金属镁渣的回收利用现状

章启军，刘育鑫，吴玉锋

（1.北京工业大学循环经济研究院，北京 100024；2.北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100024）

镁和镁合金因其优异的性能已成为现代汽车、电子、通信等行业的首选材料，被人们誉为“21世纪的绿色工程材料”。20世纪90年代以来，工业发达国家高度重视镁合金的研究与开发，美国、日本、德国、澳大利亚等国相继出台了各自的镁研究计划，把镁原料作为21世纪的重要战略物资，加强了镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天领域的应用开发研究。

中国是镁资源大国，很多优质炼镁原料在中国的储量十分丰富。由于我国在镁合金应用领域的开拓严重滞后及镁深加工能力的不足，镁工业还是以生产原镁为主，其中95％的原镁是采用皮江法生产，皮江法不仅高能耗，而且会造成严重的环境污染[1]。金属镁企业每生产1 t粗镁，同时会产生6～10 t的镁渣。镁渣在镁工业中属于废品，且存在以下危害：（1）镁渣为粉尘物，其中直径小于150 μm的颗粒超过60％，悬浮在空气中很难沉降，在自然环境中极易形成粉尘污染，吸入呼吸道，会造成呼吸道疾病；（2）镁渣具有很强的吸潮性，易使土壤盐碱化，造成土壤板结，堆积过镁渣的土地及其周边基本无法用于农业耕种，会造成大量的农田减少。因此如何有效合理地处理、开发利用镁渣，达到节约能源、节约资源、变废为宝和变害为利的目的，是当前迫切需要解决的问题。

1 镁渣的利用研究

我国目前已有不少单位和学者（如：武汉理工大学、江西建筑科学研究院、合肥水泥研究院和西南工学院等）对镁渣的应用进行了研究和试验，主要集中在以下几个方面。

1.1 镁渣在煅烧水泥熟料中的应用

詹学斌等[2]对利用镁渣作原料生产水泥进行了研究，结果表明，掺入镁渣后，出窑熟料安定性合格率大幅度提高，特别是早期强度提高幅度较大，表1为生产线上掺入镁渣前后的熟料物理性质的对比。

表1 熟料物理性能

范立卫等[3]将镁渣应用于水泥生料并进行试烧试验，结果表明，当掺入的镁渣量不同时，熟料的质量也有所不同，镁渣掺量为1.5％时，熟料的3 d和28 d抗折、抗压强度较高；在随后的试生产中，当生料中掺入1.5％的镁渣作矿化剂时，立窑台时产量提高18％，熟料标准煤耗降低14％，熟料的f-CaO控制在2.5％以下，熟料的强度一般保持在60 MPa以上。姚洪敏等[4]将镁渣配料应用于1 000 t/d预分解窑上的生产实践，经过多次调整优化，生产出优质的硅酸盐水泥熟料，镁渣配料后熟料的易磨性、易烧性都有明显改善，强度也明显提高，并且水化凝结时间缩短。

镁渣掺加到水泥生料中，虽然能够提高煅烧熟料的质量以及减少能耗，但是由于镁渣在生料中或者替代部分石灰石和粘土，或者作矿化剂，其掺加量会受到很大的限制，消耗的镁渣量很少。

1.2 镁渣做水泥混合材的研究

邓军平等[5]研究了镁渣和矿渣对复合水泥性能的影响，结果表明，当镁渣掺量20％，矿渣掺量30％时制备的复合水泥28 d抗折强度达9.10 MPa，抗压强度达42.53 MPa，达到了国标42.5R型复合硅酸盐水泥要求；但是掺加镁渣和矿渣制备的复合水泥早期强度较低，凝结时间偏长；随着镁渣矿渣比值（MS/BS）增加，水泥强度逐渐降低，凝结时间延长。针对这种缺陷，赵海晋等[6]提出一些技术措施：优化熟料矿物组成，掺加煅烧石膏，优化水泥的颗粒级配等。

生产镁渣复合硅酸盐水泥，其掺量范围受到水泥中方镁石含量的限制。2009年通过审查的国家标准《镁渣硅酸盐水泥》特别提出，对于镁渣带入的氧化镁要严格控制，标准中明确限定了镁渣的掺量，这在保证水泥质量的前提下使镁渣得到了合理利用。

1.3 利用镁渣研制墙体材料

陈恩清等[7]探讨了以镁渣和粉煤灰为主要原材料生产加气混凝土砌块的工艺，采用该工艺生产的加气混凝土砌块性能符合GB11969-1997《蒸压加气混凝土砌块》的要求，且能有效治理镁冶炼生产过程中所产生的固体废弃物。赵爱琴等[8]提出以镁渣和矿渣为基本组分，掺以活性激发剂配制而成的金属镁渣胶结材用于生产工业及民用建筑墙体材料。其处理的工艺流程为：金属镁渣陈化及活化处理—原料配比计量—轮碾搅拌—振压成型—养护—检验；采用此工艺生产的240 mm×115 mm×53 mm标准砖和 390 mm×190 mm×190 mm空心砌块均达到了相关标准要求。镁渣胶结材料的生产工艺简单，成本低廉，产品性能优良，为墙体材料改革提供全新的思路。

1.4 镁渣在煤脱硫方面的应用

李经宽等[9]对镁渣在不同氧气含量、不同粒径、不同反应温度条件下的脱硫性能进行研究，结果表明，镁渣脱硫的最佳温度为900℃，正好处在循环流化床锅炉燃烧温度范围内（850～950℃），脱硫率可达到76.5％；粒径对脱硫效率的影响很明显，应尽量选用粒径小的镁渣进行脱硫，并且适量的空气过量系数，可以提高镁渣的脱硫效率。樊兆燕等[10]对镁渣用于湿法脱硫进行了试验研究，结果表明，镁渣的消溶特性受温度、浆液pH值、粒径以及消溶时间等诸多因素的影响。

利用镁渣进行煤脱硫的缺点是镁渣的消耗量不大，并且这种应用仅仅利用了镁渣中的CaO和MgO，其中占30％的SiO2等物质没有得到利用，这有可能导致最终形成二次废渣。

1.5 镁渣应用于混凝土膨胀剂

崔自治等[11]通过镁渣形成过程、组成、粉化、颗粒分析和安定性试验找出了镁渣体积膨胀性和膨胀滞后性的机理，镁渣颗粒粗以及f-CaO和MgO含量高是产生膨胀性危害和膨胀滞后性的主要原因；实际生产应用中可以通过磨细粒状渣、掺加其他活性掺合料、充分陈伏、添加引气剂、加快出罐冷却速度等方法来减轻镁渣膨胀带来的危害。南峰等[12]采用镁渣及其激发剂配制混凝土膨胀剂，并按照混凝土膨胀剂标准测试限制膨胀率及胶砂试件强度，结果表明，单独使用镁渣制备混凝土膨胀剂，水中养护7d的限制膨胀率达不到JC476-2001标准0.025％的要求，添加激发剂后可以显著提高镁渣的早期膨胀性能，并且各龄期的限制膨胀率及强度均符合混凝土膨胀剂的标准要求。

1.6 利用镁渣研制环保陶瓷滤料

徐晓虹等[13]对利用镁渣研制新型环保陶瓷滤料进行了研究，将镁渣直接磨细与一定比例的磨细成孔剂及天然抗物烧结助剂混合，然后经过成球、干燥，并在隧道窑或梭式窑中于1 050～1 150℃烧成，得到环保陶瓷滤料。此方法的镁渣利用效率高，且所烧成的陶瓷滤料抗压强度达20 MPa，气孔率为37％，耐酸性为99.4％，耐碱性为99.9％，是一种具有广泛应用价值的高品质滤料，把该镁渣陶瓷滤料用于某油田含油废水处理，其水处理结果达到《碎屑岩油藏注水质推荐指标及分析方法SY5329-94》规定的A1标准，见表2。用镁渣为原料做环保陶瓷滤料，能以废治废，既节省了镁渣的处理费用，又能对各种废水进行有效处理，是一种较佳的镁渣再生利用方案。

表2 镁渣陶瓷滤料处理某油田含油废水的实验结果

1.7 镁渣作为路用材料

张习贤等[14]对镁渣作为路用材料进行了室内试验，得出镁矿渣掺加5％石灰或2％水泥稳定土，完全可以用做高级或者次高级路面的基层，镁矿渣经过球磨机或其他工艺磨碎后，其路用效果会更好，细度应小于0.9 mm为宜，在随后进一步铺筑试验路的检验中，证明镁矿渣稳定土有很好的路用技术性能。镁渣可作为良好的路用材料在于镁矿渣中钙镁的含量很高，且具有比较高的活性，在基层中与土反应，生成不溶性含水硅酸钙与含水铝酸钙，呈凝胶状态或纤维状结晶体，使混合料颗粒之间的联结和粘结力加强，随着龄期的增长，这些水化物日益增多，使镁矿渣混合料基层获得越来越大的抵抗荷载作用的能力。

1.8 利用镁渣改善沥青粘结性

杜强等[15]研究了镁渣对沥青常规指标的影响，结果表明，粉胶比对改性沥青性能的影响最显著，其次是镁渣取代率，最后是细度。崔永成等[16]运用直剪试验方法，将镁渣与水泥、粉煤灰分别复合，分析研究复合比对沥青粘结性的影响规律，探讨相互作用机理，通过试验研究发现，镁渣与粉煤灰复合可以提高沥青的温度稳定性，沥青的粘性略有降低，总体上抵抗剪切变形和剪切破坏的能力提高；镁渣与水泥复合沥青胶浆的粘聚力减小，适当的水泥可以改善沥青胶浆的高温性质，而水泥过多则不利。

2 结语

虽然我国对镁渣的应用研究相对滞后，但通过科研和生产工作者的不懈努力，镁渣开始应用于工业生产并取得显著的成效。这对于节约资源和保护环境起到了很好的示范作用，并为以后进行深入研究打下了良好的基础。但目前已经实现工业化生产的金属镁渣应用途径比较少，主要集中于建材产品、墙体材料等领域，且镁渣的利用率不大。因此，在拓宽镁渣应用领域、加大镁渣利用率等方面还需要科研和生产工作者进行大胆创新和不懈努力。可以确信，随着研究的不断深入，镁渣的综合应用治理必将取得实质性的进展。

[1] 杨重愚.轻金属冶金学[M].北京：冶金工业出版社，1991.

[2] 詹学斌，孟祥金.利用镁渣代替部分原料配料煅烧熟料[J].水泥，1997(6)：8-9.

[3] 范立卫，王筱琳.金属镁渣在水泥生产中的应用研究[J].四川水泥，2000(3)：8-10.

[4] 姚洪敏，李安民，郭鹏，等.镁渣配料在1 000 t/d预分解窑上的生产实践[J].水泥，2008(3)：18-20.

[5] 邓军平，陈新年，郭一萍.镁渣和矿渣对复合水泥性能的影响[J].西安科技大学学报，2008，4(28)：735-739.

[6] 赵海晋.利用镁渣制造水泥的研究和应用[D].西安：西安建筑科技大学材料科学与工程学院，2007.

[7] 陈恩清.镁渣无粉尘收集和生产加气混凝土砌块工艺[J].新型建筑材料，2007(5)：59-61.

[8]赵爱琴.利用镁渣研制新型墙体材料[J].山西建筑，2003，17(29)：48-49.

[9] 李经宽，乔晓磊，金燕.金属镁渣作为脱硫剂的性能实验研究[J].太原理工大学学报，2008，6(39)：573-575.

[10] 樊兆燕.工业废弃物用于湿法脱硫的试验研究[D].山东：山东大学能源与动力工程学院热能工程研究所，2008.

[11] 崔自治，倪晓，孟秀莉.镁渣膨胀性机理试验研究[J].粉煤灰综合利用，2006(6)：8-11.

[12] 南峰，伍永华，李国新，等.利用镁渣制备混凝土膨胀剂[J].混凝土世界，2010，13：52-54.

[13]徐晓虹.利用镁渣制备环保陶瓷滤料的方法[P].中国专利：101428187A，2009-05-13.

[14] 张习贤，梁全富.工业废料镁矿渣的路用研究[J].中南公路工程，1997，2(22)：35-40.

[15] 杜强，崔自治，赵伟，等.镁渣改性沥青性能的试验研究[J].新型建筑材料，2010(2)：58-60，74.

[16] 崔永成，崔自治，崔彬等.镁渣与水泥、粉煤灰复合改善沥青粘结性研究[J].粉煤灰综合利用，2009(5)：11-13.