红土镍矿冶炼镍铁废渣综合利用研究综述

孔令军，赵祥麟，刘广龙

(金川镍钴研究设计院，甘肃 金昌 737100)

1 引言

近年来，随着红土矿火法冶炼镍铁合金规模逐步扩大，红土镍矿冶炼镍铁废渣(简称镍铁渣)的排放量逐渐增多[1]。2011年我国全年镍铁合金产量达25万吨(含镍量)[2]，伴随产生的固体废渣超过1500万吨，2015年，预计镍铁渣的总排放量将接近一亿吨，超过铜渣、锰渣等冶金渣的排放总量，约占到冶金渣总排放量的五分之一。与其它冶金渣相比，镍铁渣有价金属回收价值低，排渣量大，已逐步成为冶金废渣处理的一大难题。大量电炉冶炼镍铁渣的堆置和填埋，不仅占用土地、污染环境，还给镍铁冶炼的可持续发展带来严峻挑战。所以，镍铁冶炼行业急需为解决镍铁冶炼渣的“开路”问题进行科学系统的综合利用研究。镍铁冶炼废弃渣的综合利用研究，将为全国范围乃至全球大量的镍铁冶炼废弃渣的无害化、资源化处理提供坚实的基础。

2 电炉镍铁冶炼渣的组成

目前国内镍铁渣绝大多数是腐殖土型的红土矿在电炉还原熔炼镍铁的工艺过程中产生的，其原料和生产工艺基本相同，所以不同厂家产生电炉镍铁冶炼渣的组成基本相同，其主要成分是FeO，MgO和SiO2，次要成分是 Al2O3、Cr2O3、CaO 等，属于 FeO－MgO－SiO三元渣系，经SEM、MLA、XRD等检测表明，其主要的矿物组成是2FeO·SiO2、FeO·SiO2和MgO·SiO2。电炉镍铁冶炼渣的典型化学成分、矿物组成如表1、表2所示。

表1 电炉冶炼镍铁渣的化学成分(%)

表2 电炉冶炼镍铁渣的矿物组分(%)

3 镍铁渣综合利用的主要影响因素

(1)镍铁渣中可回收有价金属较少。镍铁渣中主要成分硅和镁的回收成本较高，相对其它冶金渣而言，综合利用渠道较少，目前对镍铁渣综合利用研究的主要方向多数集中在建材方面。

(2)镁高、钙低的特点导致镍铁渣活性较低，稳定性较差。镍铁渣不同于钢渣、高炉渣、锰渣等冶金废渣，镍铁渣硅、镁高、钙低的特点对其在建材方面的应用研究提出了新的难题。其含镁量约在30%(MgO)左右，对镍铁渣建材可能存在的溶胀性形成了极大的影响;活性指数低于50%，严重制约镍铁渣胶凝性。

表3 镍铁渣活性试验

(3)含铬较高。镍铁渣组分中，铬含量在1%(Cr2O3)左右，6价铬是冶金渣综合处理过程中环保评价的一个重要因素，因此在镍铁渣综合处理过程必须重视6价铬的浸出问题。

(4)磨细能耗大。易磨性检测结果表明，镍铁渣较石英石和水泥熟料的易磨性差，在磨细过程中能耗较大，成本高，这是影响镍铁渣综合利用经济性的一个重要因素。

表4 镍铁渣易磨性试验

(5)国内镍铁渣综合利用研究的重视程度较低。国内镍铁冶炼产业的大规模发展集中于近几年时间，镍铁渣综合利用研究起步较晚;其生产企业多为民营企业，投入的科研力量不足。所以，镍铁渣的综合利用研究在国内还没有得到足够的重视。

4 镍铁渣综合利用研究现状和研究成果

目前，镍铁渣的的处理方式主要以堆存和填埋为主，对镍铁渣的综合利用处于实验室研究阶段，研究内容主要集中于建材原料和矿物棉等方面。

4.1 镍铁渣生产水泥混合材

上世纪80年代初期、前苏联、日本、希腊等国家就开始了对镍铁渣的性能以及在水泥原料、混凝土原料、微晶玻璃等方面的综合利用研究和应用[3－6]，日本在上世纪90年代就成功地将镍铁渣应用于混凝土骨料[7]。我国对镍铁渣综合利用研究开始于近几年，邹立撰写的《利用镍铁渣引入氧化镁在立窑上的应用》[8]、王熔兰等撰写的《短流程镍铁生产工艺中含镍废渣的处置研究》[9]、万朝均等撰写的《镍铁合金矿热炉渣辅助胶凝材料的制备与性能》[10]等文献表明，镍铁渣在细磨至微粉后，可添加至水泥熟料中做水泥混合材，按照硅酸盐水泥国家标准的要求，其添加量可达8%。段光福[11]等在镍铁渣制备水泥混合材的研究中表明，镍铁渣具备火山灰活性，在水泥中添加量可达30%。金川镍钴研究设计院在镍铁渣制备水泥混合材的研究过程中发现，镍铁渣研磨至与水泥熟料相同的粒度时，虽然其活性指标达不到GB/T18046－2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉高炉矿渣粉》要求，但镍铁渣粉在水泥中添加量达到25%时，水泥各项指标符合P.O32.5水泥的要求。

表5 镍铁渣粉水泥混合材试验

4.2 镍铁渣制作矿物棉

何其捷摘译苏联的《镍铁渣制作矿物棉》[12]文献表明，由于镍铁渣的化学组成和物相组成接近辉石，含60%(SiO2+Al2O3)左右的镍铁渣在高温时粘结性较强.在生产温度范围内镍铁渣溶体具有很高的成纤特性，通过垂直喷吹法和离心喷吹法不需添加炉料便可获得镍铁渣纤维。镍铁渣纤维的耐热性为700℃，比高炉渣纤维高100℃，镍铁渣纤维在腐蚀介质中的化学稳定性也比高炉渣纤维高，这样使以镍铁渣纤维为主的矿棉制品的耐久性提高，比高炉渣矿物纤维具有更好的应用前景。

图1 镍铁渣矿物棉制造工艺流程

5 镍铁渣综合利用的发展方向

依据镍铁渣物化特性，开发掺和量大、产品市场空间大、低污染、低成本、低能耗、短流程的电炉镍铁冶炼渣处理新工艺与装备及其高效控制技术，努力使镍铁渣的综合利用变为有利可图的环保产业，是今后镍铁渣综合利用的必然趋势。

5.1 镍铁渣制备海底工程建筑材料或填海物料

镍铁渣是红土镍矿在高温还原熔炼提取镍铁后的废渣，具备一定的抗腐蚀性能和无害性，在对防腐和毒性浸出要求比较高的海底工程建筑材料和填海物料的应用方面具备一定的潜力。

5.2 镍铁渣制备混凝土砌块、蒸压砖、耐火砖、微晶玻璃等其他建筑材料

因镍铁渣与高炉水渣具备相似的冶炼工艺和物化特性，可以借鉴高炉水渣的综合利用成果，代替粘土、砂石或部分水泥用作胶凝材料或骨料，用镍铁渣制备混凝土砌块、蒸压砖、微晶玻璃等产品;利用镍铁渣中镁含量高的特点，开发镍铁渣在耐火砖、保温材料等方面的应用。

5.3 代替碎石做筑路材料与地基回填材料

镍铁渣具有比重大、抗压强度高、耐磨、抗化学侵蚀性、抗滑等性能，是良好的道路材料和铁路道碴材料。

5.4 建立镍铁渣相关标准及环境安全评价体系

镍铁渣可能成为一种新型的建材原料，镍铁渣水泥、镍铁渣砖、镍铁渣混凝土等产品必须经过相关的环保评价才能走向市场，建立技术和环保评判标准是今后镍铁渣能否实现高效综合利用的关键。

6 结语

镍铁渣综合利用具有良好的环保效益和社会效益，根据镍铁渣固有的物化性能对镍铁渣综合利用进行系统的规划和研究，生产出不同层次的产品，形成镍铁渣产品系列，最大限度地利用镍铁渣，减少废弃渣量，是今后镍铁生产企业持续发展的基础。

[1]肖安雄摘译.美国金属杂志对世界有色金属冶炼厂的调查第三部:镍红土矿[J].中国有色冶金.2008(4):1－5.

[2]许保见.我国镍铁行业发展现状.中国金属通报[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.

[6]Izet Ibrahimi，Musa Rizaj，Agim Ramadani.Research the possibility of transforming the ferronickel slag in the product with the economical and environmental importance[J].Environmental Application ＆ Science，2010(2):276－281.

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

[8]邹立.利用镍铁渣引入氧化镁在立窑上的应用[J].四川水泥.2008(5):31－32.

[9]王熔兰.短流程镍铁生产工艺中含镍废渣的处置研究[J].四川冶金.2008(2):58－59.

[10]万朝均等.镍铁合金矿热炉渣辅助胶凝材料的制备与性能[J].重庆大学学报.2010(1):119－123.

[11]段光福等.江西某红土镍矿冶炼炉渣作水泥混合材[J].金属矿山.2012(11):159－162.

[12]何其捷译.镍铁渣制作矿物棉[J].玻璃纤维.1990(4):35.