膏相铁尾砂综合利用工艺流程研究

何晓文 吴新义

（1.安徽马钢罗河矿业有限责任公司；2.安徽马钢矿业资源集团有限公司）

安徽马钢罗河铁矿与一般矿山尾砂高硅、高钙的性质不同，其尾砂具有含硅较低、含硬石膏较高的典型特征，二氧化硅含量约22%，硬石膏含量高达30%左右，不宜直接用作建筑用砂等细骨料。经多年技术研究，对膏相铁尾砂进行预活化后为主材、添加30%左右的掺合料，可制备石膏基干粉砂浆、装配式墙板等绿色建材产品，为矿山固废综合利用开辟了新途径。

1 尾砂理化特征检测与分析

罗河铁矿属于火山高温气液交代充填型矿床，成矿母岩为火山碎屑沉凝灰岩，矿体上盘及脉岩主要为硬石膏辉石岩和辉石碱性长石岩，原矿中Ⅱ型硬石膏含量10%左右，富集后尾砂中Ⅱ型硬石膏含量达29%以上。尾砂粒度分布及矿物含量检测结果见表1、表2，尾砂其他建筑材料性能见表3。

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由表1可知，该尾砂粒度较细，颗粒尺寸主要分布在1.05～600μm，粒径+150μm累计率仅为46.2%，粒度不符合《铁尾矿砂》（GB/T31288—2014）标准中颗粒粒径+150μm累计率70%～90%的规定。

由表2可知，该尾砂主要矿物为硬石膏（Ⅱ型）、氧化铁、氧化硅、氧化钙，次要矿物为氧化铝、氧化镁、黄铁矿，微量矿物为钾盐、钠盐、氯化物等；硫、氯含量不符合《铁尾矿砂》（GB/T 31288—2014）标准中硫化物及硫酸盐限量SO3≤0.5%、Cl−≤0.02%的规定。

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注：①为《铁尾矿砂》（GB/T 31288—2014）；②为《建设用砂》（GB/T 14684—2022）；③为《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）。

由表3可知，该尾砂样品内照射指数I Ra=0.14 Bq/kg，外照射指数Ir=0.22 Bq/kg，均符合《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）标准中I Ra≤1.0、Ir≤1.0的规定。硬度指标值不符合《建设用砂》（GB/T 14684—2022）标准中单级最大压碎指标≤30%的限值，表明样品硬度较低。

经分析，该尾砂样品粒度、硬度及硫、氯含量共4项指标不符合相关标准限值，不宜直接用作建筑用砂等细骨料。为此，须对该尾砂进行物相优化重组研究，并间接利用。

2 膏相铁尾砂综合利用方向定位

影响尾砂综合利用的四大因素为放射性、有毒有害元素、矿物组分和细度。前三者由矿山地质自然禀赋决定，后者由选矿工艺流程决定。在尾砂的放射性和有毒有害元素符合建材相关标准的基础上，通过物理或化学方法，改善尾砂的矿物组分和细度，可作为建筑材料的主要原料。

尾砂是多种细颗粒矿物的离散混合体，再利用方式有组分分离、颗粒分级、煅烧或化学改性、掺合均化4种技术路线。根据该尾砂特点，对技术路线整合形成2种开发利用方案。方案1为膏相铁尾砂组分分离-颗粒分级综合利用方案，方案2为膏相铁尾砂改性-混匀综合利用方案。方案比选见表4。

由表4可知，方案2糅合了硬石膏煅烧水化硬化改性与赤铁矿焙烧磁化改性的先进技术，生产工艺糅合了选矿行业与石膏行业的先进技术，开发产品为替代水泥基的石膏基新型建材，技术上成熟可靠，经济合理，市场有容量，节能环保，符合国家产业政策，推荐方案2。

方案2确定研究内容：①定位加工石膏基生态建材，以轻质内墙抹灰石膏生产工艺为主流程，开展可行性研究；②Ⅱ型硬石膏煅烧改性与赤铁矿焙烧磁化改性的匹配技术，抹灰石膏配方及配比技术；③硬石膏煅烧、赤铁矿磁化焙烧热工制度，估算能源单耗；④全尾砂脱水、磨细工艺及设备选型；⑤智慧制造框架方案；⑥调研国内、近边市场容量。

3 工艺流程研究

利用膏相铁尾砂制备抹灰石膏技术在我国尚没有成熟的工业案例，工艺流程及技术需要创新性研究开发。研究团队根据原料及产品特点，将选矿工艺与水泥生产技术进行流程再造，科学分割、提取、组合两大行业生产工序，创新提出尾矿浆高浓度管道泵送—尾砂脱水—烘干—磁化焙烧—打散磨细—选铁降铁—掺料混匀—沉化—包装流水线生产工艺流程。

4 关键技术研究

4.1 膏相铁尾砂胶凝特性机理

在CaSO4-H2O系统中，一般公认的石膏相有5种形态7个变种，分别为石膏、α型和β型半水石膏、α型和β型Ⅲ型硬石膏、Ⅱ型硬石膏、Ⅰ型硬石膏，在自然地质条件下生成的一般均为天然Ⅱ型硬石膏［1］，该尾砂中即为Ⅱ型硬石膏。

Ⅱ型硬石膏为斜方晶系结构，晶胞尺寸为a=0.915 nm、b=0.695 nm、c=0.696 nm，难溶或不溶于水，水化速度慢，胶凝效果差。经物理活化、化学激发［2］、煅烧改性［3］等加工处理后，可改变硬石膏的结晶结构，增加晶格畸变和缺陷，提高比表面积，改善水化硬化的活性，产生良好的胶凝特征，常用于建筑行业室内工程的胶固剂。

该尾砂经煅烧、选铁、脱硫石膏返回利用等工艺处理后，Ⅱ型硬石膏+半水石膏的占比达32.5%以上，胶凝物含量较高。尾矿中非胶结矿物主要为SiO2、Al2O3、CaO、MeO、Fe2O3等，这些矿物集合体经采选工艺的破碎、磨细、水洗后，颗粒圆润，粒级均匀，也是干粉砂浆的良好细骨料。

膏相铁尾砂已具有较好的自胶结性能，胶凝特性机理在补充添加少量石膏粉等，再添加少量胶固剂后，即可加工符合《抹灰石膏》（GB/T28627—2012）标准的石膏基干粉砂浆，进一步加工可生产装配式墙板等生态建材产品。

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4.2 尾砂膏相煅烧改性试验

根据硬石膏中温煅烧活化特征［4］，选择ϕ780煅烧纯化窑进行500～800℃6组煅烧探索试验，对比结果见表5。

由表5可知，Ⅱ型硬石膏相铁尾砂在550～800℃煅烧时，水化硬化指标均可满足后续加工要求，以700℃活化效果最好。故确定热工制度为采用天然气为热介质的闪烧工艺，温度区间700±25℃，煅烧时间20～16 min，天然气单耗20.88 m3/t。

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4.3 尾砂铁相磁化焙烧试验

磁化焙烧试验采用小型沸腾炉［5］，试验天然气为燃烧介质，添加4%焦炭粉作还原剂，干燥后尾矿给料浓度-0.074 mm占55%，赤铁矿Fe2O3含量22.86%，天然气单耗20.88 m3/t，空气吹风量210 m3/t。

试验结果表明：在还原气氛中，赤铁矿加热到400℃时开始还原反应，达到600℃时还原速度显著加快，850℃达到峰值，随后逐步下降趋于稳定；在还原气氛中焙烧，膏相水化硬化指标在500～750℃时与表5基本吻合，焙烧时间可缩短1.5～2 min；随着温度升高、焙烧时间加长，铁还原度越来越高，膏相硬化指标逐步降低（图1）。

确定热工制度为采用天然气为热介质的闪烧工艺，温度区间700±25℃，焙烧时间16.5±1.5 min，天然气单耗20.88 m3/t，空气吹风量210 m3/t。

4.4 选铁降铁试验

根据国内红矿回收成熟工艺技术，经干式强磁选机（955.41 kA/m）粗选，中矿铁品位富集后TFe品位为58%～60%，再经湿式弱磁选机（143.31 kA/m）精选后，铁精矿品位可达67%以上。因暂不具备工业试验条件，采取试验室进行模拟试验，尾矿经磁化焙烧—磨细—选铁降铁处理后，TFe品位67%的磁铁精矿产率约8.57%，铁回收率39.5%，尾矿中Fe2O3含量下降到10%以下；同时，尾矿中的FeS2基本完全氧化，可满足制备石膏基干粉砂浆质量的主原料要求。说明该尾矿磁化焙烧后，铁回收率理论值可达60%以上，残留适量的氧化铁有利于提高石膏砂浆的抗压强度，该试验不追求铁回收率。

4.5 掺合料配比试验

以选铁降铁后的尾砂粉为主要原料（占比70%），添加半水石膏或硬石膏粉、轻质骨料、激发剂、早强剂、保水剂等掺合料进行混合、均化、沉化，通过4 000多组正交试验，遴选出了最佳配合比、沉化时间等技术参数。

5 一般技术研究

5.1 尾砂脱水工艺试验及选型

脱水尾矿的含水率直接影响后续煅烧工序的能耗，其含水率指标极为重要。目前，成熟的脱水工艺设备主要有盘式过滤机、陶瓷过滤机和压滤机等。盘式过滤机工业能耗高、噪音大，从节能、环保角度考虑直接淘汰。选择陶瓷过滤机和压滤机工艺进行探索试验对比，随着浓度和单机处理量增大，采用陶瓷过滤机工艺的效果更为优越，且陶瓷过滤机工艺具有投资少、耗能低、噪音低、滤水清澈等优点。推荐选择T70以上大型陶瓷过滤机，含水率可降低到10%以下。尾矿脱水工艺对含水率指标的影响见表6。

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5.2 煅烧尾砂易磨性试验及设备选型

尾砂经煅烧后易产生结块现象，必须进行打散磨细处理，使干粉料细度-0.074 mm含量≥90%、比表面积为500～800 m2/kg。经易磨性试验检测，煅烧尾砂在ϕ80μm筛网80%通过时，邦德功指数为13.45 kW·h/t。

常用磨细设备有球磨、立磨、雷蒙磨、高压辊磨等，前三者磨粉比表面积较小，不利于Ⅱ型硬石膏的物理活化，遴选高压辊磨机作为打散磨细设备。

6 智慧制造框架方案

采用智能制造系统保障产线生产高效、过程受控、在线检测、自动配料，稳定产品质量。控制系统采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，以PLC为控制核心，以智能化仪表检测、智能点检、远程智能取样、智能包装、智能仓库等为手段，通过总线和以太网技术将基础自动化（L1）系统整合为智能化基础自动化系统，通过二级过程控制系统（L2）引入智能配料计算、产品成分分析、智能配上料控制模型、热工状态监测分析、燃烧控制、热风平衡等智能控制模块，以生产智能化提高生产过程的控制效率和控制能力，提升产品质量。

配料工艺质量控制关键因子为CaSO4含量、四元碱度等，需在线品位检测SO4、Fe、Ca、Mg、Si、Al、H2O等因子，根据有益有害元素载入量智能配料、上料。

热工工艺需在线检测焙烧温度、物料流速、流量，智能调控天然气、吹风、吹碳量，管控磁化焙烧工序质量。

7 样品鉴定

通过委托其他工厂代加工，利用罗河尾砂半工业试验生产的抹灰石膏样品送检，通过地方建材行业权威部门鉴定，符合《抹灰石膏》（GB/T 28627—2012）质量指标要求。

8 市场容量调研分析

石膏基干粉砂浆是朝阳型产品，市场容量巨大，主要用于房地产行业的内墙抹灰、自流平砂浆、装配式墙体材料等。以内墙抹灰、自流平砂浆市场容量为调研对象，匡算抹灰面积与建筑面积的比例约为3.8倍。根据《2020—2026年中国商品房市场分析与投资前景研究报告》可知，2019年商品住宅竣工总面积全国、江浙沪皖、安徽省统计值分别为62.8，11.9，3.19亿m2，内墙抹灰砂浆需求总量分别为2.4亿t、4 544万t和1 214万t，室内自流平砂浆需求总量分别为1.6亿t、3 048万t和812万t。

目前，全国抹灰石膏在内墙粉刷砂浆需求总量中占比仅为20%，在室内自流平砂浆中占比更低。在室内建筑工程中，石膏基替代水泥基是必然趋势，市场容量巨大。

9 利用规模及产品结构

整体规划，分步实施，与矿山生产规模配套。一期工程利用尾矿70万t/a制备90万t/a抹灰石膏，副产品TFe品位67%的磁铁精矿6万t/a。矿山二期1 000万t/a采选规模时，利用尾矿140万t/a制备180万t/a石膏基干粉砂浆，副产品TFe品位67%的磁铁精矿12万t/a。

产品结构主要是生产抗折强度≥1.0 MPa、抗压强度≥2.5 MPa、拉伸黏结强度≥0.3 MPa、涂布率≥110 m2/t的轻质底层抹灰石膏，副产为TFe品位67%的磁铁精矿。

10 研究结果

（1）达到同类产品中高端水平。经磁化焙烧降铁后尾砂容重1.478 t/m³，混匀约30%的掺合料，配制的石膏基干粉砂浆样品容重0.83～0.85 t/m³，涂布率理论值达117.99～120.3 m2/t，接近同类高端产品涂布率120～140 m2/t的质量。制品色调由淡红色升级为主流颜色青灰色，易被客户市场接受。

（2）经权威机构样品性能检验，所有检测指标均符合《抹灰石膏》（GB/T28627—2012）标准要求。

11 结语

（1）该膏相铁尾砂的综合利用经可行性研究表明，一期工程总投资4.16亿元，达产后年均工业总产值（不含税）7.38亿元，总投资收益率33.2%，经济效益显著。

（2）石膏基干粉砂浆替代水泥产品抹灰或自流平砂浆，具有质轻、保温、调节湿度、不空鼓开裂等显著优点，是一种绿色建材，其节能、环保等社会意义重大。