鎳鐵渣處理及利用技術(shù)研究的專利分析

張 杰 薛曼齡 劉 猛

(1:北京市鋼鐵冶金節(jié)能減排工程技術(shù)研究中心 北京 100029；2：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司 北京 100029)

1 前言

鎳鐵渣已成為我國繼鐵渣、鋼渣、赤泥之后的第四大冶煉渣。鎳鐵冶煉是冶金行業(yè)技術(shù)開發(fā)的一個重要方向，主要有高爐冶煉、電爐(礦熱爐)冶煉、回轉(zhuǎn)窯直接還原熔煉三種方式[1]。因國內(nèi)不銹鋼需求高，用高爐生產(chǎn)低品位鎳鐵仍有一定空間。以生產(chǎn)20%鎳鐵為例，鎳金屬的綜合回收率為90%時，渣的產(chǎn)生量至少在91%以上，且排渣溫度在1523-1626°C[2]。每年渣產(chǎn)量在3000萬噸以上[3]，預(yù)計總排放量一億多噸。蘊含巨大熱能的鎳鐵渣以填埋或堆砌的方式處理，占據(jù)大量土地，損失大量能源，并造成環(huán)境問題。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。國內(nèi)外冶金行業(yè)對冶煉高溫鎳鐵渣能量利用及渣處理開始作為熱點研究。

本文從專利角度入手，分析鎳鐵渣技術(shù)領(lǐng)域的整體情況，總結(jié)鎳鐵渣技術(shù)研究現(xiàn)狀，并對檢索結(jié)果以及分析內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和思考，為技術(shù)人員研究提供一定的借鑒參考。

2 鎳鐵渣技術(shù)專利分析

專利數(shù)據(jù)來源于中文專利文摘數(shù)據(jù)庫(CNABS)和專利之星專利檢索系統(tǒng)(CPRS)。在數(shù)據(jù)庫中對申請日在2018年10月20日前申請的鎳鐵渣專利以檢索式方式進(jìn)行了檢索，檢索出專利522件，經(jīng)過篩選、去重、分類等處理，最終確定與鎳鐵渣密切相關(guān)的123件中國專利，作為分析對象。其中發(fā)明114件，實用新型9件，授權(quán)36件，駁回、撤回放棄的15件，進(jìn)入公開、實質(zhì)審查階段的專利有72件。

本文基于國內(nèi)專利申請情況，從總體發(fā)展態(tài)勢、申請人、技術(shù)方向分布對此技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.1專利總體年度分布

圖1顯示了國內(nèi)與鎳鐵渣處理及利用相關(guān)專利申請量的年度分布情況。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，該技術(shù)始于2007年，研究起步時間較晚。在2013年前處于低位發(fā)展，是探索期。隨著國內(nèi)關(guān)注度的提高，從2014年申請11件專利開始，進(jìn)入一個高速發(fā)展期，申請專利量猛增，近五年申請專利109件，預(yù)計未來幾年，仍處于高位發(fā)展。

圖1 申請專利年度分布

2.2重點申請人分布

為了明確國內(nèi)該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)的主體，整理歸納了國內(nèi)重點申請人，見圖2。排名列于前10名的申請人為中南大學(xué)、江蘇省冶金設(shè)計院有限公司、北京科技大學(xué)、河海大學(xué)、上海中冶環(huán)境工程科技有限公司、中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司、山東理工大學(xué)、江蘇融達(dá)新材料股份有限公司、濟(jì)南大學(xué)、福建青拓鎳業(yè)有限公司。其中高校、企業(yè)各5家，專利數(shù)量均等。重點申請人中，中南大學(xué)、江蘇省冶金設(shè)備設(shè)計院有限公司申請量并居首位。申請人主要研究技術(shù)方向集中在鎳鐵渣中金屬的回收，如鎂、硅、鎳等、耐火材料、 泡沫磚、膠凝材料、陶瓷磚、冶煉助劑等。

2.3技術(shù)方向分布

對分析對象按照技術(shù)方向、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了歸類、統(tǒng)計，見表1。從表中數(shù)據(jù)可知，鎳鐵渣專利技術(shù)分布于資源化綜合利用和渣的處理。資源化綜合利用主要研究其在建筑材料、混凝土、水泥、耐火或凝膠材料、微晶玻璃等方面的應(yīng)用。渣處理為有用金屬的回收、渣的研磨、輸送、洗滌等工藝技術(shù)研究。

圖2 重點申請人分布

在資源化綜合利用方面，渣在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用研究最多。近兩年陸續(xù)出現(xiàn)了在脫硫材料、石油支撐劑、渣的余能余熱利用方面的應(yīng)用研究。

表1 鎳鐵渣專利技術(shù)方向分布

3 鎳鐵渣利用重點技術(shù)現(xiàn)狀

鎳鐵冶煉技術(shù)涵蓋鎳鐵生產(chǎn)、煙氣處理及余熱回收、渣綜合利用等，以下對鎳鐵渣在建筑材料、混凝土、水泥、石油支撐劑、余熱利用等方面的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

3.1鎳鐵渣在建筑材料中的應(yīng)用

鎳鐵渣用于建筑材料的專利共計22件，其中僅5件專利授權(quán)，其余均處于公開、實質(zhì)審查階段。授權(quán)專利技術(shù)主要用于生產(chǎn)自保溫蒸壓磚、高強承載磚、鎂橄欖石輕質(zhì)隔熱磚、透水磚等各類性質(zhì)的磚。如貴州省工業(yè)固體廢棄物綜合利用(建材)工程技術(shù)研究中心開發(fā)的鎳鐵礦渣路面透水磚及其制備方法[4]，是將原料按照配比進(jìn)行混合，并采用攪 拌機在30r/min的攪拌速度下攪拌均勻；再向其中加水，并控制加入的水與原料的比為0.23，繼續(xù)攪拌混合3min后，再將混合料送入成型壓磚機中壓制成型， 其中，壓制成型時，振壓頻率45Hz，振壓時間為8s；將成型后的磚坯標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天齡期，即可得到鎳鐵礦渣路面透水磚成品。通過采用的原材料中摻入75～85份的鎳鐵礦渣，使得鎳鐵礦渣的資源化利用顯著，節(jié)約了處理成本，有效地解決了鎳鐵礦渣難于處置的問題，減少了環(huán)境污染。

3.2鎳鐵渣生產(chǎn)混凝土

鎳鐵渣生產(chǎn)混凝土的專利共計11件，其中僅3件專利授權(quán)。

典型技術(shù)為金川集團(tuán)股份有限公司、中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司共同開發(fā)的利用水淬鎳鐵渣生產(chǎn)混凝土的方法、揚州大學(xué)開發(fā)的摻鎳渣的耐磨混凝土以及徐州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)誠意商品混凝土有限公司開發(fā)的鎳鐵渣超高強混凝土及其制備方法。

其中鎳鐵渣超高強混凝土及其制備[5]，以鎳鐵渣(摻量209kg/m3，比表面積為465m2/kg)作為粗、細(xì)骨料和礦物摻合料分別替代天然的石子、砂子和部分水泥。另外，鎳鐵渣的減水作用改善了混凝土的和易性，坍落度明顯增大；28天抗壓強度可達(dá)110Mpa以上，遠(yuǎn)高于非鎳鐵渣混凝土。

3.3鎳鐵渣生產(chǎn)水泥

鎳鐵渣生產(chǎn)水泥的專利共計11件，其中僅2件授權(quán)。

典型技術(shù)為湖南的彭美勛發(fā)明的鎳礦冶金渣的處理和利用技術(shù)[6]，以回轉(zhuǎn)窯-電爐工藝(RKEF)提煉鎳鐵排放的鎳鐵渣為主要原料制備水泥，方法是先將鎳鐵渣與硅鋁質(zhì)原料及少量堿金屬鹽的混合物低溫煅燒得到富硅物料，再在后者中按比例加入水化時釋放Ca(OH)2的原料和含CaSO4的原料磨細(xì)。不產(chǎn)生二次廢料也能避免重金屬淋濾擴散，適用于各種不同礦產(chǎn)地的鎳鐵渣，可大量處理和利用規(guī)模龐大的鎳礦冶金廢渣，并實現(xiàn)增值利用。與硅酸鹽水泥相比，所得水泥早強性好，長期強度能滿足多數(shù)使用要求，有更高的性價比，碳排放、能耗和污染等都大幅度減小。

3.4鎳鐵渣制備石油支撐劑

鎳鐵渣用于生產(chǎn)石油支撐劑專利2項，均授權(quán)。

楊松開發(fā)的石油支撐劑[7]按重量百分含量主要由75%-82%鎳鐵渣和18%-25%軟質(zhì)粘土經(jīng)備料、混合、造粒、燒成和篩分制備而成，原料的重量百分含量之和為100%。石油支撐劑具有密度低、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、高強度、高導(dǎo)流能力、低破碎率和抗熱震能力高的特點；該石油支撐劑將工業(yè)廢渣進(jìn)行再利用，增加了資源的利用率，并有利于減輕環(huán)境污染問題；另外，該石油支撐劑制備工藝能耗小，產(chǎn)能大，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

洛陽理工學(xué)院和洛陽賽羅帕陶瓷科技有限公司共同開發(fā)的低密度中強度石油壓裂支撐劑[8]，技術(shù)通過采用在其中加入鉬礦尾礦以及氧化錳粉和鎳鐵渣粉構(gòu)成的復(fù)合添加劑，在明顯降低支撐劑密度和保持其一定強度方面取得了較好平衡，從而使研制的石油支撐劑獲得了優(yōu)良的綜合性能，既確保了支撐劑具有可觀的強度，又降低了支撐劑的燒成溫度，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，同時也充分的利用了廢棄的礦物，實現(xiàn)了廢棄資源的再利用。

3.5鎳鐵渣余熱回收利用

鎳鐵渣余熱回收專利有5項，其中2項授權(quán)，1項放棄，其余2項專利均為同一技術(shù)方案的發(fā)明專利。

無錫三達(dá)環(huán)?？萍加邢薰鹃_發(fā)的高爐礦熱爐渣固化熱高中低余熱回收利用系統(tǒng)[9]，其技術(shù)方案的總體思路為，用轉(zhuǎn)碟與風(fēng)冷相結(jié)合的方法進(jìn)行高爐渣處理和熱能回收。系統(tǒng)包括高爐、礦熱爐、一體寶塔式螺旋汽化渣溝出熱器、旋風(fēng)除塵器、翅片式余熱鍋爐、蒸汽包、脈沖袋濾式除塵機、蛇形管換熱器、汽輪機、發(fā)電機、配電室和冷凝器，卸渣平臺中心設(shè)有螺旋形結(jié)構(gòu)的月牙型汽化渣溝裝置。系統(tǒng)能夠?qū)⒏郀t渣和鎳鐵熔煉礦熱爐爐渣的余熱回收發(fā)電，并將污染物進(jìn)行除塵，既滿足了環(huán)保要求，又利用爐渣產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益。

北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司開發(fā)的燒結(jié)礦豎式逆流余熱回收裝置和方法裝置包括頂部入料倉、豎式逆流回收裝置本體、八字分料器、冷卻風(fēng)再分布裝置、中心布風(fēng)器、十字梁、環(huán)形布風(fēng)管、振動給料機、下部接料倉；工藝流程為：高溫?zé)Y(jié)礦經(jīng)破碎后進(jìn)入頂部入料倉，經(jīng)過五個下料管進(jìn)入豎式逆流換熱裝置本體，物料在下降過程中受八字分料器、十字梁的影響均勻下降，從豎式逆流換裝置本體下部的七個出料口排出，物料由七個出料口排出后，匯入下部接料倉，混合后以一定速度排出[10]。其優(yōu)點是：運行平穩(wěn)可靠、漏風(fēng)率低、粉塵污染小、余熱資源利用率高，可用于塊狀鋼渣、紅熱鐵合金鑄塊、鎳鐵渣等余熱回收，回收的高溫余熱可用于發(fā)電、冬季取暖等。

此外，值得重點關(guān)注的是鎳鐵渣超高強混凝土及其制備方法、鎳鐵礦渣路面透水磚及其制備方法兩項技術(shù)，經(jīng)授權(quán)后，發(fā)生了權(quán)力轉(zhuǎn)移，說明企業(yè)重點以專利為核心技術(shù)開拓市場，是市場接受度較高的技術(shù)。

4 結(jié)論

通過對國內(nèi)鎳鐵渣技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行梳理、統(tǒng)計和分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1) 與冶金渣中高爐渣、鋼渣的綜合回收技術(shù)相比，鎳鐵渣研究起步較晚，是近五年才開始關(guān)注的技術(shù)方向， 2017-2018年出現(xiàn)井噴式的專利申請量，但授權(quán)專利僅36件，72件專利處在公開或進(jìn)入實質(zhì)審查階段，說明各機構(gòu)剛剛開始在此領(lǐng)域開展競爭。因此，鎳鐵渣是冶金行業(yè)固廢處理的一個新的研究方向，開發(fā)空間很大。

2) 鎳鐵渣研究機構(gòu)主要集中在高等院校、企業(yè)，技術(shù)仍處于探索期，未有大規(guī)模工業(yè)化的成熟技術(shù)。企業(yè)和科研單位應(yīng)強化產(chǎn)學(xué)研一體化意識，實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研企的協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)多單位合作，進(jìn)行共性技術(shù)的研發(fā)和核心技術(shù)的攻關(guān)，加強全產(chǎn)業(yè)鏈的整合，加快推進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，將技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為市場收益。

3) 鎳鐵渣技術(shù)開發(fā)中，渣的資源化利用、處理、金屬提取是初期開展的研究方向。能源利用主要集中在生產(chǎn)鎳鐵工業(yè)爐窯的余熱利用，而對鎳鐵渣余熱利用研究很少。因此，需在鎳鐵渣資源化利用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步回收鎳鐵渣的熱量將是重點突破的難題。此外，鎳鐵渣在脫硫材料、石油支撐劑方面的應(yīng)用也值得深入探索。

4) 企業(yè)可依據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展，及時了解市場需求，抓住機遇，在固廢處理領(lǐng)域尤其是鎳鐵渣方向上積極進(jìn)行專利布局，把控先機，成為行業(yè)的領(lǐng)頭軍。