葛利杰，楊鼎宜，李浩，王雯花，婁翔，王博

（揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

0 引言

鎳渣是鎳冶煉廠和不銹鋼冶煉廠排放的一種工業(yè)廢渣，主要形成過程之一是將熔融態(tài)的鎳鐵渣經水淬急冷后使之形成?；癄t渣。鎳渣的化學成分因鎳礦來源和冶煉工藝的不同而存在較大差異，但主要成份為SiO2和Fe2O3。 鎳渣通常呈球形顆粒狀，粒徑變化范圍為0～5 mm，顏色為墨綠色。水淬急冷的鎳渣脆性好，含有較多玻璃體，具有一定的活性；而慢冷的鎳渣含玻璃體很少，也基本不具有活性。

雖然我國在鎳礦和鎳冶煉企業(yè)的數(shù)量上不占優(yōu)勢，但鎳礦儲量和鎳礦生產的實力較強，其中金川集團已位于世界前10名。 金川鎳銅礦的資源量有5.2×108 t， 由于每生產1 t鎳就要排出6～16 t的閃速熔爐水淬渣，造成冶煉廠每年排出鎳銅渣2.5×106 t。雖然鎳銅渣中含鐵不少，一定程度上可以利用水淬鎳渣提鐵， 但提鐵后每年仍排出鎳渣尾砂廢棄物1.25×106 t。由于利用途徑少，技術不成熟，年利用率還不到10%， 至2012年累計近3.3×107 t的鎳渣被堆放在露天渣場上，在占用大量土地的同時，還造成了極大的環(huán)境污染[1]。 廢渣的有效處置和綜合利用迫在眉睫。本文綜述了目前國內外對鎳渣的綜合利用情況，以此對今后鎳渣的利用研究能有所幫助。

1 鎳渣的膠凝機理和水化特性

趙鐵城[2]在對鎳渣膠凝機理的研究中發(fā)現(xiàn)，水淬鎳渣的膠凝性需對其磨細和活性激發(fā)這一系列處理后才能呈現(xiàn)出來。 鎳渣中的主要活性物質是SiO2和Al2O3，CaO含量偏低并遠低于水泥， 所以只有SiO2和Al2O3含量高的磨細活化水淬鎳渣才具有一定的膠凝性。

肖忠明[3]等在對水泥的宏觀和微觀性能研究分析表明，鎳渣初期活性低，后期活性發(fā)展較快。鎳渣中含量較高的Fe活性物質，能夠代替Al參與形成AFt，鎳渣中含Al較少，但隨著鎳渣摻量的增加，水泥膠砂變得干燥，收縮能保持穩(wěn)定，即鎳渣的摻入對水泥膠砂的穩(wěn)定性有積極作用。

Zaharaki[4]等所檢測的鎳渣中含有43.83%的Fe2O3和32.74%的SiO2，為鎳渣的主要成分，其中Fe2O3對無機聚合物的形成有促進作用，并能增加聚合材料的后期強度，即Fe2O3能增強水泥砂漿的膠凝性，促進其后期強度的發(fā)展。

2 鎳渣綜合利用現(xiàn)狀

鎳渣目前被用于井下填充、建筑材料以及有價金屬回收等方面。建筑材料方面的利用包括作混凝土粗、細集料，生產水泥熟料，作為混合材生產水泥、建筑砌塊等。有價金屬回收主要用浸酸工藝，在回收過程中會產生大量廢酸液，廢酸液的處理與排放便會產生新的問題。 與之相比，用作井下充填材料和建筑材料是更“清潔”的方式。

2.1 在井下充填方面的運用

鎳渣用作井下充填膠結料主要是為了解決以熔融態(tài)鎳渣提鐵后產生的大量水淬二次渣的處理問題而進行的研究， 且研究和利用已經較為成熟。解決鎳渣活性低的方法是以脫硫石膏和電石渣為主激發(fā)劑，硫酸鈉及水泥為輔激發(fā)劑來發(fā)揮鎳渣的活性。

高術杰[5]等主要研究了鎳渣在激發(fā)劑激發(fā)下的水化機理。 結果表明：膠凝物質的產生一是反應生成大量鈣礬石，二是由于鈣、鎂離子因[SiO4]4-和[AlO4]5-晶格的破壞而能直接參與反應，并水化成含有鈣、鎂離子的水化硅鋁酸鹽凝膠。

以王佳佳[6]、楊志強[1]、李克慶[7]為代表的三組研究人員主要研究在滿足靜載強度條件下確定了鎳渣、激發(fā)劑的最佳摻量，最佳細度及膠砂配比。 綜合三組的研究成果可以得出結論： 機械活化以磨細到比表面積分別為620 m2/kg的鎳渣尾礦、200 m2/kg的脫硫石膏、200 m2/kg的電石渣、300 m2/kg的水泥熟料，并以二次鎳渣、脫硫石膏、電石渣、硫酸鈉、水泥熟料的質量分數(shù)分別為85%、5%、5%、3%、2%的配比作為膠凝材料， 另外添加0.156%的高效減水劑以增強性能， 再與棒磨砂以1∶4的比例配制成質量分數(shù)為79%的膠結料所表現(xiàn)出的抗壓和抗折強度是最理想的， 完全滿足井下充填膠結體的強度要求。

張福利[8]等試驗驗證了以此摻量及配比生產出的充填膠結料在靜載和動載下的強度是符合生產實際要求的，研究結果表明，以1∶4的膠砂配比制作的充填體在動態(tài)加載條件下的28 d抗壓強度、抗拉強度、 抗剪強度分別比靜態(tài)加載條件下的高57%、72%、127%,其中抗拉強度、抗剪強度的增加趨勢更為明顯。

2.2 在建筑材料方面的運用

2.2.1 作水泥混凝土集料

Wang[9]主要研究了鎳渣作為粗集料摻入到混凝土中對混凝土體積穩(wěn)定以及強度的影響。 試驗測量了粗鎳鐵渣的膨脹力，建立了鎳鐵渣顆粒、單位體積鎳鐵渣與膨脹率的關系。 通過鎳鐵渣的體積與粒徑的關系曲線上得出最大控制膨脹力， 并以CaO/MgO含量作為鎳鐵渣使用范圍的標準。

Maragkos[10]等用XRD和SEM技術手段分析了鎳渣作為集料制備出的聚合物的微觀組織結構。研究發(fā)現(xiàn)，在一定的合成條件下可用鎳渣制備出結構緊密，吸水率低，抗壓強度達到118 MPa的膠凝材料。

Shoya[11]等研究了粉碎篩選后作為細集料的鎳渣所制備出的自密實混凝土的孔隙率和抗凍性能。研究表明，混凝土各項性能符合規(guī)范標準，且耐久性能提高。

唐天佼[12]以破碎鎳渣替換混凝土中天然砂，研究了新拌鎳渣混凝土的各項性能與普通混凝土的差異。 不管是試驗數(shù)據(jù)還是實踐運用均表明，鎳渣符合建筑用砂的各項指標要求。

單昌峰[13]等研究發(fā)現(xiàn)鎳渣的最佳摻量為50%，制成的混凝土試塊強度最高，超過50%時，鎳渣混凝土泌水嚴重， 骨料不能被完全包裹而裸露在外，新拌混凝土很難被振搗密實。摻加減水劑有利于增加鎳渣混凝土后期的強度，說明鎳渣的摻入沒有影響到減水劑與混凝土的相適應性。

樊佳磊[14]在吉林亞泰水泥有限公司在經過大量調研，采用石灰石、濕粉煤灰、鎳渣、石灰石的實施方案，在預分解窯水泥熟料生產線上生產出了高標號水泥熟料， 工業(yè)廢渣的摻配比例高達25%左右，取得了較好的社會效益和經濟效益。

朱長慶、劉玉峰[15]在現(xiàn)代化的窯外分解窯上生產水泥熟料中將粘土-鐵礦石配料替換為濕粉煤灰-鎳渣配料。 替換配料后，在原材料粉磨階段通過控制入磨粒度和粉磨細度以及改變原料的方法解決了入磨硅石難磨，物料粒徑大，粉煤灰水分高的問題，帶來了巨大的經濟效益。

2.2.2 作為混合材生產水泥

費文斌[16]等以少量熟料作為激發(fā)劑，綜合利用銅鎳渣、礦渣、鋼渣、電石渣、煤矸石等工業(yè)廢渣作為主要膠凝材料，進行少熟料水泥的研究。 研究表明，利用工業(yè)廢渣、鋼渣和礦渣組合或者礦渣和銅鎳渣組合生產少熟料水泥是完全可行的。試驗中銅鎳渣摻量至少達到了30%。

劉玉峰[17]等在吉林亞泰水泥有限公司將原來的粘土-鐵礦石配料替換為濕粉煤灰-鎳渣配料，并用工業(yè)廢渣作為礦物摻合料，在現(xiàn)代化的窯外分解窯及大型中卸烘干磨上生產水泥。 所生產的P·C32.5R復合硅酸鹽水泥，P·O32.5R普通硅酸鹽水泥及P·O42.5以上品種的水泥取得了成功。但由于鎳渣活性較低的緣故， 水泥生產配料中鎳渣摻量最多只摻到10%。

Dourdounis[18]等采用細磨后的鎳鐵渣制備高鋁水泥，并對熔煉溫度和冷卻速度對氧化鐵和二氧化硅含量影響進行了分析，實驗結果表明所制備高鋁水泥是能滿足商業(yè)高鋁水泥要求的。

2.2.3 生產建筑砌塊

鎳渣具有潛在活性，在激發(fā)劑的作用下可以作為膠凝材料， 同時破碎分級后的鎳渣又可以作為粗、細集料，利用鎳渣這兩方面的優(yōu)點生產建筑砌塊將提高鎳渣的利用率。 徐彬[19]等制作的建筑砌塊中膠凝材料為5%的堿性激發(fā)劑、18%的校正劑以及77%的磨細鎳礦渣，粗集料為破碎后的礦渣。 該建筑砌塊中鎳礦渣摻量達94%，而其抗壓強度則達28.9 MPa。 這種利用方式充分利用了鎳渣的優(yōu)點，提高了鎳渣的利用率。2.2.4 制作微晶玻璃

王中杰[20]等利用金川公司閃速爐熔煉后的水淬渣，按鎳渣：高爐礦渣：石英粉為25∶75∶10的配比混磨， 并以一定工藝研制出了鎳渣-高爐礦渣微晶玻璃。試驗表明，以鎳渣、高爐礦渣為主要原料的微晶玻璃具有優(yōu)良的力學性能，同時具備耐酸、耐堿性能。

2.3 提取鎳渣中的金屬

鎳渣中含量較高的金屬有Ni、Cu、Co等， 目前主要用浸酸法進行提純。 王寧[21]等研究出從鎳渣中回收硫酸鎳、硫酸銅、硫酸鈷的工藝。工藝用酸浸的方法將鎳渣中的鎳、銅、鈷元素以離子形式溶于酸液中，再進行分離和提純，最終得到結晶脫水后的硫酸鎳、硫酸銅、硫酸鈷。但是隨著生產工藝的不斷先進，鎳渣中的有用金屬含量將越來越少，逐漸失去提取價值。

3 發(fā)展趨勢

現(xiàn)有研究表明，鎳渣符合建筑用砂的各項指標要求，將鎳渣和天然砂按一定比例混合配制的混凝土，與天然砂配制的混凝土性能基本一致。同時，水淬急冷的鎳渣具有潛在的水硬性，通過機械粉磨和化學激發(fā)能使鎳渣的活性發(fā)揮出來。雖然膠凝性遠低于水泥，但和其它如鋼渣、礦渣、粉煤灰等作混合摻料生產出的水泥是達到且優(yōu)于國家標準的。綜合鎳渣這兩方面的優(yōu)點，生產的商品混凝土將是鎳渣綜合利用的發(fā)展趨勢。由于磨細鎳渣粉的微集料效應，能夠提高水泥漿體流動性及增強硬化漿體的作用，所以在泵送混凝土和高性能混凝土上的潛力也不容忽視。 除此之外，根據(jù)鎳渣在生產建筑砌塊上的優(yōu)良表現(xiàn)，利用其生產路面磚或其他墻體材料也是可行的。

4 結語

眾多研究表明，鎳渣的活性較低，主要原因是經水淬急冷的鎳渣，其玻璃相中只含有少量的能表現(xiàn)出潛在水硬性的氧化鈣和氧化鋁。雖然通過物理粉磨和化學激發(fā)能發(fā)揮鎳渣的部分活性，但物理粉磨和化學激發(fā)又會帶來其他的問題。一方面由于鎳渣粉磨過程中容易發(fā)生包球現(xiàn)象， 易磨性較差，而鎳渣的活性指數(shù)又是隨著比表面積的增大而提高，即鎳渣需要粉磨到一定細度才能充分發(fā)揮活性（即使是比表面積達到471 m2/kg，其28 d的活性指數(shù)也僅為67.7%[22]）,所以粉磨能耗大、成本高的缺點顯而易見。另一方面，化學激發(fā)用到的堿性激發(fā)劑，例如石膏、 水玻璃硫酸鈉、 水泥的水化產物Ca(OH)2等，這些激發(fā)劑雖然在一定程度上提高了鎳渣粉的活性， 但作為礦物摻合料運用到建筑材料上時，也會帶來一系列諸如堿骨料反應、抗硫酸鹽侵蝕性能下降、外加劑相容性變差等隱患。 在物理粉磨和化學激發(fā)之間找到平衡點，使兩方面問題帶來的利用成本降到最低，是今后鎳渣綜合利用的技術難點。

[1]楊志強,高謙,王永前,等.利用金川水淬鎳渣尾砂開發(fā)新型充填膠凝劑試驗研究[J].巖土工程學報.2014,36(8)：128-136.

[2]趙鐵城. 鎳水淬渣的膠凝機理[J]. 有色金屬(礦山部分)，1994(1)：9-12.

[3]肖忠明,王盺,霍春明，等. 鎳渣水化特性的研究[J]. 廣東建材，2009,(9):9-12.

[4]Zaharaki D, Komnitsas K. Effect of additives on the compressive strength of slag -based inorganic polymers[J]. Global NEST Journal, 2009，11（4）：510.

[5] 高術杰,倪文,李克慶,等. 用水淬二次鎳渣制備礦山充填材料及其水化機理[J]. 硅酸鹽學報. 2013，41（5）：44-51.

[6]王佳佳,劉廣宇,倪文,等.激發(fā)劑對金川水淬二次鎳渣膠結料強度的影響[J].金屬礦山，2013(4)：159-163.

[7]李克慶,馮琳,高術杰. 鎳渣基礦井充填用膠凝材料的制備[J]. 工程科學學報，2015(1):3-8.

[8]張福利,倪文,高術杰,等.鎳渣膠結充填體動靜加載狀態(tài)下的強度特性[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2014(10)：27.

[9] Wang G. Determination of the expansion force of coarse steel slag aggregate[J].Construction and Building Materials，2012,24(10):1961-1966.

[10] Maragkos I,Giannopoulou I P, Panias D. Synthesis of ferro-nickel slag-based geopolymers[J].Minerals Engineering，2009,22(2):196-203.

[11]Shoya M, Aba M, Tsukinaga Y,et al. Frost resistance and air void system of self-compacting concrete incorporating slag as a fine aggregate [J]. ACI Special Publication， 2003,212.

[12]唐天佼. 鎳渣在混凝土中的應用研究[J]. 商品混凝土，2014(2)：49-50.

[13]單昌鋒,王鍵,鄭金福，等. 鎳渣在混凝土中的應用[J]. 硅酸鹽通報，2012,5(31):1264-1268.

[14]樊佳磊,李海寧. 使用鎳鈦渣配料生產優(yōu)質水泥熟料[J]. 水泥，2004(5)：24-26.

[15]朱長慶,劉玉峰.利用濕粉煤灰、鎳渣雙摻生產水泥的試驗與生產[J].新世紀水泥導報，2005（6）：17-21.

[16]費文斌,張述善,馬秋新,等. 少熟料水泥的試驗研究[J]. 新世紀水泥導報，2000(3)：30-32.

[17]劉玉峰,朱小東. 利用濕粉煤灰、鎳渣、鐵礦石配料及用工業(yè)廢渣做混合材雙摻生產水泥的研究[J].中國水泥，2004(4)：43-48.

[18]Dourounis E, StivanakisS V,Angelopoulos G N,et al. High-alumina cement production from FeNi-ERF slag,limestone and diasporic bauxite[J]. Cement and concrete research,2004,34(6):941-947.

[19] 徐彬,張?zhí)焓?鄧國柱,等. 用鎳礦渣生產建筑砌塊研究[J]. 環(huán)境工程，1998，16(4)：63-66.

[20] 王中杰,倪文,伏程紅,等. 鎳渣-高爐礦渣微晶玻璃的制備與研究[J]. 礦物學報， 2010(S1)：54-55.

[21] 王寧,陸軍,施捍東. 有色金屬工業(yè)冶煉廢渣－鎳渣的綜合利用[J]. 環(huán)境工程，1994，12(1)：58-59.

[22] 楊全兵,羅永斌,張雅欽，等. 鎳渣的粉磨特性和活性研究[J]. 粉煤灰綜合利用， 2013(2):23-26.