硅熱法鎂冶煉過(guò)程鎂渣的應(yīng)用研究

高利寧

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000）

作為重要的金屬資源，鎂及其合金產(chǎn)物均具有較大的強(qiáng)度，加之密度較小的特性，極容易被加工成各類(lèi)產(chǎn)品，當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用至交通運(yùn)輸、精密機(jī)械等領(lǐng)域之中。基于白云石還原的方式會(huì)產(chǎn)生一定量的鎂渣，數(shù)據(jù)表明每生產(chǎn)1 t 金屬鎂將會(huì)得到大約8～10 t 的鎂渣，由于此類(lèi)物質(zhì)具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，因此會(huì)對(duì)大氣造成污染，從而引發(fā)人類(lèi)呼吸道疾病。在此背景下，有必要尋求一套合理的鎂渣應(yīng)用方法，這既是對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境的保護(hù)，也是資源合理利用的充分體現(xiàn)。

1 鎂渣的產(chǎn)生

就當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)而言，較為高效的鎂生產(chǎn)方法有兩種。相比于電解法而言，硅熱還原法所需的生產(chǎn)成本更低，還原溫度也較低，可以適用于各類(lèi)規(guī)模的生活活動(dòng)，加之還原性材料的廉價(jià)特性，因此被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的鎂工業(yè)中，關(guān)于其具體工藝有：將白云石（MgCO3·CaCO3）作為生產(chǎn)原材料，將其置于回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行煅燒處理，此過(guò)程中溫度應(yīng)把控在1 150～1 250 ℃，在得到粉狀物質(zhì)后將其與硅鐵粉以及螢石粉進(jìn)行混合，而后送入耐熱鋼還原罐中做進(jìn)一步處理，此環(huán)節(jié)應(yīng)將溫度控制在1 190～1 210 ℃，在真空環(huán)境下便可還原出粗鎂，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熔劑提煉以及鑄錠工序后，便可得到金屬鎂錠[1]?；谏鲜龉に嚪椒ǎ罱K便會(huì)產(chǎn)生殘?jiān)?，而這便是鎂渣。

2 鎂渣的應(yīng)用研究

2.1 利用鎂渣研制新型墻體材料

探討鎂渣在新型墻體材料中的應(yīng)用，具體思路為：選取一定量的鎂渣將其磨細(xì)，而后與適當(dāng)比例的磨細(xì)礦渣進(jìn)行混合，加之復(fù)合激發(fā)劑的作用，將會(huì)得到新型墻體材料。

基于此工藝方法，所得到的墻體材料密度較小，具有良好的強(qiáng)度特性，經(jīng)檢測(cè)后各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合行業(yè)內(nèi)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w來(lái)說(shuō)，這種對(duì)鎂渣的利用方法具有成本低、效率高、質(zhì)量好的特性，其市場(chǎng)前景廣闊。

2.2 鎂渣在煤脫硫方面的應(yīng)用

對(duì)硅熱法煉鎂的工藝方法進(jìn)行分析可知，所產(chǎn)生的鎂渣主要含有CaO和SiO2兩種物質(zhì)，綜合表1給出的成分檢驗(yàn)單進(jìn)行分析可知，CaO的含量超過(guò)了50%。

表1 某鎂廠鎂渣的化學(xué)成分檢驗(yàn)單 %

對(duì)于鍋爐煤脫硫技術(shù)而言，在生產(chǎn)過(guò)程中需要將煤與石灰石直接置入達(dá)到高溫狀態(tài)的鍋爐燃燒室中，此時(shí)石灰石經(jīng)煅燒后便會(huì)得到氧化鈣，所得的物質(zhì)進(jìn)一步與二氧化硫氣體進(jìn)行反應(yīng)，得到的亞硫酸鈣在高溫條件下將會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，由此得到硫酸鈣，最終實(shí)現(xiàn)固硫的效果。由上述工藝流程可以得知，CaO是整個(gè)固硫過(guò)程中必不可缺的物質(zhì)，由于鎂渣中此物質(zhì)的含量高達(dá)50%，因此可以將鎂渣作為脫硫的主要材料。基于實(shí)驗(yàn)室研究數(shù)據(jù)可知，該反應(yīng)對(duì)氧氣的要求較高，反應(yīng)過(guò)程中溫度以900 ℃為宜，所帶來(lái)的脫硫效率達(dá)到了76.5%，因此將鎂渣作為脫硫劑具有可行性。

基于上述給出的脫硫工藝方法，將其運(yùn)用于循環(huán)流化床鍋爐中，可以起到煙氣脫硫的效果。對(duì)濕法煙氣除硫原理進(jìn)行分析，其為典型的酸堿中和反應(yīng)，當(dāng)鎂渣與水接觸后將會(huì)生成Ca（OH）2以及和Mg（OH）2這兩種物質(zhì)，殘留于煙氣中的SO2會(huì)進(jìn)一步與水發(fā)生反應(yīng)，從而生成H2S03、Mg（OH）2等物質(zhì)，最后在脫硫塔中便會(huì)發(fā)生酸堿中和反應(yīng)。

2.3 利用鎂渣制備混凝土膨脹劑

補(bǔ)償混凝土在硬化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)失水現(xiàn)象，此時(shí)將會(huì)進(jìn)一步引發(fā)干縮以及冷縮現(xiàn)象，在混凝土膨脹劑的作用下可以顯著改善這一問(wèn)題。研究表明，當(dāng)Mg0和CaO 這兩類(lèi)物質(zhì)與水接觸后，將會(huì)產(chǎn)生具有膨脹性的Ca（OH）2以及和Mg（OH）2。二者對(duì)應(yīng)的體積膨脹率均較高，分別達(dá)到了97.9%和148%，因此是一種極為高效的混凝土膨脹劑材料。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)試，探尋限制膨脹率以及砂膠試件強(qiáng)度的主要影響機(jī)制。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，若只將鎂渣作為混凝土膨脹劑材料，在水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)7d 后所得到的限制膨脹率低于0.025%，因此不符合JC476—2001的相關(guān)規(guī)定；以此為基礎(chǔ)做出適當(dāng)改進(jìn)，在其中摻入適量的激發(fā)劑后，可以顯著提升鎂渣的早期膨脹性能，無(wú)論是限制膨脹率還是強(qiáng)度均符合行業(yè)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]。將鎂渣、粉煤灰以及石灰作為原材料，基于特定的工藝方法制得混凝土膨脹劑，經(jīng)試驗(yàn)后可知：石灰是激發(fā)鎂渣水化現(xiàn)象的主要影響因素，伴隨著石灰摻量的增加，所對(duì)應(yīng)的混凝土早期膨脹率也隨之加大，在后期伴有微弱的收縮現(xiàn)象；伴隨著鎂渣摻量的增加，鎂渣膨脹劑所對(duì)應(yīng)的限制膨脹率將表現(xiàn)出先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)。

2.4 利用鎂渣制備陶瓷濾球

以鎂渣為原材料，將其制作成陶粒濾球，由此作為吸附材料。在此基礎(chǔ)上，將TiO2以負(fù)載的方式置于陶瓷濾球上，將水中的砷去除，從而對(duì)其展開(kāi)研究。當(dāng)溶液的質(zhì)量濃度達(dá)到2 mg/L后，此時(shí)溶液的pH值應(yīng)等于2，并將吸附時(shí)間控制到240 min，所使用的濾球量以20 g/L為宜，在滿足上述條件后所得到的砷去除效率最高，達(dá)到了95.96%。將鎂渣作為原材料，在此基礎(chǔ)上填入適量的成孔劑以及天然礦物質(zhì)，由此發(fā)揮出燒結(jié)助劑的作用，所得到的多孔陶瓷濾球可以用于工業(yè)廢水處理工作中[3]。此外，低溫成孔劑煤粉以及白云石這兩大材料均可以對(duì)氣孔率進(jìn)行合理的調(diào)控，鎂渣多孔陶瓷濾球中的各個(gè)氣孔分部具有良好的均勻性，經(jīng)顯微觀察可知其為三維連通狀結(jié)構(gòu)，所帶來(lái)的過(guò)濾性能良好。

2.5 利用鎂渣改性瀝青性能

將粉膠比、細(xì)度以及鎂渣三大因素作為基本分析對(duì)象，基于正交試驗(yàn)展開(kāi)研究，探討鎂渣對(duì)瀝青常規(guī)指標(biāo)所帶來(lái)的影響機(jī)制。結(jié)果表明：在上述所列舉的三大影響因素中，粉膠比對(duì)改性瀝青性的改進(jìn)效果最為顯著，而細(xì)度所帶來(lái)的影響最小。以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，基于提升鎂渣利用率的目的，進(jìn)一步展開(kāi)了直剪試驗(yàn)，從而探尋出具有環(huán)境效益的工藝方法。

結(jié)果表明，伴隨著鎂渣摻量以及細(xì)度的提升，所帶來(lái)的瀝青勃結(jié)性也進(jìn)一步得到了改進(jìn)，相比于石灰石粉而言鎂渣所帶來(lái)的促進(jìn)效果更為明顯，但相比于滑石粉所帶來(lái)的效果而言依然有一定差距。在所有影響因素中，鎂渣表面狀態(tài)所帶來(lái)的效果最為明顯。起始摻量對(duì)瀝青黏結(jié)性的影響極為明顯，伴隨著所用量的增加，對(duì)應(yīng)的影響程度也更為明顯；而實(shí)際摻量低于起始摻量時(shí)，此時(shí)鎂渣對(duì)瀝青黏結(jié)性所產(chǎn)生的影響極為微弱。

2.6 鎂渣在耐火材料方向的應(yīng)用

針對(duì)于某省所產(chǎn)生的鎂渣理化性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上將其作為原材料，基于皮江法煉鎂還原技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理，實(shí)際結(jié)果表明：材料所具備的耐火溫度達(dá)到了1 470 ℃，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度介于180～200 MPa，伴隨著氣孔率的增加，所帶來(lái)的抗熱震性能逐步提升，經(jīng)水煮處理長(zhǎng)達(dá)72 h 后依然可以達(dá)到無(wú)粉化的效果，同時(shí)不存在裂紋以及變形現(xiàn)象。將鎂渣以及工業(yè)氧化鋁作為原材料，基于高溫固相法進(jìn)行加工，可以得到C2AS-CAS2復(fù)相耐火材料，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了65.3 MPa，具有良好的水化以及抗熱震效果。

2.7 鎂渣作為路用材料

表2給出了某鎂廠生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的鎂渣以及粉煤灰成分及其其對(duì)應(yīng)比例，對(duì)其分析可以得知二者對(duì)應(yīng)的活性物質(zhì)基本一致，但就鈣鎂含量這一指標(biāo)而言鎂渣相對(duì)更多一些。氧化鈣鎂含量符合國(guó)家三級(jí)鈣鎂生石灰的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的活性，當(dāng)其與水泥以及石灰接觸后可以作為路基的混合料。在此基礎(chǔ)上，圍繞鎂渣作為鋪路材料這一問(wèn)題展開(kāi)試驗(yàn)，結(jié)果表明鎂渣在路基工程中具有高度的可行性。

表2 某鎂渣試樣和粉煤灰試樣化學(xué)成分表 %

3 存在的問(wèn)題及解決的途徑

就當(dāng)前環(huán)境而言，科研人員對(duì)鎂渣的研究力度持續(xù)加大，同時(shí)也取得了一定的成果，但鎂渣問(wèn)題并非一時(shí)之事，未來(lái)依然有很長(zhǎng)一段路要走。總結(jié)來(lái)說(shuō)，鎂渣問(wèn)題主要存在如下幾大難點(diǎn)：鎂渣具有火山灰活性這一基本特性，但并不是一種典型的活性材料，相比于粉煤灰而言小更為微弱；鎂渣可以作為礦化劑使用，但對(duì)應(yīng)的利用率較低；所得到的科研成果適應(yīng)性不足，僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，此外國(guó)家相關(guān)政策也相對(duì)缺乏。基于上述問(wèn)題，提出了四種解決方案：①鎂企業(yè)應(yīng)全面發(fā)揮出市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)與高校合作的方式建立科研平臺(tái)，依托于強(qiáng)大的科研力量提升科研成果的可行性，將其推行至市場(chǎng)環(huán)境中，最終實(shí)現(xiàn)商品化目的。②鎂企業(yè)積極開(kāi)闊思路，延展產(chǎn)品鏈，基于對(duì)鎂渣的研磨處理，可以作為副產(chǎn)品進(jìn)行銷(xiāo)售。③注重對(duì)鎂渣應(yīng)用的研究工作，投入大量的資金，引入高技術(shù)人才。④在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，鎂工業(yè)的發(fā)展均建立在犧牲環(huán)境的基礎(chǔ)上，從而引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。對(duì)此，我國(guó)應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)政策，對(duì)鎂渣研究工作給予一定扶持。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，鎂工業(yè)的高速發(fā)展隨之引發(fā)了鎂渣堆積問(wèn)題，從而對(duì)環(huán)境造成污染。因此有必要對(duì)鎂渣的應(yīng)用方法進(jìn)行研究，盡管當(dāng)前已經(jīng)取得了一些成果，但依然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，要想實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化目標(biāo)依然任重而道遠(yuǎn)。此時(shí)，國(guó)家應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，鎂企業(yè)應(yīng)加大對(duì)鎂渣應(yīng)用的研究工作，互相攜手做好鎂渣的利用工作，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境保護(hù)的雙贏效果。