紅土鎳礦冶煉鎳鐵廢渣綜合利用研究綜述

孔令軍，趙祥麟，劉廣龍

(金川鎳鈷研究設(shè)計院，甘肅 金昌 737100)

1 引言

近年來，隨著紅土礦火法冶煉鎳鐵合金規(guī)模逐步擴大，紅土鎳礦冶煉鎳鐵廢渣(簡稱鎳鐵渣)的排放量逐漸增多[1]。2011年我國全年鎳鐵合金產(chǎn)量達25萬噸(含鎳量)[2]，伴隨產(chǎn)生的固體廢渣超過1500萬噸，2015年，預(yù)計鎳鐵渣的總排放量將接近一億噸，超過銅渣、錳渣等冶金渣的排放總量，約占到冶金渣總排放量的五分之一。與其它冶金渣相比，鎳鐵渣有價金屬回收價值低，排渣量大，已逐步成為冶金廢渣處理的一大難題。大量電爐冶煉鎳鐵渣的堆置和填埋，不僅占用土地、污染環(huán)境，還給鎳鐵冶煉的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻挑戰(zhàn)。所以，鎳鐵冶煉行業(yè)急需為解決鎳鐵冶煉渣的“開路”問題進行科學系統(tǒng)的綜合利用研究。鎳鐵冶煉廢棄渣的綜合利用研究，將為全國范圍乃至全球大量的鎳鐵冶煉廢棄渣的無害化、資源化處理提供堅實的基礎(chǔ)。

2 電爐鎳鐵冶煉渣的組成

目前國內(nèi)鎳鐵渣絕大多數(shù)是腐殖土型的紅土礦在電爐還原熔煉鎳鐵的工藝過程中產(chǎn)生的，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FeO，MgO和SiO2，次要成分是 Al2O3、Cr2O3、CaO 等，屬于 FeO－MgO－SiO三元渣系，經(jīng)SEM、MLA、XRD等檢測表明，其主要的礦物組成是2FeO·SiO2、FeO·SiO2和MgO·SiO2。電爐鎳鐵冶煉渣的典型化學成分、礦物組成如表1、表2所示。

表1 電爐冶煉鎳鐵渣的化學成分(%)

表2 電爐冶煉鎳鐵渣的礦物組分(%)

3 鎳鐵渣綜合利用的主要影響因素

(1)鎳鐵渣中可回收有價金屬較少。鎳鐵渣中主要成分硅和鎂的回收成本較高，相對其它冶金渣而言，綜合利用渠道較少，目前對鎳鐵渣綜合利用研究的主要方向多數(shù)集中在建材方面。

(2)鎂高、鈣低的特點導(dǎo)致鎳鐵渣活性較低，穩(wěn)定性較差。鎳鐵渣不同于鋼渣、高爐渣、錳渣等冶金廢渣，鎳鐵渣硅、鎂高、鈣低的特點對其在建材方面的應(yīng)用研究提出了新的難題。其含鎂量約在30%(MgO)左右，對鎳鐵渣建材可能存在的溶脹性形成了極大的影響;活性指數(shù)低于50%，嚴重制約鎳鐵渣膠凝性。

表3 鎳鐵渣活性試驗

(3)含鉻較高。鎳鐵渣組分中，鉻含量在1%(Cr2O3)左右，6價鉻是冶金渣綜合處理過程中環(huán)保評價的一個重要因素，因此在鎳鐵渣綜合處理過程必須重視6價鉻的浸出問題。

(4)磨細能耗大。易磨性檢測結(jié)果表明，鎳鐵渣較石英石和水泥熟料的易磨性差，在磨細過程中能耗較大，成本高，這是影響鎳鐵渣綜合利用經(jīng)濟性的一個重要因素。

表4 鎳鐵渣易磨性試驗

(5)國內(nèi)鎳鐵渣綜合利用研究的重視程度較低。國內(nèi)鎳鐵冶煉產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展集中于近幾年時間，鎳鐵渣綜合利用研究起步較晚;其生產(chǎn)企業(yè)多為民營企業(yè)，投入的科研力量不足。所以，鎳鐵渣的綜合利用研究在國內(nèi)還沒有得到足夠的重視。

4 鎳鐵渣綜合利用研究現(xiàn)狀和研究成果

目前，鎳鐵渣的的處理方式主要以堆存和填埋為主，對鎳鐵渣的綜合利用處于實驗室研究階段，研究內(nèi)容主要集中于建材原料和礦物棉等方面。

4.1 鎳鐵渣生產(chǎn)水泥混合材

上世紀80年代初期、前蘇聯(lián)、日本、希臘等國家就開始了對鎳鐵渣的性能以及在水泥原料、混凝土原料、微晶玻璃等方面的綜合利用研究和應(yīng)用[3－6]，日本在上世紀90年代就成功地將鎳鐵渣應(yīng)用于混凝土骨料[7]。我國對鎳鐵渣綜合利用研究開始于近幾年，鄒立撰寫的《利用鎳鐵渣引入氧化鎂在立窯上的應(yīng)用》[8]、王熔蘭等撰寫的《短流程鎳鐵生產(chǎn)工藝中含鎳廢渣的處置研究》[9]、萬朝均等撰寫的《鎳鐵合金礦熱爐渣輔助膠凝材料的制備與性能》[10]等文獻表明，鎳鐵渣在細磨至微粉后，可添加至水泥熟料中做水泥混合材，按照硅酸鹽水泥國家標準的要求，其添加量可達8%。段光福[11]等在鎳鐵渣制備水泥混合材的研究中表明，鎳鐵渣具備火山灰活性，在水泥中添加量可達30%。金川鎳鈷研究設(shè)計院在鎳鐵渣制備水泥混合材的研究過程中發(fā)現(xiàn)，鎳鐵渣研磨至與水泥熟料相同的粒度時，雖然其活性指標達不到GB/T18046－2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t高爐礦渣粉》要求，但鎳鐵渣粉在水泥中添加量達到25%時，水泥各項指標符合P.O32.5水泥的要求。

表5 鎳鐵渣粉水泥混合材試驗

4.2 鎳鐵渣制作礦物棉

何其捷摘譯蘇聯(lián)的《鎳鐵渣制作礦物棉》[12]文獻表明，由于鎳鐵渣的化學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粘結(jié)性較強.在生產(chǎn)溫度范圍內(nèi)鎳鐵渣溶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為700℃，比高爐渣纖維高100℃，鎳鐵渣纖維在腐蝕介質(zhì)中的化學穩(wěn)定性也比高爐渣纖維高，這樣使以鎳鐵渣纖維為主的礦棉制品的耐久性提高，比高爐渣礦物纖維具有更好的應(yīng)用前景。

圖1 鎳鐵渣礦物棉制造工藝流程

5 鎳鐵渣綜合利用的發(fā)展方向

依據(jù)鎳鐵渣物化特性，開發(fā)摻和量大、產(chǎn)品市場空間大、低污染、低成本、低能耗、短流程的電爐鎳鐵冶煉渣處理新工藝與裝備及其高效控制技術(shù)，努力使鎳鐵渣的綜合利用變?yōu)橛欣蓤D的環(huán)保產(chǎn)業(yè)，是今后鎳鐵渣綜合利用的必然趨勢。

5.1 鎳鐵渣制備海底工程建筑材料或填海物料

鎳鐵渣是紅土鎳礦在高溫還原熔煉提取鎳鐵后的廢渣，具備一定的抗腐蝕性能和無害性，在對防腐和毒性浸出要求比較高的海底工程建筑材料和填海物料的應(yīng)用方面具備一定的潛力。

5.2 鎳鐵渣制備混凝土砌塊、蒸壓磚、耐火磚、微晶玻璃等其他建筑材料

因鎳鐵渣與高爐水渣具備相似的冶煉工藝和物化特性，可以借鑒高爐水渣的綜合利用成果，代替粘土、砂石或部分水泥用作膠凝材料或骨料，用鎳鐵渣制備混凝土砌塊、蒸壓磚、微晶玻璃等產(chǎn)品;利用鎳鐵渣中鎂含量高的特點，開發(fā)鎳鐵渣在耐火磚、保溫材料等方面的應(yīng)用。

5.3 代替碎石做筑路材料與地基回填材料

鎳鐵渣具有比重大、抗壓強度高、耐磨、抗化學侵蝕性、抗滑等性能，是良好的道路材料和鐵路道碴材料。

5.4 建立鎳鐵渣相關(guān)標準及環(huán)境安全評價體系

鎳鐵渣可能成為一種新型的建材原料，鎳鐵渣水泥、鎳鐵渣磚、鎳鐵渣混凝土等產(chǎn)品必須經(jīng)過相關(guān)的環(huán)保評價才能走向市場，建立技術(shù)和環(huán)保評判標準是今后鎳鐵渣能否實現(xiàn)高效綜合利用的關(guān)鍵。

6 結(jié)語

鎳鐵渣綜合利用具有良好的環(huán)保效益和社會效益，根據(jù)鎳鐵渣固有的物化性能對鎳鐵渣綜合利用進行系統(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，減少廢棄渣量，是今后鎳鐵生產(chǎn)企業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

[1]肖安雄摘譯.美國金屬雜志對世界有色金屬冶煉廠的調(diào)查第三部:鎳紅土礦[J].中國有色冶金.2008(4):1－5.

[2]許保見.我國鎳鐵行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀.中國金屬通報[J].2011(14):20－21.

[3]Ioannis Maragkos，Ioanna P.Giannopoulou，.Synthesis of ferronickel slag－ based geopolymers[J].Minerals Engineering ，2009(2):196－203.

[4]B.Kh.Khan，I.A.Kravchenko.Crystallization properties of glasses based on ferronickel slag[J].Steklo i Keramika，1985(2):4－6.

[5]M.V.Vlasova.Grinding slag from ferro－ nickel process:some properties of the disperse system[J].Powder Technology，2002(124):101－105.

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[7]KatsuroKokubu.Guidelines for construction using ferronickel slag fine aggregate concrete[Z].Japan:JSCE，1994.

[8]鄒立.利用鎳鐵渣引入氧化鎂在立窯上的應(yīng)用[J].四川水泥.2008(5):31－32.

[9]王熔蘭.短流程鎳鐵生產(chǎn)工藝中含鎳廢渣的處置研究[J].四川冶金.2008(2):58－59.

[10]萬朝均等.鎳鐵合金礦熱爐渣輔助膠凝材料的制備與性能[J].重慶大學學報.2010(1):119－123.

[11]段光福等.江西某紅土鎳礦冶煉爐渣作水泥混合材[J].金屬礦山.2012(11):159－162.

[12]何其捷譯.鎳鐵渣制作礦物棉[J].玻璃纖維.1990(4):35.