熱活化溫度對鐵尾礦礦物組成及微觀結構的影響

熱活化溫度對鐵尾礦礦物組成及微觀結構的影響

鐵渣的粒度一般較小，通常為0.0.07mm。目前,鐵尾礦的綜合利用主要集中在以下幾個方面:①回收有價元素;②作為采空區(qū)的充填材料;③用作土壤改良劑;④用作建筑材料;⑤利用尾礦庫復墾植被。但總體利用效果較差、利用量較少。而全世界每年排出尾礦在100億t以上,我國每年排出的尾礦量高達5億t,堆積的尾礦量近50億t。大量尾礦的堆存對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴重的危害。本文以鐵尾礦為主要原料,通過帶有結構水物料的低溫脫水對鐵尾礦進行蝕變,從而提高鐵尾礦的反應活性。在此基礎上,將改性鐵尾礦作為膠凝材料的主要生產原料,從而實現(xiàn)鐵尾礦的大宗無害化利用。1鐵渣礦的化學組成本實驗中所用的鐵尾礦來自吉林通化。鐵尾礦化學成分見表1。2實驗與分析2.1純鐵渣熱激活活性優(yōu)化研究2.1.1礦物組成的變化為確定熱處理過程中鐵尾礦的物相變化,分別對100℃烘干和600、800、1000℃加熱處理后的鐵尾礦進行了XRD分析,結果見圖1。由圖1可見,鐵尾礦的礦物組成主要有SiO2、鉀長石和鈉長石等。在整個煅燒溫度范圍內,隨著煅燒溫度的變化,SiO2(0.337、0.228、0.181nm)、鉀長石(0.337、0.212、0.198nm)、鈉長石(0.191、0.229nm)的峰沒有明顯變化。只是在煅燒溫度為1000℃時,鈉長石的峰略有降低,但變化不明顯。這說明在實驗溫度范圍內,煅燒溫度對鐵尾礦的礦物組成影響不大。2.1.2顯微結構分析煅燒溫度為100、600、1000℃鐵尾礦的顯微結構如圖2所示。由圖2可見,隨著煅燒溫度的升高,鐵尾礦的顯微結構沒有發(fā)生明顯變化,基本上仍保持不規(guī)則的外形。2.1.3熱煅燒鐵尾礦的活化技術表2為以不同煅燒溫度處理鐵尾礦為主要原料的膠砂強度實驗結果。膠砂試塊中鐵尾礦摻量為33.7%,其余為礦渣、粉煤灰、熟料及其他微量物質。由表2可見,在鐵尾礦摻量為50%時,不同溫度煅燒后鐵尾礦所制備的膠砂強度差別微小。這說明對鐵尾礦單獨熱活化很難使其反應性能提高,若要實現(xiàn)鐵尾礦的高效利用必須采取其他活化技術。含有結構水的物料在高溫煅燒時由于結構水的脫除,將使物料處于高能的介穩(wěn)狀態(tài)。若這類物料和其他物料一起混燒,那么在高溫下由這種物料釋放出的含有部分溶質的結構水,將可能使另一種物料的穩(wěn)定狀態(tài)顯著降低。同時還可能通過固相反應生成某類介穩(wěn)物料,從而使整個體系反應性能改善。2.2高簇法對鐵渣礦活性的影響2.2.1高化學組成本實驗所用的高嶺土為蘇州純高嶺土,其化學成分見表3。2.2.2解決高溫作用下高嶺土的一般情況為研究高嶺土在室溫～900℃溫度范圍內加熱處理過程中內部所發(fā)生的物理化學變化,對高嶺土試樣在室溫～900℃的加熱過程中質量損失進行了跟蹤測定,結果如圖3所示。在室溫～400℃之間,高嶺土主要表現(xiàn)為連續(xù)的質量損失,這意味著高嶺土中有一部分含水礦物,而且這些水在含水礦物中的結合狀態(tài)及牢固程度并不完全相同。在400～800℃溫度范圍內,高嶺土失重速度明顯加快,尤其在450～530℃之間,質量陡降,這是熱作用下高嶺土脫除羥基的結果。而在溫度高于800℃之后,高嶺土質量基本不發(fā)生變化,這表明存在于高嶺土中各種形態(tài)的水分在800℃之前已經基本脫除和分解。因此,綜合考慮高嶺土的最佳煅燒溫度應為600℃。2.2.3干磨材料對鐵礦活性的影響(1)膠砂強度試驗在600℃下分別煅燒高嶺土、鐵尾礦,達到溫度后恒溫2h。將煅燒后的高嶺土與鐵尾礦按5∶5的比例混合均勻做膠砂試驗,強度結果見表4。由表4可知,以采用干磨-分燒工藝處理物料為主體所制備的膠砂試塊28d強度均較低。(2)分燒與混燒物料膠砂強度對比將高嶺土與鐵尾礦按5∶5的比例混合均勻,然后將混合料在600℃下煅燒,恒溫2h。膠砂強度結果見表5。由表4和表5可知,對于采用干磨處理后的物料,雖然與分燒相比,混燒可在一定程度上提高鐵尾礦體系的反應性能,但是以采用這兩種處理工藝所制備物料為主要原料的膠砂強度整體均較低。這說明在本實驗原料條件下,無論采用分燒還是混燒均難使干磨鐵尾礦物料的反應活性得以提高。2.2.4膠砂試塊的制備將高嶺土與鐵尾礦按5∶5的比例混合濕磨30min,100℃烘干后在600℃溫度下煅燒,恒溫2h。以磨細物料為主體制備膠砂試塊,其強度見表6。由表6可知,對高嶺土-鐵尾礦采用濕磨-混燒工藝處理后,可使其反應性能大大提高,在尾礦-高嶺土混合物摻量為50%時,28d膠砂強度達到29.4MPa,而在干磨時,膠砂28d強度僅為20.1MPa。2.3濕磨對高嶺石的影響為了研究煅燒溫度對高嶺土-鐵尾礦體系礦物組成的影響,分別研究了100、600、800℃溫度處理下高嶺土-鐵尾礦體系礦物組成的變化,同時與濕磨高嶺土-鐵尾礦體系600℃熱處理條件下的礦物組成進行了對比,結果見圖4。由圖4可見,干磨高嶺土尾礦混合物在600℃混燒時,高嶺石的衍射峰(0.713、0.357nm)顯著降低,這可能是由于該礦物的羥基被部分脫除,使(001)晶面結構遭到破壞,向偏高嶺石轉變,而在800℃混燒時基本上消失了,這可能是高嶺石(020)晶面的剩余結構水進一步脫除所造成的。濕磨高嶺土鐵尾礦的混合物在600℃混燒時,高嶺石的衍射峰(0.713、0.357nm)就消失了,表明濕磨較干磨有利于高嶺石向偏高嶺石的轉變。石英(0.337、0.228、0.181nm)、正長石(0.337、0.212、0.198nm)、鈉長石(0.191、0.229nm)、伊利石(1.001nm)和透閃石(0.838nm)的衍射峰在幾個試樣中沒有明顯變化,表明800℃以下煅燒濕磨和干磨工藝對混合物中的這些礦物均沒有明顯影響。2.4鐵尾礦體系成礦成分為了研究粉磨對高嶺土-鐵尾礦體系顯微結構的影響,分別對干磨和濕磨條件下高嶺土-鐵尾礦體系進行了SEM分析,結果見圖5。由圖5可見,在干磨情況下高嶺土-鐵尾礦體系中,高嶺土和鐵尾礦顆粒連接不緊密、彼此分離,顆粒粒徑較大。而在濕磨時,高嶺土-鐵尾礦體系顆粒變小,有大顆粒團聚團產生,高嶺土和鐵尾礦已經很緊密的粘結在一起。2.5cao對高嶺土-鐵尾礦體系礦物組成的影響為了研究CaO對高嶺土-鐵尾礦熱活化效應的影響,在鐵尾礦和高嶺土的混合料中分別加入5%和20%的CaO。所制備的膠砂強度結果見表7,其中O表示為在鐵尾礦高嶺土的混合料中加5%的CaO;P表示在鐵尾礦高嶺土的混合料中加20%的CaO。由表7可知,在一定范圍內,隨著鐵尾礦和高嶺土混合料中CaO含量的增多,膠砂試塊早期強度大幅度提高。當CaO添加量為5%,鐵尾礦混合物摻量40%時,其3d強度已達27.6MPa。而在鐵尾礦混合物摻加量相同的條件下,添加5%的CaO和添加20%的CaO相比較,前者的后期強度明顯高于后者。為了研究CaO含量對高嶺土-鐵尾礦濕磨體系礦物組成的影響,分別研究了600℃溫度下5%、20%CaO對高嶺土-鐵尾礦體系礦物組成的變化,結果見圖6。由圖6可見,濕磨600℃混燒的高嶺土鐵尾礦混合物已經沒有高嶺土的衍射峰存在。加入5%CaO后,出現(xiàn)了CaCO3的衍射峰(0.304、0.191nm),加入20%CaO后,石英的衍射峰(0.181、0.154nm)沒有變化,正長石(0.337、0.212、0.198nm)、鈉長石(0.191、0.229nm)、伊利石(1.001nm)、透閃石(0.838nm)的衍射峰均有所降低,CaCO3的衍射峰明顯增強。這說明加入20%的CaO后,在一定程度上使鐵尾礦體系的穩(wěn)定性能顯著降低。但加入20%CaO體系的膠砂強度低于加入5%CaO體系的強度,這可能是由于加入20%CaO造成體系內存在多于的游離CaO,從而使體系強度降低的緣故。3在復合熱處理體系中加入適量cao(1)單獨對鐵尾礦進行熱活化不能使鐵尾礦活性提高,若要實現(xiàn)鐵尾礦的高效利用必須采取其他活化技術對其進行處理。(2)在鐵尾礦體系中加入高嶺土可在一定程度上提高體系的反應性能,再在該體系中加入適量CaO(5%)則能顯著改善體系的反應性能。(3)與干磨相比,濕磨在使物料顆粒規(guī)則度得到提高的基礎上,使不同物料之間更緊密