镍铁渣是还原提取镍和部分铁后水淬急冷产生的工业废渣。随着我国冶炼镍铁合金规模逐步扩大，镍铁渣排放量也逐渐增大。近年来，我国镍铁渣年排放量超3000万吨，已成为我国继铁渣、钢渣、赤泥之后第四大冶炼渣[1,2]。大量镍铁渣堆砌处理或深海填埋[3]，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。因此，大力开展镍铁渣综合利用的研究对我国乃至世界的镍铁行业意义重大。镍铁渣综合利用研究，起源于20世纪80年代初，主要研究其在水泥、混凝土、微晶玻璃、无机聚合物等方面的应用[4,5]。本文对近年来有关镍铁渣的综合利用的途径进行了总结。
镍铁渣的主要组成成分
目前国内镍铁渣主要是腐殖土型的红土矿在电炉还原熔炼镍铁的过程中得到的。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SiO2、MgO和FeO，次要成分是Cr2O3、Al2O3、CaO等，属于FeO-MgO-SiO2三元渣系，镍铁渣矿物结构以玻璃态为主[6]，XRD结果表明，其主要的矿物组成是2MgO⋅SiO2、FeO⋅SiO2和MgO⋅SiO2。镍铁渣中可回收有价金属较少、镁高钙低，从而导致了镍铁渣具有活性低、稳定性差、综合利用渠道少、利用成本高的特点。
镍铁渣综合回收利用的研究成果
01
镍铁渣在混凝土中的应用
混凝土生产中，将镍铁渣用作混凝土集料，可以节约砂石，具有良好的经济与社会效益[8~11]。Maragkos等人[12]研究了如何使用镍铁渣作为集料。研究表明，镍铁渣是一种合成无机聚合物的良好集料，在适宜的条件下甚至还可以制备出内部结构密实、吸水率极低、抗压强度高达118MPa的胶凝材料。施引珍等人[13]在此基础上研究了镍铁渣作为集料入混凝土中对其性能的影响。早在2012年，单昌峰等人[14]就做过上述类似的实验，虽然实验原料是镍渣，但是镍渣的主要成分和镍铁渣类似，因此研究镍渣的利用对镍铁渣的综合利用具有一定的借鉴价值。逄鲁峰等人[15]利用镍铁渣微粉配制了C60自密实混凝土，研究了自密实混凝土的流变性能、工作性能以及力学性能。吕清华等人[15]发明了一种水淬镍铁渣生产混凝土的方法，并获得了国家专利，该方法显著提高了水淬镍铁渣在混凝土中的掺量，改善了混凝土集料的集配问题和和易性，同时提高了混凝土的强度和抗腐蚀性能，大幅降低了混凝土成本，有很好的应用前景。
02
镍铁渣生产水泥混合材
日本在20世纪90年代就成功地将镍铁渣应用于混凝土骨料。我国对镍铁渣在水泥混合材方面的利用研究起步较晚，邹立、王熔兰、万朝均等撰写的文章表明[16~18]，镍铁渣在细磨至微粉后，可添加至水泥熟料中，依照国标，其添加量可达8%。段光福[19]等的研究表明，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。刘梁友[20]等人在实验中研究了镍铁渣单掺作为混合材对水泥性能的影响和镍铁渣-矿粉复掺对水泥强度的影响。由于我国排放的镍铁渣MgO含量普遍高于15%[21,22]，杨慧芬等人用MgO含量较高的镍铁渣作为原料进行研究，研究结果表明镍铁渣不会因为MgO含量高而影响其作为活性混合材的使用。
03
镍铁渣制备无机矿物纤维
何其捷摘译苏联的《镍铁渣制作矿物棉》[23]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熔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、在腐蚀介质中的化学稳定性比高炉渣矿物纤维更高。目前国内已经可以利用镍铁冶炼电炉高温熔融炉渣直接生产超细纤维纸浆和超细无机纤维。沈阳金属研究院的郑鹏[24]利用镍铁渣在1600℃的温度下造渣，将所得的镍铁渣添加5%的CaO，成功制得无机矿物纤维。在造纸过程中添加45%无机矿物纤维制得的箱板纸符合国家B类标准。未经处理的无机矿物纤维的性能是不理想的。为了拓展镍铁冶炼渣矿物纤维的应用，刘学勇、张平军[25]进行了镍铁冶炼炉渣矿物纤维表面改性的研究。对镍铁冶炼渣矿物纤维进行了表面改性，考察了改性剂浓度、改性时间对矿物纤维改性效果的影响，并对改性后的矿物纤维进行了表征，测试了改性前后矿物纤维的活化指数。
04
镍铁渣制备微晶玻璃
生产微晶玻璃是一种高效利用固体废弃物的新方法[26~28]。其中，CaO-MgO-Al2O3-SiO2系的微晶玻璃因能够大量利用矿渣等固体废弃物，已成为研究的热点。张文军等人[29]利用镍铁渣和粉煤灰为原料制备了性能良好的CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)系微晶玻璃。实验发现，镍铁渣掺量对制得的微晶玻璃性能有很大的影响。当镍铁渣掺量增加时，微晶玻璃中的镁、钙离子数量增加，其中钙长石和顽辉石相对含量增大，而石英和尖晶石相对含量减少，微晶玻璃微观结构更加致密。
05
从镍铁渣中提取镍铬
镍铁渣含有较丰富的Ni、Fe、Cr等元素，Coto等人[30]利用微生物产生的有机酸或无机酸从Caron流程产生的尾矿中浸出Ni和Cr，浸出率较高，但浸出时间很长。因此，需寻找更高效处理镍铁渣的工艺，以充分利用Ni、Fe、Cr。张培育等人[31]研究了河南永通特钢有限公司提供的镍铁渣，提出了一种从红土镍矿镍铁渣中分离浸出镍铬的工艺。张培育等人的实验结果表明：镍铁渣中的Ni主要赋存于FeNi合金相中，而Cr主要赋存于二价铁的铁酸盐(Cr1.1Fe0.9MgO4)中,通过磁选可将镍铁渣中的Ni,Cr分离。
06
从镍铁渣中提取镁
镍铁渣中MgO的含量很高，因此，从镍铁渣中提取金属镁具有很好的科研前景。王建磊等人[32]利用红土镍矿尾渣提金属镁的工艺研究，通过实验分析各项因素对镁还原率的影响，提出了一种从红土镍矿尾渣提金属镁的工艺方法。实验根据皮江法[33]原理，以铝硅铁[34,35]为还原剂，用真空热还原法将镁从氧化镁中还原出来。并探索了在红土镍矿尾渣中提取金属镁的最佳工艺条件，使矿渣中的氧化镁含量符合综合利用的标准。
07
用镍铁渣制备硫酸盐
早在1994年，来自通州市环保局的王宁等人[36]就利用化学分离方法，成功地将废渣中镍、钻、铜金属成分，生产出各自的盐类物质。其工艺操作主要分为：酸浸、金属盐的分离、精制转化等三个步骤。
08
镍铁渣制备保温砌块等建筑材料
镍铁渣镁含量高，因此可以开发镍铁渣在耐火砖、保温材料等方面的应用。宋美等人[37]的研究表明在原材料中添加高达80%的镍铁渣能成功制备出性能优良的复合保温砌块，其抗压强度及其综合性能得到保证。刘忠文等人[38]利用镍铁矿渣，参考蒸压灰砂砖、粉煤灰蒸压砖生产经验,采用粉煤灰、电石渣(或生石灰)、脱硫石膏(或天然石膏)等作为辅助原料，制备出蒸压砖。
09
镍铁渣制备焊剂
2011年，刘茂平等人[39]利用镍铁合金渣进行了制备焊剂的研究，获得成功，并获得了获得了国家专利。作者把热液态镍铁合金渣倒入熔炼焊剂电炉中，制得高温熔炼焊剂;把熔炼好的高温焊剂倒入温度小于等于20℃的水中，水淬形成颗粒状;通过延伸镍铁合金生产工艺，在生产镍铁合金的基础上，把镍铁合金渣在熔融高温状态下，掺入生产焊剂所需要的组分，经电炉熔化反应均匀后，进行水淬冷却，即可得到熔炼焊剂产品，实现对镍铁渣的综合利用。
10
镍铁渣用于农业
镍铁渣中含有Si、Mg等元素,而这些元素都是植物生长必不可少的中微量元素,因而可以对镍铁渣作适当处理后用于中微量元素肥料,以提高农作物的产量和抗病虫害能力。同时镍渣中含有大量的铁,经过一定的磁化处理后,可以作为农作物的磁化肥。但对镍铁渣应用于农业,在应用之前要充分研究镍铁渣是否会造成重金属污染[40]。
结语
镍铁渣综合利用具有良好的经济效益和社会效益
镍铁不锈钢产业大发展的同时也排放了数量巨大的镍铁渣。镍铁渣作为工业固体废弃物被大量堆存，对于环保而言是巨大的挑战。然而，。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可持续发展的基础。
2018冶金固废处理与利用技术国际交流大会
将于在召开，本次大会将围绕处理与应用相关的关键共性技术与装备以及技术难题展开深入交流和讨论。其中，而且大会主办方将组织欢迎广大行业人士积极参与，共谋冶金固废综合利用发展蓝图。
