发布日期：2020-2-28 来源:冶金渣与尾矿

 铁合金是基础原材料工业之一， 主要用于钢铁行业。众所周知， 我国是世界*钢铁大国， 同样也是世界*铁合金大国，2015 年我国铁合金产量为 3 666 万吨。铁合金生产过程中，产生大量的铁合金炉渣，这些炉渣不仅占地面积大，对周围环境造成污染， 还会危害人体健康， 同时也流失了大量的可利用能源。随着国家环保要求和节能减排要求的进一步提高，我国铁合金行业除了在生产装备、工艺技术水平等方面的革新外，更加注重环保和“三废” 的处理利用。铁合金炉渣的综合治理和回收是影响铁合金行业健康有序发展的重要因素。

一、铁合金炉渣的来源

    铁合金生产方法按照设备分主要为电炉法、 高炉法、炉外法、转炉法等，其中多数铁合金生产采用矿热电炉电热还原熔炼。在铁合金生产中，炉料加热熔化后，经还原反应，其中的氧化物杂质与铁合金分离后形成炉渣。

    铁合金电热还原过程分无渣法和有渣法两种， 由生产铁合金时所形成的相对渣量而确定。无渣过程的铁合金熔炼， 通常指渣量不大， 约为金属量的 3-10 %（如结晶硅、硅铁、硅钙、硅铝和硅铬铁的熔炼）。无渣过程的炉渣是由矿石、精矿、非矿物材料中为数不多的氧化物以及熔炼时未还原的氧化物组成。有渣过程则伴随着大量炉渣， 锰铁、 硅锰、 铬铁、 镍铁等大多数铁合金产过程中有大量炉渣生产。铁合金炉渣渣量大小与产品品种、原料品位、生产工艺等密切相关，主要铁合金生产渣铁比表显示铁合金产量为 2 080 万吨， 占全国铁合金总产量的 56.7 %，产渣量可达 2 660 万吨，主要为锰渣、铬渣和镍渣。

二、铁合金炉渣综合利用现状

    随着铁合金产量的增加，炉渣量持续增加， 对环境造成的危害越来越大，对炉渣的综合处理越来越受到重视。苏联是炉渣处理利用较早的国家， 1978 年其铁合金炉渣处理利用率达到了 41.7 %。我国从上世纪 80年代开始注重铁合金炉渣的处理和利用， 作为再生资源，铁合金炉渣广泛应用于冶金、农业、建筑、 机械制造等领域。

2.1 铁合金炉渣的直接回收利用

    多数铁合金炉渣中含有一定的金属元素等可利用成分，可以根据其理化性质进行有效回收利用，增加铁合金炉渣的使用量，可以提高元素回收率，提高经济效益。

    铁合金炉渣多采用磁选或者重选的方法进行合金回收。早在上世纪 80 年代，就开始采用跳汰、 重选的方法从碳素铬铁渣中回收铬铁， 欧贤宽等介绍了某锰矿厂对铁合金渣采用跳汰和摇床方法回收锰渣，每生产 1 吨铁合金，可从渣中回收合金 27.7 kg。赖日祥等人从铁合金渣的分选问题上进行探讨，研究了从铁合金渣中回收合金的方法，给出了不同情况下回收合金方法的*优建议。

    铁合金炉渣返炉用于铁合金生产，可以大幅提高合金元素回收率。比如锰铁渣、硅锰渣、金属锰渣等通常作为原料用于冶炼硅锰合金、低磷锰铁以及复合合金等， 不同的配比的可以得到成分不同的铁合金。这在日本研究开发较早，成功利用锰渣生产碳酸化复合锰矿球团，用于冶炼硅锰合金。洪文斌等人利用低值锰硅渣代替部分富锰渣及高硅澳块生产低碳锰硅合金，可以有效缓解富锰渣供应紧张和采购高硅澳块资金压力，达到降本增效。王安佑等人采用锰硅合金渣取代富锰渣入炉后，生产指标大幅增加，锰回收率从 84 %提高到 90 %。该新配方充分利用锰硅合金渣入炉取代富锰渣，吨矿料富锰渣用量从之前 15 %降到 5 %，吨产品白云石消耗减少 100 公斤，硅石减少 140公斤。

    铁合金炉渣还可用于炼钢和铸造生铁中。硅锰渣、硅钙渣等铁合金炉渣含有大量的 CaO 和 MgO 等有利于脱硫的成分，可以将其作为炼钢脱硫剂使用。焦倩等利用15-20 %的硅钙合金渣、 6-8 %的硅锰渣以及其他相关配料组成的脱硫剂用于钢水脱硫，脱硫效果可达 70 %以上。金属锰渣用于炼钢，如在熔炼碳素钢和低合金钢时，在还原期加入金属锰渣，可以使钢有效脱硫， 不用锰铁就能生产出合格的钢。硅铁渣可用于炼钢脱氧， 可降低硅铁的消耗， 同时达到提高钢质量和节能的良好效果。

    在铸造行业中， 将硅铁替换成硅铁渣，并和生铁一起加入到化铁炉中,能够取得良好的效果。张烽等人在试验室进行了硅铁炉口、铬渣、硅锰渣分别加入铸铁中的试验，并进行了硅铁渣生产铸造生铁的工业试验，结果表明铁合金炉渣可以用于铸造生铁冶炼。

2.2 炉渣生产铸石

    铁合金的炉渣铸石特点是耐火度高，耐磨性和耐腐蚀性优良，而且机械强度优良。利用铁合金渣生产铸石， 首先开始于硅锰合金渣。硅锰合金渣在 1 250 ℃具有良好的成型填充性， 炉渣经过再还原后， 余下的MnO 可以改善熔体的工艺性能， 使其具有较高的结晶化性能，增加炉渣铸石的化学稳定性和热稳定性。铝渣也是良好的生产铸石的原料。铝渣铸石具有良好的抗腐蚀性能和力学性能，但是铝渣难结晶，易形成玻璃体，在进行热处理时要控制好时间和温度。

2.3 用作水泥原料

    铁合金废渣中有多种氧化物，大多数铁合金废渣中的氧化物主要是 CaO、 SiO2、Al2O3 或 FeO。这些废渣经水淬后，可用于水泥生产。较早时期，就有铁合金厂用水淬高炉渣作生产水泥的掺合料。用于生产水泥混合材是铁合金炉渣在建筑材料行业资源化的重要途径之一。李文斌等人介绍了用硅锰渣、镍渣等进行配料生产熟料，将粉煤灰作为混合材生产普通硅酸盐水泥的方法，该方法生产的水泥符合国家要求，也降低了水泥生产成本。韩静云等人利用锰铁渣代替部分水泥制作成水泥砂浆试件并测试其强度， 结果表明锰渣的掺量在 30 %左右时，不影响试件强度。安庆锋等人对锰铁合金渣和矿渣微粉混掺用于绿色生态水泥进行了研究，结果表明掺入锰渣的水泥在强度和结构上与其他水泥差别不大。姜晗等人利用矿热炉渣、矿渣、精炼渣等制备复合水泥，缓解矿渣等高活性混合材资源的紧张。刘梁友等人对镍铁渣用作混合材对水泥性能的影响进行了系统的研究。陈平等人研究了镍铁渣的化学成分及矿物组成， 并研究了利用镍铁渣制备的干混砂浆性能，结果表明，当镍铁渣砂替代河沙的掺量为 60 %时，所制备的矿热炉渣干混砂浆强度*高。

2.4 用作建筑和筑路材料

    铁合金炉渣还可用于生产建筑用砖，比如硅铁渣、铬铁等。任素梅等人的文章中指出， 锰渣经过预处理， 可以代替煤渣生产空心砌块砖。此种空心砌块砖有施工方便、吸水快等优点， 优于粘土空心砖和加气混凝土块， 并且能降低成本， 有良好的社会效益和经济效益。张星研究了锰铁合金渣的物化性能、力学性能、路用性能等， 认为锰铁渣满足沥青路面集料要求， 沥青混合料性能优异， 所以可以用做沥青路面抗滑表层集料。杨林、张洪波等人利用硅锰渣作为主要原料， 配以豁土、硅藻土制作基础坯体，研制成生态渗水砖， 作为路面建筑材料。陈平等人进行了水淬锰渣制备加气混凝土的实验研究，以水淬渣代替部分硅砂制备加气混凝土是可行的，既能消耗掉水淬锰渣，又能降低加气混凝土的生产成本。李忠文等人提出了利用镍铁渣制蒸压砖的技术路线和方案，利用镍铁渣生产蒸压砖具有良好的经济效益和环境效益，也具有一定的推广意义。万朝均进行了少掺量镍铁渣制备混凝土的研究工作，结果表明镍铁渣具有减水、增塑作用，并有助于降低普通硅酸盐水泥混凝土体系干燥收缩效应。

2.5 用作农田肥料

    铁合金炉渣中含有 Mn、 Si、 Ca、 Mg、Cu 等微量元素，可以作为农田的补充营养元素，提高土壤生物活性，利于农作物生长，增加产量。我国农科部门与一些铁合金厂对铁合金炉渣肥料做了一定的实验研究工作。如用硅锰渣在稻田里做施肥试验，证明硅锰渣中有一定可溶性的 Mn、 Si、 Ca、 Mg 等植物生长的营养元素，对水稻生长具有良好的作用。稀土硅铁合金渣可用于制备高效复合稀土微肥用于农业，可大幅降低农业成本。

三、铁合金炉渣综合利用研究新进展

3.1 湿法富集处理

    我国铁合金产量中，锰硅合金产量*多，其产生的炉渣量也*多。对锰硅渣的处理，多是用于制备水泥和筑路材料。近几年在采用湿法浸出工艺富集锰硅渣中锰的研究逐步增多， 齐牧等人进行了锰硅渣代替碳酸锰矿浸出生产电解锰的理论研究，研究结果表明采用锰硅渣完全可以代替碳酸锰矿作为主要原料浸出生产电解锰，可以解决矿源不稳定的问题，降低生产成本，解决锰硅合金生产中废渣的环保问题， 这也是电解锰生产工艺的新突破，但是在工艺上还存在一定问题，如提高回收率指标、提高料液中锰含量等。曾世林等人在实验室条件下成功地利用硫酸法回收锰硅合金炉渣中的锰，制备出附加值较高的高纯碳酸锰，为合理利用锰硅渣提出了一种新思路。

3.2 用于制备耐火浇注料及人造轻骨料

    铬渣外观多孔状，且质地坚硬，主要矿物相为镁橄榄石、镁铝尖晶石以及少量的顽辉石和未完全反应的铬铁。目前我国铬渣处理一是水淬后返炉利用，二是主要用于生产水泥、建筑用砖等，由于存在设备投资大、附加值较低的原因，依然无法完全解决铬渣的利用问题。张登科等对高碳铬铁渣进行了分析研究，结果表明级配合理的碳铬渣骨料，掺入适量的镁砂粉，以铝酸盐水泥为结合剂，经过 1 500 ℃煅烧，可以制备常温力学性能优异的耐火浇注料。张韶华等人以高碳铬铁渣和粘土为主要原料，添加少量添加剂焙烧轻骨料，结果表明采用 70 %碳铬渣，掺适量粘土、助胀剂可制备出性能良好的烧胀型轻骨料，提高碳铬渣掺量， 颗粒强度及孔隙率降低，烧胀温度、表观密度及吸水率呈增加趋势。

3.3 用于制备微晶玻璃

    铁合金废渣中，主要化学组成为 CaO、SiO2、 Al2O3、 MgO 等， 适用于制造微晶玻璃，并且这类微晶玻璃的主晶相中含有钙黄长石、硅灰石等，具有较好的耐磨性和较高的强度，可以代替天然石材用作建筑装饰材料。王志强等人认为碳铬渣和硅锰渣是较好的微晶玻璃原料，碳铬渣能促进玻璃析晶的能力，硅锰渣有较强的形成玻璃的能力，他们使用碳铬渣、硅锰渣和钠钙碎玻璃制成性能良好并具有装饰效果的微晶玻璃。北京科技大学张文军等人研究了利用镍铁渣及粉煤灰制备 CMAS 系微晶玻璃。以镍铁渣为主要原料，协同利用粉煤灰制备了性能良好的 CMAS 系微晶玻璃。

3.4 用于制备矿(岩)棉

    矿渣棉主要化学成分为二氧化硅、三氧化二铝和氧化钙，其制品具有体积密度小、导热系数低、吸声隔音、耐热、不燃、抗冻、耐腐蚀、不会虫蛀、不怕老化等优良的化学稳定性等特性被广泛的用于建筑和工业装备、海洋船舶、管道、窑炉的保温、绝热、防火、吸声、隔音、防噪等方面。北京科技大学储少军教授曾指出利用铁合金炉渣生产矿棉制品， 将给铁合金企业带来更大利润， 直接生产矿棉是节能、减排、增效的好办法。

    铁合金炉渣制备矿棉主要有冲天炉工艺和热渣直接生产工艺，传统冲天炉工艺能耗高。苏联在 20 世纪 60 年代就开展了液态镍铁渣生产矿棉的研究和工业实践， 我国利用热渣生产矿棉制品的研究则起步较晚，2012 年，我国从日本引进了用高炉熔融炉渣作为原料的矿渣棉生产设备，同年，国内首条采用变频电磁感应炉，利用热态熔融镍铁渣生产矿棉的生产工艺研制成功。当前热渣法工艺成为目前国内研究的热点， 李俊强等对比了矿渣棉和硅锰渣成分，矿渣棉酸度系数在 1.1-1.4 左右，岩棉酸度系数在1.4-2.2 左右，硅锰渣酸度系数 1.6-2.2 占多数，其成分与其它工业废渣相比具有较大优势，其酸度系数平均达 1.996 左右，达到国外岩棉的酸度系数，具备生产高等级的岩棉制品的原料条件。并采用冲天炉传统工艺进行了工业试验，试验表明采用硅锰渣生产的矿渣棉指标完全满足建筑外墙保温用岩棉制品（GB/T25975-2010）。刘招俊等介绍了以锰系合金渣为原料生产矿棉的试验，结果表明锰渣是较好的制棉材料，成棉率高。通过调整硅锰渣和锰铁渣的成分，可以根据矿棉用途，调节混合渣的酸度来满足要求。要 生 产 出 合 格 的 矿 棉 ， 渣 液 温 度 应 在1300-1500 ℃之间， MnO 含量为 6-16%、酸度为 0.8-1.6。宫嘉辰等人研究利用镍铁渣制取无机矿物纤维， 并应用于造纸及建筑保温材料。

四、铁合金炉渣综合利用发展趋势

    随着国家可持续发展和循环经济理念的深入， 铁合金炉渣综合利用要遵循“减量化、再利用、资源化” 原则， 形成再生循环利用的经济模式， 通过资源的高效和循环利用，实现污染的低排放甚至零排放，保护环境，实现社会、经济与环境的可持续发展。

    （1）炉渣显热回收方向。 我国每年产生大量铁合金炉渣，尤其是镍铁生产中，每生产一吨镍铁，可产生 4-6 吨镍铁渣。这些炉渣不仅影响环境，造成资源浪费，还浪费大量的热能。从理论上计算，铁合金厂每产生一吨热渣所消耗的能量可折合到 260 公斤以上的焦碳，处理一吨热渣还要消耗 250 公斤左右的水。显热回收是铁合金炉渣综合利用的重要方向。

    （2） 制备高附加值产品。当前对铁合金炉渣简单填埋处理、制备普通的水泥、建材等利用方向， 已远远不能满足当前国家的环保要求和可持续发展要求。利用铁合金炉渣生产微晶玻璃、矿（岩）棉等高附加值产品是当前也是今后铁合金炉渣综合处理的重点方向。

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