硅熱法鎂冶煉過程鎂渣的應用研究

高利寧

（榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000）

作為重要的金屬資源，鎂及其合金產物均具有較大的強度，加之密度較小的特性，極容易被加工成各類產品，當前已經被廣泛應用至交通運輸、精密機械等領域之中。基于白云石還原的方式會產生一定量的鎂渣，數據表明每生產1 t 金屬鎂將會得到大約8～10 t 的鎂渣，由于此類物質具有較強的流動性，因此會對大氣造成污染，從而引發人類呼吸道疾病。在此背景下，有必要尋求一套合理的鎂渣應用方法，這既是對人類生存環境的保護，也是資源合理利用的充分體現。

1 鎂渣的產生

就當前的工業生產技術而言，較為高效的鎂生產方法有兩種。相比于電解法而言，硅熱還原法所需的生產成本更低，還原溫度也較低，可以適用于各類規模的生活活動，加之還原性材料的廉價特性，因此被廣泛應用于我國的鎂工業中，關于其具體工藝有：將白云石（MgCO3·CaCO3）作為生產原材料，將其置于回轉窯中進行煅燒處理，此過程中溫度應把控在1 150～1 250 ℃，在得到粉狀物質后將其與硅鐵粉以及螢石粉進行混合，而后送入耐熱鋼還原罐中做進一步處理，此環節應將溫度控制在1 190～1 210 ℃，在真空環境下便可還原出粗鎂，在此基礎上進行熔劑提煉以及鑄錠工序后，便可得到金屬鎂錠[1]。基于上述工藝方法，最終便會產生殘渣，而這便是鎂渣。

2 鎂渣的應用研究

2.1 利用鎂渣研制新型墻體材料

探討鎂渣在新型墻體材料中的應用，具體思路為：選取一定量的鎂渣將其磨細，而后與適當比例的磨細礦渣進行混合，加之復合激發劑的作用，將會得到新型墻體材料。

基于此工藝方法，所得到的墻體材料密度較小，具有良好的強度特性，經檢測后各項性能指標均符合行業內的技術標準。總體來說，這種對鎂渣的利用方法具有成本低、效率高、質量好的特性，其市場前景廣闊。

2.2 鎂渣在煤脫硫方面的應用

對硅熱法煉鎂的工藝方法進行分析可知，所產生的鎂渣主要含有CaO和SiO2兩種物質，綜合表1給出的成分檢驗單進行分析可知，CaO的含量超過了50%。

表1 某鎂廠鎂渣的化學成分檢驗單 %

對于鍋爐煤脫硫技術而言，在生產過程中需要將煤與石灰石直接置入達到高溫狀態的鍋爐燃燒室中，此時石灰石經煅燒后便會得到氧化鈣，所得的物質進一步與二氧化硫氣體進行反應，得到的亞硫酸鈣在高溫條件下將會發生氧化反應，由此得到硫酸鈣，最終實現固硫的效果。由上述工藝流程可以得知，CaO是整個固硫過程中必不可缺的物質，由于鎂渣中此物質的含量高達50%，因此可以將鎂渣作為脫硫的主要材料。基于實驗室研究數據可知，該反應對氧氣的要求較高，反應過程中溫度以900 ℃為宜，所帶來的脫硫效率達到了76.5%，因此將鎂渣作為脫硫劑具有可行性。

基于上述給出的脫硫工藝方法，將其運用于循環流化床鍋爐中，可以起到煙氣脫硫的效果。對濕法煙氣除硫原理進行分析，其為典型的酸堿中和反應，當鎂渣與水接觸后將會生成Ca（OH）2以及和Mg（OH）2這兩種物質，殘留于煙氣中的SO2會進一步與水發生反應，從而生成H2S03、Mg（OH）2等物質，最后在脫硫塔中便會發生酸堿中和反應。

2.3 利用鎂渣制備混凝土膨脹劑

補償混凝土在硬化過程中會出現失水現象，此時將會進一步引發干縮以及冷縮現象，在混凝土膨脹劑的作用下可以顯著改善這一問題。研究表明，當Mg0和CaO 這兩類物質與水接觸后，將會產生具有膨脹性的Ca（OH）2以及和Mg（OH）2。二者對應的體積膨脹率均較高，分別達到了97.9%和148%，因此是一種極為高效的混凝土膨脹劑材料。在此基礎上進行測試，探尋限制膨脹率以及砂膠試件強度的主要影響機制。對試驗結果進行分析可知，若只將鎂渣作為混凝土膨脹劑材料，在水中進行養護7d 后所得到的限制膨脹率低于0.025%，因此不符合JC476—2001的相關規定；以此為基礎做出適當改進，在其中摻入適量的激發劑后，可以顯著提升鎂渣的早期膨脹性能，無論是限制膨脹率還是強度均符合行業內的相關標準[2]。將鎂渣、粉煤灰以及石灰作為原材料，基于特定的工藝方法制得混凝土膨脹劑，經試驗后可知：石灰是激發鎂渣水化現象的主要影響因素，伴隨著石灰摻量的增加，所對應的混凝土早期膨脹率也隨之加大，在后期伴有微弱的收縮現象；伴隨著鎂渣摻量的增加，鎂渣膨脹劑所對應的限制膨脹率將表現出先增加后穩定的趨勢。

2.4 利用鎂渣制備陶瓷濾球

以鎂渣為原材料，將其制作成陶粒濾球，由此作為吸附材料。在此基礎上，將TiO2以負載的方式置于陶瓷濾球上，將水中的砷去除，從而對其展開研究。當溶液的質量濃度達到2 mg/L后，此時溶液的pH值應等于2，并將吸附時間控制到240 min，所使用的濾球量以20 g/L為宜，在滿足上述條件后所得到的砷去除效率最高，達到了95.96%。將鎂渣作為原材料，在此基礎上填入適量的成孔劑以及天然礦物質，由此發揮出燒結助劑的作用，所得到的多孔陶瓷濾球可以用于工業廢水處理工作中[3]。此外，低溫成孔劑煤粉以及白云石這兩大材料均可以對氣孔率進行合理的調控，鎂渣多孔陶瓷濾球中的各個氣孔分部具有良好的均勻性，經顯微觀察可知其為三維連通狀結構，所帶來的過濾性能良好。

2.5 利用鎂渣改性瀝青性能

將粉膠比、細度以及鎂渣三大因素作為基本分析對象，基于正交試驗展開研究，探討鎂渣對瀝青常規指標所帶來的影響機制。結果表明：在上述所列舉的三大影響因素中，粉膠比對改性瀝青性的改進效果最為顯著，而細度所帶來的影響最小。以正交試驗為基礎，基于提升鎂渣利用率的目的，進一步展開了直剪試驗，從而探尋出具有環境效益的工藝方法。

結果表明，伴隨著鎂渣摻量以及細度的提升，所帶來的瀝青勃結性也進一步得到了改進，相比于石灰石粉而言鎂渣所帶來的促進效果更為明顯，但相比于滑石粉所帶來的效果而言依然有一定差距。在所有影響因素中，鎂渣表面狀態所帶來的效果最為明顯。起始摻量對瀝青黏結性的影響極為明顯，伴隨著所用量的增加，對應的影響程度也更為明顯；而實際摻量低于起始摻量時，此時鎂渣對瀝青黏結性所產生的影響極為微弱。

2.6 鎂渣在耐火材料方向的應用

針對于某省所產生的鎂渣理化性質，在此基礎上將其作為原材料，基于皮江法煉鎂還原技術對其進行處理，實際結果表明：材料所具備的耐火溫度達到了1 470 ℃，對應的抗壓強度介于180～200 MPa，伴隨著氣孔率的增加，所帶來的抗熱震性能逐步提升，經水煮處理長達72 h 后依然可以達到無粉化的效果，同時不存在裂紋以及變形現象。將鎂渣以及工業氧化鋁作為原材料，基于高溫固相法進行加工，可以得到C2AS-CAS2復相耐火材料，對應的抗壓強度達到了65.3 MPa，具有良好的水化以及抗熱震效果。

2.7 鎂渣作為路用材料

表2給出了某鎂廠生產過程中產生的鎂渣以及粉煤灰成分及其其對應比例，對其分析可以得知二者對應的活性物質基本一致，但就鈣鎂含量這一指標而言鎂渣相對更多一些。氧化鈣鎂含量符合國家三級鈣鎂生石灰的相關標準，具有良好的活性，當其與水泥以及石灰接觸后可以作為路基的混合料。在此基礎上，圍繞鎂渣作為鋪路材料這一問題展開試驗，結果表明鎂渣在路基工程中具有高度的可行性。

表2 某鎂渣試樣和粉煤灰試樣化學成分表 %

3 存在的問題及解決的途徑

就當前環境而言，科研人員對鎂渣的研究力度持續加大，同時也取得了一定的成果，但鎂渣問題并非一時之事，未來依然有很長一段路要走。總結來說，鎂渣問題主要存在如下幾大難點：鎂渣具有火山灰活性這一基本特性，但并不是一種典型的活性材料，相比于粉煤灰而言小更為微弱；鎂渣可以作為礦化劑使用，但對應的利用率較低；所得到的科研成果適應性不足，僅停留在實驗室階段，此外國家相關政策也相對缺乏。基于上述問題，提出了四種解決方案：①鎂企業應全面發揮出市場優勢，通過與高校合作的方式建立科研平臺，依托于強大的科研力量提升科研成果的可行性，將其推行至市場環境中，最終實現商品化目的。②鎂企業積極開闊思路，延展產品鏈，基于對鎂渣的研磨處理，可以作為副產品進行銷售。③注重對鎂渣應用的研究工作，投入大量的資金，引入高技術人才。④在過去很長一段時間，鎂工業的發展均建立在犧牲環境的基礎上，從而引發嚴重的環境污染問題。對此，我國應出臺相應政策，對鎂渣研究工作給予一定扶持。

4 結 語

綜上所述，鎂工業的高速發展隨之引發了鎂渣堆積問題，從而對環境造成污染。因此有必要對鎂渣的應用方法進行研究，盡管當前已經取得了一些成果，但依然停留在實驗室階段，要想實現市場化目標依然任重而道遠。此時，國家應出臺相應的鼓勵政策，鎂企業應加大對鎂渣應用的研究工作，互相攜手做好鎂渣的利用工作，實現經濟效益與環境保護的雙贏效果。