鐵尾礦特性分析及其利用技術(shù)現(xiàn)狀和展望

杜 鑫，傅國輝，褚會超，楊曉峰，付亞峰，董振海，劉劍軍，滿曉霏，智 慧

（1.鞍鋼集團北京研究院有限公司，北京 102200；2.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114043）

0 引 言

礦山尾礦是礦石開采和加工過程中，產(chǎn)生的含有用目標組分較低或無經(jīng)濟價值的部分[1]。2010—2020年，全球采礦業(yè)累計生產(chǎn)的尾礦量從140.0億t增加到222.6億t[2]。我國現(xiàn)有尾礦庫超12 000座，尾礦堆存量超200億t，主要來源于黑色金屬礦采選業(yè)和有色金屬礦采選業(yè)，包括鐵尾礦、銅尾礦和其他有色金屬尾礦。尾礦庫占用大量土地[3]，堆存過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣不僅會持續(xù)污染環(huán)境[4-5]，而且有潰壩危險[6-7]，尾礦堆存在空間上和時間上都對社會造成巨大的負面壓力。近年來，我國很多地區(qū)已停止新尾礦庫的規(guī)劃建設(shè)，礦山企業(yè)正面臨著“一庫難求”、尾礦無處可排被迫停產(chǎn)的嚴峻形式。

我國是世界第一大鋼鐵生產(chǎn)國和消費國，鐵礦石進口量長期占需求量的百分之八十左右，始終面臨著鐵礦石供給對外依存度高的問題。未來一段時間內(nèi)，要突破原料供給壁壘，迅速增加自給產(chǎn)能，必然會導(dǎo)致更多鐵尾礦的產(chǎn)生[8]。目前，我國鐵尾礦的累積量已達到60億t[9]，各地區(qū)企業(yè)和高校在鐵尾礦源頭減量化、資源化、無害化方面進行了多方向的研究攻關(guān)，取得了顯著的科研成果及技術(shù)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)儲備[10-11]。但是，我國鐵尾礦的綜合利用率仍在20%左右，距離我國尾礦綜合利用率的平均水平32.7%，以及2021年國家發(fā)展和改革委員會在《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》中提出的大宗固廢60%利用率目標有較大距離。此外，我國在鐵尾礦資源化利用方面還存在著產(chǎn)品附加值不高等問題。因此，未來很長一段時間內(nèi)，鐵尾礦的綜合處理仍將是我國礦山尾礦處理的重點問題。

本文分析了鐵尾礦與其他礦山尾礦的特性差異，以及不同分選工藝階段排放鐵尾礦的特性差異。從大宗利用和高值化利用兩個角度，對鐵尾礦現(xiàn)有的利用技術(shù)進行了梳理。從下游應(yīng)用角度對鐵尾礦高值化利用的難點進行了分析，同時對先進技術(shù)的發(fā)展對于提高鐵尾礦原料品質(zhì)的影響進行了展望，旨在為鐵尾礦及其他礦山尾礦的高值化利用提供借鑒。

1 我國不同地區(qū)礦山尾礦特點

我國幅員遼闊，不同地區(qū)的礦山尾礦在礦物組分和化學成分上有較大差異。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，2021年我國尾礦產(chǎn)量為13.08億t，其中，鐵尾礦5.43億t，銅尾礦3.31億t。遼寧鞍本地區(qū)、河北地區(qū)以及四川攀枝花地區(qū)為我國鐵礦資源儲量及產(chǎn)量較大的地區(qū)。表1為我國上述地區(qū)鐵尾礦以及國內(nèi)其他典型尾礦的主要元素含量情況。與其他尾礦相比，鐵尾礦具有硅含量高、鐵含量高的特點。遼寧鞍本地區(qū)為我國鐵礦石儲量最豐富的地區(qū)，其鐵尾礦中硅以石英為主，且有害金屬含量低。四川省攀枝花地區(qū)是國內(nèi)第二大鐵礦區(qū)，鐵尾礦中硅含量相對較低，但鐵元素和鈦元素含量相對較高。

表1 我國不同地區(qū)和類型尾礦主要元素含量特征Table 1 Characteristics of main element content in tailings of different regions and types in China 單位：wt%

除元素組成及礦物組分隨地域差異變化外，不同分選工藝段排出的鐵尾礦在粒度和成分上同樣存在較大差異。我國鐵礦石通常需要經(jīng)過磁選、重選、浮選以及再選等聯(lián)合工藝進行分步分選，因此，在不同工藝階段排出的尾礦在性質(zhì)上也有較大差異。表2為我國鞍山地區(qū)某選礦廠不同工藝階段排放鐵尾礦的粒度組成和主要元素含量。由表2可知，重選工藝階段排出的鐵尾礦粒度相對較粗，D50可以達到105.46 μm。強磁鐵尾礦和再選鐵尾礦粒度最細，一般達到38 μm以下，有部分相對較粗的顆粒可以達到100 μm以上。在化學成分方面，浮選鐵尾礦和重選鐵尾礦的鐵含量較高，達到14%～20%，相應(yīng)的二氧化硅含量較低。強磁鐵尾礦以及再選鐵尾礦中的鐵含量較低，一般低于10%，相應(yīng)的二氧化硅含量可以達到80%左右。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)υ狭６群统煞值囊?，選擇不同工藝階段的尾礦進行利用。

表2 鞍山地區(qū)選礦廠不同工藝階段排放鐵尾礦粒度和組分分析Table 2 Particle size and component analysis of iron tailings at different process stages in Anshan District

2 鐵尾礦大宗利用技術(shù)現(xiàn)狀

目前，鐵尾礦大宗利用的方向主要為尾礦再選和制備建筑材料。尾礦再選通常以提取合格的鐵精礦、貴重金屬和優(yōu)質(zhì)非金屬礦物為主。根據(jù)制備工藝的不同，以鐵尾礦為原料，制備的建筑材料可以分為膠結(jié)型建材、燒結(jié)型建材以及熔制型材料等。

2.1 尾礦再選

鐵尾礦的成分主要包括SiO2、Fe2O3、CaO、MgO和Al2O3，部分區(qū)域尾礦中還含有少量的Co、Cu、Ni等有色元素以及稀土元素。通過相應(yīng)的再選技術(shù)對鐵尾礦中的金屬礦或非金屬礦進行回收再利用，不僅可以提高資源利用率，還可以為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟增長點。

1）回收鐵精礦。近年來，我國利用重選、磁選、浮選等常規(guī)方法的聯(lián)合工藝進行了多項鐵尾礦再選研究，典型的回收鐵精礦工藝及精礦指標見表3。李彩霞等[18]通過磨礦-強磁選-弱磁選-反浮選工藝，獲得了全鐵品位63.83%、回收率55.32%的鐵精礦。于漢晟等[19]對嵐縣田野鐵尾礦進行了再磨再選試驗，采用永磁強磁選預(yù)富集、弱磁選-磨礦-弱磁選-反浮選流程回收強磁性礦物，獲得了鐵品位64.61%的鐵精礦。劉興全等[20]對某廠貧磁鐵礦尾礦進行了鐵回收試驗，采用2次磁選-1粗1精3掃閉路反浮選流程，獲得了品位65.43%、金屬回收率14.80%的精礦。

表3 我國鐵尾礦再選提取鐵精礦工藝及精礦指標Table 3 Process and concentrate indicators for the re-selection and extraction of iron concentrate from iron tailings in China

依靠傳統(tǒng)選礦工藝回收鐵精礦時，存在著回收率較低的問題。磁化焙燒工藝可以將弱磁性赤鐵礦和菱鐵礦轉(zhuǎn)化為強磁性磁鐵礦，有效解決鐵回收率低的問題。這項創(chuàng)新技術(shù)是回收難選鐵礦石的一次重大飛躍，但磁化焙燒需要在高溫和還原氣氛下進行，操作成本相對較高。隨著懸浮磁化焙燒、微波還原以及磁選等新技術(shù)對能耗、成本和分選效果的不斷優(yōu)化，磁化焙燒將有望更多地應(yīng)用于鐵尾礦再選的實際生產(chǎn)中。

2）回收有價金屬。由于鐵尾礦中有色金屬、稀貴金屬等有價成分稀缺且價值較高，相應(yīng)的回收技術(shù)也發(fā)展較快。ZHAI等[23]從基礎(chǔ)研究到工業(yè)應(yīng)用，系統(tǒng)探討了尾礦中鈦資源的綜合回收，采用“脫硫-一次粗選-三精”的工藝流程，獲得產(chǎn)率26.62%、品位47.25%、回收率68.89%的鈦精礦，在工業(yè)調(diào)試后，獲得了總產(chǎn)量14.56萬t、品位47.02%的鈦精礦。夏青等[24]利用浮選法從某磁鐵礦尾礦中獲得了含鉬46.89%、回收率68.96%的鉬精礦和含鋅45.30%、回收率66.64%的鋅精礦。隨著生態(tài)環(huán)保要求的提高，部分研究者利用綠色、經(jīng)濟、安全的生物浸出法實現(xiàn)了對鐵尾礦中有價金屬的提取。孟志強等[25]公開了一種利用黑曲霉菌從鐵尾礦中提取鈷的微生物浸出方法，具有分離效率高、分離精度高、資金投入少和操作成本低等優(yōu)點。

3）回收非金屬礦。鐵尾礦中的主要礦物組分一般以非金屬礦物為主。隨著科技的發(fā)展，非金屬礦憑借在高科技領(lǐng)域中獨特的應(yīng)用性能，其資源價值獲得了越來越多的認可。GIRI等[26]在某鐵尾礦回收鐵后產(chǎn)生的廢石中發(fā)現(xiàn)，酸不溶性殘留物為高嶺石，該類非金屬礦物資源具有較大表面積，有望在廢水處理中大規(guī)模應(yīng)用。LI等[27]采用超導(dǎo)高梯度磁選機，從一種高硅型鐵尾礦中提取石英，SiO2品位可達98.56±0.13%，經(jīng)過進一步酸浸處理后，精礦純度可以達到99.92±0.01%。

2.2 建筑材料

根據(jù)制備工藝的不同，鐵尾礦應(yīng)用于建筑材料時可以分為三大類：①膠結(jié)型建筑材料，包括混凝土參合料、機制砂、路基建筑用石料以及地質(zhì)聚合物等；②燒結(jié)型建筑材料，主要有水泥、陶瓷以及建筑用磚等；③熔制型建筑材料，包括微晶玻璃和熔融玻璃等。其中，制備膠結(jié)型建筑材料和燒結(jié)型建筑材料都是鐵尾礦大宗消納的主要方向。得益于綠色低碳的生產(chǎn)工藝，利用礦山尾礦制備地聚物類建筑材料已成為近年來尾礦利用的研究熱點。

2.2.1 膠結(jié)型建筑材料

1）傳統(tǒng)膠結(jié)型建筑材料。我國基建事業(yè)發(fā)展快，體量大，基建用混凝土對砂石料的需求強勁。鐵尾礦因化學組分及礦物組成與混凝土用砂相似，可直接作為機制砂代替天然砂用于混凝土的細骨料[28]。粒度是鐵尾礦用做混凝土細骨料的主要指標。粒度大于0.6 mm的鐵尾礦可直接滿足混凝土用砂的需求，因此，用于混凝土的鐵尾礦主要為采場圍巖、采場磁選拋出尾礦以及磨礦工藝之前預(yù)拋出的粗粒級尾礦。

-0.6 mm級細粒尾礦主要來源于多次解離-分選工藝后的尾礦，是鐵尾礦綜合利用的難點。如何將細粒級鐵尾礦參入混凝土中發(fā)揮特殊的作用成為近年來研究的熱點。胡新軍等[29]研究了粒度在-0.600～+0.075 mm、含量為83.7%的鐵尾礦對制備C30型混凝土和C50型混凝土的影響，與基準混凝土相比，摻有鐵尾礦的混凝土力學性能高、彈性模量大，干燥收縮性能好。對鐵尾礦進行改性處理，可以進一步提高其在混凝土中的應(yīng)用性能。王榮林等[30]將鐵尾礦微粉放入球磨機，進一步研磨至45 μm篩余量為17.7%，同時通過在研磨過程中加入表面活性劑和堿性激發(fā)劑對其進行改性處理，使得改性鐵尾礦微粉在摻量為摻合料總量的40%～60%時，可替代粉煤灰應(yīng)用于中高強混凝土中。

將鐵尾礦制備成膠凝材料，用于礦山采空區(qū)充填是目前最大程度消納鐵尾礦的途徑。山東科技大學提出的尾礦“粗粒制砂-細粒充填”分級分質(zhì)利用技術(shù)，通過粗粒尾礦分級回收、微細粒分級尾礦膏體濃縮、微細粒膏體尾礦膠結(jié)充填及其流變特性研究，實現(xiàn)低品位鐵礦山的無尾排放，年增經(jīng)濟效益2 000萬元以上。為了提高鐵尾礦在充填用膠結(jié)材料中的摻量，多數(shù)研究者將鐵尾礦與多源固廢進行相容性研究，通過化學和機械活化等方式激發(fā)鐵尾礦的潛在活性。海龍等[31]進行了粉煤灰改良鐵尾礦膏體充填材料試驗研究，研究結(jié)果表明，摻入粉煤灰可以提升膏體充填材料流動性和強度。

將鐵尾礦與其他固廢協(xié)同處理，還可以應(yīng)用于公路軟土地基處理。該方法不僅可以消耗大量的鐵尾礦，減輕對生態(tài)環(huán)境的影響，還可以降低道路工程造價，節(jié)約工程建設(shè)成本。目前，我國鐵尾礦作為道路建筑材料仍處于起步階段，主要應(yīng)用形式有鐵尾礦基膠凝材料軟土改良體、固化鐵尾礦砂復(fù)合路基和鐵尾礦砂墊層等[32]。王文杰[33]制備了不同摻量的水泥鐵尾礦碎石混合料，研究其適用性，結(jié)果表明，當鐵尾礦摻量為25%時，制備的水泥穩(wěn)定碎石可用于重載交通基層。

2）新型地質(zhì)聚合物材料。地質(zhì)聚合物是一種新型的無機聚合物型材料。憑借綠色低碳的制備工藝，利用鐵尾礦制備地質(zhì)聚合物材料迅速成為當前的研究熱點[34-35]。地質(zhì)聚合過程可以簡單地概括為固體鋁硅酸鹽礦物與高濃度的氫氧化鈉水溶液或硅酸鹽溶液間發(fā)生的溶解-縮聚反應(yīng)，其反應(yīng)機理如圖1所示。以硅鋁酸鹽為主要成分的尾礦，首先在強堿的作用下發(fā)生部分溶解，形成硅膠-氧化鋁低聚物，然后進行縮聚，并在縮聚過程中與其他未溶解的固體材料形成牢固的鍵合，最終形成穩(wěn)定的無機材料。該材料由AlO4和SiO4四面體結(jié)構(gòu)單元組成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的機械性能、耐酸堿及耐高溫性能，可完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的建筑材料。

圖1 地質(zhì)聚合物合成機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanism of geopolymer synthesis

利用尾礦制備地質(zhì)聚合物材料時，主要問題為原料中的硅和鋁以結(jié)晶度較高的晶體礦物形式存在，導(dǎo)致其在堿性條件下溶解度較低[36]。為了提高尾礦的反應(yīng)性，常通過機械活化、熱活化和堿性熔合等方法對原料進行預(yù)處理，進而達到降低反應(yīng)凝結(jié)時間，提高制品機械強度等目的[37]。

2.2.2 燒結(jié)型建筑材料

1）建筑用磚。目前，國內(nèi)在利用鐵尾礦生產(chǎn)傳統(tǒng)建筑磚方面已進入工業(yè)化階段，研究熱點向制備具有強度高、輕質(zhì)以及多孔性能的功能性材料為主，例如輕質(zhì)保溫磚、蒸壓磚、免燒磚、仿古磚等建筑裝飾面磚。代文彬等[38]以金屬尾礦（鐵尾礦和鉬尾礦）為骨料，以水泥和粉煤灰為膠凝材料，在摻入群青顏料后，實現(xiàn)了蒸養(yǎng)磚的仿古青色化效果。劉俊杰等[39]以包頭某鐵尾礦為原料制備了輕質(zhì)免燒磚，7 d的抗壓強度可以達到12.14 MPa，滿足《燒結(jié)普通磚》（GB 5101—2003）中MU10磚的強度等級要求。

2）水泥熟料。由于鐵尾礦的化學特性和礦物特性，將價格低廉的鐵尾礦作為制備水泥的原料，不僅可以降低碳排放，還可以降低生產(chǎn)成本，帶來巨大的經(jīng)濟效益。羅力等[40]以某鐵尾礦、石灰石為原料制備硅酸鹽水泥熟料，經(jīng)1 350 ℃燒結(jié)制備的硅酸鹽水泥，其物理性能可以滿足42.5水泥強度等級。史偉等[41]在利用鐵尾礦制備水泥過程中，鐵尾礦的添加量達到39.1%，制得的貝利特水泥3 d、28 d的強度指標達到了PI42.5R水泥的要求。鐵尾礦不僅可以同時提供傳統(tǒng)水泥所需的黏土礦物和鐵質(zhì)礦物，其獨特的資源特性還可以產(chǎn)生特殊的應(yīng)用性能。趙武魁等[42]在研究中發(fā)現(xiàn)，利用鐵尾礦取代砂巖及部分鋼渣進行生料配料生產(chǎn)熟料，不僅可以改善生料易磨性和易燒性，還可以降低生產(chǎn)成本和熟料中六價鉻含量。王宏霞等[43]的研究表明，鐵尾礦取代鐵粉煅燒水泥熟料，有助于熟料礦相發(fā)育，使熟料具有較高的水化活性，其強度超過鐵粉配制的水泥。

2.2.3 熔制型材料

鐵尾礦中的SiO2、Al2O3、CaO等是制備微晶玻璃的主要成分，通過高溫熔融的方式，可以直接將鐵尾礦制備成玻璃類材料。隨著鐵尾礦制備微晶玻璃工藝逐漸成熟，近年來的相關(guān)研究同樣以提高材料的功能性為主，因此，微晶玻璃同樣為利用礦山尾礦制備高附加值材料的重點方向之一[44-45]。南寧等[46]以鐵尾礦為主要原料，采用燒結(jié)法制備的微晶玻璃抗壓強度達到158.32 MPa，密度為2.74 g/cm3，熱膨脹系數(shù)為6.8×10-6K-1。曹月明等[47]利用高鎂質(zhì)鐵尾礦制備出以鎂橄欖石透輝石為主晶相的微晶玻璃，該類微晶玻璃不僅體現(xiàn)出良好的機械性能，而且具有較好的耐酸堿性。

3 鐵尾礦高值化利用技術(shù)現(xiàn)狀

鐵尾礦以非金屬礦物為主，通過特定的制備工藝制備具有一定特性功能的礦物材料，成為近年來探索較多的尾礦高值化利用方向，例如多孔材料、功能性填料、功能性陶瓷以及土壤修復(fù)等。

3.1 制備多孔材料

由于鐵尾礦具有硅含量高的特性，以鐵尾礦為硅源，替代硅酸鈉、正硅酸乙酯等純化工原材料，可以制備具有特殊孔道結(jié)構(gòu)的多孔材料，包括介孔二氧化硅和納米孔材料等[48]。以多孔材料為載體，可以進一步制備出具有特殊吸附、捕收或催化性能的高附加值功能性材料。YU等[49]以鐵尾礦為硅源，十六烷基三甲基溴化銨為模板，合成了MCM-41型分子篩，比表面積達到527 m2/g，孔徑為2.65 nm。HAN等[9]通過堿熔工藝破壞鐵尾礦中硅酸鹽礦物的晶體結(jié)構(gòu)，成功地將鐵尾礦轉(zhuǎn)化為介孔二氧化硅材料。ZHANG等[50]以高硅鐵尾礦為原料，通過水熱無模板法合成了A型沸石多孔材料，并研究了制備最佳離子交換性能材料的合成工藝。DONG等[51]通過一步水熱法從鐵尾礦中制備了介孔硅酸鋅復(fù)合材料，復(fù)合材料中存在明顯的介孔和特殊的層狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能。

與常用純化工硅基原材料相比，鐵尾礦中含有豐富的鐵元素組分。通過對鐵尾礦中的鐵源進行綜合利用設(shè)計，對載體表面進行改性及修飾，可制備具有不同吸附特性或催化性能的分子篩，用于吸附-催化污染物的降解[52]。許小東[53]以鐵尾礦為硅源分別制備了SBA-15和Fe-SBA-15兩種介孔分子篩，兩者均對常見水系污染物展現(xiàn)出良好的吸附能力。LI等[54]利用鐵尾礦作為鐵和硅的來源制備了Fe-MCM-41分子篩，結(jié)果表明，除去模板后，MCM-41的骨架中加入了Fe3+離子，形成了四面體。從鐵尾礦中提取的Fe-MCM-41被證實在可見光照射下具有顯著的吸附能力和較高的光催化活性。

3.2 制備功能性填料

鐵尾礦具有粒度細的特點，粒度一般可以達到-45 μm級。經(jīng)過再磨再回收工藝處理的尾礦，粒度可達到微米級。由于具有高硅的特性，可以通過化學法作為制備白炭黑的硅源。張明熹等[55]以SiO2含量64.35%的鐵尾礦為原料成功制備了準球形納米級白炭黑，SiO2的回收率可達97.41%。于洪浩等[56]以鐵尾礦和NaOH為原料，利用化學沉淀法成功制備了SiO2純度為92.3%的無定型白炭黑，其他物化指標均達到了行業(yè)標準。通過純化-改性處理，可用于高密度聚乙烯復(fù)合填充料、環(huán)氧樹脂和聚丙烯復(fù)合材料用填料以及建筑涂料用填料等。

3.3 制備功能性陶瓷

以鐵尾礦為原料，通過復(fù)配其他無機非金屬材料，可以制備出具有特殊性能的功能陶瓷材料，例如具有過濾吸附性能的陶瓷、具有催化降解功能陶瓷、相變儲熱陶瓷以及泡沫陶瓷等。李澤華等[57]利用鐵尾礦與多種礦山固體廢物協(xié)同制備發(fā)泡陶瓷，得到最優(yōu)產(chǎn)品的體積膨脹率為36.2%、顯氣孔率為53.4%。代衛(wèi)麗等[58]利用商洛地區(qū)鐵尾礦中富鎂、富鈣的特性，采用常壓燒結(jié)法制備的莫來石-石英復(fù)相陶瓷，氣孔率為26.1%，抗壓強度為156.3 MPa。

3.4 生態(tài)修復(fù)

將粒度較細的鐵尾礦應(yīng)用于礦山修復(fù)及土壤改良，已逐步成為尾礦高值化應(yīng)用的新方向。首先，鐵尾礦因其特有的理化性質(zhì)，在用作土壤改良劑時，可以在改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤透氣透水性方面體現(xiàn)出特殊的效果。其次，鐵尾礦中含有的Si、Mg、K、Fe、P等（中）微量有益元素，有利于植物生長，鐵尾礦中的硅酸鹽礦物還可用作固化和穩(wěn)定土壤中的重金屬元素。鞍鋼集團礦業(yè)有限公司利用鐵尾礦在我國東北地區(qū)鹽堿地改良研究中獲得了較好的應(yīng)用[59]。徐慶榮等[60]以鐵尾礦和水中污泥為原料，對內(nèi)蒙古荒漠化草原礦區(qū)地表進行修復(fù)，解決了表土不足的問題。

4 鐵尾礦綜合利用問題及未來發(fā)展展望

4.1 鐵尾礦綜合利用的難點分析

由于尾礦再選會產(chǎn)生幾乎等量的次生尾礦，無法直接解決尾礦堆存問題，因此，鐵尾礦的消納利用途徑最終均指向制備非金屬礦物材料。非金屬礦物材料不僅是大宗建筑材料的原料，也是支撐現(xiàn)代高溫、高壓、高速工業(yè)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原輔材料和多功能材料[61]。非金屬礦物材料不僅對原料的純度有一定的要求，同時對其粒度、形貌、孔隙結(jié)構(gòu)以及表面或界面特性等性質(zhì)均有特定的要求[62]。純度越高，粒度分配越好，形貌更規(guī)則以及表面性質(zhì)更穩(wěn)定的非金屬礦原料，其價格在銷售中會呈指數(shù)型增長。利用鐵尾礦制備非金屬礦物材料的成本和價值將直接決定鐵尾礦綜合利用的可行性。表4概括了目前鐵尾礦可制備相應(yīng)產(chǎn)品的市場價格情況。由表4可知，與傳統(tǒng)的制磚用黏土以及砂石骨料等大宗利用途徑相比，將鐵尾礦加工制備成具有不同功能的礦物材料，可以大大提高其經(jīng)濟價值。此外，產(chǎn)品的功能性越優(yōu)越，市場價格越高。以制備高純石英為例，普通玻璃用石英砂（SiO2含量98%～99%）價格在200元/t左右，當純度達到99.9%以上時，價格可以達到上千元。

表4 鐵尾礦制備產(chǎn)品市場價格Table 4 Market price of preparation products of iron tailings

由于我國在非金屬礦物材料深加工方向的科研發(fā)展起步較晚，人們對非金屬礦物資源的認識較少。以在高附加值應(yīng)用中扮演著重要角色的石墨、石英為例，因技術(shù)門檻高，相關(guān)資源的應(yīng)用仍主要集中在低端產(chǎn)品中競爭。在尾礦綜合利用方式的長期探索中，由于對尾礦制備非金屬礦物材料的基礎(chǔ)理論、資源特點、技術(shù)要求和產(chǎn)品開發(fā)及市場、生產(chǎn)設(shè)備工藝等方面情形了解較少，從開采到加工都未能從“有用資源”的角度去保護原始礦物中的非金屬礦物資源。因此，有必要根據(jù)下游的應(yīng)用要求，盡可能從源頭設(shè)計生產(chǎn)工藝，保護礦物中非金屬礦物的資源特性，為下游應(yīng)用提供高品質(zhì)的非金屬礦物原料。

4.2 鐵尾礦綜合利用的發(fā)展展望

由于我國的鐵礦資源長期存在著品位低、嵌布粒度較細的問題，加工過程中通常需要將粒度研磨至38 μm以下才能得到有效解離。隨著物料被反復(fù)研磨，原礦中的非金屬礦物首先會因粒度過細無法滿足部分應(yīng)用要求；同時，鐵質(zhì)以及其他研磨介質(zhì)等元素，在強烈的機械化學作用下，與非金屬礦物表面發(fā)生吸附浸染，進而使礦物表面特性發(fā)生變化，同樣會影響下一步的綜合利用。在選礦加工過程中，通過改變選別工藝，盡可能在常規(guī)分選工藝前端將礦物中非金屬礦物組分的品質(zhì)進行控制并分離，將有助于提高尾礦的綜合應(yīng)用價值。

隨著選礦技術(shù)向低能耗、精細化的方向發(fā)展，以高壓輥破碎解離為代表的高效破碎技術(shù)，使礦物在解離過程中更多沿礦物晶界或缺陷部位優(yōu)先解離，不僅降低能耗節(jié)約成本，同時可以改善磨礦對非金屬礦物的過度研磨問題[63-64]。磁選粗精礦再磨等新工藝的發(fā)展以及磨礦介質(zhì)的不斷優(yōu)化，同樣對保護金屬礦產(chǎn)中非金屬礦物的物料特性起到積極作用。以旋流器、弛張篩以及高梯度磁選[65]等為代表的精細分級分選工藝技術(shù)可以使不同性質(zhì)的物料更高效地得到分離，減少后續(xù)工藝處理量的同時，使尾礦中的非金屬礦物資源更具有市場價值。

智能識別和人工智能等前沿技術(shù)的快速發(fā)展，同樣對提高尾礦中非金屬礦物組分的品質(zhì)產(chǎn)生了積極影響[66]。圖2為基于智能識別和大數(shù)據(jù)計算進行選礦作業(yè)的示意圖。由圖2可知，通過對單個顆粒的識別及分離，可以更精確地實現(xiàn)有用礦物與沸石的分離，在實現(xiàn)拋尾的同時，避免了沸石因進入選礦系統(tǒng)而破壞其礦物資源特性。酒鋼鏡鐵山樺樹溝塊礦采用的智能預(yù)選拋廢工藝，可以將采礦中混入的13%圍巖盡數(shù)選出，圍巖拋出率99%，拋廢尾礦品位9.85%[67]。安徽霍邱環(huán)山鐵礦引入的智能光電分選機，讓礦石進入后續(xù)磨礦與選別流程前的拋廢比達到15%～30%，提前排廢不僅減少了磨礦與選別作業(yè)量，而且預(yù)拋出的廢石硬度更大，可以作為砂石骨料售賣，對尾礦的綜合利用起到關(guān)鍵性作用。

5 結(jié) 論

基于我國鐵尾礦資源特性、開發(fā)利用技術(shù)現(xiàn)狀以及面臨的難點，要實現(xiàn)礦山尾礦的綜合、高效利用，有必要從以下幾個方面綜合施策。

1）從采選源頭保護好非金屬礦物的資源特性，將是現(xiàn)代化選礦尾礦綜合處理的首要難題。精細化、智能化選礦是最大程度保留金屬礦中非金屬礦物資源特性的利器。高壓輥磨、高壓脈沖等高效的解離工藝，以光電智能分選為代表的預(yù)先拋廢工藝等都將有助于盡可能把大多數(shù)非金屬礦物資源在研磨工藝前拋出，最大程度保護其非金屬礦物資源的原始特性。

2）根據(jù)不同分選工藝排放鐵尾礦的特性差異，針對性地進行應(yīng)用研究，使尾礦中不同的非金屬礦物資源能夠真正實現(xiàn)物盡其用、變廢為寶。

3）加大尾礦中非金屬礦物資源的應(yīng)用研究。通過產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同攻關(guān)、統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)同優(yōu)化，充分利用礦物資源，支撐我國能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級轉(zhuǎn)型。