張 杰 薛曼齡 劉 猛

(1:北京市鋼鐵冶金節(jié)能減排工程技術研究中心 北京 100029；2：北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029)

1 前言

鎳鐵渣已成為我國繼鐵渣、鋼渣、赤泥之后的第四大冶煉渣。鎳鐵冶煉是冶金行業(yè)技術開發(fā)的一個重要方向，主要有高爐冶煉、電爐(礦熱爐)冶煉、回轉窯直接還原熔煉三種方式[1]。因國內(nèi)不銹鋼需求高，用高爐生產(chǎn)低品位鎳鐵仍有一定空間。以生產(chǎn)20%鎳鐵為例，鎳金屬的綜合回收率為90%時，渣的產(chǎn)生量至少在91%以上，且排渣溫度在1523-1626°C[2]。每年渣產(chǎn)量在3000萬噸以上[3]，預計總排放量一億多噸。蘊含巨大熱能的鎳鐵渣以填埋或堆砌的方式處理，占據(jù)大量土地，損失大量能源，并造成環(huán)境問題。與其它冶金渣相比，鎳鐵渣有價金屬回收價值低，排渣量大，已逐步成為冶金廢渣處理的一大難題。國內(nèi)外冶金行業(yè)對冶煉高溫鎳鐵渣能量利用及渣處理開始作為熱點研究。

本文從專利角度入手，分析鎳鐵渣技術領域的整體情況，總結鎳鐵渣技術研究現(xiàn)狀，并對檢索結果以及分析內(nèi)容進行總結和思考，為技術人員研究提供一定的借鑒參考。

2 鎳鐵渣技術專利分析

專利數(shù)據(jù)來源于中文專利文摘數(shù)據(jù)庫(CNABS)和專利之星專利檢索系統(tǒng)(CPRS)。在數(shù)據(jù)庫中對申請日在2018年10月20日前申請的鎳鐵渣專利以檢索式方式進行了檢索，檢索出專利522件，經(jīng)過篩選、去重、分類等處理，最終確定與鎳鐵渣密切相關的123件中國專利，作為分析對象。其中發(fā)明114件，實用新型9件，授權36件，駁回、撤回放棄的15件，進入公開、實質(zhì)審查階段的專利有72件。

本文基于國內(nèi)專利申請情況，從總體發(fā)展態(tài)勢、申請人、技術方向分布對此技術進行統(tǒng)計分析。

2.1專利總體年度分布

圖1顯示了國內(nèi)與鎳鐵渣處理及利用相關專利申請量的年度分布情況。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，該技術始于2007年，研究起步時間較晚。在2013年前處于低位發(fā)展，是探索期。隨著國內(nèi)關注度的提高，從2014年申請11件專利開始，進入一個高速發(fā)展期，申請專利量猛增，近五年申請專利109件，預計未來幾年，仍處于高位發(fā)展。

圖1 申請專利年度分布

2.2重點申請人分布

為了明確國內(nèi)該領域的技術研發(fā)的主體，整理歸納了國內(nèi)重點申請人，見圖2。排名列于前10名的申請人為中南大學、江蘇省冶金設計院有限公司、北京科技大學、河海大學、上海中冶環(huán)境工程科技有限公司、中冶寶鋼技術服務有限公司、山東理工大學、江蘇融達新材料股份有限公司、濟南大學、福建青拓鎳業(yè)有限公司。其中高校、企業(yè)各5家，專利數(shù)量均等。重點申請人中，中南大學、江蘇省冶金設備設計院有限公司申請量并居首位。申請人主要研究技術方向集中在鎳鐵渣中金屬的回收，如鎂、硅、鎳等、耐火材料、 泡沫磚、膠凝材料、陶瓷磚、冶煉助劑等。

2.3技術方向分布

對分析對象按照技術方向、應用領域進行了歸類、統(tǒng)計，見表1。從表中數(shù)據(jù)可知，鎳鐵渣專利技術分布于資源化綜合利用和渣的處理。資源化綜合利用主要研究其在建筑材料、混凝土、水泥、耐火或凝膠材料、微晶玻璃等方面的應用。渣處理為有用金屬的回收、渣的研磨、輸送、洗滌等工藝技術研究。

圖2 重點申請人分布

在資源化綜合利用方面，渣在建筑領域的應用研究最多。近兩年陸續(xù)出現(xiàn)了在脫硫材料、石油支撐劑、渣的余能余熱利用方面的應用研究。

表1 鎳鐵渣專利技術方向分布

3 鎳鐵渣利用重點技術現(xiàn)狀

鎳鐵冶煉技術涵蓋鎳鐵生產(chǎn)、煙氣處理及余熱回收、渣綜合利用等，以下對鎳鐵渣在建筑材料、混凝土、水泥、石油支撐劑、余熱利用等方面的應用進行闡述。

3.1鎳鐵渣在建筑材料中的應用

鎳鐵渣用于建筑材料的專利共計22件，其中僅5件專利授權，其余均處于公開、實質(zhì)審查階段。授權專利技術主要用于生產(chǎn)自保溫蒸壓磚、高強承載磚、鎂橄欖石輕質(zhì)隔熱磚、透水磚等各類性質(zhì)的磚。如貴州省工業(yè)固體廢棄物綜合利用(建材)工程技術研究中心開發(fā)的鎳鐵礦渣路面透水磚及其制備方法[4]，是將原料按照配比進行混合，并采用攪 拌機在30r/min的攪拌速度下攪拌均勻；再向其中加水，并控制加入的水與原料的比為0.23，繼續(xù)攪拌混合3min后，再將混合料送入成型壓磚機中壓制成型， 其中，壓制成型時，振壓頻率45Hz，振壓時間為8s；將成型后的磚坯標準養(yǎng)護至28天齡期，即可得到鎳鐵礦渣路面透水磚成品。通過采用的原材料中摻入75～85份的鎳鐵礦渣，使得鎳鐵礦渣的資源化利用顯著，節(jié)約了處理成本，有效地解決了鎳鐵礦渣難于處置的問題，減少了環(huán)境污染。

3.2鎳鐵渣生產(chǎn)混凝土

鎳鐵渣生產(chǎn)混凝土的專利共計11件，其中僅3件專利授權。

典型技術為金川集團股份有限公司、中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司共同開發(fā)的利用水淬鎳鐵渣生產(chǎn)混凝土的方法、揚州大學開發(fā)的摻鎳渣的耐磨混凝土以及徐州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)誠意商品混凝土有限公司開發(fā)的鎳鐵渣超高強混凝土及其制備方法。

其中鎳鐵渣超高強混凝土及其制備[5]，以鎳鐵渣(摻量209kg/m3，比表面積為465m2/kg)作為粗、細骨料和礦物摻合料分別替代天然的石子、砂子和部分水泥。另外，鎳鐵渣的減水作用改善了混凝土的和易性，坍落度明顯增大；28天抗壓強度可達110Mpa以上，遠高于非鎳鐵渣混凝土。

3.3鎳鐵渣生產(chǎn)水泥

鎳鐵渣生產(chǎn)水泥的專利共計11件，其中僅2件授權。

典型技術為湖南的彭美勛發(fā)明的鎳礦冶金渣的處理和利用技術[6]，以回轉窯-電爐工藝(RKEF)提煉鎳鐵排放的鎳鐵渣為主要原料制備水泥，方法是先將鎳鐵渣與硅鋁質(zhì)原料及少量堿金屬鹽的混合物低溫煅燒得到富硅物料，再在后者中按比例加入水化時釋放Ca(OH)2的原料和含CaSO4的原料磨細。不產(chǎn)生二次廢料也能避免重金屬淋濾擴散，適用于各種不同礦產(chǎn)地的鎳鐵渣，可大量處理和利用規(guī)模龐大的鎳礦冶金廢渣，并實現(xiàn)增值利用。與硅酸鹽水泥相比，所得水泥早強性好，長期強度能滿足多數(shù)使用要求，有更高的性價比，碳排放、能耗和污染等都大幅度減小。

3.4鎳鐵渣制備石油支撐劑

鎳鐵渣用于生產(chǎn)石油支撐劑專利2項，均授權。

楊松開發(fā)的石油支撐劑[7]按重量百分含量主要由75%-82%鎳鐵渣和18%-25%軟質(zhì)粘土經(jīng)備料、混合、造粒、燒成和篩分制備而成，原料的重量百分含量之和為100%。石油支撐劑具有密度低、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、高強度、高導流能力、低破碎率和抗熱震能力高的特點；該石油支撐劑將工業(yè)廢渣進行再利用，增加了資源的利用率，并有利于減輕環(huán)境污染問題；另外，該石油支撐劑制備工藝能耗小，產(chǎn)能大，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

洛陽理工學院和洛陽賽羅帕陶瓷科技有限公司共同開發(fā)的低密度中強度石油壓裂支撐劑[8]，技術通過采用在其中加入鉬礦尾礦以及氧化錳粉和鎳鐵渣粉構成的復合添加劑，在明顯降低支撐劑密度和保持其一定強度方面取得了較好平衡，從而使研制的石油支撐劑獲得了優(yōu)良的綜合性能，既確保了支撐劑具有可觀的強度，又降低了支撐劑的燒成溫度，達到了節(jié)能降耗的目的，同時也充分的利用了廢棄的礦物，實現(xiàn)了廢棄資源的再利用。

3.5鎳鐵渣余熱回收利用

鎳鐵渣余熱回收專利有5項，其中2項授權，1項放棄，其余2項專利均為同一技術方案的發(fā)明專利。

無錫三達環(huán)保科技有限公司開發(fā)的高爐礦熱爐渣固化熱高中低余熱回收利用系統(tǒng)[9]，其技術方案的總體思路為，用轉碟與風冷相結合的方法進行高爐渣處理和熱能回收。系統(tǒng)包括高爐、礦熱爐、一體寶塔式螺旋汽化渣溝出熱器、旋風除塵器、翅片式余熱鍋爐、蒸汽包、脈沖袋濾式除塵機、蛇形管換熱器、汽輪機、發(fā)電機、配電室和冷凝器，卸渣平臺中心設有螺旋形結構的月牙型汽化渣溝裝置。系統(tǒng)能夠?qū)⒏郀t渣和鎳鐵熔煉礦熱爐爐渣的余熱回收發(fā)電，并將污染物進行除塵，既滿足了環(huán)保要求，又利用爐渣產(chǎn)生了經(jīng)濟效益。

北京中冶設備研究設計總院有限公司開發(fā)的燒結礦豎式逆流余熱回收裝置和方法裝置包括頂部入料倉、豎式逆流回收裝置本體、八字分料器、冷卻風再分布裝置、中心布風器、十字梁、環(huán)形布風管、振動給料機、下部接料倉；工藝流程為：高溫燒結礦經(jīng)破碎后進入頂部入料倉，經(jīng)過五個下料管進入豎式逆流換熱裝置本體，物料在下降過程中受八字分料器、十字梁的影響均勻下降，從豎式逆流換裝置本體下部的七個出料口排出，物料由七個出料口排出后，匯入下部接料倉，混合后以一定速度排出[10]。其優(yōu)點是：運行平穩(wěn)可靠、漏風率低、粉塵污染小、余熱資源利用率高，可用于塊狀鋼渣、紅熱鐵合金鑄塊、鎳鐵渣等余熱回收，回收的高溫余熱可用于發(fā)電、冬季取暖等。

此外，值得重點關注的是鎳鐵渣超高強混凝土及其制備方法、鎳鐵礦渣路面透水磚及其制備方法兩項技術，經(jīng)授權后，發(fā)生了權力轉移，說明企業(yè)重點以專利為核心技術開拓市場，是市場接受度較高的技術。

4 結論

通過對國內(nèi)鎳鐵渣技術相關專利進行梳理、統(tǒng)計和分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1) 與冶金渣中高爐渣、鋼渣的綜合回收技術相比，鎳鐵渣研究起步較晚，是近五年才開始關注的技術方向， 2017-2018年出現(xiàn)井噴式的專利申請量，但授權專利僅36件，72件專利處在公開或進入實質(zhì)審查階段，說明各機構剛剛開始在此領域開展競爭。因此，鎳鐵渣是冶金行業(yè)固廢處理的一個新的研究方向，開發(fā)空間很大。

2) 鎳鐵渣研究機構主要集中在高等院校、企業(yè)，技術仍處于探索期，未有大規(guī)模工業(yè)化的成熟技術。企業(yè)和科研單位應強化產(chǎn)學研一體化意識，實現(xiàn)產(chǎn)學研企的協(xié)同創(chuàng)新，促進多單位合作，進行共性技術的研發(fā)和核心技術的攻關，加強全產(chǎn)業(yè)鏈的整合，加快推進技術的產(chǎn)業(yè)化，將技術成果轉化為市場收益。

3) 鎳鐵渣技術開發(fā)中，渣的資源化利用、處理、金屬提取是初期開展的研究方向。能源利用主要集中在生產(chǎn)鎳鐵工業(yè)爐窯的余熱利用，而對鎳鐵渣余熱利用研究很少。因此，需在鎳鐵渣資源化利用的基礎上，進一步回收鎳鐵渣的熱量將是重點突破的難題。此外，鎳鐵渣在脫硫材料、石油支撐劑方面的應用也值得深入探索。

4) 企業(yè)可依據(jù)業(yè)務發(fā)展，及時了解市場需求，抓住機遇，在固廢處理領域尤其是鎳鐵渣方向上積極進行專利布局，把控先機，成為行業(yè)的領頭軍。