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(lái)，我國(guó)鎳鐵渣年排放量超3000萬(wàn)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(lái)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(wú)機(jī)聚合物等方面的應(yīng)用[4,5]。本文對(duì)近年來(lái)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(guò)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(wú)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(guò)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(wàn)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(guò)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(wú)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(guò)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(wú)機(jī)纖維。沈陽(yáng)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(wú)機(jī)礦物纖維。在造紙過(guò)程中添加45%無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)。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(lái)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(guò)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(guò)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(yǔ)

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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