郭麗娜， 趙 晶， 李香平， 李生虎

（太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

1987 年起，皮江煉鎂在我國(guó)開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)。由于皮江煉鎂工藝產(chǎn)品成本低、設(shè)備投入少，因此，皮江煉鎂企業(yè)在我國(guó)得到迅速發(fā)展。但皮江法也是能源與自然資源密集型生產(chǎn)工藝，每生產(chǎn)1 t 成品鎂，將會(huì)排出6.5～8.0 t 的廢鎂渣[1]。目前，大部分冶煉廠將鎂渣傾倒在荒地或者填埋山洼，大量堆積的廢棄鎂渣，不僅浪費(fèi)了寶貴的土地資源，也給環(huán)境帶來(lái)了巨大的負(fù)面影響。因此，鎂渣資源化既是保護(hù)環(huán)境的迫切需求，也是創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值的一條途徑，鎂渣的合理利用關(guān)系到鎂產(chǎn)業(yè)能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。因此，本文綜述了皮江煉鎂工業(yè)廢渣的生成、特性，以及目前資源化利用研究現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)進(jìn)行了展望，為皮江煉鎂工業(yè)廢渣綜合利用提供必要的依據(jù)和參考。

1 鎂渣的成分

皮江法煉鎂屬于熱法煉鎂，它以煅燒白云石為原料，硅鐵為還原劑，螢石為礦化劑，其還原生產(chǎn)基本原理如下所示：

2MgO·CaO（s）+Si（s）→2Mg（g）+Ca2SiO4(s)根據(jù)硅熱法煉鎂生產(chǎn)工藝，制得金屬鎂的同時(shí)生成了大量的鎂渣。表1 為某廠鎂渣的主要化學(xué)成分。

表1 鎂渣的化學(xué)成分表 %

由表1 可知，煉鎂得到的還原渣中主要成分為硅酸二鈣β-2CaO·SiO2（s）[2]。在還原罐內(nèi)1 473 K 的條件時(shí)，硅酸二鈣以β-2CaO·SiO2形式存在；還原結(jié)束扒渣時(shí)，硅酸二鈣在冷卻降溫時(shí)會(huì)發(fā)生物相轉(zhuǎn)變，在798 K 時(shí)發(fā)生β 相到γ-2CaO·SiO2相的相轉(zhuǎn)變，同時(shí)也伴隨著接近12%的體積改變，也就是鎂渣在冷卻時(shí)會(huì)粉化，發(fā)生體積膨脹。

2 鎂渣的特性

鎂渣冷卻時(shí)發(fā)生相變且伴隨體積變化，為很好地治理利用皮江煉鎂廢渣，很多學(xué)者研究了冷卻過(guò)程中渣的理化特性，為鎂渣綜合利用提供理論依據(jù)。

嵇鷹[3]采取控制風(fēng)速冷卻法處理出爐鎂渣制備出三種冷卻速率下的鎂渣，用以研究鎂渣冷卻速率對(duì)其物化性能影響。通過(guò)三種冷卻速率鎂渣對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)冷卻速率快可顯著增大鎂渣的水化活性，提高鎂渣強(qiáng)度，減小鎂渣自身的膨脹效果；且隨冷卻速率加快，鎂渣水化試樣由向外膨脹行為逐漸表現(xiàn)為內(nèi)部的自密實(shí)過(guò)程，這種自密實(shí)過(guò)程表現(xiàn)在鎂渣樣孔尺寸的不斷減小甚至完全消失。徐祥斌[4]對(duì)鎂渣的熱容、松裝密度、真密度、粒度分布及其化學(xué)組成進(jìn)行測(cè)試，得到鎂渣相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計(jì)以及進(jìn)一步研究提供參考。

3 鎂渣綜合利用

3.1 水泥混合材

鎂渣具有一定的火山灰活性，可以用作水泥的混合材料。鎂渣代替部分石灰石和黏土，提供水泥熟料中的CaO 和SiO2，利用鎂渣中含有氟等微量組分，用作水泥熟料煅燒時(shí)的礦化劑；鎂渣的潛在活性作為水泥混合材，可生產(chǎn)復(fù)合硅酸鹽水泥。彭小芹[5]以鎂渣作為水泥混合材配制了鎂渣硅酸鹽水泥，研究發(fā)現(xiàn)，鎂渣作為水泥的混合材具有一定的減水緩凝效果；鎂渣摻量在10%～30%范圍內(nèi)時(shí)，水泥樣品符合通用硅酸鹽水泥42.5R 級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，摻量為35%～40%符合32.5R 型復(fù)合硅酸鹽水泥的要求；鎂渣摻量為30%～40%時(shí)對(duì)水泥砂漿的干燥收縮有抑制作用。彭小芹研究還發(fā)現(xiàn)鎂渣能夠抑制高堿性的水化硅酸鈣生成，消耗水泥熟料水化生成的鈣礬石，同時(shí)鎂渣在一定程度上可促進(jìn)水化產(chǎn)物的生成，使水泥漿體結(jié)構(gòu)更加致密。

利用工業(yè)鎂渣生產(chǎn)水泥不僅可以解決環(huán)境污染問(wèn)題，還能提高水泥產(chǎn)量和降低水泥生產(chǎn)成本。

3.2 脫硫劑

樊保國(guó)[6]利用鎂渣和粉煤灰的水合反應(yīng)，制備了可用于循環(huán)流化床鍋爐的脫硫劑，并進(jìn)一步分析了脫硫劑孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)對(duì)脫硫能力的影響。研究結(jié)果表明，水合作用可提高鎂渣比表面積，分形維數(shù)2.595 時(shí)，脫硫反應(yīng)的鈣轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值；從而達(dá)到較好的脫硫效果，為在循環(huán)流化床鍋爐中應(yīng)用鎂渣作為脫硫劑提供了重要的依據(jù)。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，熾熱鎂渣激冷水合處理后脫硫能力提高，韓飛[7]進(jìn)一步分析了激冷水合過(guò)程中鎂渣晶體結(jié)構(gòu)與鎂渣脫硫活性的關(guān)系。結(jié)果表明：隨鎂渣激冷溫度升高，β-C2S 增加，促進(jìn)了具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的C-S-H 生成，提高了物理吸附能力；晶粒細(xì)化程度增大，γ-C2S 晶胞參數(shù)變化引起的晶格缺陷增多，增強(qiáng)了化學(xué)吸附能力。

3.3 膠凝材料

利用鎂渣的自身膨脹來(lái)抵消水泥基膠凝材料的自身收縮行為，不僅使得鎂渣能得以利用，同時(shí)還能改善膠凝材料的自收縮危害。

肖力光[8]配制了鎂渣膠凝材料，并探討了鎂渣摻量、物料粉磨工藝、輔助激發(fā)劑復(fù)摻對(duì)鎂渣膠凝材料強(qiáng)度的影響。研究表明：當(dāng)鎂渣與礦渣摻量相等時(shí)，鎂渣膠凝材料有較好的強(qiáng)度；“先混后磨”工藝所制備的鎂渣膠凝材料強(qiáng)度更高；復(fù)摻水玻璃、硫酸鈉、石膏三種輔助激發(fā)劑后，鎂渣膠凝材料強(qiáng)度性能達(dá)到32.5 強(qiáng)度等級(jí)復(fù)合水泥標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 新型墻體材料

趙愛(ài)琴[9]利用鎂渣研制新型墻體材料，制得的墻體材料密度小、強(qiáng)度高、耐久性好，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

肖力光[10]利用自主研發(fā)的鎂渣膠凝材料[8]作為膠結(jié)料，與EPS 超輕集料及其它外加劑制成具有優(yōu)良性能的墻體材料，并進(jìn)一步研究了各種因素對(duì)墻體材料性能的影響，確定了利用鎂渣膠凝材料與EPS 制成墻體材料的最佳配方，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)墻體材料28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)6.5 MPa，-25～25 ℃條件下25 次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失小于l%，強(qiáng)度損失為10%，表明該墻體材料輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久性好。

3.5 陶粒支撐劑

近年來(lái)，很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，工業(yè)廢棄物鎂渣可以代替La2O3，Cr2O3和TiO2作為輔料來(lái)制備陶粒，探索出一條利用鎂渣廢棄物的新途徑。

郝惠蘭[11]以山西陽(yáng)泉鋁礬土和煤矸石為主要原料，工業(yè)廢棄物鎂渣為添加劑，在1 180～1 350 ℃下燒結(jié)制備陶粒支撐劑。研究表明，在不同燒結(jié)溫度下，制得的陶粒支撐劑，其各項(xiàng)性能均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

田玉明[12]進(jìn)一步分析了添加鎂渣對(duì)陶粒支撐劑物相、顯微形貌以及制備工藝中的資源、能源消耗的影響。研究發(fā)現(xiàn)，鎂渣與原料中的一些氧化物在高溫下形成了液相，使得陶粒具有更好的力學(xué)性能；添加鎂渣后，不僅降低了陶粒的燒結(jié)溫度，還能夠利用皮江煉鎂廢渣，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)為工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)提供了參考。

以工業(yè)廢棄物鎂渣取代傳統(tǒng)添加劑，在保證陶粒支撐劑性能的同時(shí)，顯著降低了陶粒成本，是鎂渣資源化的新途經(jīng)。

4 展望

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)皮江煉鎂廢渣再利用方面做了大量探索性研究，但均停留在試驗(yàn)研究階段，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化，無(wú)法真正意義上實(shí)現(xiàn)鎂渣的零排放、無(wú)污染。隨著全球環(huán)境問(wèn)題的日益重視，國(guó)家應(yīng)該從政策和資金上對(duì)鎂渣研究開(kāi)發(fā)給予一定的扶持，鎂企業(yè)應(yīng)該發(fā)揮自身市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合高?；蚩蒲性核柚淇蒲袃?yōu)勢(shì)，展開(kāi)產(chǎn)學(xué)研合作，實(shí)現(xiàn)科研成果向市場(chǎng)轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)商品化，真正從根本上解決鎂渣環(huán)境污染問(wèn)題。