張 杰 薛曼齡 劉 猛

(1:北京市鋼鐵冶金節(jié)能減排工程技術(shù)研究中心 北京 100029；2：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029)

1 前言

鎳鐵渣已成為我國(guó)繼鐵渣、鋼渣、赤泥之后的第四大冶煉渣。鎳鐵冶煉是冶金行業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要方向，主要有高爐冶煉、電爐(礦熱爐)冶煉、回轉(zhuǎn)窯直接還原熔煉三種方式[1]。因國(guó)內(nèi)不銹鋼需求高，用高爐生產(chǎn)低品位鎳鐵仍有一定空間。以生產(chǎn)20%鎳鐵為例，鎳金屬的綜合回收率為90%時(shí)，渣的產(chǎn)生量至少在91%以上，且排渣溫度在1523-1626°C[2]。每年渣產(chǎn)量在3000萬(wàn)噸以上[3]，預(yù)計(jì)總排放量一億多噸。蘊(yùn)含巨大熱能的鎳鐵渣以填埋或堆砌的方式處理，占據(jù)大量土地，損失大量能源，并造成環(huán)境問(wèn)題。與其它冶金渣相比，鎳鐵渣有價(jià)金屬回收價(jià)值低，排渣量大，已逐步成為冶金廢渣處理的一大難題。國(guó)內(nèi)外冶金行業(yè)對(duì)冶煉高溫鎳鐵渣能量利用及渣處理開(kāi)始作為熱點(diǎn)研究。

本文從專利角度入手，分析鎳鐵渣技術(shù)領(lǐng)域的整體情況，總結(jié)鎳鐵渣技術(shù)研究現(xiàn)狀，并對(duì)檢索結(jié)果以及分析內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和思考，為技術(shù)人員研究提供一定的借鑒參考。

2 鎳鐵渣技術(shù)專利分析

專利數(shù)據(jù)來(lái)源于中文專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)(CNABS)和專利之星專利檢索系統(tǒng)(CPRS)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)申請(qǐng)日在2018年10月20日前申請(qǐng)的鎳鐵渣專利以檢索式方式進(jìn)行了檢索，檢索出專利522件，經(jīng)過(guò)篩選、去重、分類(lèi)等處理，最終確定與鎳鐵渣密切相關(guān)的123件中國(guó)專利，作為分析對(duì)象。其中發(fā)明114件，實(shí)用新型9件，授權(quán)36件，駁回、撤回放棄的15件，進(jìn)入公開(kāi)、實(shí)質(zhì)審查階段的專利有72件。

本文基于國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)情況，從總體發(fā)展態(tài)勢(shì)、申請(qǐng)人、技術(shù)方向分布對(duì)此技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1專利總體年度分布

圖1顯示了國(guó)內(nèi)與鎳鐵渣處理及利用相關(guān)專利申請(qǐng)量的年度分布情況。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，該技術(shù)始于2007年，研究起步時(shí)間較晚。在2013年前處于低位發(fā)展，是探索期。隨著國(guó)內(nèi)關(guān)注度的提高，從2014年申請(qǐng)11件專利開(kāi)始，進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展期，申請(qǐng)專利量猛增，近五年申請(qǐng)專利109件，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，仍處于高位發(fā)展。

圖1 申請(qǐng)專利年度分布

2.2重點(diǎn)申請(qǐng)人分布

為了明確國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)的主體，整理歸納了國(guó)內(nèi)重點(diǎn)申請(qǐng)人，見(jiàn)圖2。排名列于前10名的申請(qǐng)人為中南大學(xué)、江蘇省冶金設(shè)計(jì)院有限公司、北京科技大學(xué)、河海大學(xué)、上海中冶環(huán)境工程科技有限公司、中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司、山東理工大學(xué)、江蘇融達(dá)新材料股份有限公司、濟(jì)南大學(xué)、福建青拓鎳業(yè)有限公司。其中高校、企業(yè)各5家，專利數(shù)量均等。重點(diǎn)申請(qǐng)人中，中南大學(xué)、江蘇省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)院有限公司申請(qǐng)量并居首位。申請(qǐng)人主要研究技術(shù)方向集中在鎳鐵渣中金屬的回收，如鎂、硅、鎳等、耐火材料、 泡沫磚、膠凝材料、陶瓷磚、冶煉助劑等。

2.3技術(shù)方向分布

對(duì)分析對(duì)象按照技術(shù)方向、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了歸類(lèi)、統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。從表中數(shù)據(jù)可知，鎳鐵渣專利技術(shù)分布于資源化綜合利用和渣的處理。資源化綜合利用主要研究其在建筑材料、混凝土、水泥、耐火或凝膠材料、微晶玻璃等方面的應(yīng)用。渣處理為有用金屬的回收、渣的研磨、輸送、洗滌等工藝技術(shù)研究。

圖2 重點(diǎn)申請(qǐng)人分布

在資源化綜合利用方面，渣在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用研究最多。近兩年陸續(xù)出現(xiàn)了在脫硫材料、石油支撐劑、渣的余能余熱利用方面的應(yīng)用研究。

表1 鎳鐵渣專利技術(shù)方向分布

3 鎳鐵渣利用重點(diǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

鎳鐵冶煉技術(shù)涵蓋鎳鐵生產(chǎn)、煙氣處理及余熱回收、渣綜合利用等，以下對(duì)鎳鐵渣在建筑材料、混凝土、水泥、石油支撐劑、余熱利用等方面的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

3.1鎳鐵渣在建筑材料中的應(yīng)用

鎳鐵渣用于建筑材料的專利共計(jì)22件，其中僅5件專利授權(quán)，其余均處于公開(kāi)、實(shí)質(zhì)審查階段。授權(quán)專利技術(shù)主要用于生產(chǎn)自保溫蒸壓磚、高強(qiáng)承載磚、鎂橄欖石輕質(zhì)隔熱磚、透水磚等各類(lèi)性質(zhì)的磚。如貴州省工業(yè)固體廢棄物綜合利用(建材)工程技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)的鎳鐵礦渣路面透水磚及其制備方法[4]，是將原料按照配比進(jìn)行混合，并采用攪 拌機(jī)在30r/min的攪拌速度下攪拌均勻；再向其中加水，并控制加入的水與原料的比為0.23，繼續(xù)攪拌混合3min后，再將混合料送入成型壓磚機(jī)中壓制成型， 其中，壓制成型時(shí)，振壓頻率45Hz，振壓時(shí)間為8s；將成型后的磚坯標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天齡期，即可得到鎳鐵礦渣路面透水磚成品。通過(guò)采用的原材料中摻入75～85份的鎳鐵礦渣，使得鎳鐵礦渣的資源化利用顯著，節(jié)約了處理成本，有效地解決了鎳鐵礦渣難于處置的問(wèn)題，減少了環(huán)境污染。

3.2鎳鐵渣生產(chǎn)混凝土

鎳鐵渣生產(chǎn)混凝土的專利共計(jì)11件，其中僅3件專利授權(quán)。

典型技術(shù)為金川集團(tuán)股份有限公司、中國(guó)鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司共同開(kāi)發(fā)的利用水淬鎳鐵渣生產(chǎn)混凝土的方法、揚(yáng)州大學(xué)開(kāi)發(fā)的摻鎳渣的耐磨混凝土以及徐州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)誠(chéng)意商品混凝土有限公司開(kāi)發(fā)的鎳鐵渣超高強(qiáng)混凝土及其制備方法。

其中鎳鐵渣超高強(qiáng)混凝土及其制備[5]，以鎳鐵渣(摻量209kg/m3，比表面積為465m2/kg)作為粗、細(xì)骨料和礦物摻合料分別替代天然的石子、砂子和部分水泥。另外，鎳鐵渣的減水作用改善了混凝土的和易性，坍落度明顯增大；28天抗壓強(qiáng)度可達(dá)110Mpa以上，遠(yuǎn)高于非鎳鐵渣混凝土。

3.3鎳鐵渣生產(chǎn)水泥

鎳鐵渣生產(chǎn)水泥的專利共計(jì)11件，其中僅2件授權(quán)。

典型技術(shù)為湖南的彭美勛發(fā)明的鎳礦冶金渣的處理和利用技術(shù)[6]，以回轉(zhuǎn)窯-電爐工藝(RKEF)提煉鎳鐵排放的鎳鐵渣為主要原料制備水泥，方法是先將鎳鐵渣與硅鋁質(zhì)原料及少量堿金屬鹽的混合物低溫煅燒得到富硅物料，再在后者中按比例加入水化時(shí)釋放Ca(OH)2的原料和含CaSO4的原料磨細(xì)。不產(chǎn)生二次廢料也能避免重金屬淋濾擴(kuò)散，適用于各種不同礦產(chǎn)地的鎳鐵渣，可大量處理和利用規(guī)模龐大的鎳礦冶金廢渣，并實(shí)現(xiàn)增值利用。與硅酸鹽水泥相比，所得水泥早強(qiáng)性好，長(zhǎng)期強(qiáng)度能滿足多數(shù)使用要求，有更高的性價(jià)比，碳排放、能耗和污染等都大幅度減小。

3.4鎳鐵渣制備石油支撐劑

鎳鐵渣用于生產(chǎn)石油支撐劑專利2項(xiàng)，均授權(quán)。

楊松開(kāi)發(fā)的石油支撐劑[7]按重量百分含量主要由75%-82%鎳鐵渣和18%-25%軟質(zhì)粘土經(jīng)備料、混合、造粒、燒成和篩分制備而成，原料的重量百分含量之和為100%。石油支撐劑具有密度低、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、高強(qiáng)度、高導(dǎo)流能力、低破碎率和抗熱震能力高的特點(diǎn)；該石油支撐劑將工業(yè)廢渣進(jìn)行再利用，增加了資源的利用率，并有利于減輕環(huán)境污染問(wèn)題；另外，該石油支撐劑制備工藝能耗小，產(chǎn)能大，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

洛陽(yáng)理工學(xué)院和洛陽(yáng)賽羅帕陶瓷科技有限公司共同開(kāi)發(fā)的低密度中強(qiáng)度石油壓裂支撐劑[8]，技術(shù)通過(guò)采用在其中加入鉬礦尾礦以及氧化錳粉和鎳鐵渣粉構(gòu)成的復(fù)合添加劑，在明顯降低支撐劑密度和保持其一定強(qiáng)度方面取得了較好平衡，從而使研制的石油支撐劑獲得了優(yōu)良的綜合性能，既確保了支撐劑具有可觀的強(qiáng)度，又降低了支撐劑的燒成溫度，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，同時(shí)也充分的利用了廢棄的礦物，實(shí)現(xiàn)了廢棄資源的再利用。

3.5鎳鐵渣余熱回收利用

鎳鐵渣余熱回收專利有5項(xiàng)，其中2項(xiàng)授權(quán)，1項(xiàng)放棄，其余2項(xiàng)專利均為同一技術(shù)方案的發(fā)明專利。

無(wú)錫三達(dá)環(huán)保科技有限公司開(kāi)發(fā)的高爐礦熱爐渣固化熱高中低余熱回收利用系統(tǒng)[9]，其技術(shù)方案的總體思路為，用轉(zhuǎn)碟與風(fēng)冷相結(jié)合的方法進(jìn)行高爐渣處理和熱能回收。系統(tǒng)包括高爐、礦熱爐、一體寶塔式螺旋汽化渣溝出熱器、旋風(fēng)除塵器、翅片式余熱鍋爐、蒸汽包、脈沖袋濾式除塵機(jī)、蛇形管換熱器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電室和冷凝器，卸渣平臺(tái)中心設(shè)有螺旋形結(jié)構(gòu)的月牙型汽化渣溝裝置。系統(tǒng)能夠?qū)⒏郀t渣和鎳鐵熔煉礦熱爐爐渣的余熱回收發(fā)電，并將污染物進(jìn)行除塵，既滿足了環(huán)保要求，又利用爐渣產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益。

北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司開(kāi)發(fā)的燒結(jié)礦豎式逆流余熱回收裝置和方法裝置包括頂部入料倉(cāng)、豎式逆流回收裝置本體、八字分料器、冷卻風(fēng)再分布裝置、中心布風(fēng)器、十字梁、環(huán)形布風(fēng)管、振動(dòng)給料機(jī)、下部接料倉(cāng)；工藝流程為：高溫?zé)Y(jié)礦經(jīng)破碎后進(jìn)入頂部入料倉(cāng)，經(jīng)過(guò)五個(gè)下料管進(jìn)入豎式逆流換熱裝置本體，物料在下降過(guò)程中受八字分料器、十字梁的影響均勻下降，從豎式逆流換裝置本體下部的七個(gè)出料口排出，物料由七個(gè)出料口排出后，匯入下部接料倉(cāng)，混合后以一定速度排出[10]。其優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行平穩(wěn)可靠、漏風(fēng)率低、粉塵污染小、余熱資源利用率高，可用于塊狀鋼渣、紅熱鐵合金鑄塊、鎳鐵渣等余熱回收，回收的高溫余熱可用于發(fā)電、冬季取暖等。

此外，值得重點(diǎn)關(guān)注的是鎳鐵渣超高強(qiáng)混凝土及其制備方法、鎳鐵礦渣路面透水磚及其制備方法兩項(xiàng)技術(shù)，經(jīng)授權(quán)后，發(fā)生了權(quán)力轉(zhuǎn)移，說(shuō)明企業(yè)重點(diǎn)以專利為核心技術(shù)開(kāi)拓市場(chǎng)，是市場(chǎng)接受度較高的技術(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)鎳鐵渣技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行梳理、統(tǒng)計(jì)和分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1) 與冶金渣中高爐渣、鋼渣的綜合回收技術(shù)相比，鎳鐵渣研究起步較晚，是近五年才開(kāi)始關(guān)注的技術(shù)方向， 2017-2018年出現(xiàn)井噴式的專利申請(qǐng)量，但授權(quán)專利僅36件，72件專利處在公開(kāi)或進(jìn)入實(shí)質(zhì)審查階段，說(shuō)明各機(jī)構(gòu)剛剛開(kāi)始在此領(lǐng)域開(kāi)展競(jìng)爭(zhēng)。因此，鎳鐵渣是冶金行業(yè)固廢處理的一個(gè)新的研究方向，開(kāi)發(fā)空間很大。

2) 鎳鐵渣研究機(jī)構(gòu)主要集中在高等院校、企業(yè)，技術(shù)仍處于探索期，未有大規(guī)模工業(yè)化的成熟技術(shù)。企業(yè)和科研單位應(yīng)強(qiáng)化產(chǎn)學(xué)研一體化意識(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研企的協(xié)同創(chuàng)新，促進(jìn)多單位合作，進(jìn)行共性技術(shù)的研發(fā)和核心技術(shù)的攻關(guān)，加強(qiáng)全產(chǎn)業(yè)鏈的整合，加快推進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，將技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)收益。

3) 鎳鐵渣技術(shù)開(kāi)發(fā)中，渣的資源化利用、處理、金屬提取是初期開(kāi)展的研究方向。能源利用主要集中在生產(chǎn)鎳鐵工業(yè)爐窯的余熱利用，而對(duì)鎳鐵渣余熱利用研究很少。因此，需在鎳鐵渣資源化利用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步回收鎳鐵渣的熱量將是重點(diǎn)突破的難題。此外，鎳鐵渣在脫硫材料、石油支撐劑方面的應(yīng)用也值得深入探索。

4) 企業(yè)可依據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展，及時(shí)了解市場(chǎng)需求，抓住機(jī)遇，在固廢處理領(lǐng)域尤其是鎳鐵渣方向上積極進(jìn)行專利布局，把控先機(jī)，成為行業(yè)的領(lǐng)頭軍。