权利要求
(1)铅冶炼渣预处理：对铅冶炼渣依次实施筛分、磁选、烘干及粉磨，以去除杂质并激发潜在活性，得到预处理渣料;
(2)辅助激发组分制备：按质量比3∶2∶1混合硅酸盐水泥熟料、偏高岭土及硫酸钠，制得辅助激发组分;
(3)稳定化添加剂制备：按质量比5∶3∶2混合纳米二氧化硅、磷酸二氢钙及木质素磺酸钠，制得稳定化添加剂;
(4)干混活化：将所述预处理渣料、辅助激发组分及稳定化添加剂按设定比例混合，得到干混料，其中辅助激发组分的添加量为所述混合物总质量的5%～10%，稳定化添加剂的添加量为所述混合物总质量的1.5%～2%;
(5)干法激发：向所述干混料中加入纯度为96%的氢氧化钠粉末进行碱激发，得到胶凝材料，其中氢氧化钠与干混料的质量比1:19;
(6)陈化稳定：将胶凝材料在5～30°C、相对湿度60%～80%的条件下静置24小时，以获得矿山充填用胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述铅冶炼渣的化学组成为：SiO235%～45%、CaO 10%～20%、Fe2O35%～15%、Al2O35%～10%、PbO不超过3%，经筛分、磁选、烘干及粉磨后得到的预处理渣料具有含水率不高于1%、比表面积不低于400 m2/m3、非晶相含量较原渣提高15%以上。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述硅酸盐水泥熟料强度等级为42.5且SO3含量不超过3%;所述偏高岭土经700°C煅烧2 h后研磨至比表面积大于600m2/m3;所述硫酸钠为工业级无水产品，纯度不低于99%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中纳米二氧化硅粒径10~30nm，比表面积不低于200 m2/g;磷酸二氢钙粒径小于0.05 mm;木质素磺酸钠固含量不低于90%，还原糖含量低于2%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中的混合采用双轴桨式搅拌机，在转速480转/分钟下混合15分钟，使混合均匀度的变异系数不超过5%。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中的干混活化过程在温度高于40°C且相对湿度50%～60%的环境条件下进行。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述氢氧化钠粉末采用搅拌过程直接加入方式，连续搅拌15分钟。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中将步骤(5)所得胶凝材料进一步进行陈化，并在5～30C、相对湿度不低于60%～80%的条件下静止24小时，以获得具有固化结构的矿山充填用胶凝材料。
9.根据权利要求1~8任意一项所述的制备方法，其特征在于，将矿山充填用胶凝材料与矿山单位的尾矿砂定量混合搅拌，形成浆体，其中尾矿砂的浓度在 72%以上，矿山充填用胶凝材料的添加量不低于 20%;所述浆体被输送至采空区进行充填固化。
10.一种用于实施权利要求1至8任一项所述的矿山充填胶凝材料制备方法的装置，其特征在于，包括依次设置的振动筛，用于对铅冶炼渣进行筛分，以去除金属颗粒及炉渣块体;
磁选装置，用于分离铅冶炼渣中的铁磁性物质;
烘干装置，通过对中空叶片加热搅拌 对铅冶炼渣进行干燥，以去除铅锌冶炼渣中的水分;
粉磨设备，用于对经烘干后的铅冶炼渣进行粉磨，以获得比表面积不低于400 m2/kg的预处理渣料;
卧式轴桨叶式混合机，用于将所述预处理渣料、辅助激发组分及稳定化添加剂按设定比例进行干混活化，所述卧式轴桨叶式混合机内设置有温度监测探头与湿度反馈装置，当混合腔内温度低于40°C以及相对湿度低于50%或高于60%时自动启动加热、干燥系统根据温湿度偏差动态调节;
激发系统，包括搅拌釜及计量提升单元，用于混匀过程中一次性加入纯度为96%的氢氧化钠粉末并搅拌反应;
陈化储存成品仓，用于在5-30°C、相对湿度50%～60%的条件下对干混料进行陈化稳定处理;
其中，各设备之间通过螺旋输送机或提升机输送机依次连接，以实现物料的顺序转运。
说明书
[0001]实施装置
技术领域
[0002]本发明涉及冶炼胶凝材料技术领域，具体为一种以铅冶炼渣为主料的矿山充填胶凝材料的制备方法及其实施装置。
背景技术
[0003]随着矿山开采规模的不断扩大，采空区充填技术已成为保障地下工程安全、控制地表沉降及实现固废资源化利用的关键环节。胶凝材料作为充填体系的核心组分，其性能直接决定了充填体的力学强度、流动性、凝结特性与长期耐久性，进而影响整个矿山生产系统的稳定性与经济性。当前主流胶凝体系多依赖水泥体系，虽在强度构建方面表现稳定，但普遍存在原材料成本高、碳排放强度大、对工业固废适配性差等问题，难以满足绿色矿山与循环经济发展的双重需求。
[0004]现有技术中，部分方案尝试通过发泡工艺或多元固废复配提升充填体性能，但普遍存在资源化路径单一、工艺参数耦合性弱、重金属固化效率低等缺陷。现有体系普遍缺乏对充填体服役过程中重金属迁移行为的长效抑制机制，无法满足环保法规日益严苛的浸出毒性控制要求。因此，亟需一种以铅冶炼渣为核心、工艺简洁可控、性能稳定可靠且环境风险可控的新型矿山充填胶凝材料制备体系。
发明内容
[0005]本发明的目的在于提供一种以铅冶炼渣为主料的矿山充填胶凝材料及其制备方法，以解决上述背景技术提出的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种以铅冶炼渣为主料的矿山充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)铅冶炼渣预处理：对铅冶炼渣依次实施筛分、磁选、烘干及粉磨，以去除杂质并激发潜在活性，得到预处理渣料;
(2)辅助激发组分制备：按质量比3∶2∶1混合硅酸盐水泥熟料、偏高岭土及硫酸钠，制得辅助激发组分;
(3)稳定化添加剂制备：按质量比5∶3∶2混合纳米二氧化硅、磷酸二氢钙及木质素磺酸钠，制得稳定化添加剂;
(4)干混活化：将所述预处理渣料、辅助激发组分及稳定化添加剂按设定比例混合，得到干混料，其中辅助激发组分的添加量为所述混合物总质量的5–10%，稳定化添加剂的添加量为所述混合物总质量的1.5–2%;
(5)干法激发：向干混料中加入纯度为96%的氢氧化钠粉末进行碱激发，得到胶凝材料，其中氢氧化钠与干混料的质量比为1∶19;
(6)陈化稳定：将胶凝材料在5-30°C、相对湿度50%～60%的条件下静置24小时，以获得矿山充填用胶凝材料。
[0007]进一步地，步骤(1)中所述铅冶炼渣的化学组成为：SiO235%～45%、CaO 10%～20%、Fe2O35%～15%、Al2O35%～10%、PbO不超过3%，经步骤(1)筛分、磁选、烘干及粉磨后得到的预处理渣料具有含水率不高于1%、比表面积不低于400 m2/m3、非晶相含量较原渣提高15%以上。
[0008]进一步地，步骤(2)中所述硅酸盐水泥熟料强度等级为52.5且SO3含量不超过3%;所述偏高岭土经700°C煅烧2 h后研磨至比表面积大于600 m2/m3;所述硫酸钠为工业级无水产品，纯度不低于99%。
[0009]进一步地，步骤(3)中纳米二氧化硅粒径10~30 nm，比表面积不低于200 m2/g;磷酸二氢钙粒径小于0.05 mm;木质素磺酸钠固含量不低于90%，还原糖含量低于2%。
[0010]进一步地，步骤(4)中的混合采用卧式轴桨叶式搅拌机，在转速480转/分钟下混合15分钟，使混合均匀度的变异系数不超过5%。
[0011]进一步地，步骤(4)中的干混活化过程在温度高于40°C且相对湿度50%～60%的环境条件下进行。
[0012]进一步地，步骤(5)中所述氢氧化钠粉磨采用混匀过程中一次性加入方式，搅拌15分钟。
[0013]进一步地，步骤(6)陈化稳定阶段结束后，将所得胶凝材料进一步进行空气均化，并在5-30°C、相对湿度50%～60%的条件下储存，以获得具有固化结构的矿山充填用胶凝材料。
[0014]进一步地，将矿山充填用胶凝材料与矿山单位的尾矿砂定量混合搅拌，形成浆体，其中尾矿砂的浓度在 72%以上，矿山充填用胶凝材料的添加量不高于 20%;所述浆体被输送至采空区进行充填固化。
[0015]另一方面，本发明还提出了用于实施上述制备方法的装置，包括依次设置的振动筛，用于对铅冶炼渣进行筛分，以去除金属颗粒及炉渣块体;磁选装置，用于分离铅冶炼渣中的铁磁性物质;烘干装置，通过对中空搅拌加热对铅冶炼渣进行干燥，以去除铅锌冶炼渣中的水分;
粉磨设备，用于对经烘干后的铅冶炼渣进行粉磨，以获得比表面积不低于400 m2/kg的预处理渣料;
卧式轴桨叶式混合机，用于将所述预处理渣料、辅助激发组分及稳定化添加剂按设定比例进行干混活化，所述卧式轴桨叶式混合机内设置有温度监测探头与湿度反馈装置，当混合腔内温度低于40°C以及相对湿度低于50%或高于60%时自动启动加热、干燥系统根据温湿度偏差动态调节;
干法激发系统，包括搅拌釜、计量及输送单元，用于混匀过程中一次加入工业级纯度为96%的氢氧化钠粉末并搅拌反应;
陈化储存成品仓，用于将干混料在5-30°C、相对湿度50%～60%的条件下静置24小时;其中，各设备之间通过螺旋输送机或提升机依次连接，以实现物料的顺序转运。
[0016]相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明通过构建以铅冶炼渣为主料的胶凝体系，通过优化辅助激发组分配比，减少对高成本化学激发剂的依赖，使单位胶凝材料成本降低20%以上。通过引入稳定化添加剂及分阶段活化工艺，有效固定重金属离子，确保环境安全性。通过干混活化与激发的协同控制，提升胶凝材料早期强度发展速率，七天抗压强度达到15兆帕以上，满足矿山快速回采需求。通过在线质量监控与反馈调节机制，确保批次间性能稳定性，提升工业化生产的可控性与可靠性。本发明在简化制备工艺的同时，兼顾力学性能、环境安全性与经济性，为矿山充填领域提供了一种高效、稳定、可持续的低碳胶凝材料解决方案。
附图说明
[0017]图1为本发明实施例的工艺流程框图;
图2为本发明实施例的工艺流程装置图。
具体实施方式
[0018]以下，将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术进行清楚、完整地描述;显然，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例;基于本发明中的实施例，本领域内技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都应属于本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0019]请参阅图1，本实施例提供一种以铅冶炼渣为主料的矿山充填胶凝材料的制备方法及其装置。该方法依次包括铅冶炼渣的预处理、辅助激发组分和稳定化添加剂的制备、干混活化、激发以及陈化稳定等步骤，以实现铅冶炼渣的活化利用与稳定固化。
[0020]在本发明的实施过程中，首先对铅冶炼渣进行预处理。原料铅冶炼渣依次经过筛分、磁选、烘干和粉磨工序，以去除杂质并激发潜在活性。筛分采用孔径为0.5 mm的振动筛，用于去除金属颗粒及炉渣块体;磁选采用场强为8000 G的永磁滚筒，用于分离残余铁磁性物质;烘干采用中空搅拌加热 。粉磨过程中，通过高能碰撞与剪切作用破坏颗粒表面非晶态钝化层，暴露新鲜反应界面，同时诱导部分矿物相发生晶格畸变，提高其水化反应倾向。经处理后所得渣料的含水率控制在1%以下，比表面积不低于400 m2/kg，且通过X射线衍射分析确认其非晶相含量提升15%以上。预处理完成后，渣料密闭储存以防吸潮结块。优选的，所述铅冶炼渣的化学组成中，二氧化硅含量为35%～45%，氧化钙含量为10%～20%，氧化铁含量为5%～15%，氧化铝含量为5%～10%，氧化铅含量不超过3%。
[0021]辅助激发组分由硅酸盐水泥熟料、偏高岭土和硫酸钠按质量比3:2:1混合制得。其中，硅酸盐水泥熟料强度等级为52.5且三氧化硫含量不超过3%;偏高岭土经700℃煅烧2 h后研磨至比表面积大于600 m2/m3;硫酸钠为纯度不低于99%的工业级无水硫酸钠。所述辅助激发组分的添加量占胶凝体系总质量的5%～10%。稳定化添加剂由纳米二氧化硅、磷酸二氢钙和木质素磺酸钠按质量比5:3:2混合制得，其中纳米二氧化硅粒径为10～30 nm，比表面积不低于200 m2/g;磷酸二氢钙为粒径小于0.05 mm的粉末;木质素磺酸钠固含量不低于90%，还原糖含量低于2%。稳定化添加剂的添加量占胶凝体系总质量的1%～2%。
[0022]将预处理渣料、辅助激发组分和稳定化添加剂按比例投入卧式轴桨叶式混合机中进行干混活化。混合时间为15 min，搅拌转速为480r/min，混合均匀度的变异系数不超过5%。混合过程中控制温度不低于40℃，相对湿度50%～60%。混合机内设置温度监测探头与湿度反馈装置，当混合腔温度低于40℃或相对湿度高于60%时，自动启动加热、干燥系统，根据温湿度偏差动态调节。
[0023]干混活化后的物料经螺旋输送机送入干法激发搅拌系统。干法激发搅拌系统包括搅拌釜和计量单元，计量单元与碱粉罐连通，用于向搅拌机中注入工业级纯度为96%的氢氧化钠粉末，氢氧化钠与干混料的质量比为1:19，搅拌釜的搅拌叶片转速为480 r/min，总搅拌时间15 min。氢氧化钠粉末混匀过程中一次性加入， 继续搅拌15 min。经干法激发后得到的胶凝材料流动性良好，均匀度高。
[0024]胶凝材料经皮带输送机输送至储存仓，在温度5-30℃、相对湿度50%～60%条件下静置24 h，以获得最终的矿山充填用胶凝材料。优选的，陈化稳定阶段结束后对胶凝材料进行胶砂成型试验，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。成型后试件置于标准养护箱中，在20℃、相对湿度不低于90%的条件下继续养护，7天龄期抗压强度不低于15 MPa，28天龄期抗压强度不低于30 MPa，铅离子浸出量低于0.5 mg/L。
[0025]将干混物料与矿山单位的尾矿砂定量混合搅拌，形成可流动的浆体，其中尾矿砂为浓度不低于 72% 的砂浆，干混物料的添加量不高于 20%。所述浆体随后输送至采空区进行充填固化。
[0026]参照图2，用于实施上述方法的装置包括振动筛1、磁选装置2、烘干装置3、粉磨设备4、卧式轴桨叶式搅拌机5、激发系统以及陈化储存成品仓8等单元设备，各设备按工艺流程顺序依次连接。振动筛1的筛网孔径为0.5 mm，用于去除铅冶炼渣中大颗粒金属及炉渣块体;磁选装置2为场强8000 G的永磁滚筒，用于分离筛分后渣料中的铁磁性物质;烘干装置3采用中空搅拌加热干燥系统，通过中空叶片加热的同时进行物料搅拌;粉磨设备4用于对烘干后的渣料进行研磨活化，所得预处理渣料比表面积不低于400 m2/kg，非晶相含量较原渣提高15%以上。粉磨后的渣料经封闭输送机送入储存仓，根据质量比例进入卧式轴桨叶式搅拌机5与辅助激发组分和稳定化添加干混活化激发。卧式轴桨叶式搅拌机5内设置有温湿度监测与加热干燥系统，当混合腔内温度低于40℃或湿度高于60%时加热干燥调控。混合完成的物料经螺旋输送机输送至激发系统，所述湿法激发系统包括搅拌釜6和计量加液单元7，能够混匀过程中一次性投入纯度为96%的氢氧化钠粉末并搅拌反应，得到胶凝材料;胶凝材料经皮带输送机输送至陈化储存成品仓8，在5-30℃、相对湿度50%～60%的环境下陈化24h，完成陈化过程。各设备之间通过螺旋输送机、提升机或封闭输料机依次连接，实现物料的连续转运和封闭生产。
[0027]在本实施例中，各组分在不同阶段发挥协同作用，共同实现铅冶炼渣的活化、固化与稳定化。辅助激发组分中的硅酸盐水泥熟料、偏高岭土和硫酸钠不仅参与反应，更重要的是为体系提供和调节反应环境。硅酸盐水泥熟料在初期溶解释放钙离子和氢氧根离子，使体系pH值维持在11.5至12.5的强碱范围内，为铅冶炼渣中硅氧键和铝氧键的断裂以及硅铝活性组分的溶出创造条件。偏高岭土作为活性铝硅酸盐，在碱性环境下可进一步溶出铝酸根和硅酸根离子，并与钙离子共同形成反应前驱体，从而促进体系早期凝胶相的生成。硫酸钠的存在可调节体系离子强度，抑制过饱和钙离子局部积聚，并通过促进钙矾石相的形成，使体系的骨架结构更为致密和稳定。因此，辅助激发组分通过维持稳定的高pH环境和合理的离子组成，诱导铅冶炼渣潜在活性相的逐步溶解与反应，是实现体系整体活化的关键条件。稳定化添加剂中的纳米二氧化硅、磷酸二氢钙及木质素磺酸钠则在激发和陈化阶段发挥协同作用。纳米二氧化硅在激发过程中因其高比表面积效应吸附于铅冶炼渣颗粒表面，形成纳米级硅氧网络前驱体;该前驱体在陈化过程中与钙离子结合，生成结构式为CaO·SiO2·nH2O(其中n为1.5至2.5)的水化硅酸钙凝胶，该凝胶在体系中逐步形成连续致密的骨架结构，从而显著提高材料的抗压强度与体积稳定性。磷酸二氢钙可提供磷酸根离子，与溶出的铅离子反应生成难溶的磷酸铅类化合物，实现铅离子的有效固化和长期稳定。木质素磺酸钠通过其分子结构中的磺酸基和羟基实现离子络合与氢键作用，一方面改善体系的流动性和分散性，另一方面提高了活性组分间的接触与反应均匀性。通过上述作用，体系在陈化阶段形成由水化硅酸钙、钙矾石和磷酸铅类稳定相组成的多相复合固化结构，赋予材料优异的力学性能与抗浸出性能。本发明的矿山充填胶凝材料在协同激发与稳定化机制作用下，七天龄期抗压强度不低于15 MPa，二十八天龄期抗压强度不低于30 MPa，铅离子浸出量低于0.5 mg/L，表现出较高的结构致密性与重金属稳定化效果，能够实现铅冶炼渣的资源化利用和安全固化。
说明书附图(2)
