鎳鐵渣是還原提取鎳和部分鐵后水淬急冷產(chǎn)生的工業(yè)廢渣。隨著我國(guó)冶煉鎳鐵合金規(guī)模逐步擴(kuò)大，鎳鐵渣排放量也逐漸增大。近年來，我國(guó)鎳鐵渣年排放量超3000萬噸，已成為我國(guó)繼鐵渣、鋼渣、赤泥之后第四大冶煉渣[1,2]。大量鎳鐵渣堆砌處理或深海填埋[3]，不僅占用土地、污染環(huán)境，還給鎳鐵冶煉的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，大力開展鎳鐵渣綜合利用的研究對(duì)我國(guó)乃至世界的鎳鐵行業(yè)意義重大。鎳鐵渣綜合利用研究，起源于20世紀(jì)80年代初，主要研究其在水泥、混凝土、微晶玻璃、無機(jī)聚合物等方面的應(yīng)用[4,5]。本文對(duì)近年來有關(guān)鎳鐵渣的綜合利用的途徑進(jìn)行了總結(jié)。

鎳鐵渣的主要組成成分

目前國(guó)內(nèi)鎳鐵渣主要是腐殖土型的紅土礦在電爐還原熔煉鎳鐵的過程中得到的。其原料和生產(chǎn)工藝基本相同，所以不同廠家產(chǎn)生電爐鎳鐵冶煉渣的組成基本相同。其主要成分是SiO2、MgO和FeO，次要成分是Cr2O3、Al2O3、CaO等，屬于FeO-MgO-SiO2三元渣系，鎳鐵渣礦物結(jié)構(gòu)以玻璃態(tài)為主[6]，XRD結(jié)果表明，其主要的礦物組成是2MgO?SiO2、FeO?SiO2和MgO?SiO2。鎳鐵渣中可回收有價(jià)金屬較少、鎂高鈣低，從而導(dǎo)致了鎳鐵渣具有活性低、穩(wěn)定性差、綜合利用渠道少、利用成本高的特點(diǎn)。

鎳鐵渣綜合回收利用的研究成果

01

鎳鐵渣在混凝土中的應(yīng)用

混凝土生產(chǎn)中，將鎳鐵渣用作混凝土集料，可以節(jié)約砂石，具有良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益[8~11]。Maragkos等人[12]研究了如何使用鎳鐵渣作為集料。研究表明，鎳鐵渣是一種合成無機(jī)聚合物的良好集料，在適宜的條件下甚至還可以制備出內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)、吸水率極低、抗壓強(qiáng)度高達(dá)118MPa的膠凝材料。施引珍等人[13]在此基礎(chǔ)上研究了鎳鐵渣作為集料入混凝土中對(duì)其性能的影響。早在2012年，單昌峰等人[14]就做過上述類似的實(shí)驗(yàn)，雖然實(shí)驗(yàn)原料是鎳渣，但是鎳渣的主要成分和鎳鐵渣類似，因此研究鎳渣的利用對(duì)鎳鐵渣的綜合利用具有一定的借鑒價(jià)值。逄魯峰等人[15]利用鎳鐵渣微粉配制了C60自密實(shí)混凝土，研究了自密實(shí)混凝土的流變性能、工作性能以及力學(xué)性能。呂清華等人[15]發(fā)明了一種水淬鎳鐵渣生產(chǎn)混凝土的方法，并獲得了國(guó)家專利，該方法顯著提高了水淬鎳鐵渣在混凝土中的摻量，改善了混凝土集料的集配問題和和易性，同時(shí)提高了混凝土的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，大幅降低了混凝土成本，有很好的應(yīng)用前景。

02

鎳鐵渣生產(chǎn)水泥混合材

日本在20世紀(jì)90年代就成功地將鎳鐵渣應(yīng)用于混凝土骨料。我國(guó)對(duì)鎳鐵渣在水泥混合材方面的利用研究起步較晚，鄒立、王熔蘭、萬朝均等撰寫的文章表明[16~18]，鎳鐵渣在細(xì)磨至微粉后，可添加至水泥熟料中，依照國(guó)標(biāo)，其添加量可達(dá)8%。段光福[19]等的研究表明，鎳鐵渣具備火山灰活性，在水泥中添加量可達(dá)30%。金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院在鎳鐵渣制備水泥混合材的研究過程中發(fā)現(xiàn)，鎳鐵渣粉在水泥中添加量達(dá)到25%時(shí)，水泥各項(xiàng)指標(biāo)符合P.O32.5水泥的要求。劉梁友[20]等人在實(shí)驗(yàn)中研究了鎳鐵渣單摻作為混合材對(duì)水泥性能的影響和鎳鐵渣-礦粉復(fù)摻對(duì)水泥強(qiáng)度的影響。由于我國(guó)排放的鎳鐵渣MgO含量普遍高于15%[21,22]，楊慧芬等人用MgO含量較高的鎳鐵渣作為原料進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明鎳鐵渣不會(huì)因?yàn)镸gO含量高而影響其作為活性混合材的使用。

03

鎳鐵渣制備無機(jī)礦物纖維

何其捷摘譯蘇聯(lián)的《鎳鐵渣制作礦物棉》[23]文獻(xiàn)表明，由于鎳鐵渣的化學(xué)組成和物相組成接近輝石，含60%(SiO2+Al2O3)左右的鎳鐵渣在高溫時(shí)粘結(jié)性較強(qiáng)。在生產(chǎn)溫度范圍內(nèi)鎳鐵渣熔體具有很高的成纖特性，通過垂直噴吹法和離心噴吹法不需添加爐料便可獲得鎳鐵渣纖維。鎳鐵渣纖維的耐熱性、在腐蝕介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性比高爐渣礦物纖維更高。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)可以利用鎳鐵冶煉電爐高溫熔融爐渣直接生產(chǎn)超細(xì)纖維紙漿和超細(xì)無機(jī)纖維。沈陽金屬研究院的鄭鵬[24]利用鎳鐵渣在1600℃的溫度下造渣，將所得的鎳鐵渣添加5%的CaO，成功制得無機(jī)礦物纖維。在造紙過程中添加45%無機(jī)礦物纖維制得的箱板紙符合國(guó)家B類標(biāo)準(zhǔn)。未經(jīng)處理的無機(jī)礦物纖維的性能是不理想的。為了拓展鎳鐵冶煉渣礦物纖維的應(yīng)用，劉學(xué)勇、張平軍[25]進(jìn)行了鎳鐵冶煉爐渣礦物纖維表面改性的研究。對(duì)鎳鐵冶煉渣礦物纖維進(jìn)行了表面改性，考察了改性劑濃度、改性時(shí)間對(duì)礦物纖維改性效果的影響，并對(duì)改性后的礦物纖維進(jìn)行了表征，測(cè)試了改性前后礦物纖維的活化指數(shù)。

04

鎳鐵渣制備微晶玻璃

生產(chǎn)微晶玻璃是一種高效利用固體廢棄物的新方法[26~28]。其中，CaO-MgO-Al2O3-SiO2系的微晶玻璃因能夠大量利用礦渣等固體廢棄物，已成為研究的熱點(diǎn)。張文軍等人[29]利用鎳鐵渣和粉煤灰為原料制備了性能良好的CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)系微晶玻璃。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鎳鐵渣摻量對(duì)制得的微晶玻璃性能有很大的影響。當(dāng)鎳鐵渣摻量增加時(shí)，微晶玻璃中的鎂、鈣離子數(shù)量增加，其中鈣長(zhǎng)石和頑輝石相對(duì)含量增大，而石英和尖晶石相對(duì)含量減少，微晶玻璃微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

05

從鎳鐵渣中提取鎳鉻

鎳鐵渣含有較豐富的Ni、Fe、Cr等元素，Coto等人[30]利用微生物產(chǎn)生的有機(jī)酸或無機(jī)酸從Caron流程產(chǎn)生的尾礦中浸出Ni和Cr，浸出率較高，但浸出時(shí)間很長(zhǎng)。因此，需尋找更高效處理鎳鐵渣的工藝，以充分利用Ni、Fe、Cr。張培育等人[31]研究了河南永通特鋼有限公司提供的鎳鐵渣，提出了一種從紅土鎳礦鎳鐵渣中分離浸出鎳鉻的工藝。張培育等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鎳鐵渣中的Ni主要賦存于FeNi合金相中，而Cr主要賦存于二價(jià)鐵的鐵酸鹽(Cr1.1Fe0.9MgO4)中,通過磁選可將鎳鐵渣中的Ni,Cr分離。

06

從鎳鐵渣中提取鎂

鎳鐵渣中MgO的含量很高，因此，從鎳鐵渣中提取金屬鎂具有很好的科研前景。王建磊等人[32]利用紅土鎳礦尾渣提金屬鎂的工藝研究，通過實(shí)驗(yàn)分析各項(xiàng)因素對(duì)鎂還原率的影響，提出了一種從紅土鎳礦尾渣提金屬鎂的工藝方法。實(shí)驗(yàn)根據(jù)皮江法[33]原理，以鋁硅鐵[34,35]為還原劑，用真空熱還原法將鎂從氧化鎂中還原出來。并探索了在紅土鎳礦尾渣中提取金屬鎂的最佳工藝條件，使礦渣中的氧化鎂含量符合綜合利用的標(biāo)準(zhǔn)。

07

用鎳鐵渣制備硫酸鹽

早在1994年，來自通州市環(huán)保局的王寧等人[36]就利用化學(xué)分離方法，成功地將廢渣中鎳、鉆、銅金屬成分，生產(chǎn)出各自的鹽類物質(zhì)。其工藝操作主要分為：酸浸、金屬鹽的分離、精制轉(zhuǎn)化等三個(gè)步驟。

08

鎳鐵渣制備保溫砌塊等建筑材料

鎳鐵渣鎂含量高，因此可以開發(fā)鎳鐵渣在耐火磚、保溫材料等方面的應(yīng)用。宋美等人[37]的研究表明在原材料中添加高達(dá)80%的鎳鐵渣能成功制備出性能優(yōu)良的復(fù)合保溫砌塊，其抗壓強(qiáng)度及其綜合性能得到保證。劉忠文等人[38]利用鎳鐵礦渣，參考蒸壓灰砂磚、粉煤灰蒸壓磚生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),采用粉煤灰、電石渣(或生石灰)、脫硫石膏(或天然石膏)等作為輔助原料，制備出蒸壓磚。

09

鎳鐵渣制備焊劑

2011年，劉茂平等人[39]利用鎳鐵合金渣進(jìn)行了制備焊劑的研究，獲得成功，并獲得了獲得了國(guó)家專利。作者把熱液態(tài)鎳鐵合金渣倒入熔煉焊劑電爐中，制得高溫熔煉焊劑;把熔煉好的高溫焊劑倒入溫度小于等于20℃的水中，水淬形成顆粒狀;通過延伸鎳鐵合金生產(chǎn)工藝，在生產(chǎn)鎳鐵合金的基礎(chǔ)上，把鎳鐵合金渣在熔融高溫狀態(tài)下，摻入生產(chǎn)焊劑所需要的組分，經(jīng)電爐熔化反應(yīng)均勻后，進(jìn)行水淬冷卻，即可得到熔煉焊劑產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳鐵渣的綜合利用。

10

鎳鐵渣用于農(nóng)業(yè)

鎳鐵渣中含有Si、Mg等元素,而這些元素都是植物生長(zhǎng)必不可少的中微量元素,因而可以對(duì)鎳鐵渣作適當(dāng)處理后用于中微量元素肥料,以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和抗病蟲害能力。同時(shí)鎳渣中含有大量的鐵,經(jīng)過一定的磁化處理后,可以作為農(nóng)作物的磁化肥。但對(duì)鎳鐵渣應(yīng)用于農(nóng)業(yè),在應(yīng)用之前要充分研究鎳鐵渣是否會(huì)造成重金屬污染[40]。

結(jié)語

鎳鐵渣綜合利用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

鎳鐵不銹鋼產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的同時(shí)也排放了數(shù)量巨大的鎳鐵渣。鎳鐵渣作為工業(yè)固體廢棄物被大量堆存，對(duì)于環(huán)保而言是巨大的挑戰(zhàn)。然而，。根據(jù)鎳鐵渣固有的物化性能對(duì)鎳鐵渣綜合利用進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃和研究，生產(chǎn)出不同層次的產(chǎn)品，形成鎳鐵渣產(chǎn)品系列，最大限度地利用鎳鐵渣，減少?gòu)U棄渣量，是今后鎳鐵生產(chǎn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

2018冶金固廢處理與利用技術(shù)國(guó)際交流大會(huì)

將于在召開，本次大會(huì)將圍繞處理與應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵共性技術(shù)與裝備以及技術(shù)難題展開深入交流和討論。其中，而且大會(huì)主辦方將組織歡迎廣大行業(yè)人士積極參與，共謀冶金固廢綜合利用發(fā)展藍(lán)圖。

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