镍渣综合利用技术综述

葛利杰，杨鼎宜，李浩，王雯花，娄翔，王博

（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

0 引言

镍渣是镍冶炼厂和不锈钢冶炼厂排放的一种工业废渣，主要形成过程之一是将熔融态的镍铁渣经水淬急冷后使之形成粒化炉渣。镍渣的化学成分因镍矿来源和冶炼工艺的不同而存在较大差异，但主要成份为SiO2和Fe2O3。 镍渣通常呈球形颗粒状，粒径变化范围为0～5 mm，颜色为墨绿色。水淬急冷的镍渣脆性好，含有较多玻璃体，具有一定的活性；而慢冷的镍渣含玻璃体很少，也基本不具有活性。

虽然我国在镍矿和镍冶炼企业的数量上不占优势，但镍矿储量和镍矿生产的实力较强，其中金川集团已位于世界前10名。 金川镍铜矿的资源量有5.2×108 t， 由于每生产1 t镍就要排出6～16 t的闪速熔炉水淬渣，造成冶炼厂每年排出镍铜渣2.5×106 t。虽然镍铜渣中含铁不少，一定程度上可以利用水淬镍渣提铁， 但提铁后每年仍排出镍渣尾砂废弃物1.25×106 t。由于利用途径少，技术不成熟，年利用率还不到10%， 至2012年累计近3.3×107 t的镍渣被堆放在露天渣场上，在占用大量土地的同时，还造成了极大的环境污染[1]。 废渣的有效处置和综合利用迫在眉睫。本文综述了目前国内外对镍渣的综合利用情况，以此对今后镍渣的利用研究能有所帮助。

1 镍渣的胶凝机理和水化特性

赵铁城[2]在对镍渣胶凝机理的研究中发现，水淬镍渣的胶凝性需对其磨细和活性激发这一系列处理后才能呈现出来。 镍渣中的主要活性物质是SiO2和Al2O3，CaO含量偏低并远低于水泥， 所以只有SiO2和Al2O3含量高的磨细活化水淬镍渣才具有一定的胶凝性。

肖忠明[3]等在对水泥的宏观和微观性能研究分析表明，镍渣初期活性低，后期活性发展较快。镍渣中含量较高的Fe活性物质，能够代替Al参与形成AFt，镍渣中含Al较少，但随着镍渣掺量的增加，水泥胶砂变得干燥，收缩能保持稳定，即镍渣的掺入对水泥胶砂的稳定性有积极作用。

Zaharaki[4]等所检测的镍渣中含有43.83%的Fe2O3和32.74%的SiO2，为镍渣的主要成分，其中Fe2O3对无机聚合物的形成有促进作用，并能增加聚合材料的后期强度，即Fe2O3能增强水泥砂浆的胶凝性，促进其后期强度的发展。

2 镍渣综合利用现状

镍渣目前被用于井下填充、建筑材料以及有价金属回收等方面。建筑材料方面的利用包括作混凝土粗、细集料，生产水泥熟料，作为混合材生产水泥、建筑砌块等。有价金属回收主要用浸酸工艺，在回收过程中会产生大量废酸液，废酸液的处理与排放便会产生新的问题。 与之相比，用作井下充填材料和建筑材料是更“清洁”的方式。

2.1 在井下充填方面的运用

镍渣用作井下充填胶结料主要是为了解决以熔融态镍渣提铁后产生的大量水淬二次渣的处理问题而进行的研究， 且研究和利用已经较为成熟。解决镍渣活性低的方法是以脱硫石膏和电石渣为主激发剂，硫酸钠及水泥为辅激发剂来发挥镍渣的活性。

高术杰[5]等主要研究了镍渣在激发剂激发下的水化机理。 结果表明：胶凝物质的产生一是反应生成大量钙矾石，二是由于钙、镁离子因[SiO4]4-和[AlO4]5-晶格的破坏而能直接参与反应，并水化成含有钙、镁离子的水化硅铝酸盐凝胶。

以王佳佳[6]、杨志强[1]、李克庆[7]为代表的三组研究人员主要研究在满足静载强度条件下确定了镍渣、激发剂的最佳掺量，最佳细度及胶砂配比。 综合三组的研究成果可以得出结论： 机械活化以磨细到比表面积分别为620 m2/kg的镍渣尾矿、200 m2/kg的脱硫石膏、200 m2/kg的电石渣、300 m2/kg的水泥熟料，并以二次镍渣、脱硫石膏、电石渣、硫酸钠、水泥熟料的质量分数分别为85%、5%、5%、3%、2%的配比作为胶凝材料， 另外添加0.156%的高效减水剂以增强性能， 再与棒磨砂以1∶4的比例配制成质量分数为79%的胶结料所表现出的抗压和抗折强度是最理想的， 完全满足井下充填胶结体的强度要求。

张福利[8]等试验验证了以此掺量及配比生产出的充填胶结料在静载和动载下的强度是符合生产实际要求的，研究结果表明，以1∶4的胶砂配比制作的充填体在动态加载条件下的28 d抗压强度、抗拉强度、 抗剪强度分别比静态加载条件下的高57%、72%、127%,其中抗拉强度、抗剪强度的增加趋势更为明显。

2.2 在建筑材料方面的运用

2.2.1 作水泥混凝土集料

Wang[9]主要研究了镍渣作为粗集料掺入到混凝土中对混凝土体积稳定以及强度的影响。 试验测量了粗镍铁渣的膨胀力，建立了镍铁渣颗粒、单位体积镍铁渣与膨胀率的关系。 通过镍铁渣的体积与粒径的关系曲线上得出最大控制膨胀力， 并以CaO/MgO含量作为镍铁渣使用范围的标准。

Maragkos[10]等用XRD和SEM技术手段分析了镍渣作为集料制备出的聚合物的微观组织结构。研究发现，在一定的合成条件下可用镍渣制备出结构紧密，吸水率低，抗压强度达到118 MPa的胶凝材料。

Shoya[11]等研究了粉碎筛选后作为细集料的镍渣所制备出的自密实混凝土的孔隙率和抗冻性能。研究表明，混凝土各项性能符合规范标准，且耐久性能提高。

唐天佼[12]以破碎镍渣替换混凝土中天然砂，研究了新拌镍渣混凝土的各项性能与普通混凝土的差异。 不管是试验数据还是实践运用均表明，镍渣符合建筑用砂的各项指标要求。

单昌峰[13]等研究发现镍渣的最佳掺量为50%，制成的混凝土试块强度最高，超过50%时，镍渣混凝土泌水严重， 骨料不能被完全包裹而裸露在外，新拌混凝土很难被振捣密实。掺加减水剂有利于增加镍渣混凝土后期的强度，说明镍渣的掺入没有影响到减水剂与混凝土的相适应性。

樊佳磊[14]在吉林亚泰水泥有限公司在经过大量调研，采用石灰石、湿粉煤灰、镍渣、石灰石的实施方案，在预分解窑水泥熟料生产线上生产出了高标号水泥熟料， 工业废渣的掺配比例高达25%左右，取得了较好的社会效益和经济效益。

朱长庆、刘玉峰[15]在现代化的窑外分解窑上生产水泥熟料中将粘土-铁矿石配料替换为湿粉煤灰-镍渣配料。 替换配料后，在原材料粉磨阶段通过控制入磨粒度和粉磨细度以及改变原料的方法解决了入磨硅石难磨，物料粒径大，粉煤灰水分高的问题，带来了巨大的经济效益。

2.2.2 作为混合材生产水泥

费文斌[16]等以少量熟料作为激发剂，综合利用铜镍渣、矿渣、钢渣、电石渣、煤矸石等工业废渣作为主要胶凝材料，进行少熟料水泥的研究。 研究表明，利用工业废渣、钢渣和矿渣组合或者矿渣和铜镍渣组合生产少熟料水泥是完全可行的。试验中铜镍渣掺量至少达到了30%。

刘玉峰[17]等在吉林亚泰水泥有限公司将原来的粘土-铁矿石配料替换为湿粉煤灰-镍渣配料，并用工业废渣作为矿物掺合料，在现代化的窑外分解窑及大型中卸烘干磨上生产水泥。 所生产的P·C32.5R复合硅酸盐水泥，P·O32.5R普通硅酸盐水泥及P·O42.5以上品种的水泥取得了成功。但由于镍渣活性较低的缘故， 水泥生产配料中镍渣掺量最多只掺到10%。

Dourdounis[18]等采用细磨后的镍铁渣制备高铝水泥，并对熔炼温度和冷却速度对氧化铁和二氧化硅含量影响进行了分析，实验结果表明所制备高铝水泥是能满足商业高铝水泥要求的。

2.2.3 生产建筑砌块

镍渣具有潜在活性，在激发剂的作用下可以作为胶凝材料， 同时破碎分级后的镍渣又可以作为粗、细集料，利用镍渣这两方面的优点生产建筑砌块将提高镍渣的利用率。 徐彬[19]等制作的建筑砌块中胶凝材料为5%的碱性激发剂、18%的校正剂以及77%的磨细镍矿渣，粗集料为破碎后的矿渣。 该建筑砌块中镍矿渣掺量达94%，而其抗压强度则达28.9 MPa。 这种利用方式充分利用了镍渣的优点，提高了镍渣的利用率。2.2.4 制作微晶玻璃

王中杰[20]等利用金川公司闪速炉熔炼后的水淬渣，按镍渣：高炉矿渣：石英粉为25∶75∶10的配比混磨， 并以一定工艺研制出了镍渣-高炉矿渣微晶玻璃。试验表明，以镍渣、高炉矿渣为主要原料的微晶玻璃具有优良的力学性能，同时具备耐酸、耐碱性能。

2.3 提取镍渣中的金属

镍渣中含量较高的金属有Ni、Cu、Co等， 目前主要用浸酸法进行提纯。 王宁[21]等研究出从镍渣中回收硫酸镍、硫酸铜、硫酸钴的工艺。工艺用酸浸的方法将镍渣中的镍、铜、钴元素以离子形式溶于酸液中，再进行分离和提纯，最终得到结晶脱水后的硫酸镍、硫酸铜、硫酸钴。但是随着生产工艺的不断先进，镍渣中的有用金属含量将越来越少，逐渐失去提取价值。

3 发展趋势

现有研究表明，镍渣符合建筑用砂的各项指标要求，将镍渣和天然砂按一定比例混合配制的混凝土，与天然砂配制的混凝土性能基本一致。同时，水淬急冷的镍渣具有潜在的水硬性，通过机械粉磨和化学激发能使镍渣的活性发挥出来。虽然胶凝性远低于水泥，但和其它如钢渣、矿渣、粉煤灰等作混合掺料生产出的水泥是达到且优于国家标准的。综合镍渣这两方面的优点，生产的商品混凝土将是镍渣综合利用的发展趋势。由于磨细镍渣粉的微集料效应，能够提高水泥浆体流动性及增强硬化浆体的作用，所以在泵送混凝土和高性能混凝土上的潜力也不容忽视。 除此之外，根据镍渣在生产建筑砌块上的优良表现，利用其生产路面砖或其他墙体材料也是可行的。

4 结语

众多研究表明，镍渣的活性较低，主要原因是经水淬急冷的镍渣，其玻璃相中只含有少量的能表现出潜在水硬性的氧化钙和氧化铝。虽然通过物理粉磨和化学激发能发挥镍渣的部分活性，但物理粉磨和化学激发又会带来其他的问题。一方面由于镍渣粉磨过程中容易发生包球现象， 易磨性较差，而镍渣的活性指数又是随着比表面积的增大而提高，即镍渣需要粉磨到一定细度才能充分发挥活性（即使是比表面积达到471 m2/kg，其28 d的活性指数也仅为67.7%[22]）,所以粉磨能耗大、成本高的缺点显而易见。另一方面，化学激发用到的碱性激发剂，例如石膏、 水玻璃硫酸钠、 水泥的水化产物Ca(OH)2等，这些激发剂虽然在一定程度上提高了镍渣粉的活性， 但作为矿物掺合料运用到建筑材料上时，也会带来一系列诸如碱骨料反应、抗硫酸盐侵蚀性能下降、外加剂相容性变差等隐患。 在物理粉磨和化学激发之间找到平衡点，使两方面问题带来的利用成本降到最低，是今后镍渣综合利用的技术难点。

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