一、尾矿的性质（尾矿的工艺矿物学研究）
该尾矿取自本钢南芬铁矿的矿样。
（一）尾矿的化学和矿物组成。尾矿的光谱分析、化学组成和矿物组成分别见表1～表3。
表1 尾矿的荧光光谱分析结果 （%）| 元 素 | O | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | K | Ca |
| 含 量 | 49.088 | 0.182 | 3.408 | 1.85 | 34.777 | 0.124 | 0.276 | － | 0.571 | 2.306 |
| 元 素 | Ti | Mn | Fe | Co | Zn | Rb | Sr | V | Pb | |
| 含 量 | 0.087 | 0.113 | 7.096 | 0.012 | 0.011 | 0.004 | 0.005 | 0.09 | 0.007 |
| 元 素 | Pb | Zn | Cu | S | As | Tfe |
| 含 量 | 0.001 | 0.021 | 0.001 | 0.52 | 0.02 | 9.31 |
| 元 素 | SiO2 | MgO | CaO | Al2O3 | P | |
| 含 量 | 72.53 | 3.43 | 3.34 | 1.65 | 0.081 |
| 矿物名称 | 磁铁矿 | 赤铁矿、褐铁矿 | 黄铁矿 | 其他硫化物 | 石英、长石 |
| 相对含量 | 2.0 | 5.5 | 0.8 | 微 | 51.0 |
| 矿物名称 | 角闪石类、辉石类 | 云 母 | 绿泥石、黏土矿物 | 方解石 | 其 他 |
| 相对含量 | 36.6 | 0.4 | 2.0 | 1.2 | 0.5 |
分析结果表明该尾矿的主要组成元素有O、Si、Fe、Mg、Ca、Al等，其次为K、Na、S、Ma等，主要化学成分有SiO2和铁的氧化物，其次是镁、钙、铝的氧化物，铜、铅、锌等有色金属元素及硫、砷含量较低。尾矿物的主要金属矿物为磁铁矿、赤铁矿，其次为褐铁矿、黄铁矿，微量的磁黄铁矿、毒砂等，其他金属矿物、硫化物含量甚微。主要的非金属矿物是石英、角闪石、透闪石等，其次为辉石、长石、阳起石、金云母、黑云母、白云母、绿泥石、方解石、菱铁矿、高岭石类黏土矿物等，微量的绿帘石、（斜）黝帘石、滑石、电气石、磷灰石等。
（二）铁、硫的赋存状态。铁是尾矿中含量最多的金属元素，尾矿中铁和硫的化学物相分析结果见表4、表5。分析结果表明，铁主要赋存于赤铁矿（包括褐铁矿）及硅酸盐矿物中，其次赋存于磁铁矿中，微量赋存于黄铁矿等硫化物及碳酸盐矿物中。硫在尾矿中的含量虽低，矿物组成相对简单，作为尾矿综合利用，可以考虑回收，硫主要赋存于黄铁矿中，其次赋存于硫酸盐中。
表4 尾矿中铁的物相分析结果 （%）| 铁的相 | 含 量 | 分布率 | 备 注 |
| 磁铁矿中的铁 | 1.45 | 15.10 | 主要的铁相 |
| 赤铁矿、褐铁矿中的铁 | 3.83 | 39.90 | 主要的铁相 |
| 硫化物中的铁 | 0.35 | 3.65 | 主要为黄铁矿，其他硫化物甚微 |
| 碳酸盐中的铁 | 0.51 | 5.31 | 菱铁矿、方解石等碳酸盐，铁含量甚微 |
| 硅酸盐中的铁 | 3.46 | 36.04 | 主要赋存于角闪石、辉石、阳起石、绿泥石、云母等硅酸盐矿物中 |
| 总铁 | 9.60 | 100.00 | － |
| 硫的相 | 含 量 | 分布率 | 备 注 |
| 硫化物中的硫 | 0.449 | 91.45 | 主要为黄铁矿，其他硫化物甚微 |
| 硫酸盐中的硫 | 0.042 | 8.55 | 硫化物氧化、水化形成的各种硫酸盐 |
| 总 硫 | 0.491 | 100.00 | － |
（三）尾矿的粒度分析及单体解离度测定。尾矿的粒度分析、铁矿物、硫化物的单体解离度测定结果见表6～表8。
表6 粒度组成和铁含量分布
| 粒级/mm | 产率/% | 铁品位/% | 铁分布率/% |
| ＋0.25 | 6.83 | 9.14 | 6.49 |
| ＋0.15 | 6.83 | 19.19 | 13.63 |
| ＋0.10 | 9.42 | 11.76 | 11.52 |
| ＋0.074 | 11.28 | 11.36 | 13.32 |
| ＋0.043 | 16.36 | 6.95 | 11.82 |
| ＋0.037 | 10.35 | 7.94 | 8.54 |
| －0.037 | 38.93 | 8.57 | 34.68 |
| 全样 | 100.00 | 9.62 | 100.00 |
| 粒级/mm | 单体解离度/% | 备 注 |
| ＋0.25 | 50 | 连生体主要与脉石毗连连生 |
| ＋0.15 | 66 | 连生体主要与脉石毗连连生 |
| ＋0.10 | 63 | 连生体主要与脉石毗连连生 |
| ＋0.074 | 68 | 连生体主要与脉石毗连连生，部分细粒者被脉石包裹 |
| ＋0.043 | 71 | 连生体主要与脉石毗连连生，部分细粒者被脉石包裹 |
| ＋0.037 | 75 | 连生体主要与脉石毗连连生，部分细粒者被脉石包裹 |
| －0.037 | 83 | 连生体以毗连连生为主 |
| 全样 | 72 | － |
| 粒级/mm | 单体解离度/% | 备 注 |
| ＋0.25 | 35 | 连生体主要被脉石包裹或半包裹，其次为毗连连生 |
| ＋0.10 | 63 | 毗连连为主，其次被脉石包裹或半包裹 |
| ＋0.074 | 69 | 毗连连为主，其次被脉石包裹或半包裹 |
| ＋0.043 | 67 | 毗连连为主，其次被脉石包裹或半包裹 |
| ＋0.037 | 76 | 连生体以毗连连生为主 |
| －0.037 | 80 | 连生体以毗连连生为主 |
| 全样 | 68 | － |
粒度分析表明，尾矿产率主要在－0.074mm以下，在－0.037mm最多，铁在－0.037mm分布率最多；主要是磁铁矿和赤铁矿，少量褐铁矿。粒度多在0.04～0.2mm，氧化铁的单体解离度为72%，连生体主要与脉石矿物呈毗连连生，部分细粒者（0.03mm以下者）多被脉石包裹或半包裹连生。金属硫化物主要是黄铁矿（FeS2），其他如磁黄铁矿、毒砂、闪锌矿、方铅矿，黄铁矿等含量甚微，镜下偶见。黄铁矿的粒度多在0.03～0.08mm，解离度约68%，连生体主要与脉石矿物呈毗连连生，部分细粒者（0.03mm以下者）多被脉石包裹或半包裹连生。脉石矿物主要是石英，其次为柱状硅酸盐矿物角闪石、辉石、透闪石、阳起石等，另有少量的方解石和片状硅酸盐矿物金云母、黑云母、绿泥石、黏土矿物等。它们是尾砂的主要组成矿物，粒度从0.01～0.3mm不等。相互间基本呈解离状态，部分集合体可见与氧化铁矿物、黄铁矿等连生。
工艺矿物学研究表明，铁的氧化物和硫化物是可回收的金属矿物，可加回收利用的非金属矿物主要是石英、长石类矿物。从铁的物相分析来看，能够回收的主权是磁性铁和赤、褐铁矿以及碳酸铁（磁化焙烧方案），硅酸铁极难回收，硫化铁中的铁主要在硫精矿中。因此铁的理论回收率为60.31%。由于尾矿中含有脉石矿物包裹的铁矿物以及以脉石矿物为主的连生体，即于生产成本等原因，不能考虑直接再磨，因此脉石矿物包裹的铁矿物以及以脉石矿物为主的连生体基本难以回收。
二、从尾矿中回收铁
（一）预富集方案的选择
由于南芬选厂现场尾矿中铁品位较低，因此须采用预富集作业，首先抛弃大量的尾矿，使全铁品位达到30%左右或更高，才有可能使铁的回收具有经济意义。根据工艺矿物学研究结果，南芬选厂现场尾矿中铁矿物主要是赤铁矿及少量磁铁矿和碳酸铁，氧化铁矿物单体解离度约72%，尾矿再进行磨矿一是生产成本高，二是在技术上无必要，因此首先确定尾矿不预先磨矿。采用重选（螺旋溜槽）和磁选（弱磁＋强磁）两种预富集方案。
根据南芬现场尾矿中铁矿物单体解离度较高，且铁矿物密度大于脉石矿物，重选采用螺旋溜槽预富集，螺旋溜槽试验原则流程见图1。螺旋溜槽规格为Ф400mm。
图1 溜槽试验工艺流程 由于南芬选厂现场尾矿中可回收的铁主要是磁性铁和赤褐铁及碳酸铁，因此首先采用弱磁回收磁性铁，后用强磁回收赤、褐铁矿及碳酸铁，试验原则流程见图2。 图2 磁选预富集铁回收试验原则流程试验结果表明：
1、南芬铁矿尾矿采用螺旋溜槽预富集，经一粗一精，粗精矿全铁品位可富集至31.28%，经一粗二精，粗精矿全铁品位可富集至41.05%。
2、南芬铁矿尾矿采用磁选预富集，粗精矿须磨矿后才能富集至35%左右，且铁回收率较螺旋溜槽预富集低。从技术、成本和效果来看，采用重选预富集方法比较理想。
（二）预富集粗精矿回收铁选矿试验
1、流程方案选择
根据重选预富集试验结果，南芬选厂现场尾矿经过螺旋溜槽一粗一精（或二精）预富集后，粗精矿全铁品位在30%～40%，达到了一般铁选厂原矿品位，根据回收赤铁矿的经验，确定采用以下三种方案进行铁精矿的回收试验：
（1）脱硫浮选―磁化焙烧―弱磁工艺。工艺流程见图3，试验结果见表9。
图3 南芬现场尾矿方案1全流程试验工艺流程（需要清楚资料的会员，请来电免费索取） 表9 南芬现场尾矿方案1全流程试验结果 （%）| 产品名称 | 产 率 | 品 位 | 回收率 | ||
| TFe | S | TFe | S | ||
| 铁精矿 | 5.21 | 66.34 | 0.45 | 35.23 | 4.51 |
| 硫精矿 | 1.11 | 40.27 | 40.56 | 4.56 | 86.58 |
| 弱磁尾矿 | 9.51 | 10.26 | － | 9.85 | － |
| 溜槽尾矿 | 84.17 | 5.87 | － | 50.36 | － |
| 给 矿 | 100.00 | 9.81 | 0.52 | 100.00 | － |
图4 南芬现场尾矿方案2全流程试验工艺流程 表10 南芬现场尾矿方案2全流程试验结果 （%）| 产品名称 | 产 率 | 品 位 | 回收率 | ||
| TFe | S | TFe | S | ||
| 弱磁精矿 | 0.98 | 63.78 | 0.21 | 6.31 | － |
| 铁精矿 | 3.93 | 62.29 | 0.40 | 24.70 | － |
| 硅精矿 | 0.81 | 27.38 | － | 2.24 | － |
| 硫精矿 | 0.15 | 40.14 | 37.57 | 0.61 | 10.84 |
| 强磁尾矿 | 4.97 | 22.30 | － | 11.18 | － |
| 溜槽尾矿 | 89.16 | 6.11 | － | 54.97 | － |
| 给 矿 | 100.00 | 9.91 | 0.52 | 100.00 | － |
图5 方案3全流程试验工艺流程 表11 南芬现场尾矿方案3闭路试验结果 （%）| 产品名称 | 产 率 | 品 位 | 回收率 | ||
| TFe | S | TFe | S | ||
| 铁精矿 | 5.49 | 62.52 | 0.29 | 34.54 | － |
| 硫精矿 | 1.12 | 40.13 | 38.85 | 4.52 | 83.68 |
| 硅精矿 | 4.23 | 14.36 | － | 6.11 | － |
| 溜槽尾矿 | 89.16 | 6.11 | － | 54.82 | － |
| 给矿 | 100.00 | 9.94 | 0.52 | 100.00 | － |
2、方案比较
南芬选厂现场尾矿铁回收方案比较见表12。从表12可知，方案1无论从铁精矿铁回收率、品位，硫精矿硫回收率、品位，还是最终磨矿粒度指标均优于方案2和方案3。因此，采用方案1回收铁比较理想，即先采用螺旋溜槽预富集丢掉大量低品位尾矿，铁精矿经脱硫浮选得到硫精矿，浮选尾矿经磁化焙烧，磨至70.76%－0.074mm后进行磁选即可获得高品位铁精矿。流程特点是充分利用铁矿物和硫矿物与脉石矿物的密度差异，先初步富集，得到铁矿物、硫化物粗精矿，然后利用硫化矿物与氧化矿物的可浮性差异得到硫精矿。磁化焙烧将磁铁矿、赤铁矿及碳酸铁转变化为磁性铁，避免角闪石、透闪石等难浮硅酸盐矿物对铁精矿品位的影响，同时也避免了浮选需要的细磨问题。
表12 南芬选厂现场尾矿铁回收方案比较 （%）| 方 案 | 铁精矿 | 硫精矿 | 磨矿细度 | ||||
| 产 率 | 铁品位 | 铁回收率 | 产 率 | 铁品位 | 铁回收率 | ||
| 1 | 5.21 | 66.34 | 35.23 | 1.11 | 40.56 | 86.58 | －0.074mm70.76% |
| 2 | 4.91 | 62.59 | 31.01 | 0.15 | 37.57 | 10.84 | －0.043mm81.12% |
| 3 | 5.49 | 62.52 | 34.54 | 1.12 | 38.85 | 83.68 | －0.043mm88.25% |
3、废水废渣处理
螺旋溜槽和磁选废水经沉淀后清水可直接回用，浮选废水可直接返回浮选系统，螺旋溜槽和磁选尾矿均进入下一步非金属矿物资源化综合利用。
4、铁精矿的质量
铁精矿质量分析见表13。
表13 铁精矿质量分析结果 （%）| 元素 | TFe | FeO | S | P | As | Pb | Zn | SiO2 | CaO | MgO | Al2O3 |
| 含量 | 66.34 | 19.43 | 0.45 | 0.005 | 0.01 | 0.001 | 0.01 | 4.34 | 0.37 | 0.40 | 0.23 |
三、尾矿中非金属矿物的回收
（一）原料性质
尾矿经得选回收铁后的尾矿作为非金属矿物回收利用的原料，其主要化学成分、粒度组成和矿物组成见表14～表16。
表14 选铁后尾矿主要化学成分 （%）| 成分 | TFe | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO |
| 含量 | 5.68 | 76.12 | 2.32 | 3.37 | 3.59 |
| 粒级/mm | ＋0.25 | ＋0.15 | ＋0.074 | ＋0.043 | ＋0.037 | －0.037 |
| 产率/% | 11.23 | 12.12 | 26.67 | 16.00 | 9.92 | 24.06 |
| 矿物名称 | 磁铁矿 | 赤铁矿褐铁矿 | 硫化物 | 石英长石 | 角闪石辉石类 | 云母 | 绿泥石黏土矿物 | 方解石 | 其他 |
| 相对含量 | 1.0 | 2.5 | 微 | 48.0 | 42.0 | 0.4 | 1.5 | 2.0 | 0.5 |
（二）回收方案
荧光光谱分析表明铁尾矿中不含放射性元素，在重选预富集尾矿中，二氧化硅的含量达到76.12%，石英、长石、角闪石类、辉石类非金属矿物占90%以上，充分利用这部分非金属矿物则是铁矿石选矿尾矿综合利用的重要组成部分。这类非金属矿物适合于作各种建筑材料、土壤改良剂及无机补强填充材料。
根据重选尾矿的粒度组成，继续采用处理量大、无污染的重选方法分别产出不同粒度范围的产品，经不同的深加工技术处理，获得不同性质和用途的相关产品。综合利用工艺流程如图6。
图6 非金属矿物综合利用工艺流程 （三）各级产品的物化性质
分级产品的产率见表17，化学组成见表18。粒度组成见表19、表20，矿物组成见表21。
表17 分级产品的分布比例| 分级产品 | ＋0.25mm | Ф75mm沉砂 | Ф25mm沉砂 | Ф25mm溢流 |
| 产率/% | 11.23 | 72.11 | 10.70 | 5.96 |
| 分级产品 | TFe | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO |
| ＋0.25mm含量 | 4.86 | 70.83 | 1.26 | 2.35 | 3.16 |
| Ф75mm沉砂含量 | 5.38 | 79.41 | 2.31 | 3.19 | 3.32 |
| Ф25mm沉砂含量 | 7.48 | 70.14 | 3.27 | 3.03 | 4.92 |
| Ф25mm溢流含量 | 9.07 | 65.10 | 3.78 | 3.79 | 7.10 |
| 粒级/mm | ＋0.15 | ＋0.074 | ＋0.043 | ＋0.037 | －0.037 |
| 含量/% | 13.57 | 31.15 | 19.60 | 12.06 | 21.62 |
| 产品名称 | 体积累积分布粒径/μm | 平均粒径/μm | 表面积/cm2 | |||
| 10% | 50% | 90% | 97% | |||
| Ф25mm沉砂 | 7.44 | 22.39 | 39.47 | 45.39 | 23.22 | 2864 |
| Ф25mm溢流 | 0.86 | 3.77 | 10.98 | 17.76 | 5.21 | 28508 |
| Ф25mm二次溢流 | 0.51 | 1.67 | 7.17 | 9.07 | 2.79 | 60391 |
| 矿物名称 | 相对含量/% | |||
| Ф75mm沉砂 | Ф25mm沉砂 | Ф25mm溢流 | Ф25mm二次溢流 | |
| 氧化铁矿物 | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.6 |
| 硫化物 | 微 | 微 | 微 | 微 |
| 石英 | 42 | 40 | 37 | 36 |
| 角闪石类、辉石类 | 44.5 | 46.5 | 50 | 51 |
| 长石 | 6 | 6 | 5 | 5 |
| 绿泥石、黏土矿物、云母类 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 方解石 | 1.7 | 1.6 | 2 | 2 |
| 其他 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.4 |
四、产品应用技术
（一）建筑用砂
溜槽尾矿的＋0.25mm部分经粒度及相关成分分析，达到符合国家建筑用砂3类标准。建筑用砂检测结果见表22。
表22 建筑用砂检测结果 （%）| 粒径 | 检测结果 | 3级配区标准 | 成分 | 检测结果 | 标准 |
| 4.75mm | 0 | 10～0 | 云母 | 0.81 | ＜2.0 |
| 2.36mm | 0.65 | 15～0 | 含泥量 | 0.16 | ＜5.0 |
| 1.18mm | 2.15 | 25～0 | 轻物质含量 | 0.32 | ＜1.0 |
| 600 | 22.40 | 40～16 | 有机物含量 | 合格 | 合格 |
| 300 | 57.75 | 85～55 | 硫化物及硫酸盐 | 0.43 | ＜0.5 |
| 150 | 100.00 | 100～90 | 氯化物 | 0.02 | ＜0.03 |
| 粒度模数 | 1.82 | 1.6～2.2 | 表观密度 | 2610 | ＞2500 |
| － | － | － | 堆积密度 | 1400 | ＞1350 |
| － | － | － | 空隙率 | 46.5 | ＜47 |
（二）玻璃
采用Ф75mm旋流器的沉砂，配入硼砂、高品级石英砂等原料，按原料―配料―混料―熔制―成型―退火―加工―产品的工艺流程进行玻璃熔制试验，结果表明，这部分产品可替代部分石英砂用于生产日用普通玻璃，由于原料中含铁较高，只局限于生产带色普通玻璃。
（三）玻化砖
根据Ф75mm旋流器的沉砂的化学组成及玻化砖的成分要求，配入部分高铝质原料，按原料―配料―混料―熔制―成型―退火―加工―产品的工艺流程生产玻化砖。产品的吸水率0.3%、抗折强度1365N，抗压强度65.3MPa，莫氏硬度为7级，破坏强度1065N，断裂模数49.17MPa。符合相关标准（吸水率≤0.5%、破坏强度≥600N，断裂模数≥35MPa）。结果表明，铁矿尾矿可以部分替代陶瓷原料生产玻化砖（尾矿含铝较低，加入量不能过大），由于含铁较高，局限于生产灰色、棕色、棕红色系列产品。
（四）免烧砖
混凝土免烧砖通常使用的粗细集料分别为卵石（或碎石）和河沙以合理的配比，与水泥一起搅拌，运用振动、加压等工艺手段即可生产具有一定物理性能的混凝土制品。一般而言，混凝土制品中粗细骨料所占比例在80%以上，用经过筛选的铁尾矿Ф75mm沉砂部分，配入一定比例的建筑用砂、采矿废石破碎的碎石、水泥，制作免烧空心砖和实心砖。工业试验产品的检测结果为：免烧空心砖容重3.5kg/块，抗压强度单位最小值9.4MPa，平均值为11.2MPa，抗冻性检测强度损失率12.7%，质量损失率0.8%，达到行业标准JC943－2004的MU10等级；放射性检测指标均低于技术要求。试验表明，利用铁尾矿替代混凝土粗细集料生产混凝土免烧砖是切实可行的，可充分利用我国现有的较为成熟的工艺设备及生产条件，组织规模化生产，为大量综合利用铁尾矿开辟一条新的有效算途径。
（五）轻质建材
以铁尾矿Ф75mm沉砂部分为原料，配入一定比例的水泥、石灰、石膏、引发剂、发气剂，按原料―细磨（各原料分别细磨）―配料―搅拌―成型―静养―蒸压的工艺进行混凝土加气砌块的试验，检测结果：蒸气加压混凝土砌块抗压强度单块最小值3.4MPa，平均值为4.0MPa，抗冻性检测质量损失率0.6%，冻后抗压强度3.8MPa，干燥收缩性0.45mm/m，符合GB11968－2006的技术要求。工业试验结果表明，用铁尾矿生产轻质建材实施产业化是可行的。
（六）填充材料
橡胶补强填充剂是橡胶组成中不可缺少的组分，它起着提高橡胶强力。减少收缩、降低成本等作用。通常在橡胶中的用量为30%～150%，随着橡胶工业的快速发展，对补强填充剂的需求日益增长，各种新型补强填充剂也不断开发，以适应橡胶工业发展的需求。用铁尾矿的Ф25mm溢流部分为原料，分别在天然橡胶、MC炭黑和绢云母粉，在丁苯胶中的补强性能优于除半补强炭黑以外的其他无机补强填充剂；将Ф25mm溢流产品用合适的表面改性剂改性后，进行配方和胶料性能试验，结果表明其在橡胶中的补强性能明显优于未改性产品。采用Ф25mm的二次溢流产品的胶料物理机械性能比采用一次溢流产品更好。说明尾矿中细粒级的非金属矿物可作为橡胶的补强填充材料。而且，粒度越细，效果越好。
（七）土壤改良剂
经过检测，铁尾矿没有放射性，其中含有Fe、Ca、Mg、P、S等植物生长所需的矿物元素。根据土壤环境质量标准（GB15618－1995），该尾矿符合Ⅱ类土壤分类标准，即可作为一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等用土，基本上对植物和环境不造成危害和污染。用Ф75mm沉砂和Ф25mm溢流粉、磁选尾矿、植物园土壤按不同比例栽培试验，经过6个水平不同配比的土壤栽培试验，8个指标的检测，结果表明，有的植物在尾砂中生长情况比单独在植物园土壤中栽培好（如莴芛），有的植物需要尾砂两种粒径成分和植物园土壤按一定的比例栽培，效果会更好（如雨衣甘蓝）。此结果说明尾矿还田是可能的，鉴于尾砂的特性，可以将尾砂掺入土壤中，尤其是磁选矿矿的掺入，可提高土壤的磁性，引起土壤中磁团粒结构的变化，导致土壤中铁磁性物质活化，使土壤的吸收性能、缓冲性能、抗逆性能等物理、化学和生物特性得到改善，提高通透性、保水保肥能力和有机质含量，促进作物生长。
综上所述，铁尾矿中的铁矿物、硫矿物和大量非金属矿物均可回收利用，通过有计划的系统开发，得到不同性质和用途的系列产品，综合利用率可达90%以上。
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