利用金尾矿渣生产烧结空心砖的试验

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利用金尾矿渣生产烧结空心砖的试验
[摘要] 金尾矿渣是金矿采选生产过程中产生的一种工业废渣，这种工业废弃物不仅占用大量良田好土，而且还严重污染周围环境。我们根据山东省某金矿的金尾矿作为试验对象，运用页岩做胶结剂，采用传统的烧结砖生产工艺和真空挤出成型等方法，试制出金尾矿渣掺量达到40%的金尾矿页岩烧结空心砖。这项研究成果不仅为金尾矿找到了一条较好的利用方法，而且又增加了一种新型墙体材料，具有化害为利、变废为宝的作用，有很好的推广价值。山东省是我国黄金生产大省，黄金产量居全国首位，但是在生产黄金的同时，也排放出大量的工业废渣—金尾矿，一个中型金矿每年就要排放金尾矿渣18～22万吨，需要不断占用良田好土进行堆放，由于一直没有找到有效的利用方法，这种废渣越存越多，以至成为一种灾害，不仅占用良田好土，而且污染环境。如何解决在保持黄金产量和经济效益同步增长的同时，处理好金尾矿渣带来的环境保护的问题，是我国黄金生产企业急待解决的问题，也是黄金生产行业实施可持续发展的重要内容。在山东省黄金集团沂南金矿的支持下，贵州省建材科研设计院以该金矿排放的金尾矿渣为主要原料，利用当地的丰富页岩做为胶结剂，从原料分析、原料配方、生产工艺到试制出产品，进行了一系列的研究，取得了比较满意的结果，研究的成果为今后设计和生产金尾矿页岩烧结空心砖打下了良好的技术基础。利用金尾矿渣生产烧结砖，具有其他产品不能相比的优势，首先掺渣量大，研究表明，在实验室条件下，金尾矿渣的掺量可高达50以上（重量比，下同），在工业性实验中达到了40%的高掺量，这是目前其他行业无法达到的。其次是砖瓦行业面多分布广，有非常良好的推广基础和条件，具有对金尾矿渣利用量大、长期稳定的特点。    所以，利用页岩作为胶结剂，与金尾矿渣混合生产烧结空心砖，不仅可以取得利废节能、增加新型墙体材料的效果，而且还能够取得节约土地、保护生态环境的作用。一、 金尾矿渣及页岩的特性1、 金尾矿渣金尾矿（gold-ore tailing）是金矿生产过程中，对金矿石进行细磨，并采用浮选、磁选等工艺精选之后排放的工业固体废弃物，一般采用大量的水与之混合后，通过管道输送到尾矿渣坝进行沉淀，这一过程与电厂的湿法排放粉煤灰很相似。金尾矿一般呈白色细粉状，在阳光下闪亮金属光泽，自然含水率30 %左右。金尾矿渣的化学成分主要以SiO2、Ai2O3、CaO等成分为主，其余还有少量的Fe2O3、KaO和NaO等，根据地质条件的不同，金尾矿的化学成分有较大的波动。过去，我院曾经针对贵州省的金尾矿做过生产烧结实心砖的试验工作，但是我省的这种“金尾矿”与山东省的“金尾矿”有很大的区别，虽然名称一样，但却不是一回事。贵州省的“金尾矿”主要是金矿开采过程中剥离土，和金矿在采取“侵蚀法”提取黄金之后的废渣，基本上还是粘土。而山东省的金尾矿是洗选过后的废渣，不属于粘土的范畴，因此他们在性质上差异很大。无论是山东省还是贵州省，金尾矿目前的利用率都很低，除少量用于建筑沙浆和作为混凝土砌块的部分原料外，其它用途比较少见，据有关资料介绍，全国金尾矿的利用率不到5%，远远低于粉煤灰的利用率，对金尾矿的综合利用研究确实到了刻不容缓地步。在烧结砖生产中大量利用金尾矿的做法目前还是空白。虽然我们在贵州省曾经研究过“金尾矿”生产烧结砖，并取得了一定的成果，但这次原料条件不一样，所以没有成熟的经验和可借鉴的资料，因此，这次针对山东省的金尾矿研究存在着比较大的难度。我们在沂南金矿对两处渣坝中的金尾矿渣进行取样分析，其结果见表1和表2。[表 1] 金 尾 矿 渣 化 学 成 分 分 析 结 果样品编号SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONaOKaOLOSSJD-0137.215.6511.2819.884.970.410.1113.01JD-0235.818.5611.6821.785.450.210.3312.97JD-0340.055.2910.5417.985.050.320.2912.32ZX-0139.265.3611.3620.463.850.310.1611.95ZX-0236.227.9612.3022.362.14//12.38ZX-0331.666.9713.2421.953.98//14.11从化验结果来看，其化学成分中CaO的含量很高，已经超出制砖原料允许的正常范围，而关键成分SiO2和AI2O3的含量却偏小很多，只有Fe2O3处在正常的范围之内。单从金尾矿的的化学成分来看，用来生产烧结砖是困难的，也可以说单独采用金尾矿渣是不能生产出合格的烧结砖的，必须考虑掺兑其他原料，调整原料的化学组成，改善原料的物理性能，使其达到制砖原料要求的正常范围，这正是我们下一步必须解决的技术关键。金尾矿渣的产生过程是由含金的火成岩经粉碎、细磨，再经过洗选而成，因此颗粒组成比较细，其细度基本上都在1毫米以下（见表2）。研究表明，金尾矿相对粘土而言只能算是“粗沙”，比粉煤灰也粗得多，但是，金尾矿的细度对于制砖原料来讲，还是比较理想的，原因是金尾矿渣虽然其本身没有可塑性，但是对胶结剂的塑性影响却不大，甚至还有少许提高塑性指数的作用，这一特性为我们利用金尾矿来生产烧结砖创造了一定的条件。[表2 ]   金 尾 矿渣 的 细 度 分 析 结 果样品编号细   度 （毫米）备  注＞11～0.10.1～0.01JD-01-12.0118.978.6
ZX-01-10.3311.188.2
    2、胶结剂一般来讲，可以作为胶结剂的原料比较多，但是从经济的角度来，，说，选择粘土或页岩是最经济的，沂南金矿地处革命老区沂蒙山腹地，附近页岩资源非常丰富，仅在沂南县的葛沟、铜井和东乡等乡镇都有大量的页岩储量。不过这种页岩质地坚硬，自然含水率很低，外观就象“石头”一样，如果能把这种页岩利用起来，无疑将会带动当地节土节能、墙材革新的工作，一举两得。用X-衍射仪对页岩进行岩相鉴定，主要是以水云母、石英、蒙脱石、长石和少量褐铁矿等矿物组成，粘土质成分占90%以上，从矿物含量来看，该页岩属于粘土质岩石，是制砖的好原料，但是如何解决页岩的细碎处理问题，是我们能否利用这种页岩的技术关键。对页岩采样分析，证明化学成分符合生产烧结砖的技术要求（见表3）。[ 表3 ] 页 岩 原 料 性 质 一 览 表页岩名称化 学 成 分 （%）烧 失 量（%）SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO葛沟镇团埠村57.0015.8012.240.211.993.47葛沟镇刘家小岭59.2814.3212.010.121.863.52铜井镇柳岭村61.212.3611.450.120.394.63铜井镇金矿旁60.2211.6813.50.110.214.98平 均 值56.3213.9911.630.981.323.98以页岩作胶结剂掺兑金尾矿渣生产烧结空心砖，具有很好的现实的意义，不仅符合国家墙材革新的相关政策，而且节约土地资源保护生态环境。不仅如此，把金尾矿渣掺兑到页岩中生产烧结空心砖，还可以利用砖瓦工业成熟的生产技术和生产装备，使之取得事半功倍的效果。对金尾矿渣烧结空心砖而言，要求页岩的塑性指数越高越好，因为这是多掺金尾矿渣的前提。然而自然界中的大多数页岩原料在处理之前是很不理想的，必须进行适当的加工之后才能利用，例如提高细度、增加塑性和降低干燥敏感性等等。二、混合料配比试验原料配比的原则是在保证产品质量的前提下，尽量多掺金尾矿渣为，以扩大金尾矿渣的利用效果，为此，我们首先在试验室按金尾矿渣掺量20%、30%、40%、50%、60%、70%共六组样品进行小样试验，并对这些试样进行化学成分、物理性能、干燥敏感性能和焙烧性能等方面的测定，在取得研究成果的基础上，再扩大到工业性试验，从而为扩大生产和推广创造条件（小样试验结果见表4）。[表4] 试验室配方试验结果一览表序号样品编号配合比 [页岩/尾矿]塑性指数干燥敏感性系数总收缩（%）烧结温度（℃）1N-0120/807.10.89.269652N-0230/706.50.89.019703N-0340/605.60.77.899804N-0450/505.00.57.239805N-0560/403.60.56.85/6N-0670/302.10.56.0/备注：表中原料配合比为重量比。从表中看出，随着金尾矿渣的掺量增加，混合料的塑性指数很快下降，当掺量达到50%（即1：1）的时候，塑性指数下降到5.0，成型非常困难。当然这只是以沂南特定的页岩作为胶结剂得出的结果，显然采用高塑性的页岩和粘土肯定会提高混合料的塑性指数，这一点对我们今后选择适宜的胶结剂具有很好的实际意义。6组配方的干燥敏感性系数均小于1，表明可以实施较快的干燥速度。此外，总收缩率和焙烧温度均在普通烧结砖的正常范围之内，没有明显的差别。考虑到工业性试验存在的难度，我们选择“N-02”和“N-03”两组配方进行工业性试验，也就是把金尾矿渣掺量30%和40%的两组配方的原料，在现有的烧结砖生产线上进行工业性生产，验证金尾矿渣生产烧结砖的可行性。三、工业性试验1、原料准备金尾矿渣直接在沉渣坝挖取，页岩矿石在金矿地质部门的指导下取样，分别各采样10吨，金尾矿渣曾白色细粉状，页岩几乎全部是大块状，质地很硬，我们没有作任何处理，直接用载重汽车运到100公里外的砖厂进行试验。2、原料制备受试验厂的条件限制，基本上只能在该厂的生产流程和设备上进行试验。两组配方的处理方式是一致的：页岩→铲车→颚式破碎机→皮带输送机（金尾矿渣从此加入）→锤式破碎机（2台）→高速细碎对辊机→双轴搅拌机（加适量水）→双级真空挤砖机。处理后的混合料的物理参数见表5。（表5）原料制备结果一览表混合料编 号混合料细度（%）塑性指数干燥敏感性系  数﹥3㎜3～1﹤1㎜N-02622725.10.7N-03318794.60.83、成型混合料制备完毕后，由皮带输送机直接输送到一台JZK50/50-35双级真空挤砖机成型，其工艺流程是：混合料→皮带输送机→挤砖机上搅拌挤出→抽真空→下搅拌挤出→模具（挤出口）→切条→切坯→砖坯半成品。成型过程基本上是比较顺利的，模具采用的是KP1型（240×115×90mm）承重多孔砖芯架，一次成型成功，这主要得益于高压力双级真空挤砖机的功劳，否则这么低的塑性指数是很难成型的。经现场取样测定，砖坯外观整齐、尺寸准确，坯体尺寸为250×120×98毫米，在坯体大面方向可以站立一个人而不致变形，但是，砖坯表面粗糙，颗粒历历在目，表明页岩的原料处理细度不够，还须进一步加强对页岩的细碎加工，从而提高塑性指数确保产品质量。成型工艺参数见表6。（表6）成型参数测定结果表混合料编号成型水分（ % ）挤出压力（MP）真空度（ % ）泥条速度（条/分钟）N-02163.10.0918N-03173.00.09384、干燥由于本次试验生产的金尾矿渣烧结空心砖的批量不足以单独进行干燥测试，只好将成型好的砖坯码在干燥小车上（每车240块，砖坯码放高度为五层），并与该厂生产的页岩实心砖一同送入隧道式干燥室内进行干燥，所以干燥过程与该厂的页岩砖干燥过程相同。与页岩砖相比，金尾矿渣烧结空心砖的干燥过程是比较理想的，除了金尾矿烧结砖的成型水分较低以外，金尾矿渣在砖坯中是良好的瘦化剂，具有抗收缩、抗开裂的作用，干燥过程实测参数见表7。[ 表 7 ] 干 燥 过 程 实 测 参 数砖   坯湿坯含水率（ % ）干坯含水率（ % ）干燥周期（小时）温度（℃）进风/出风合格率（ % ）页岩砖21817110/4590金尾矿砖17517110/4596注：金尾矿渣砖混合料实测干燥敏感性系数为0.7。页岩砖为0.9。5、焙烧 焙烧试验是利用一座36门轮窑来进行的，考虑到轮窑的工作截面比较大，温差也比较大的实际情况，我们在每一个窑室里将试烧的金尾矿砖单独码成一壁，这样可以获得不同部位的烧成温度，尽可能多地收集焙烧参数。现场用欧赛OS-10型数字点温仪对窑内温度进行测量，焙烧温度一般在900℃～1000℃范围之内，与普通页岩烧结砖基本相同，因此砖瓦厂中常见的轮窑、隧道窑等窑炉都可以烧制金尾矿渣烧结空心砖。焙烧参数统计结果见表8。[ 表 8 ] 焙 烧 参 数 统 计 表项   目单 位N-02N-03入窑含水率%65焙烧温度℃950～980烧成周期小时3430成品合格率%9595成品重量kg2.902.89抗压强度Mpa2524.06吸水率%＜16＜16饱和系数δ0.700.78泛霜性能/轻微轻微石灰爆裂/无爆裂无爆裂强度等级MU1515四、讨论和建议1、关于金尾矿的掺量    实验证明，金尾矿掺到40%时，仍然能够生产出质量合格的产品，但掺量达到50%时，因为没有足够的塑性指数而无法成型。因此，采用塑性较高的胶结剂（如粘土等），以及对页岩加强细碎处理等，有利于提高金尾矿的掺入量。2、双级真空挤出成型    金尾矿渣没有塑性，掺量越大，混合料的塑性越低，成型越困难，采用挤出压力大于3.0兆帕的双级真空挤出机成型，是提高成型质量的好办法。3、原料均化和陈化    金尾矿渣与胶结剂充分地混合，是保证产品质量的前提，除了加强计量和搅拌以外，陈化处理是目前原料均化的最有效办法，不仅如此，陈化处理还可以同时提高混合料的塑性，改善混合料的物理性能，一举两得。4、干燥和焙烧    金尾矿渣是较好的瘦化剂，有利于快速干燥，目前国内常见的干燥方式基本上都可以采用，没有特殊的要求。同样，轮窑和隧道窑都可以烧制金尾矿空心砖。五、结束语试验证明，金尾矿渣完全可以掺兑到页岩或粘土中生产烧结空心砖，掺量达到30~40%，以一个年产量6000万块规模的砖厂计算，年消耗金尾矿渣约12万吨，产品质量达到国家有关质量标准。如果选择塑性指数更高的原料做胶结剂，金尾矿渣的掺兑量将达到50%以上，利用效果会进一步提高。受条件的限制，这次工业性实验只能选用一种页岩作试验，试验的数据代表面比较窄，但试验的结果非常有意义，原因是试验用的页岩物理性能很不理想，既然用这样差的页岩作胶结剂，都能生产出掺渣量达到40%的烧结空心砖，那么选择物理性能更好的页岩或粘土做胶结剂，其生产的难度将得到改善，所以，我们对试验的结果还是比较满意的。

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