高曉杰,馬 驍,張恒博

(1.河南省地質(zhì)研究院,河南 鄭州 450016)

(2.自然資源部中原城市群多要素城市地質(zhì)大數(shù)據(jù)工程技術創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450016)

(3.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊,河南 鄭州 450016)

0 引 言

黃金尾礦是金礦石選冶中提取有用目標組分后排出的廢渣[1]。由于金礦采冶行業(yè)的發(fā)展,出現(xiàn)了大量堆存這些廢渣大型黃金尾礦庫[1-2]。據(jù)統(tǒng)計,中國黃金尾礦累計堆排量已達12.98 億t。黃金尾礦庫的擴大不僅帶來嚴重的地質(zhì)環(huán)境問題,還對周邊居民的生命財產(chǎn)安全造成了極大的安全隱患[3-6]。

從尾礦中綜合回收有價成分是對礦產(chǎn)采冶工藝不足的重要補充,但僅適用于部分尾礦[3],大宗尾礦更適宜用作建筑原料,用作建筑原料時要看尾礦的成分和粒度[3-4]。從化學成分上看,黃金尾礦主要含有SiO2;從礦物組成上看,主要為石英、長石、云母和殘余金屬礦物等[7-8],隨著金礦采冶技術的成熟,尾礦中有價成分含量少,綜合回收經(jīng)濟技術價值低且無法大規(guī)模實施[9-10]。大部分金尾礦含有80%以上的硅鋁氧化物等成分,其組成與許多工業(yè)建筑材料相似,可用于制磚或做建筑原料[11-13]。國內(nèi)外有許多以黃金尾礦為原料制磚的實例[12-14],大多是尾礦加入膨潤土和水泥等配料按照一定的生產(chǎn)工藝制磚。

本文在研究紅土嶺黃金尾礦工藝礦物學特征基礎上,以尾礦為原料,探索其作為建材利用的可能性。根據(jù)國家和行業(yè)相關規(guī)范,分別開展了燒結磚和免蒸免燒磚制備試驗,探索尾礦制磚工藝方法和適宜條件,為該金尾礦綜合利用提供參考。

1 工藝礦物學特征

1.1 化學成分

對紅土嶺黃金尾礦樣品進行多化學元素分析,結果見表1。

表1 尾礦樣品化學多元素分析結果 %

由表1可知:該尾礦具有典型硅鋁酸鹽特征,屬于多金屬硅鋁酸鹽,主要金屬元素均未達到工業(yè)品位,不適宜提取有用金屬組分。

1.2 礦物組成

對紅土嶺黃金尾礦樣品進行XRD分析,結果見表2。

表2 尾礦礦物成分及含量 %

由表2可知:該尾礦主要組分為石英、黑云母、鉀長石和斜長石,這些長英質(zhì)礦物含量超過87%。一般來說,在熱動力條件變化的一定范圍內(nèi),長英質(zhì)礦物更能保持穩(wěn)定,抗風化性能強,尤其是石英[15],這使得其作為建材利用成為可能。

對尾礦進行砂薄片和砂光片鑒定,結果見圖1。從圖1可以看出:尾礦中黃鐵礦、磁鐵礦等金屬礦物以微細粒嵌布于脈石礦物中,難以提取利用。

圖1 樣品鏡下照片

1.3 粒度分布

對尾礦樣品進行篩析,結果見表3。

表3 尾礦樣品篩析結果

由表3可知:尾礦粒度較細,主要集中在-0.038 mm,含量超過50%。粒度是磚體質(zhì)量保證的基礎,合理的顆粒級配也是磚體能夠直接壓制成型的主要指標之一。顆粒越細,塑性越強,成型性能越好。由此可知,紅土嶺尾礦是制磚的優(yōu)良原料。

2 制磚試驗流程和檢測標準

2.1 燒結磚制備

燒結磚制備工藝流程為:將尾礦與膨潤土按照一定配比干混10 min,然后加一定量水濕混10 min,陳化后,以一定的壓力壓制成型,在電熱恒溫干燥箱中以90 ℃干燥一定時間后,送箱式電阻爐,以一定的升溫速率升至燒成溫度,并保溫一定時間,最后自然冷卻至室溫(見圖2)。按照《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542-2012)檢驗燒結磚吸水率、抗壓強度、密度等[16]。燒結磚綜合性能指標按照《燒結普通磚》(GB/T5101-2017)[17]中的要求測試。

圖2 燒結磚制備工藝流程圖

2.2 免蒸免燒磚制備

免蒸免燒磚制備工藝流程為:將尾礦與水泥按照一定配比干混10 min,然后加一定量的水濕混10 min,液壓機以一定的壓力壓制成型,進行常溫常壓養(yǎng)護,養(yǎng)護時間為7、14、28 d(見圖3)。按照《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542-2012)對制品進行抗壓強度測試[16]。

圖3 免蒸免燒磚制備工藝流程圖

3 試驗結果及討論

3.1 燒結磚制備試驗

3.1.1 膨潤土添加量

通過調(diào)節(jié)膨潤土添加量改變尾礦與膨潤土成分配比制備燒結磚。試樣采用水分為7%(質(zhì)量分數(shù))的尾礦,成型壓力10 MPa,磚坯90 ℃下干燥12 h,之后以10 ℃/min的升溫速率升至燒成溫度850 ℃,保溫2 h。自然冷卻后通過測試吸水率與7 d抗壓強度,分析尾礦與膨潤土配比對燒結磚性能的影響。試驗結果見圖4。

圖4 膨潤土占比對燒結磚性能的影響

由圖4可知:隨著膨潤土占比的增加(尾礦占比的減少),磚樣吸水率逐漸下降,抗壓強度升高。當尾礦占比為100%,即不添加膨潤土時,制備的磚樣有深裂紋,且極易破碎;當尾礦占比為95%時,棱角有輕微剝落;當尾礦占比小于等于90%時,燒結磚規(guī)則完整。對于本試樣,當膨潤土占比達到15%時,抗壓強度達到>15 MPa,達到燒結普通磚MU15級別。因此,確定膨潤土占比為15%。

3.1.2 成型水分

通過改變成型水分制備燒結磚。具體為:試樣膨潤土占比取15%,成型壓力10 MPa,磚坯90 ℃下干燥12 h,然后以10 ℃/min的升溫速率升至燒成溫度850 ℃,保溫2 h。自然冷卻后通過測試吸水率與7 d抗壓強度,分析成型水分對燒結磚性能的影響。試驗結果見圖5。

圖5 成型水分對燒結磚性能的影響

由圖5可知:隨著成型水分的增加,各試樣吸水率呈緩慢下降趨勢,抗壓強度逐漸升高。當各試樣成型水分超過7%時,抗壓強度>15 MPa,達到MU15級別。因此,成型水分取7%。

3.1.3 成型壓力

通過改變成型壓力制備燒結磚。具體為:試樣膨潤土占比取15%,成型水分7%,磚坯90 ℃下干燥12 h,以10 ℃/min的升溫速率升至燒成溫度850 ℃,保溫2 h。自然冷卻后通過測試吸水率與7 d抗壓強度,分析研究成型壓力對燒結磚性能的影響。試驗結果見圖6。

圖6 成型壓力對燒結磚性能的影響

由圖6可知:隨著成型壓力的增高,所制備磚樣吸水率逐漸降低,抗壓強度逐漸升高。當成型壓力升高到15 MPa以上時,抗壓強度有一躍升,試樣抗壓強度>20 MPa,達到MU20級別。后續(xù)通過燒結成型會繼續(xù)增加試塊的強度,此時增加成型圧力來提高抗壓強度意義不大,因此成型壓力取15 MPa。

3.1.4 升溫速率

通過改變升溫速率制備燒結磚。具體為:試樣膨潤土占比取15%,成型水分7%,成型壓力15 MPa,磚坯90 ℃下干燥12 h,以不同升溫速率從室溫升至850 ℃,保溫2 h。自然冷卻后通過測試吸水率與7 d抗壓強度,分析升溫速率對燒結磚性能的影響。試驗結果見圖7。

圖7 升溫速率對燒結磚性能的影響

由圖7可知:隨著升溫速率的提升,吸水率始終<18%,無明顯規(guī)律,當升溫速率為10 ℃/min時,抗壓強度>20 MPa。為了提高生產(chǎn)效率,節(jié)約時間,選取升溫速率為10 ℃/min。

3.1.5 燒成終溫

通過控制燒成終溫制備燒結磚。具體為:試樣膨潤土占比取15%,成型水分7%,成型壓力15 MPa,升溫速率為10 ℃/min,磚坯90 ℃下干燥12 h,以選定升溫速率從室溫升至試驗溫度并保溫2 h。自然冷卻后通過測試吸水率與7 d抗壓強度,分析燒成終溫對燒結磚性能的影響。試驗結果見圖8。

圖8 燒成終溫對燒結磚性能的影響

由圖8可知:隨著燒成終溫的升高,吸水率緩慢下降,抗壓強度增高。當燒成終溫為1 050 ℃時,抗壓強度在25 MPa以上,因此,燒成終溫選取1 050 ℃。

3.1.6 保溫時間

通過控制保溫時間制備燒結磚。具體為:試樣膨潤土占比取15%,成型水分7%,成型壓力15 MPa,升溫速率為10 ℃/min,燒成溫度取1 050 ℃、磚坯90 ℃下干燥12 h,保溫不同時間。自然冷卻后通過測試吸水率與7 d抗壓強度,分析保溫時間對燒結磚性能的影響。試驗結果見圖9。

圖9 保溫時間對燒結磚性能的影響

由圖9可知:隨著保溫時間的延長,在保溫時間為2 h時吸水率最低,抗壓強度最高,延長保溫時間并不利于燒結磚的質(zhì)量提高。為提高效率,節(jié)約時間,在達到產(chǎn)品質(zhì)量的基礎上,應盡量縮短保溫時間,因此選取保溫時間為2 h。

3.1.7 最佳條件試驗

紅土嶺黃金尾礦制備燒結磚的最佳試驗條件為:膨潤土占比15%,成型水分7%,成型壓力15 MPa,升溫速率為10 ℃/min,燒成終溫1 050 ℃,保溫時間為2 h。以最佳試驗條件制成燒結磚的各項指標為:抗壓強度25.8 MPa,吸水率14.45%,體積密度1.86 g/cm3,抗壓強度至少達到MU25,嚴重風化地區(qū)級別。

3.2 免蒸免燒磚制備試驗結果及分析

影響免蒸免燒磚的抗壓強度的因素有3個,分別為水泥占比、成型水分以及成型壓力,試驗參數(shù)設置為水泥占比5%、10%、15%、20%;成型水分10%、13%、15%、18%;成型壓力10、15、20、25 MPa。各個影響因素均設置4個參數(shù),即采用L16(43)正交表,正交試驗及結果見表4。

表4 試樣正交試驗結果

由表4可知:隨著水泥占比的升高,總體抗壓水平也隨之升高,水泥占比為5%、10%、15%、20%,對應平均抗壓強度為5、12.13、18.13、25.03 MPa;成型壓力越大,試樣抗壓強度越高,但是其抗壓強度增長速率逐漸減慢。成型水分為13%時,試樣抗壓強度達到最大,隨后減小。

為考察試驗結果最佳的因素和因素水平組合及檢驗主體間效應,以7 d抗壓強度為結果變量和因變量,對正交試驗結果進行極差和方差分析[18-19],分析結果見表5和表6。

表5 極差分析結果

表6 方差分析結果

由表5可知:對試驗影響最顯著的因素為水泥占比。推薦試驗組合條件為:成型壓力25.0 MPa,成型水分13.0%,水泥占比20.0%。由表6可知:水泥占比的偏差平方和最大,是7 d抗壓強度最重要影響因素,成型壓力次之。而F檢驗顯示水泥占比F遠大于臨界值,成型壓力F也大于臨界值。說明在置信度內(nèi),水泥占比(顯著性遠小于0.05)與7 d抗壓強度非常顯著,成型壓力(顯著性小于0.05)為顯著,成型水分(顯著性大于0.05)無顯著影響。綜合來看,方差分析與極差分析結果一致,各因素對試樣7 d抗壓強度的影響程度依次是水泥占比>成型壓力>成型水分。

4 結 論

(1)紅土嶺黃金尾礦為多金屬硅鋁酸鹽尾礦,主要礦物成分有石英、斜長石和黑云母,次要礦物為鉀長石、方解石、黃鐵礦等,該尾礦成分及粒度適宜制磚。

(2)制備燒結磚最佳條件為:膨潤土占比15%,成型水分7%,成型壓力15 MPa,升溫速率為10 ℃/min,燒成終溫1 050 ℃,保溫時間為2 h。由此條件制備的燒結磚抗壓強度至少達到MU25,嚴重風化地區(qū)級別。

(3)制備免蒸免燒磚最佳條件為:成型壓力25.0 MPa、成型水分13.0%、水泥占比20.0%。各因素對試樣7 d抗壓強度的影響程度依次是水泥占比>成型壓力>成型水分。