D0I:10.13374/j.issnl(00103x.2010.10.003 第32卷第10期 北京科技大学学报 Vo132N910 2010年10月 JoumalofUniversity of Science and Technopgy Beijng 0ct2010 齐大山铁尾矿粉磨特性 黄晓燕倪文 祝丽萍王中杰 北京科技大学土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100⑧3 摘要利用扫描电镜(SM,场发射扫描电镜(FE田M和激光粒度仪(IPS研究齐大山磨细铁尾矿的颗粒形貌和粒度分 布特征.并以比表面积为评价指标，比较了铁尾旷与水淬高炉渣的易磨性.结果表明：铁尾矿的易磨性远远优于水淬高炉渣： 铁尾矿经实验用球磨机粉磨140m后，能够填充水泥粉体堆积结构间隙的粒径小于5严m的颗粒质量分数为626%，并且 还含有大量亚微米级和纳米级颗粒 关键词尾矿；易磨性；粒度分布；颗粒形貌 分类号TD9264 Grnding character istic of Q idashan iron tailings HUANG Xao yan NIW e ZHU Li-Ping WANG Zhong-jie Key Labomtory of the Mnistry of Education of China rH gh-Effic ientMning and Safet ofMelM nes School ofC ivil and Envirmenl Engnee ring Universit of Science andTechnology Beijng Beijing100083 Chim ABSTRACT The granule morphology and particle size distrbution ofmilled iron ilings fron Q Hashan IronM ine ofChina were n vestigated by scann ing ekectron m icroscopy (SEM),fieH emission scann ng electon m icroscope FE-SEM)and laser Partice sizer (IPS.The grndabilities of iron milings and b last fumace slagwere compared by nking specific surface area as an eva lating index of milling The results show that the iron ore tailings have amud better grindab ility han b last fumace slag The milled tailing product obtined bymilling for 140 min contins 62 60%grain particles maler han5um which can fill spaces beteen cement particles among the much saller particlesw ith sulmicron or nanomeer size were ako dserved KEY WORDS tailngs grindab ility particle size distrbution granule morPhopgy 目前，鞍山地区每年排放铁尾矿接近4000万 磨，使磨细的尾矿中出现部分亚微米级和纳米级的 ,累计堆存量已达到6亿以上.其中鞍钢齐大 尾矿颗粒.对于把极细尾矿进一步磨细使其在建筑 山铁尾矿是由磁铁石英岩建造中的赤铁矿矿石（红 材料的制备过程中充分发挥其填充效应，黏结效应 矿经选矿后排出的固体废弃物组成，属于粒度极 以及纳米效应的研究国内外还没有太多的成果报 细的高硅型铁尾矿.由于粒度极细，这类尾矿不适 道.要充分发挥磨细尾矿的细化效应，对尾矿进行 合用作生产传统的以水泥为胶凝材料的建筑砌块等 系统的易磨性研究具有重要意义.文献[4研究指 制品，也无法作为传统混凝士的细骨料和建筑用砂. 出惰性石英粉对水泥早期水化有促进作用，原因是 由于高硅的特点，也不适合生产烧结类墙体材料. 石英粉在水泥水化过程中可起到异相成核的作用， 因此将这类尾矿整体利用生产建筑材料是长期以来 并且石英粉越细，对异相成核作用的发挥越有利. 未能解决的难题.尾矿高强结构材料技术是近几年 由此可推断，在高性能混凝土中掺入少量低活性的 发明的一种专门利用极细粒尾矿生产高附加值制品 超细掺合料有可能成为改善混凝土性能的一种重要 的技术☒.郑永超等报道了采用首钢密云铁尾矿 手段.此外，在非石灰体系的加气混凝土和泡沫水 可以制备出尾矿掺量达到70%抗压强度大于 泥制品中也需要对部分硅质原料进行超细粉磨以改 100MP的尾矿高强结构材料.在尾矿高强结构材 善制品的气孔结构.因而系统地认识极细粒度高硅 料中需要对部分已经很细的尾矿进行进一步超细粉 型尾矿的易磨性及其磨细后的基本特征是解决这类 收稿日期：2009-11-23 作者简介：黄晓燕(1986，女，博士研究生：倪文(1961一，男，教授博士生导师，Ema时nw@ces ust ed山m
第 32卷 第 10期 2010年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.10 Oct.2010 齐大山铁尾矿粉磨特性 黄晓燕 倪 文 祝丽萍 王中杰 北京科技大学土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 摘 要 利用扫描电镜(SEM)、场发射扫描电镜(FE--SEM)和激光粒度仪(LPS)研究齐大山磨细铁尾矿的颗粒形貌和粒度分 布特征, 并以比表面积为评价指标, 比较了铁尾矿与水淬高炉渣的易磨性.结果表明:铁尾矿的易磨性远远优于水淬高炉渣; 铁尾矿经实验用球磨机粉磨 140min后, 能够填充水泥粉体堆积结构间隙的粒径小于 5μm的颗粒质量分数为 62.60%, 并且 还含有大量亚微米级和纳米级颗粒. 关键词 尾矿;易磨性;粒度分布;颗粒形貌 分类号 TD926.4 GrindingcharacteristicofQidashanirontailings HUANGXiao-yan, NIWen, ZHULi-ping, WANGZhong-jie KeyLaboratoryoftheMinistryofEducationofChinaforHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines, SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT ThegranulemorphologyandparticlesizedistributionofmilledirontailingsfromQidashanIronMineofChinawereinvestigatedbyscanningelectronmicroscopy(SEM), fieldemissionscanningelectronmicroscope(FE-SEM)andlaserparticlesizer (LPS).Thegrindabilitiesofirontailingsandblastfurnaceslagwerecomparedbytakingspecificsurfaceareaasanevaluatingindexof milling.Theresultsshowthattheironoretailingshaveamuchbettergrindabilitythanblastfurnaceslag.Themilledtailingproduct obtainedbymillingfor140 mincontains62.60% grainparticlessmallerthan5 μmwhichcanfillspacesbetweencementparticles; amongthem, muchsmallerparticleswithsubmicronornanometersizewerealsoobserved. KEYWORDS tailings;grindability;particlesizedistribution;granulemorphology 收稿日期:2009-11-23 作者简介:黄晓燕(1986— ), 女, 博士研究生;倪 文(1961—), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:niwen@ces.ustb.edu.cn 目前 ,鞍山地区每年排放铁尾矿接近 4 000 万 t,累计堆存量已达到 6亿 t以上 [ 1] .其中鞍钢齐大 山铁尾矿是由磁铁石英岩建造中的赤铁矿矿石 (红 矿)经选矿后排出的固体废弃物组成 , 属于粒度极 细的高硅型铁尾矿 .由于粒度极细, 这类尾矿不适 合用作生产传统的以水泥为胶凝材料的建筑砌块等 制品 ,也无法作为传统混凝土的细骨料和建筑用砂. 由于高硅的特点 , 也不适合生产烧结类墙体材料. 因此将这类尾矿整体利用生产建筑材料是长期以来 未能解决的难题.尾矿高强结构材料技术是近几年 发明的一种专门利用极细粒尾矿生产高附加值制品 的技术 [ 2] .郑永超等 [ 3]报道了采用首钢密云铁尾矿 可以制备出尾矿掺量达到 70%, 抗压强度大于 100 MPa的尾矿高强结构材料 .在尾矿高强结构材 料中需要对部分已经很细的尾矿进行进一步超细粉 磨 ,使磨细的尾矿中出现部分亚微米级和纳米级的 尾矿颗粒.对于把极细尾矿进一步磨细使其在建筑 材料的制备过程中充分发挥其填充效应、黏结效应 以及纳米效应的研究国内外还没有太多的成果报 道 .要充分发挥磨细尾矿的细化效应 , 对尾矿进行 系统的易磨性研究具有重要意义 .文献 [ 4] 研究指 出惰性石英粉对水泥早期水化有促进作用 , 原因是 石英粉在水泥水化过程中可起到异相成核的作用 , 并且石英粉越细, 对异相成核作用的发挥越有利 . 由此可推断 ,在高性能混凝土中掺入少量低活性的 超细掺合料有可能成为改善混凝土性能的一种重要 手段.此外 ,在非石灰体系的加气混凝土和泡沫水 泥制品中也需要对部分硅质原料进行超细粉磨以改 善制品的气孔结构.因而系统地认识极细粒度高硅 型尾矿的易磨性及其磨细后的基本特征是解决这类 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.10.003
。1254 北京科技大学学报 第32卷 尾矿在建材领域整体利用的基础. 鞍钢集团齐大山铁尾矿的主要化学成分为SQ,其 质量分数为82.80%，属高硅型铁尾矿，表1为齐大 1原材料与实验方法 山铁尾矿化学成分.铁尾矿经XRD分析显示其中 11原材料 主要矿物有石英、未选出的赤铁矿，以及少量绿泥 本实验所用铁尾矿为鞍钢集团齐大山铁尾矿. 石、角闪石等.图1为铁尾矿XRD分析结果. 表1铁尾矿的化学成分（质量分数） Table Chemical oomposition of imn tailings % s02 FO M F Ca MiO P 烧失量 8280 1304 1.07 081 078 0060 0025 0035 1.12 将原始铁尾矿烘干后进行筛分，其结果如表2 750 0=石英 H=赤铁矿 所示.从表2可以看出原始铁尾矿粒度细小，粒径 C=绿泥石 大于063m的颗粒不到1%小于0.08m的颗 M=角闪石 粒占到144%，尾矿颗粒的粒径主要集中在 C MC Q Hd M M 0.315~016mm图2为齐大山铁尾矿的SDM照 10 20 30 4050607080 0 片.从中可以看出，鞍钢齐大山尾矿多为几十微米 28) 到几百微米的石英颗粒，形状为不规则块状、棱 图1铁尾矿的XRD谐图 角状. Fig 1 XRD pattem of iron tailings 表2铁尾矿和矿渣的粒度分布 Table2 Particle size distribution of iron tailings and skg % 粒级 材料 >25m1.25-25mm0.63-1.25m 0315-063mm0.16-0315m008-016mm0.04-008mm<004mm 铁尾矿 08 25.5 428 164 6.4 8.0 矿渣 10 27.8 33.0 21.2 42 25 1.3 匀后采用圆锥四分法分成8份运回实验室.实验时 将每份80k的铁尾矿再采用圆锥四分法缩分成 5k份，实验用各种原料均从分装好的5k份的样 品中取用.矿渣原料取自经充分均化的首钢矿渣粉 生产线原料仓出口. 利用SM原500mm500mm实验用球磨机分别 粉磨铁尾矿和矿渣.磨机的装料量为5kg磨机转 速48m前.研磨介质为钢球和钢锻，研磨介质 装载量为100kg其中，钢球60k3质量级配为 图2铁尾矿的SM照片 中70mm19.7%,中60mm33.1%,中50m29.6% F号2 SEM mage of irn ailngs 中40m17.6%:钢锻40kg尺寸为中25mmX 实验所用矿渣则采用北京首钢水淬高炉矿渣， 30m 矿渣的粒度分布如表2所示. 利用DBT-127型勃氏透气比表面积仪测定铁 12实验方法 尾矿粉和矿渣粉的比表面积；利用MS30型激光 原料取样方法：铁尾矿原料取自鞍钢齐大山铁 粒度分析仪测定铁尾矿粉的颗粒群组成分布；利用 尾矿库中部，根据尾矿库管理人员的建议选取最有 英国剑桥250型扫描电镜和德国蔡司SURA55 代表性的部位，采用探坑壁垂直剖面切割取样法，垂 场发射扫描电镜观察原始铁尾矿和磨细铁尾矿粉的 直取样深度为1.2四共取样640kg样品经充分混 粒度及颗粒形貌
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 尾矿在建材领域整体利用的基础. 1 原材料与实验方法 1.1 原材料 本实验所用铁尾矿为鞍钢集团齐大山铁尾矿. 鞍钢集团齐大山铁尾矿的主要化学成分为 SiO2 ,其 质量分数为 82.80%,属高硅型铁尾矿.表 1为齐大 山铁尾矿化学成分.铁尾矿经 XRD分析显示其中 主要矿物有石英 、未选出的赤铁矿, 以及少量绿泥 石 、角闪石等 .图 1为铁尾矿 XRD分析结果. 表 1 铁尾矿的化学成分 (质量分数) Table1 Chemicalcompositionofirontailings % SiO2 Fe2O3 MgO FeO CaO MnO S P 烧失量 82.80 13.04 1.07 0.81 0.78 0.060 0.025 0.035 1.12 图 1 铁尾矿的 XRD谱图 Fig.1 XRDpatternofirontailings 将原始铁尾矿烘干后进行筛分 ,其结果如表 2 所示.从表 2可以看出原始铁尾矿粒度细小 ,粒径 大于 0.63 mm的颗粒不到 1%, 小于 0.08 mm的颗 粒占到 14.4%, 尾矿 颗 粒 的 粒径 主 要 集 中在 0.315 ～ 0.16 mm.图 2为齐大山铁尾矿的 SEM照 片 .从中可以看出 , 鞍钢齐大山尾矿多为几十微米 到几百微米的石英颗粒 , 形状为不规则块状 、棱 角状. 表 2 铁尾矿和矿渣的粒度分布 Table2 Particlesizedistributionofirontailingsandslag % 材料 粒级 >2.5mm 1.25 ～ 2.5mm 0.63 ～ 1.25mm 0.315 ～ 0.63mm 0.16 ～ 0.315mm 0.08 ～ 0.16mm 0.04 ～ 0.08mm <0.04mm 铁尾矿 — — 0.8 25.5 42.8 16.4 6.4 8.0 矿渣 10 27.8 33.0 21.2 4.2 2.5 1.3 — 图 2 铁尾矿的 SEM照片 Fig.2 SEMimageofirontailings 实验所用矿渣则采用北京首钢水淬高炉矿渣, 矿渣的粒度分布如表 2所示. 1.2 实验方法 原料取样方法 :铁尾矿原料取自鞍钢齐大山铁 尾矿库中部,根据尾矿库管理人员的建议选取最有 代表性的部位 ,采用探坑壁垂直剖面切割取样法 ,垂 直取样深度为 1.2m,共取样 640 kg.样品经充分混 匀后采用圆锥四分法分成 8份运回实验室.实验时 将每份 80 kg的铁尾矿再采用圆锥四分法缩分成 5 kg/份 ,实验用各种原料均从分装好的 5 kg/份的样 品中取用.矿渣原料取自经充分均化的首钢矿渣粉 生产线原料仓出口. 利用 SM 500 mm×500 mm实验用球磨机分别 粉磨铁尾矿和矿渣.磨机的装料量为 5 kg, 磨机转 速 48 r·min -1 .研磨介质为钢球和钢锻 , 研磨介质 装载量为 100 kg.其中 , 钢球 60 kg, 质量级配为 70 mm19.7%, 60 mm33.1%, 50 mm29.6%, 40 mm 17.6%;钢 锻 40 kg, 尺 寸 为 25 mm× 30 mm. 利用 DBT--127型勃氏透气比表面积仪测定铁 尾矿粉和矿渣粉的比表面积 ;利用 LMS--30型激光 粒度分析仪测定铁尾矿粉的颗粒群组成分布 ;利用 英国剑桥 S250型扫描电镜和德国蔡司 SUPRA55 场发射扫描电镜观察原始铁尾矿和磨细铁尾矿粉的 粒度及颗粒形貌 . · 1254·
第10期 黄晓燕等：齐大山铁尾矿粉磨特性 。1255 2结果与分析 1100 21铁尾矿易磨性 1000 。一矿渣 。一铁尾矿 矿渣的粉磨能耗在建材领域己是一个熟知的参 900 800 数.采用大型工业球磨机将矿渣一次性处理成勃氏 比表面积达400。kg'以上的矿渣粉所需能耗约 70g 600 为80W。h,而采用先进立式磨机粉磨能耗为 500 50一60WrT1.因此本实验以矿渣的易磨性 400 为参考对比研究铁尾矿的易磨性.实验将铁尾矿和 300 40 60 80 100 120140 矿渣分不同批次使用同一你500mmX500m实 磨矿时间min 验用球磨机进行粉磨，比较两者经相同时间粉磨后 图3铁尾矿和矿渣在不同粉磨时间下的比表面积 粉体比表面积的差异.图3为铁尾矿粉和矿渣粉的 Fg 3 Specific aurfce area of ion milirgs and blst fumace 比表面积随粉磨时间变化的对比情况. shgm illed for different tme periods 从图3中可以明显看出，铁尾矿的易磨性远远 优于水淬高炉矿渣.矿渣比表面积达400·kg 高炉矿渣相比，铁尾矿的易磨性更好.图4为粉磨 时需要粉磨70m?此时铁尾矿粉的比表面积己达 120m的铁尾矿粉和矿渣粉的FE-SM照片.从 751n。kg.粉磨120m时，矿渣的比表面积为 中可以直观地看出，相同粉磨时间下铁尾矿粉的细 515。kg,而铁尾矿粉的比表面积已达1039。 度远远小于矿渣粉.铁尾矿经粉磨120mn和 kg'.另外，铁尾矿粉比表面积的增加速率大于矿 140m时对应的比表面积分别为1039。kg和 渣粉，即随着粉磨时间的延长，铁尾矿粉的新增比表 1057。kg'.此时，随粉磨时间的增加，铁尾矿粉 面积大于矿渣粉的新增比表面积，在图中表现为铁 比表面积变化已不明显，继续延长粉磨时间以提高 尾矿粉对应的曲线斜率更大，进一步证实了与水淬 粉体细度意义不大. 图4粉磨120m的铁尾矿粉（两和矿渣粉(b的FE-S纽M照片 Fg4 FE-SEM mages ofion ore tailing powder(a and blst fumace shg powder (b)milled for 120mn 2.2铁尾矿粉粒度分布特征 表3不同粉磨时间的铁尾矿粉的特征粒径 利用激光粒度仪分析不同粉磨时间下所得铁尾 Tab e3 Chamcteristic size of iron miling powder m illed for different time perods 矿粉的粒度分布，结果如表3和图5所示.从表3 和图5中可以看出，随着粉磨时间的延长，铁尾矿粉 粉磨时间mm Dm Dom 的粒度分布范围变窄，并逐渐向粒度值小的方向集 30 1249 40.53 中.当粉磨时间从30m增加到120m时，铁尾矿 70 7.47 23.32 粉的Do(仲位径)从12.49m减小到3.35μ四D 100 438 21.17 (累计粒度分布百分数达到90%时所对应的颗粒粒 120 347 17.73 径)从40.53μm减小到17.05μm粉磨早期铁尾矿 140 335 17.06 粉的粒度分布变化较大，粉磨120m后继续延长 粉磨时间，其粒度分布变化甚微。与比表面积的变化 在混凝土行业中，矿物掺合料作为提高混凝土 情况相对应. 性能的重要组分，其贡献主要体现在对水泥基材料
第 10期 黄晓燕等:齐大山铁尾矿粉磨特性 2 结果与分析 2.1 铁尾矿易磨性 矿渣的粉磨能耗在建材领域已是一个熟知的参 数.采用大型工业球磨机将矿渣一次性处理成勃氏 比表面积达 400 m 2 ·kg -1以上的矿渣粉所需能耗约 为80 kW·h·t -1 ,而采用先进立式磨机粉磨能耗为 50 ～ 60 kW·h·t -1 [ 5] .因此本实验以矿渣的易磨性 为参考对比研究铁尾矿的易磨性 .实验将铁尾矿和 矿渣分不同批次使用同一 SM 500 mm×500 mm实 验用球磨机进行粉磨 ,比较两者经相同时间粉磨后 粉体比表面积的差异.图 3为铁尾矿粉和矿渣粉的 比表面积随粉磨时间变化的对比情况. 从图 3中可以明显看出 , 铁尾矿的易磨性远远 优于水淬高炉矿渣 .矿渣比表面积达 400 m 2 ·kg -1 时需要粉磨 70 min, 此时铁尾矿粉的比表面积已达 751 m 2 ·kg -1 .粉磨 120 min时 , 矿渣的比表面积为 515 m 2 ·kg -1 ,而铁尾矿粉的比表面积已达 1 039 m 2 · kg -1 .另外, 铁尾矿粉比表面积的增加速率大于矿 渣粉 ,即随着粉磨时间的延长 ,铁尾矿粉的新增比表 面积大于矿渣粉的新增比表面积 , 在图中表现为铁 尾矿粉对应的曲线斜率更大 ,进一步证实了与水淬 图 3 铁尾矿和矿渣在不同粉磨时间下的比表面积 Fig.3 Specificsurfaceareaofirontailingsandblastfurnace slagmilledfordifferenttimeperiods 高炉矿渣相比, 铁尾矿的易磨性更好.图 4为粉磨 120min的铁尾矿粉和矿渣粉的 FE--SEM照片.从 中可以直观地看出, 相同粉磨时间下铁尾矿粉的细 度远远小 于矿渣粉 .铁 尾矿经粉磨 120 min和 140min时对应的比表面积分别为 1 039 m 2 ·kg -1和 1 057m 2 ·kg -1.此时 ,随粉磨时间的增加, 铁尾矿粉 比表面积变化已不明显, 继续延长粉磨时间以提高 粉体细度意义不大. 图 4 粉磨 120min的铁尾矿粉(a)和矿渣粉(b)的 FE-SEM照片 Fig.4 FE--SEMimagesofironoretailingpowder(a)andblastfurnaceslagpowder(b)milledfor120min 2.2 铁尾矿粉粒度分布特征 利用激光粒度仪分析不同粉磨时间下所得铁尾 矿粉的粒度分布 , 结果如表 3 和图 5所示 .从表 3 和图 5中可以看出, 随着粉磨时间的延长,铁尾矿粉 的粒度分布范围变窄 ,并逐渐向粒度值小的方向集 中.当粉磨时间从 30 min增加到 120 min时 ,铁尾矿 粉的 D50(中位径 )从 12.49 μm减小到 3.35 μm, D90 (累计粒度分布百分数达到 90%时所对应的颗粒粒 径)从 40.53μm减小到 17.05μm.粉磨早期铁尾矿 粉的粒度分布变化较大, 粉磨 120 min后继续延长 粉磨时间 ,其粒度分布变化甚微,与比表面积的变化 情况相对应. 表 3 不同粉磨时间的铁尾矿粉的特征粒径 Table3 Characteristicsizeofirontailingpowdermilledfordifferent timeperiods 粉磨时间 /mm D50 /μm D90 /μm 30 12.49 40.53 70 7.47 23.32 100 4.38 21.17 120 3.47 17.73 140 3.35 17.05 在混凝土行业中, 矿物掺合料作为提高混凝土 性能的重要组分 ,其贡献主要体现在对水泥基材料 · 1255·
。1256 北京科技大学学报 第32卷 100 在技术和能耗层面上都具有一定的可行性 物全柔 2.3铁尾矿粉颗粒形貌特征 80- -s-30 min 图6为粉磨不同时间所得铁尾矿粉的电镜照 ←70min 片，其中图6(a)为粉磨30m的铁尾矿粉的SM ◆100min -4120min 照片，图6(b)、(c)分别为粉磨90m的铁尾矿粉 安 140 min 的S迅M照片和FESM照片，图6(d为粉磨 140m的铁尾矿粉的FESM照片. 从图6(a和(b)中可以看出：粉磨30m所得 铁尾矿粉中的粗颗粒多为不规则形状，棱角尖锐存 1020 30405060 7080 粒径m 在较多长条状颗粒：粉磨90m时，铁尾矿粉中的 图5不同粉磨时间的铁尾矿粉粒度累积分布曲线 粗颗粒边缘趋于圆滑，颗粒的不规则程度减小.从 Fg5 Cumultive distrbutin crves of irn tailing powder milled 图6()河以看出其中还含有大量亚微米的颗粒，并 for different tme perods 且这些亚微米颗粒边缘为弧形，拥有较好的球形度. 的物理、化学填充效应上【9.矿物掺合料的物理填 这说明随着粉磨时间的延长，尾矿粉颗粒的球形度 充效应能有效改善新拌水泥浆体的密实性和流动 以及边缘的圆滑度都有递增的趋势. 性，降低硬化浆体的孔隙率进而提高其力学性 图6(d为粉磨140m的铁尾矿粉中某一较粗 能6，而这种物理填充作用的充分发挥又必须建 颗粒表面的ESM照片.从图6（山中可以明显 立在矿广物掺合料拥有合适的粒径和合理的粒度分布 看出，超细粉磨后的铁尾矿中可见纳米级颗粒，这些 的基础之上，其核心问题就是采用颗粒的紧密堆积 纳米级颗粒形态趋于球形，边缘光滑.由于具有较 原理获得水泥基材料的密实填充结构9.陈改新 大的表面能，这些纳米级颗粒相互团聚或者吸附在 等研究指出：水泥粉体堆积结构中存在大量小于 较粗颗粒的表面.因此。超细粉磨铁尾矿不仅能够 5μm的空隙，掺加粒径小于5um的粉体能够填充 获得大量亚微米颗粒，甚至还能获得球形度较好的 水泥颗粒之间的空隙，获得紧密堆积结构.从图5 纳米级颗粒.粉煤灰形状呈球形是其在混凝土行业 中可以看出，粉磨100m的铁尾矿中粒径小于 中发挥重要作用的原因之一.在混凝土中加入呈球 5μ的颗粒占54.07%，粉磨140m的铁尾矿中粒 状的粉煤灰可有效提高浆体的流动性，进而改善混 径小于5μ的颗粒占6260%.因此拥有大量粒径 凝土的和易性及力学性能.因此，将超细粉磨铁尾 小于5μ的颗粒的磨细铁尾矿具备填充水泥粉体 矿作为惰性填充组分应用到混凝土中，其颗粒球形 堆积结构中空隙的条件，使水泥基材料获得较高的 度较好的特征对填充效果的发挥将起着重要的作 紧密堆积程度.这种紧密堆积结构的形成可降低材 用.另外，由于粉磨产生的部分亚微米及纳米尾矿 料初始料浆的水灰比，对最终水泥基材料的力学性 颗粒的晶格畸变和表面能快速增加，具备了一定的 能、耐久性都有显著提高-以.具有高强、高耐久 火山灰反应活性.当磨细铁尾矿作为矿物掺合料应 性的活性粉末混凝土的研制成功也就是基于这一原 用到水泥混凝土体系中时，这部分亚微米及纳米颗 理，可以预计这种惰性颗粒的填充在一定程度上 粒可发生火山灰活性反应，将对混凝土的强度和耐 能够达到减水的目的.另外，对于掺入磨细铁尾矿 久性进一步产生积极贡献. 的经高温蒸汽或蒸压养护的胶凝材料制品，尾矿中 大量的结晶二氧化硅在较高的温度下具备了参与水 3结论 化反应的条件，此时磨细铁尾矿不仅能起到物理填 (1鞍钢齐大山铁尾矿的易磨性好，其易磨性 充作用，还能进一步发挥其化学填充效应.同时，结 远远优于水淬高炉矿渣.粉磨120m的矿渣的比 合图3可以看出，在建材领域应用得较多的比表面 表面积为515㎡。kg,此时铁尾矿粉的比表面积已 积为400~500。kg的矿渣粉需要实验用球磨机 达1039。kg.铁尾矿在粉磨120m后，再延长 粉磨90~120m而将铁尾矿粉磨至粒径小于5μm 粉磨时间，其比表面积己无明显增长 的颗粒占50%以上需要粉磨100~140m口由此可 (2将铁尾矿超细粉磨可得到大量能够填充水 以初步预测，当采用大型工业磨机时，铁尾矿粉相应 泥粉体堆积结构空隙的小于5μ的颗粒，粉磨 的粉磨能耗与常用矿渣粉的粉磨能耗接近，说明将 140m所得铁尾矿粉中粒径小于5μm的颗粒可占 铁尾矿磨细至含大量超细颗粒应用到混凝土领域中 到6260%
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 5 不同粉磨时间的铁尾矿粉粒度累积分布曲线 Fig.5 Cumulativedistributioncurvesofirontailingpowdermilled fordifferenttimeperiods 的物理、化学填充效应上 [ 6] .矿物掺合料的物理填 充效应能有效改善新拌水泥浆体的密实性和流动 性, 降低硬化浆体的孔隙率进而提高其力学性 能 [ 6--8] ,而这种物理填充作用的充分发挥又必须建 立在矿物掺合料拥有合适的粒径和合理的粒度分布 的基础之上,其核心问题就是采用颗粒的紧密堆积 原理获得水泥基材料的密实填充结构 [ 9] .陈改新 等 [ 10]研究指出:水泥粉体堆积结构中存在大量小于 5 μm的空隙, 掺加粒径小于 5 μm的粉体能够填充 水泥颗粒之间的空隙 , 获得紧密堆积结构 .从图 5 中可以看出, 粉磨 100 min的铁尾矿中粒径小于 5 μm的颗粒占 54.07%,粉磨 140 min的铁尾矿中粒 径小于 5μm的颗粒占 62.60%.因此拥有大量粒径 小于 5 μm的颗粒的磨细铁尾矿具备填充水泥粉体 堆积结构中空隙的条件, 使水泥基材料获得较高的 紧密堆积程度 .这种紧密堆积结构的形成可降低材 料初始料浆的水灰比 ,对最终水泥基材料的力学性 能、耐久性都有显著提高 [ 11--12] .具有高强、高耐久 性的活性粉末混凝土的研制成功也就是基于这一原 理 [ 13] ,可以预计这种惰性颗粒的填充在一定程度上 能够达到减水的目的 .另外, 对于掺入磨细铁尾矿 的经高温蒸汽或蒸压养护的胶凝材料制品, 尾矿中 大量的结晶二氧化硅在较高的温度下具备了参与水 化反应的条件 ,此时磨细铁尾矿不仅能起到物理填 充作用,还能进一步发挥其化学填充效应.同时, 结 合图 3可以看出 , 在建材领域应用得较多的比表面 积为 400 ～ 500 m 2 ·kg -1的矿渣粉需要实验用球磨机 粉磨 90 ～ 120 min,而将铁尾矿粉磨至粒径小于 5 μm 的颗粒占 50%以上需要粉磨 100 ～ 140 min.由此可 以初步预测,当采用大型工业磨机时,铁尾矿粉相应 的粉磨能耗与常用矿渣粉的粉磨能耗接近, 说明将 铁尾矿磨细至含大量超细颗粒应用到混凝土领域中 在技术和能耗层面上都具有一定的可行性 . 2.3 铁尾矿粉颗粒形貌特征 图 6为粉磨不同时间所得铁尾矿粉的电镜照 片 ,其中图 6(a)为粉磨 30 min的铁尾矿粉的 SEM 照片,图 6(b)、(c)分别为粉磨 90 min的铁尾矿粉 的 SEM照片和 FE--SEM照片, 图 6 (d)为粉磨 140min的铁尾矿粉的 FE--SEM照片 . 从图 6(a)和 (b)中可以看出:粉磨 30 min所得 铁尾矿粉中的粗颗粒多为不规则形状 ,棱角尖锐,存 在较多长条状颗粒 ;粉磨 90 min时, 铁尾矿粉中的 粗颗粒边缘趋于圆滑, 颗粒的不规则程度减小.从 图 6(c)可以看出其中还含有大量亚微米的颗粒 ,并 且这些亚微米颗粒边缘为弧形 ,拥有较好的球形度 . 这说明随着粉磨时间的延长 ,尾矿粉颗粒的球形度 以及边缘的圆滑度都有递增的趋势. 图 6(d)为粉磨 140 min的铁尾矿粉中某一较粗 颗粒表面的 FE--SEM照片.从图 6(d)中可以明显 看出,超细粉磨后的铁尾矿中可见纳米级颗粒 ,这些 纳米级颗粒形态趋于球形, 边缘光滑.由于具有较 大的表面能 ,这些纳米级颗粒相互团聚或者吸附在 较粗颗粒的表面.因此, 超细粉磨铁尾矿不仅能够 获得大量亚微米颗粒, 甚至还能获得球形度较好的 纳米级颗粒 .粉煤灰形状呈球形是其在混凝土行业 中发挥重要作用的原因之一.在混凝土中加入呈球 状的粉煤灰可有效提高浆体的流动性, 进而改善混 凝土的和易性及力学性能.因此 , 将超细粉磨铁尾 矿作为惰性填充组分应用到混凝土中, 其颗粒球形 度较好的特征对填充效果的发挥将起着重要的作 用 .另外, 由于粉磨产生的部分亚微米及纳米尾矿 颗粒的晶格畸变和表面能快速增加, 具备了一定的 火山灰反应活性 .当磨细铁尾矿作为矿物掺合料应 用到水泥混凝土体系中时 , 这部分亚微米及纳米颗 粒可发生火山灰活性反应 , 将对混凝土的强度和耐 久性进一步产生积极贡献 . 3 结论 (1)鞍钢齐大山铁尾矿的易磨性好, 其易磨性 远远优于水淬高炉矿渣 .粉磨 120 min的矿渣的比 表面积为 515 m 2 ·kg -1 ,此时铁尾矿粉的比表面积已 达 1 039m 2 ·kg -1.铁尾矿在粉磨 120 min后, 再延长 粉磨时间,其比表面积已无明显增长 . (2)将铁尾矿超细粉磨可得到大量能够填充水 泥粉体堆积结构空隙的小于 5 μm的颗粒 , 粉磨 140min所得铁尾矿粉中粒径小于 5 μm的颗粒可占 到 62.60 %. · 1256·
第10期 黄晓燕等：齐大山铁尾矿粉磨特性 。1257 图6不同粉磨时间下的铁尾矿粉的形貌.(a)粉磨30m!(b,、(9粉磨90m日(d山粉磨140mn Fg 6 Mophobgies of iran tiling powderm illed fr diffe rent tme periads (a)30m in (b)(c)90 min d)140m in (3铁尾矿经超细粉磨后可获得大量球形度较 高等专科学校学报.200622(1)：8) 好的亚微米及纳米级颗粒，可以预计将超细粉磨铁 6 LongGC Xie Y J W ang XY Stdy on the effects of mineral admixures on denseness of fresh oment paste J Buil Mater 尾矿应用到水泥混凝土行业，对材料性能的提高具 20025(1片21 有重要意义. (龙广成。谢友均.王新友.矿物参合料对新拌水泥浆体密实 性能的影响.建筑材料学报。20心5(1)：21) 参考文献 L可 OnerA Akyuz S An expermental sudy on optmum usage of I]YangX F SuX Q ZhangTD Fea uresofAnshan irmn ore nail GGBS for the compressive strength of concrete Cemn Coner Com- ngs and fute of their comprehensive utilization Min Eng P5200729(6):505 20086(5):47 8 Gonen T Yazicicglu $S The influence ofm neral adm ixtures on the (杨晓峰，苏兴强。张廷东.鞍山铁尾矿特性及综合利用前 ston and prg tem perfmamce of cncee Buil Environ 2007 景.矿业工程.20086(5)：47) 42(8).3080 NiW Zheng Y C Guo ZN et a]AMethal ofMakng Hgh [9 Feng N Q Struc tre and perfomance of HPC and its povder Stregth StrucumlMa terial with Iron Ore Tailing China Pa tent effect Chna Concr Cmm Prod 1996(2):6 2007101772942008-05-21 (冯乃谦.高性能混凝土的结构、性能与粉体效应.混凝土与 (倪文，郑永超郭珍妮等.一种利用铁尾矿制备高强结构材 水泥制品1996(2)：6) 料的方法：中国专利.2007101772942008-05-21) 10]ChenGX JiG J LeiA Z et a]Stdy on synegistic effectsof [3 Zheng YC NiW GuoZN et al Expermental research on hh multicommponent cementitpus material I Chin Cerm Soc strength structuralma terialmae with ioon tailing Nov BuilMa 200432(3):351 2009(3为4 (陈改新，纪国晋，雷爱中，等.多元胶凝粉体复合效应的研 (郑永超，倪文，郭珍妮等.铁尾矿制备高强结构材料的实 究硅酸盐学报，200432(3).351) 验研究.新型建筑材料，2009(3)：4) ll]PengYZ Hu SG DngQ J Dense pack ing Propertiesofm n [4 Lawrence P Mann C Rngot E Mineral am xuures n momars el am xures n cementitious ma tera]Particobgy 200 7 effect of inertmaerals on short tem bydmtion Cem Concr Res (5):399 00333(12,1939 12]Lange F M rtelH RudertV Dense packng of cment pastes [5 W ang Y.Alied research an the pregrinding technokgy wit a and resulting cmsequences onmortar Properties Cem ConcrRes stand ng millstone of gmainy fumace slag I Kurm ng Metall Coll 199727(10:1481 200622(1,8 I B]Richard P Cheyrezy M Compositin of reac tive powder con (王英.粒化高炉矿渣立式磨预粉磨技术应用研究.昆明治金 ce tes Cem ConcrRes 1995 25(7);1501
第 10期 黄晓燕等:齐大山铁尾矿粉磨特性 图 6 不同粉磨时间下的铁尾矿粉的形貌.(a)粉磨 30min;(b)、(c)粉磨 90min;(d)粉磨 140min Fig.6 Morphologiesofirontailingpowdermilledfordifferenttimeperiods:(a)30min;(b), (c)90min;(d)140min (3)铁尾矿经超细粉磨后可获得大量球形度较 好的亚微米及纳米级颗粒, 可以预计将超细粉磨铁 尾矿应用到水泥混凝土行业, 对材料性能的提高具 有重要意义. 参 考 文 献 [ 1] YangXF, SuXQ, ZhangTD.FeaturesofAnshanironoretailingsandfutureoftheircomprehensiveutilization.MinEng, 2008, 6(5):47 (杨晓峰, 苏兴强, 张廷东.鞍山铁尾矿特性及综合利用前 景.矿业工程, 2008, 6(5):47) [ 2] NiW, ZhengYC, GuoZN, etal.AMethodofMakingHigh StrengthStructuralMaterialwithIronOreTailing:ChinaPatent, 200710177294.2008-05-21 (倪文, 郑永超, 郭珍妮, 等.一种利用铁尾矿制备高强结构材 料的方法:中国专利, 200710177294.2008--05--21) [ 3] ZhengYC, NiW, GuoZN, etal.Experimentalresearchonhigh strengthstructuralmaterialmadewithirontailing, NewBuildMater, 2009(3):4 (郑永超, 倪文, 郭珍妮, 等.铁尾矿制备高强结构材料的实 验研究.新型建筑材料, 2009(3):4) [ 4] LawrenceP, MartinC, RingotE.Mineraladmixturesinmortars effectofinertmaterialsonshort-termhydration.CemConcrRes, 2003, 33(12):1939 [ 5] WangY.Appliedresearchonthepre-grindingtechnologywitha standingmillstoneofgrainyfurnaceslag.JKunmingMetallColl, 2006, 22(1):8 (王英.粒化高炉矿渣立式磨预粉磨技术应用研究.昆明冶金 高等专科学校学报, 2006, 22(1):8) [ 6] LongGC, XieYJ, WangXY.Studyontheeffectsofmineral admixturesondensenessoffreshcementpaste.JBuildMater, 2002, 5(1):21 (龙广成, 谢友均, 王新友.矿物掺合料对新拌水泥浆体密实 性能的影响.建筑材料学报, 2002, 5(1):21) [ 7] OnerA, AkyuzS.Anexperimentalstudyonoptimumusageof GGBSforthecompressivestrengthofconcrete.CemConcrCompos, 2007, 29(6):505 [ 8] GonenT, YaziciogluS.Theinfluenceofmineraladmixturesonthe shortandlong-termperformanceofconcrete.BuildEnviron, 2007, 42(8):3080 [ 9] FengNQ.StructureandperformanceofHPC anditspowder effect.ChinaConcrCemProd, 1996(2):6 (冯乃谦.高性能混凝土的结构、性能与粉体效应.混凝土与 水泥制品, 1996(2):6) [ 10] ChenGX, JiGJ, LeiAZ, etal.Studyonsynergisticeffectsof multi-componentcementitiousmaterial. JChin Ceram Soc, 2004, 32(3):351 (陈改新, 纪国晋, 雷爱中, 等.多元胶凝粉体复合效应的研 究.硅酸盐学报, 2004, 32(3):351) [ 11] PengYZ, HuSG, DingQJ.Densepackingpropertiesofmineraladmixturesincementitiousmaterial.Particuology, 2009, 7 (5):399 [ 12] LangeF, MörtelH, RudertV.Densepackingofcementpastes andresultingconsequencesonmortarproperties.CemConcrRes, 1997, 27(10):1481 [ 13] RichardP, CheyrezyM.Compositionofreactivepowderconcretes.CemConcrRes, 1995, 25(7):1501 · 1257·
