5101-2003。
浸出性能的国家标准要求参照GB5085.3-2007，检测结果见表5。
表4
项目 抗压强度(MPa) 体积密度(kg/m<sup>3</sup>) 吸水率(％)
标准要求 ≥10 1600～1800 ≤20
实施例1 10.21 1710.22 19.26
实施例2 10.06 1735.86 19.51
实施例3 10.32 1707.20 19.93
实施例4 10.45 1702.51 19.53
实施例5 10.02 1753.25 19.34
实施例6 16.87 1799.82 18.28
实施例7 11.21 1782.55 18.45
实施例8 11.04 1799.68 19.77
实施例9 13.09 1793.31 18.85
实施例10 11.59 1623.91 19.79
对比例1 10.75 1808.47 21.32
对比例2 7.15 1805.98 18.44
对比例3 10.20 1803.42 19.55
对比例4 9.56 1820.51 20.06
对比例5 10.59 1894.00 20.26
对比例6 10.17 1998.61 16.57
对比例7 3.04 1669.03 23.02
对比例8 50.18 2185.80 19.48
表5
从上述检测结果可以看出，实施例1～10中所述尾矿烧结砖由特定Fe2O3含量的铁尾矿、特定SiO2和Al2O3含量的粉煤灰、以及矿山外排水厂含硫污泥之间通过特定的比例配合使用，使得所述尾矿烧结砖的抗压强度、体积密度和吸水率均能同时达到GB/T5101-2003的标准要求，而对比例1～8所述尾矿烧结砖则都不能同时满足抗压强度、体积密度和吸水率均在GB/T5101-2003的标准要求内，说明本发明的尾矿烧结砖具有更好的性能，更适用于实际生产与使用。另外，从表5可以看出，实施例1～8所述尾矿烧结砖对于废水污泥中的重金属形成了稳定的晶体机构稳定存在，浸出液中重金属浓度远低于规定阈值，实现了矿场废料的无害化和资源化利用。本发明所述尾矿烧结砖制备方法简单，易于规模化生产及实际应用，具有良好的应用前景，能应用于建筑材料中。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。本领域技术人员应当理解，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁尾矿烧结砖，其特征在于，所述铁尾矿烧结砖由如下质量份数的原料制备得到：
铁尾矿 49~59份；
粉煤灰 24~30份；
矿山外排水厂含硫污泥 11~27份；
其中所述粉煤灰中SiO2含量为43~47%，Al2O3含量为17~19%，铁尾矿中Fe2O3含量为44~55%。
2.如权利要求1所述铁尾矿烧结砖，其特征在于，所述铁尾矿烧结砖按质量百分比计，由以下原料组成：
铁尾矿 52%；
粉煤灰 26%；
矿山外排水厂含硫污泥 22%；
所述粉煤灰中SiO2含量为44%，Al2O3含量为18%，铁尾矿中Fe2O3含量为46%。
3.如权利要求1所述铁尾矿烧结砖，其特征在于，所述铁尾矿和粉煤灰的粒径均≤0.08mm。
4.如权利要求1所述铁尾矿烧结砖，其特征在于，所述粉煤灰中含有不规则玻璃体。
5.如权利要求1~4任意一项所述铁尾矿烧结砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将原料混合，加水至物料含水率为8~15%，压片成型，于950~1100℃下烧制1.5~2.5h，得到所述铁尾矿烧结砖。
6.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述烧制温度的升温速率为3~10℃/min。
7.如权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述烧制温度的升温速率为5℃/min。
8.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述烧制温度为1050℃，烧制时间为2h。
9.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述物料含水率为10%。
10.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述压片成型的压力为15~25MPa。
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