皮江炼镁工业废渣综合利用现状与展望★

郭丽娜， 赵 晶， 李香平， 李生虎

（太原理工大学材料科学与工程学院， 山西 太原 030024）

1987 年起，皮江炼镁在我国开始工业化生产。由于皮江炼镁工艺产品成本低、设备投入少，因此，皮江炼镁企业在我国得到迅速发展。但皮江法也是能源与自然资源密集型生产工艺，每生产1 t 成品镁，将会排出6.5～8.0 t 的废镁渣[1]。目前，大部分冶炼厂将镁渣倾倒在荒地或者填埋山洼，大量堆积的废弃镁渣，不仅浪费了宝贵的土地资源，也给环境带来了巨大的负面影响。因此，镁渣资源化既是保护环境的迫切需求，也是创造经济价值的一条途径，镁渣的合理利用关系到镁产业能否实现可持续发展的战略目标。因此，本文综述了皮江炼镁工业废渣的生成、特性，以及目前资源化利用研究现状，并对其未来进行了展望，为皮江炼镁工业废渣综合利用提供必要的依据和参考。

1 镁渣的成分

皮江法炼镁属于热法炼镁，它以煅烧白云石为原料，硅铁为还原剂，萤石为矿化剂，其还原生产基本原理如下所示：

2MgO·CaO（s）+Si（s）→2Mg（g）+Ca2SiO4(s)根据硅热法炼镁生产工艺，制得金属镁的同时生成了大量的镁渣。表1 为某厂镁渣的主要化学成分。

表1 镁渣的化学成分表 %

由表1 可知，炼镁得到的还原渣中主要成分为硅酸二钙β-2CaO·SiO2（s）[2]。在还原罐内1 473 K 的条件时，硅酸二钙以β-2CaO·SiO2形式存在；还原结束扒渣时，硅酸二钙在冷却降温时会发生物相转变，在798 K 时发生β 相到γ-2CaO·SiO2相的相转变，同时也伴随着接近12%的体积改变，也就是镁渣在冷却时会粉化，发生体积膨胀。

2 镁渣的特性

镁渣冷却时发生相变且伴随体积变化，为很好地治理利用皮江炼镁废渣，很多学者研究了冷却过程中渣的理化特性，为镁渣综合利用提供理论依据。

嵇鹰[3]采取控制风速冷却法处理出炉镁渣制备出三种冷却速率下的镁渣，用以研究镁渣冷却速率对其物化性能影响。通过三种冷却速率镁渣对比分析发现冷却速率快可显著增大镁渣的水化活性，提高镁渣强度，减小镁渣自身的膨胀效果；且随冷却速率加快，镁渣水化试样由向外膨胀行为逐渐表现为内部的自密实过程，这种自密实过程表现在镁渣样孔尺寸的不断减小甚至完全消失。徐祥斌[4]对镁渣的热容、松装密度、真密度、粒度分布及其化学组成进行测试，得到镁渣相应的基础数据，为工程设计以及进一步研究提供参考。

3 镁渣综合利用

3.1 水泥混合材

镁渣具有一定的火山灰活性，可以用作水泥的混合材料。镁渣代替部分石灰石和黏土，提供水泥熟料中的CaO 和SiO2，利用镁渣中含有氟等微量组分，用作水泥熟料煅烧时的矿化剂；镁渣的潜在活性作为水泥混合材，可生产复合硅酸盐水泥。彭小芹[5]以镁渣作为水泥混合材配制了镁渣硅酸盐水泥，研究发现，镁渣作为水泥的混合材具有一定的减水缓凝效果；镁渣掺量在10%～30%范围内时，水泥样品符合通用硅酸盐水泥42.5R 级的标准，掺量为35%～40%符合32.5R 型复合硅酸盐水泥的要求；镁渣掺量为30%～40%时对水泥砂浆的干燥收缩有抑制作用。彭小芹研究还发现镁渣能够抑制高碱性的水化硅酸钙生成，消耗水泥熟料水化生成的钙矾石，同时镁渣在一定程度上可促进水化产物的生成，使水泥浆体结构更加致密。

利用工业镁渣生产水泥不仅可以解决环境污染问题，还能提高水泥产量和降低水泥生产成本。

3.2 脱硫剂

樊保国[6]利用镁渣和粉煤灰的水合反应，制备了可用于循环流化床锅炉的脱硫剂，并进一步分析了脱硫剂孔结构分形维数对脱硫能力的影响。研究结果表明，水合作用可提高镁渣比表面积，分形维数2.595 时，脱硫反应的钙转化率达到最大值；从而达到较好的脱硫效果，为在循环流化床锅炉中应用镁渣作为脱硫剂提供了重要的依据。

有学者研究发现，炽热镁渣激冷水合处理后脱硫能力提高，韩飞[7]进一步分析了激冷水合过程中镁渣晶体结构与镁渣脱硫活性的关系。结果表明：随镁渣激冷温度升高，β-C2S 增加，促进了具有发达孔隙结构的C-S-H 生成，提高了物理吸附能力；晶粒细化程度增大，γ-C2S 晶胞参数变化引起的晶格缺陷增多，增强了化学吸附能力。

3.3 胶凝材料

利用镁渣的自身膨胀来抵消水泥基胶凝材料的自身收缩行为，不仅使得镁渣能得以利用，同时还能改善胶凝材料的自收缩危害。

肖力光[8]配制了镁渣胶凝材料，并探讨了镁渣掺量、物料粉磨工艺、辅助激发剂复掺对镁渣胶凝材料强度的影响。研究表明：当镁渣与矿渣掺量相等时，镁渣胶凝材料有较好的强度；“先混后磨”工艺所制备的镁渣胶凝材料强度更高；复掺水玻璃、硫酸钠、石膏三种辅助激发剂后，镁渣胶凝材料强度性能达到32.5 强度等级复合水泥标准要求。

3.4 新型墙体材料

赵爱琴[9]利用镁渣研制新型墙体材料，制得的墙体材料密度小、强度高、耐久性好，其各项指标均达到有关技术标准。

肖力光[10]利用自主研发的镁渣胶凝材料[8]作为胶结料，与EPS 超轻集料及其它外加剂制成具有优良性能的墙体材料，并进一步研究了各种因素对墙体材料性能的影响，确定了利用镁渣胶凝材料与EPS 制成墙体材料的最佳配方，检测发现墙体材料28d 抗压强度达6.5 MPa，-25～25 ℃条件下25 次冻融循环后质量损失小于l%，强度损失为10%，表明该墙体材料轻质、高强、耐久性好。

3.5 陶粒支撑剂

近年来，很多学者研究发现，工业废弃物镁渣可以代替La2O3，Cr2O3和TiO2作为辅料来制备陶粒，探索出一条利用镁渣废弃物的新途径。

郝惠兰[11]以山西阳泉铝矾土和煤矸石为主要原料，工业废弃物镁渣为添加剂，在1 180～1 350 ℃下烧结制备陶粒支撑剂。研究表明，在不同烧结温度下，制得的陶粒支撑剂，其各项性能均符合行业标准要求。

田玉明[12]进一步分析了添加镁渣对陶粒支撑剂物相、显微形貌以及制备工艺中的资源、能源消耗的影响。研究发现，镁渣与原料中的一些氧化物在高温下形成了液相，使得陶粒具有更好的力学性能；添加镁渣后，不仅降低了陶粒的烧结温度，还能够利用皮江炼镁废渣，产生良好的经济效益。实验得出的数据为工业生产作业提供了参考。

以工业废弃物镁渣取代传统添加剂，在保证陶粒支撑剂性能的同时，显著降低了陶粒成本，是镁渣资源化的新途经。

4 展望

目前，国内外专家学者对皮江炼镁废渣再利用方面做了大量探索性研究，但均停留在试验研究阶段，没有形成产业化，无法真正意义上实现镁渣的零排放、无污染。随着全球环境问题的日益重视，国家应该从政策和资金上对镁渣研究开发给予一定的扶持，镁企业应该发挥自身市场优势，联合高校或科研院所，借助其科研优势，展开产学研合作，实现科研成果向市场转变，最终实现商品化，真正从根本上解决镁渣环境污染问题。