铜镍矿研究现状论文

镍冶金渣资源化利用现状分析论文

摘要：镍冶金渣作为重要的二次资源，含有铁、镍、铜等有价金属。随着镍需求量的增大，排放的镍渣也越来越多，若不能得到合理利用，既造成资源浪费，又污染环境。本文对镍冶金渣资源化利用现状进行分析，并讨论了进一步资源化的方向。

关键词：镍冶金渣；资源化；有价金属；建筑材料

随着我国对有色金属需求量增大，每年有色冶金渣的数量不断增长，这些冶炼弃渣由于未得到合理利用，不仅占用大量的土地资源，同时对环境有着潜在的威胁，从而不利于可持续发展，因此有色冶金渣的资源化利用就有着十分重要的意义。中国是世界上镍资源消费最大的国家，每生产1t镍约排除6~16t渣，仅金川集团的镍冶金渣堆存量多达4000万t，每年还新增约200万t[1-3]。镍渣的组成因其矿石种类和冶炼工艺不同而变化较大。以金川镍闪速炉渣的物相组成为例，主要由铁氧化物、硅氧化物、钙和镁的氧化物组成，渣中含有约40%的铁元素，还含有一定数量的有色金属元素镍、铜、钴；铁主要以铁橄榄石形式存在，橄榄石间充填的非晶态玻璃质并且机械夹杂着大颗粒镍硫[4]。镍渣的处理已经成为镍冶炼过程的重要工序，如何正确有效的回收再利用这些二次资源，使得镍冶炼过程顺畅，解决排渣占地和环境污染等问题，成为镍冶金发展循环经济的主要问题。本文对目前镍渣资源化利用进行综述，再利用的主要研究包括：有价金属的提取，用作填充材料，制作微晶玻璃，生产建材等[5-7]。

1、镍渣资源化利用现状

有价金属提取

倪文[8]等利用以焦炭为还原剂的熔融还原法提取闪速炉水淬镍渣中的有价铁，探讨了不同碱度，不同还原温度，不同还原时间对提铁率的影响。结果表明控制100g渣配加、和焦炭，熔融温度为1500℃，还原时间为180min，铁的还原率达。王爽[9]等将镍渣、氧化钙和焦粉制备成含碳球团进行深度还原回收有价金属铁、镍和铜，结果表明碱度对有价金属的回收率有影响，适当提高碱度可以促进金属相生长，改变形态结构有利于后续分离，碱度过高会使金属相中产生杂质，当碱度确定为时，铁、铜、镍的回收率分别为、、；镍渣中的铁经深度还原后以金属铁的形式存在，镍和铜主要与铁以固溶体形式存在。卢雪峰[10]等利用自制小型直流电弧炉对镍渣进行硅钙合金回收，以焦炭和为还原剂，控制镍渣、生石灰及还原剂的比例，可以获得相应的的硅钙合金。肖景波[11]等对镍渣进行铁、镍、镁回收，实验过程将镍渣破碎后的粉末进行酸浸，向酸浸液中加入氧化剂与pH控制剂生成铁沉淀物，分离后与硫酸作用生成硫酸铁溶液，精制后采用氧化沉淀法获得高纯铁沉淀物；沉铁溶液加入硫化物生成硫化镍沉淀，经分离、洗涤、干燥制得镍精矿；提镍溶液加入助剂LN除杂，得到精制硫酸镁溶液与氨水反应制得氢氧化镁产品。

生产充填材料

镍渣被用于井下填充材料技术相对成熟，既解决了镍渣的资源化问题，又可以降低填充成本，减少水泥的消耗，降低水泥生产过程中环境污染。目前水淬渣用作充填材料关键在于对活性渣进行激发，激发方式分为机械激发和化学激发。传统的机械激发采用普通机械球磨进行物理细化，高能球磨可以使矿渣迅速细化，增加比表面积，增大水化反应面提高物料的物理化学活性。镍渣经过高能球磨处理后，抗压强度会显著提高。化学激发利用激发剂与矿渣的化学反应生成具有水硬胶凝性能的物质来提高矿渣的活性，激发剂多采用硫酸盐类、碳酸盐类等。杨志强[12]等采用机械活化和化学活化两种方式进行实验研究。

结果表明，机械活化镍渣、脱硫石膏、电石渣、水泥熟料的最佳比表面积分别为620，200，200，300m2/kg，化学活化以脱硫石膏和电石渣为主，硫酸钠和水泥熟料为辅，前两者比例相同各占总量5%时，镍渣充填体强度最高；加入3%的硫酸钠和2%的水泥熟料可以提高激发效果；外加的PC高效减水剂，配置胶砂比为1∶4，料浆浓度为79%的充填浆料完全满足矿山对充填体的强度要求，可以替代水泥应用于金川矿山交接充填采矿。高术杰[13]等利用水淬二次镍渣制备矿山充填材料，利用脱硫石膏和电石渣等物质激发生成大量水化产物，产生较高充填强度。并且水淬镍渣充填料的'流动度好于水泥充填料的流动度。结果表明，脱硫膏与电石渣比为1∶1混合再与少量硫酸钠及水泥熟料配置复合激发剂，具有较好地激发效果。

制作高附加值玻璃

微晶玻璃和泡沫玻璃均数高附加值玻璃，微晶玻璃具有玻璃和陶瓷的双重特性，比陶瓷亮度高，比玻璃韧性强。泡沫玻璃具有不燃烧、不变形、热学性能稳定、力学强度较高且易加工的优点。王亚利[14]等对镍渣熔融炼铁剩余熔渣制备微晶玻璃进行了研究。提铁二次渣经过均化→澄清→浇注→晶化→退火→研磨→抛光制备出符合建筑装饰国家标准的微晶玻璃，确定了最优原料比。冯桢哲[15]等以镍渣和废玻璃为主要原料，添加碳酸钠作为发泡剂，烧制出泡沫玻璃。探讨了碳酸钠添加量、发泡温度、保温时间对泡沫玻璃质量的影响，结果表明，主要原料镍渣和废玻璃分别为20%和80%，外加5%~7%的碳酸钠发泡剂、2%的硼酸为稳泡剂和2%的硼砂为助溶剂，在870℃下恒温1h，可以制备出总气孔率为，抗折强度高达的镍渣基泡沫玻璃。

生产建材

镍渣的主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3，利用镍渣生产硅酸盐水泥可以部分替代黏土和铁粉，减少能源消耗。镍渣中存在的少量镍、铜、钴等元素对降低熟料的液相最低共熔点和黏度有积极的作用，可以改善其易烧性，有利于熟料矿物的形成。吴阳[16]等用镍渣替代铁粉制备道路硅酸盐水泥，通过合理配料制备出以C3S，C2S和C4AF为主要矿物的道路硅酸盐水泥熟料，其强度、矿物组成、安全性等性能符合国标要求；最佳条件为镍渣掺杂量（质量分数）10%，煅烧温度1370℃。王顺祥[17]等探讨了镍渣不同细度和不同掺杂量对硅酸盐水泥水化特性的影响。结果表明，随着镍渣的掺量增加，使得水泥浆体凝结时间延长，水化反应放热减少，硬化水泥砂浆的抗压强度、抗折强度讲师；相反，随着镍渣细度的提高可以改善上述影响，并且有利于硬化水泥浆体的结构致密化。镍渣作为混凝土掺合料和集料使用，能够提高混凝土的强度，并且镍渣结构致密且金属含量较高，含有大量的橄榄石，使得镍渣硬度高，从而使掺入镍渣后的混凝土耐磨度提高。李浩[18]等研究了镍渣砂掺量对混凝土耐磨性的影响，当镍渣粉、粉煤灰、镍渣砂同时掺入混凝土中，掺量分别为10%、10%、40%时，混凝土的耐磨性最好。丁天庭[19]等基于镍渣的掺量对混凝土的抗压强度影响进行研究，当镍渣掺量为20%时，混凝土的抗压强度最大，当镍渣掺量为50%时，混凝土的抗压强度最小。

2、发展趋势

资源利用率低，资源紧缺，产业结构不合理成为制约我国经济社会发展的战略问题。结合我国目前矿产资源现状来看，镍渣中含有的主体金属是铁，应该以提铁为主进行资源化利用，不但可以缓解我国铁矿石资源压力，而且有利于可持续发展，又可增加企业效益。提铁后的二次渣还可以用来制备微晶玻璃，充填材料等建筑材料，镍渣资源得到充分利用。

3、结语

镍渣作为重要的二次资源，含有铁、镍、钴、铜等有价元素，单纯提取有价金属经济性有限，并且存在二次渣的废弃问题；单纯做非金属资源处理造成对有价金属元素的浪费；因此，将有价金属提取后的二次渣进行非金属资源处理更有利于达到镍渣的高效化和生态化利用。

参考文献

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题目——大岭矿区矿床地质特征及埋藏特性研究内容提要：针对吉林大龄矿区，对其区域地质概况、矿床地质特性等进行了介绍。矿区被保留下来的西翼呼兰群的地层，构造活动不仅普遍发育，同时也具备着长期性的继承性特征；矿区构造主要以断裂为主，褶皱构造不十分发育；矿区主采一号岩体，矿体是经过液态熔离矿浆、结晶熔离矿浆及晚期残余矿浆三次熔离作用而形成的硫化铜镍矿床。并对其岩性岩相进行了分析。

1成因论史概况

随着科学技术的进步，特别是边缘科学的渗透和人类找矿勘探、采矿生产实践活动的深入展开，以及新的矿床地质事实的不断披露，使矿床地质学进入了一个新的发展时期。经典的正岩浆矿床的某些成因观念正受到新的学术思想的挑战。

关于基性-超基性岩硫化铜镍矿床的成因问题，自1893年萨德伯里镍矿发现至今，在整整一个世纪的时间里一直众说纷纭，莫衷一是。概括起来有:岩浆成因(，1891;，1893;Coieman，1905，1913;Collins，1934～1937;Я.И.Ольщанский，1905，1951;，1957;.Годлевский，1959～1960，1967～1968)、热液成因(，1903;.Заварицкий1926;Э.Н.Елисеев，1959)、硫化作用成因(，1963)、陨石撞击成因(，1964;French，1966)、变质成因(С.И.Зак，В.В.ПроспуряковиВ.И.Кочнов-Перухов，1972)以及淋滤交代成因等。

所谓岩浆成因观点系指(1893)，Я.И.Ольшанский(1950，1951)［1，2］在实验基础上提出的就地分异成矿理论。百年来，这一理论为大多数地质、矿床学家所接受，并广泛用以解释岩浆硫化铜镍矿床的成岩成矿作用，从而成为经典的正岩浆矿床的传统理论之一。

但是，近一二十年来，由于一系列典型矿床(如加拿大的萨德伯里，前苏联的诺里尔斯克，我国的金川、红旗岭、力马河、赤柏松等)披露的新的地质事实，使硫化铜镍矿床的传统成因观念正孕育着新的突破。例如，(1962)，(1972)等对萨德伯里矿床［3，4］;В.И.Смирнов(1976)，Н.Н.Урванцев(1979)，Л.В.Польфиров(1979)，М.Ф.Смирнов(1966)等对诺里尔斯克矿床的研究成果［5～8］即是例证。

笔者通过对红旗岭、金川、力马河、赤柏松等矿床的研究［9，10］，认为绝大多数品位高、储量大，尤其是单斜状小岩体中的陨铁状、致密状和角砾状富矿石构成的大矿体，主要是由深渊液态层状分异矿浆的贯入作用而形成的。就地熔离或结晶分异作用，只是在深成矿浆贯入过程中起作用的次要因素。

2主要依据

笔者从我国主要硫化铜镍矿床的实际情况出发，认为下列地质事实是就地分异成因论难以解释的，而这些事实恰恰是深成矿浆贯入成因的论据。

(1)就地分异理论认为，岩浆型硫化铜镍矿床主要产于非均一组构的单式岩体的某一特定分异岩相中，矿体通常产于岩体底部。由此看来，含矿岩体是否是单式岩体，亦即含矿岩相是结晶分异的相变产物，抑或是单独一次侵入相的问题，对硫化铜镍矿床成因理论至关重要。

事实上，中国绝大多数含镍基性-超基性岩体并非单式岩体，而是由岩浆多期(次)连续或断续侵入于同一空间形成的非均一组构的复式岩体。而且，较晚侵入的岩浆或矿浆往往具有含矿性好和矿石更富的特点。例如，力马河矿床含矿岩相是最晚侵入的辉石橄榄岩。金川含矿岩体是矿浆3次贯入形成的复式岩体［15］，其中第三次侵入的中粗粒含辉纯橄岩相含矿率为100%。据张瑄(1983)的研究成果，赤柏松含矿岩体也是一个多期(次)熔浆侵入作用明显的复式岩体，较晚侵入的细粒苏长岩及辉长玢岩含矿性最好。笔者(1982)发现，红旗岭1号岩体中的主要矿体赋存在第三次侵入的橄榄辉石岩中。白马寨、朱布以及漂河川等含矿岩体也有类似情况。国外的萨德伯里、诺里尔斯克等知名矿床，也都产于复式岩体之中。既然如此，建立在非均一组构单式岩体基础上的就地熔离的成因观点，就值得商榷了。

傅德彬地质学论文选集

应当指出的是，一个岩体的凝固时间往往需要十几万年 ( В. И. Котляр，1966) 到几百万年 ( Н. В. Петровская，1982)［16］。在如此漫长的时间里，犹如火山多次喷发形成火山堆积物一样，含矿基性—超基性岩体往往也是深成岩浆 ( 或矿浆) 多期 ( 次) 活动的产物。如两次侵入时间间隔较短，就会出现熔浆液态侵入液态的情况。此时，不管两次侵入到一起的熔浆是否混合，只要二者成分相近，温度梯度小，均可形成肉眼或镜下难以鉴别的特殊侵入关系，笔者 ( 1981) 称之为隐秘侵入接触 ( Cryptically intrusive contact) 。长期以来，还是由于这种隐秘侵入接触现象未被识别和认识，才掩蔽了大量岩体中岩相间侵入关系的实质，从而使人们把复合的侵入岩相误认为结晶分异岩相，把实质上的复式岩体视为单式岩体，进而把某些后生贯入矿体看做是就地熔离成因的同生矿体。可见，隐秘侵入接触关系的研究至关重要。其具体研究方法，笔者已有另文论及，恕不赘述。

图 2 阿拉列琴矿床地质剖面图( 据 Г. И. Кавардин，1981)

图 3 卡乌拉矿床地质平、剖面图( 据 Г. И. Кавардин，1981)

( 2) 就地分异理论认为硫化铜镍矿床的寄生母岩侵入体多为岩盆、岩床和岩盘，而单斜状岩墙、岩脉和岩株等含矿岩体则罕见。苏联的诺里尔斯克 ( 图 1) 、阿拉列琴 ( 图 2) 和卡乌尔( 图 3) ，以及加拿大的萨德伯里 ( 图 4) 等含矿岩体是墙状还是脉状姑且不说，就我国的一些硫化铜镍矿床而论，其中绝大多数含矿岩体都不是岩盆、岩盘等，而是单斜状的岩墙、岩脉与岩株。例如，金川为一不规则状的岩墙 ( 图 5) ;赤柏松1 号岩体为岩墙 ( 图 6) ; 红旗岭 7 号岩体 ( 图7) ，以及漂合川含矿岩体群中的岩体皆为岩墙。力马河与红旗岭1 号岩体，在总轮廓上虽似歪盆状岩体，但就单独侵入的含矿岩相而论，无论是力马河的辉石橄榄岩还是红旗岭 1 号岩体的橄榄辉石岩，均为脉状贯入岩体 ( 图 8 ～ 图 10) 。尤为特征的是，这些单斜状的小侵入体，不仅含矿性好，蕴藏有大富矿，而且通常都是全矿岩体或称满贯式矿体。

图 4 萨德伯里矿区地质平、剖面图( 据 Г. И. Кавардин，1981)

图 5 金川矿区地质略图

( 3) 以就地分异成矿理论为基础，Vogt( 1923) 曾指出，找大矿要到大岩体中去找，小岩体只能形成小矿。实际上，小岩体含大矿者并不乏其例。按矿体与岩体之体积比计算，力马河为1∶5，金川为3. 3∶5，红旗岭7 号为1∶1。另据 Урванцев ( 1973) 的资料，诺里尔斯克侵入体厚60 ～100m，矿体厚达几十米。加拿大魁北克省的马卜瑞吉镍矿，是一个由含 30%硫化物和 70% 硅酸盐的不混熔橄榄岩熔浆侵入凝灰岩中形成的岩席状侵入体。所有这些矿床，都很难设想是就地分异形成的。A. J. Naldrett ( 1969) 指出，“从许多案例中可以清楚地看出，硫化镍矿床是作为不易混熔的硫化物流体贯入的。”J. E. Hawley ( 1962)认为: 萨德伯里侵入体是熔浆一分为二分别成岩成矿的范例。R. L. Stanton ( 1972) 针对萨德伯里也曾指出，“一些地区的硫化物和硅酸盐的比值，对侵入体所具有的可能温度下的完全溶解来说是太高了。”笔者认为，小岩体成大矿这种不协调的现象本身，表明熔浆曾经历过深渊液态熔离分异作用，即在其侵位之前，硅酸盐和硫化物已是熔离相了。力马河岩体平均硫化镍比萨德伯里高 180 倍［17］，岩体本身显然不可能分异或熔离出那么多的硫化镍，只有用深渊熔离作用才能得以解释。由此得出结论: 鉴于硫化物是在深部熔离富集的，故矿体的大小与岩体规模无关，小岩体也可以成大矿。

图 6 赤柏松 1 号岩体地质图

图 7 红旗岭 7 号岩体地质图

图 8 力马河硫化铜镍矿床中段地质略图

图 9 红旗岭 1 号岩体地质略图

( 4) 矿体位于岩体底部，这是就地分异理论诱导出的另一个结论。笔者并不否认由含矿熔浆就地熔离出来的硫化物，在重力场作用下可以形成底部似层状矿体。不过，在更多的情况下，所谓的底部矿体实际上是深熔矿浆沿岩体与围岩间的构造破碎带贯入所致。J. R. Boldt ( 1969) 研究萨德伯里后指出， “七十余年的勘探和开采经验表明，矿床位置是由含镍侵入体的底部接触带这个重要的构造决定的” ( 见图 4 中的剖面图) 。力马河镍矿虽然发现已二百多年了，但直到 20 世纪 70 年代，在开采和补充勘探过程中，才证实含矿辉石橄榄岩相是沿闪长-辉长岩与围岩接触带贯入形成的 ( 图 8，图 10) 。红旗岭 1号岩体底部的含矿橄榄辉石岩，也是沿岩体边缘的构造接触带侵位形成的( 图 9 中的剖面图)，图 12 为红旗岭 1 号与 7 号岩体岩石化学特征图解。朱布岩体沿岩体边部贯穿所有垂直分异岩相 ( 图 11) 。力马河、漂河川等一些岩体的底部矿体还常常贯入到岩体的围岩中。类似的情况在国外的某些矿床内已屡见不鲜。这些事实与就地熔离成矿理论是不相协调的。显而易见，长期以来，矿体产于岩体底部这一观念，在很大程度上掩盖了一些矿浆沿岩体底部或边缘构造接触带贯入成矿的本质。

图 10 力马河岩体剖面图

图 11 朱布岩体剖面图

( 5) 按照就地分异成矿理论的观点，一个就地分异较为完善的含矿单式基性-超基性岩体，其含矿岩相位于岩体底部，在扎氏或王氏岩石化学图解上［18］亦位于最下部。然而，许多硫化铜镍矿床都并非如此。例如，许多人一直认为是典型就地分异的歪盆状红旗岭1 号岩体，其含矿的主要橄榄辉石岩相虽然在空间上位于岩体最下部 ( 有趣的是在辉石橄榄岩相的下部) ，但在岩石化学图解上都分布在中部，而不是最下部; 图解最下部的倒是空间上位于其下部的辉石橄榄岩相。类似的情况也见于赤柏松矿床 ( 图 13) ，其含矿最好的橄榄苏长辉石岩与辉长玢岩也位于中部。这种被认为是 “异常”的现象，恰好揭示了一个重要的本质问题，即在空间上位于底部、而在岩石化学图解上位于中部的含矿岩相，并非就地结晶重力分异的产物，而是单独一次含硫化物熔浆或矿浆贯入作用形成的。М. Ф. Смирнов ( 1966) 研究诺里尔斯克矿床时曾指出: “硫化物在斑杂辉长岩-辉绿岩中的富集程度，比苦橄辉长-辉绿岩高一倍。这一点无论如何也不应跟橄榄石和硫化物因重力沉淀而发生共同沉积的概念协调起来。”

( 6) 应用地质温度计计算含矿岩体形成温度表明，不同矿区的含矿岩相的形成温度，均较非含矿岩相为低 ( 见表 1) 。这也是就地分异理论所无法解释的。笔者认为，造成这种情况的原因在于，形成含矿岩相的熔浆或矿浆富含以水为主的挥发分，降低了其结晶温度。大量化学分析数据表明，含矿岩相含水 3% ～7%，一般为 5% 左右。含矿岩相、尤其是近矿母岩往往发育同生自蚀变作用，这可能与挥发分的存在有关。假如这些挥发分是残余岩浆或岩浆期后气液的产物，则它们不应聚集在岩体下部富含矿体的部分，而应在岩体上部或沿节理裂隙及构造破碎带发育。

图 12 红旗岭 1 号与 7 号岩体岩石化学特征图解( 据王恒升，白文吉)

( 7) 含矿岩相常具有显著的流层、流线等流动构造。突出的例子是力马河岩体含矿辉石橄榄岩相及红旗岭 1 号、7 号岩体的含矿橄榄辉石岩与顽火辉石岩相。以红旗岭 1号岩体橄榄辉石岩相为例，常可见到硫化物、橄榄石、辉石与斜长石彼此几乎平行的拉长定向排列，矿物的倾伏角与岩体底部产状一致。硫化物与硅酸盐造岩矿物在流动过程中的分层现象也颇明显。此外，岩体边缘、内部或围岩中的角砾状矿石内，作为胶结物的硫化物颗粒的拉长方向，与岩石角砾长轴方向一致，显示出产状与破碎带一致的流动构造。力马河含矿辉石橄榄岩相的流动构造十分发育，尤其是 “富矿体流线构造清楚”，“……矿体拐弯，流线拐弯，矿体钝角尖灭处，流线亦作钝角转弯”［17］，并由此得出结论，矿体是动力分异作用形成的。总之，上述含矿岩相的流动构造特点表明，除了含硫化物熔浆在动力作用下的贯入特征外，尚证实了动力分异作用及岩体破碎后矿浆贯入作用的存在。在含矿岩相形成过程中，至少在所述岩体内，动力因素是主要的，重力因素居于次要。

图 13 赤柏松 1 号岩体扎氏图解

表 1 国内主要含镍岩体形成温度一览表

续表

(8)除了矿石的海绵陨铁结构表明先熔离出来的硫化物把后结晶的橄榄石包围起来［12］，进而说明含矿熔浆在结晶前存在着硫化物与硅酸盐的液态熔离作用外，在一些矿区(红旗岭、赤柏松等)的矿石中，尚见有硫化物与橄榄石形成的似文象状近共结结构［19］。据С.И.Талдыкин(1960)的资料，这种结构的共结温度为575℃，其组分的共结比尚未得知，有待研究。此种文象状近共结结构俨如海绵陨铁结构一样，再次证明含矿熔浆于结晶前存在着硫化物与硅酸盐的不混熔分离作用。它们不是就地分异成因矿石的结构特点，而是深渊液态分异矿浆贯入成因矿石的标型结构。

综合上述，作者认为，无论是用早期岩浆分凝或晚期岩浆熔离，甚至晚期岩浆熔离贯入等建筑在熔浆就地分异或结晶熔离基础上的成矿理论，均不能令人信服地解释上述主要成岩成矿作用特点，当然也就难以揭示硫化铜镍矿床主要富矿体的成矿作用的本质。笔者经多年的研究，基于硫化铜镍矿床的上述基本特点，并通过对红旗岭、力马河、赤柏松及漂河川等含镍岩体的深入解剖，认为基性-超基性硫化铜镍矿床的主要富矿体，是来自上地幔的原始含矿熔浆，经深渊液态层状熔离分异作用，熔离出来的富硫化物或纯硫化物矿浆，在动力驱动下沿断裂构造连续或断续贯入地壳上部形成的。作者称其为“矿浆贯入矿床”(Ore magmatic injection deposits)。而传统的就地分异作用只是在深熔矿浆贯入过程中或贯入后起作用的次要因素。这一结论至少是符合我国镍矿实际情况的。

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