鋼渣

鋼渣簡(jiǎn)介

鋼渣是冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣，其產(chǎn)生率 為粗鋼產(chǎn)量的8%～15%，2012年全世界排鋼渣量約1．8億t。中國(guó)的鋼渣產(chǎn)生量隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展而迅速遞增，因此，鋼鐵企業(yè)廢渣的處理和資源化利用問題也越來越受到重視。

國(guó)家“十一五”發(fā)展規(guī)劃中指出，鋼渣的綜合利用率應(yīng)達(dá)86%以上，基本實(shí)現(xiàn)“零排放”。然而，中國(guó)綜合利用的現(xiàn)狀與該規(guī)劃相差甚遠(yuǎn)，尤其是素有“劣質(zhì)水泥熟料”之稱的轉(zhuǎn)爐鋼渣的利用率僅為10% ～20%。國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的鋼渣不能及時(shí)處理，致使大量鋼渣占用土地，污染環(huán)境。然而鋼渣并非不可用固體廢棄物，其中含有大量的渣鋼、氧化鈣、鐵以及氧化鎂等可利用組分。所以，為使鋼鐵企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，選擇合適的處理工藝和利用途徑來開發(fā)鋼渣的再利用價(jià)值是十分必要和迫切的1。2

鋼渣的組成

鋼渣的主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣、RO（鎂、鐵、錳的氧化物，即FeO、MgO、MnO形成的固熔體）、游離石灰（f－CaO）等。

鋼渣的礦物組成不盡相同，其影響因素在于鋼渣本身的化學(xué)成分及堿度。2

處理工藝

目前國(guó)內(nèi)鋼渣主要處理工藝有：熱潑法、風(fēng)淬法、滾筒法、?；喎?、熱悶法。其中熱潑法、滾筒法、熱悶法最為常用，在此對(duì)其工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。2

熱潑法

（1）渣線熱潑法

將鋼渣傾翻，噴水冷卻3～4天后使鋼渣大部分自解破碎，運(yùn)至磁選線處理。此工藝的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)渣的物理狀態(tài)無特殊要求、操作簡(jiǎn)單、處理量大。

其缺點(diǎn)為占地面積大、澆水時(shí)間長(zhǎng)、耗水量大，處理后渣鐵分離不好、回收的渣鋼含鐵品位低、污染環(huán)境、鋼渣穩(wěn)定性不好、不利于尾渣的綜合利用。

（2）渣跨內(nèi)箱式熱潑法

該工藝的翻渣場(chǎng)地為三面砌筑并鑲有鋼坯的儲(chǔ)渣槽，鋼渣罐直接從煉鋼車間吊運(yùn)至渣跨內(nèi)，翻入槽式箱中，然后澆水冷卻。 此工藝的優(yōu)點(diǎn)在于占地面積比渣線熱潑小、對(duì)渣的物理狀態(tài)無特殊要求、處理量大、操作簡(jiǎn)單、建設(shè)費(fèi)用比熱悶裝置少。

其缺點(diǎn)為澆水時(shí)間24h以上、耗水量大、污染渣跨和煉鋼作業(yè)區(qū)、廠房?jī)?nèi)蒸汽大、影響作業(yè)安全。鋼渣穩(wěn)定性不好、不利于尾渣綜合利用。

滾筒法

高溫液態(tài)鋼渣從溜槽流淌下降時(shí)，被高壓空氣擊碎，噴至周圍的鋼擋板后落入下面水池中。此工藝的優(yōu)點(diǎn)在于流程短、設(shè)備體積小、占地少、鋼渣穩(wěn)定性好、渣呈顆粒狀、渣鐵分離好、渣中f－CaO含量小于4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、便于尾渣在建材行業(yè)的應(yīng)用。

其缺點(diǎn)為對(duì)渣的流動(dòng)性要求較高、必須是液態(tài)稀渣、渣處理率較低、仍有大量的干渣排放、處理時(shí)操作不當(dāng)易產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。

熱悶法

待熔渣溫度自然冷卻至300～800℃時(shí)，將熱態(tài)鋼渣傾翻至熱悶罐中，蓋上罐蓋密封，待其均熱半小時(shí)后對(duì)鋼渣進(jìn)行間歇式噴水。急冷產(chǎn)生的熱應(yīng)力使鋼渣龜裂破碎，同時(shí)大量的飽和蒸汽滲入渣中與f－CaO、f－MgO發(fā)生水化反應(yīng)使鋼渣局部體積增大從而令其自解粉化。

此工藝的優(yōu)點(diǎn)在于渣平均溫度大于300℃均適用，處理時(shí)間 短（10～12h），粉化率高（粒 徑20mm以下者達(dá)85%），渣鐵分離好，渣性能穩(wěn)定，f－CaO、f－MgO含量小于2%，可用于建材和道路基層材料。

其缺點(diǎn)為需要建固定的封閉式內(nèi)嵌鋼坯的熱悶箱及天車廠房、建設(shè)投入大、操作程序要求較嚴(yán)格、冬季廠房?jī)?nèi)會(huì)產(chǎn)生少量蒸汽。2

國(guó)外鋼渣利用

日本目前的鋼渣有效利用率已達(dá)到95%以上，轉(zhuǎn)爐渣和電爐渣的利用方向分為外銷、自使用、填埋3。德國(guó)目前的鋼渣有效利用率達(dá)98%以上，其主要利用方向?yàn)橥两?、農(nóng)肥以及配入燒結(jié)和高爐進(jìn)行再利用。德國(guó)已將轉(zhuǎn)爐渣用于加固萊茵河港口和謬司河岸。

美國(guó)目前的鋼渣有效利用率達(dá)98%，其主要利用方向（燒結(jié)和高爐再利用、筑路）的鋼渣用量占總鋼渣利用量的65%以上。美國(guó)的8條主要鐵路均用鋼渣作鐵道渣。美國(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐渣性能進(jìn)行研究，開發(fā)出利用鋼渣去除土壤含水層中有機(jī)物與無機(jī)物的使用途徑。

瑞典通過向熔融鋼渣中加入碳、硅和鋁質(zhì)材料對(duì)鋼渣進(jìn)行成分重構(gòu)，在回收渣中渣鋼后將鋼渣用于水泥生產(chǎn)。加拿大將處理后的鋼渣用于道路建設(shè)。阿拉伯地區(qū)利用電弧爐鋼渣（分級(jí)）作為混凝土摻合料配制出屬性更好的混凝土。2

國(guó)內(nèi)鋼渣利用

鋼渣用于冶金原料

1）回收廢鋼鐵，鋼渣中含有較大數(shù)量的鐵，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為25%，其中金屬鐵約 占10%。磁選后，可 回 收 各粒級(jí)的廢鋼，其中大部分含鐵品位高的鋼渣作為煉鋼、煉鐵原料。

2）鋼渣用作燒結(jié)材料，由于轉(zhuǎn)爐鋼渣中含40%～50%的CaO，用其代替部分石灰石作燒結(jié)配料，不僅可回收利用鋼渣中殘鋼、氧 化 鐵、氧 化 鈣、氧 化 鎂、氧 化 錳、稀 有 元 素（V、Nb等）等，而且可使轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和結(jié)塊率提高并有利于燒結(jié)造球及提高燒結(jié)速 度。鋼渣中Fe、FeO在氧化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量可降低燒結(jié)礦燃料消耗。4

3）鋼渣用作高爐熔劑，轉(zhuǎn)爐鋼渣中含有40% ～50%的CaO、6% ～10%的MgO，將其回收作為高爐助溶劑可代替石灰石、白云石，從而節(jié)省礦石資源。

另外，由于石灰石（CaCO3）、白云石[CaMg（CO3）2]分解為CaO、MgO的過程需耗能，而鋼渣中的Ca、Mg等均以氧化物形式存在，從而節(jié)省大量熱能4。

4）鋼渣用作煉鋼返回渣料，鋼渣返回轉(zhuǎn)爐冶煉可降低原料消耗，減少總渣量。對(duì)于冶煉本身還可促進(jìn)化渣，縮短冶煉時(shí)間。

鋼渣用于道路工程

1）鋼渣生產(chǎn)水泥及混凝土摻合料，鋼渣中含有具有水硬膠凝性的硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）及鐵鋁酸鹽等活性礦物，符合水泥特性。因此可以用作生產(chǎn)無熟料水泥、少熟料水泥的原料以及水泥摻合料4。鋼渣水泥具有耐磨、抗折強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗凍等優(yōu)良特性。

2）鋼渣代替碎石和細(xì)骨料，鋼渣碎石具有強(qiáng)度高、表面粗糙、耐磨和耐久性好、容重大、穩(wěn)定性好、與瀝青結(jié)合牢固等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于普通碎石還具有耐低溫開裂的特性，因而可廣泛用于道路工程回填。鋼渣作為鐵路道渣，具有不干擾鐵路系統(tǒng)電訊工作、導(dǎo)電性好等特點(diǎn)。由于鋼渣具有良好的滲水和排水性，其中的膠凝成分可使其板結(jié)成大塊。鋼渣同樣適于沼澤、海灘筑路造地。

新型建筑材料****工程應(yīng)用

1）新型混凝土，通過磨細(xì)加工，使工業(yè)廢渣的活性提高并作為一種混凝土用摻合料進(jìn)入混凝土的第6組分———礦物細(xì)摻料5。細(xì)磨加工不僅使渣粉顆粒減小，增大其比表面積，使渣粉中的f－CaO進(jìn)一步水化以提高渣粉穩(wěn)定性，還伴隨著鋼渣晶格結(jié)構(gòu)及表面物化性能變化，使粉磨能量轉(zhuǎn)化為渣粉的內(nèi)能和表面能，提升鋼渣膠凝性。利用鋼渣微粉與高爐礦粉相互間的激發(fā)性，加以適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)劑可配制出高性能的混凝土膠凝材料。

同時(shí)，根據(jù)不同的使用要求，還可配制出道路混凝土（抗拉強(qiáng)度高，耐磨、抗折、抗?jié)B性好）、海工混凝土（良好的滲水、排水性，海洋生物附著率高）等系列產(chǎn)品。

2）碳化鋼渣制建筑材料，造成鋼渣穩(wěn)定性不好的主要因素是游離氧化鈣和游離氧化鎂，它們都可以和CO2進(jìn)行反應(yīng)，且鋼渣在富CO2環(huán)境下，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速硬化。利用這種性質(zhì)，可利用鋼渣制成鋼渣磚，再次用到不同的建筑中，其重要意義在于碳化養(yǎng)護(hù)材料的物理化學(xué)性能得到了重大改進(jìn)。與此同時(shí)，有效控制了CO2的排放，改善溫室效應(yīng)。

鋼渣制****微晶玻璃

礦渣微晶玻璃自20世紀(jì)60年代研發(fā) 出來以后，在許多國(guó)家形成了規(guī)?；a(chǎn)。程金樹等6以還原性鋼渣為主要原料研制出了外形美觀的微晶玻璃花崗巖。陳惠君等7以粉煤灰和鋼 渣為主要原料，研制出以鈣、鐵灰石為主晶相的微晶玻璃。

鋼渣在環(huán)境工程方面的應(yīng)用

鋼渣較高的堿性和較大的比表面積可用于處理廢水。研究表明，鋼渣具有化學(xué)沉淀和吸附作用。在鋼 渣 處 理含鉻廢水研究中，鉻的去除率達(dá)到99%。鋼渣處理含鋅廢水的研究中，鋅的去除率達(dá)98%以上，處理后的廢水達(dá)到GB 897888污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。鋼渣處理含汞廢水的研究中，汞的去除率達(dá)到90．6%。其研究結(jié)果 為解決海洋 汞污染提供了一種有效途徑。鋼渣還可用于處理含磷廢水及含其他重金屬?gòu)U水。

鋼渣在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

鋼渣作為堿性渣可以用于酸性土壤中，其中的CaO、MgO可改良土壤土質(zhì)。含磷高的鋼渣也可用于缺磷堿性土壤中并增強(qiáng)農(nóng)作物的抗病蟲害能力。硅是水稻生長(zhǎng)需求量最大的元素，SiO2含 量 高 于15%的鋼渣可作硅肥。

其他用途

鋼渣還可生產(chǎn)免燒磚、鑄造砂、水泥膨脹劑、制流態(tài)砂硬化劑等。2

展望

雖然鋼渣的應(yīng)用方向廣泛，鋼渣資源化應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)也取得了一定的進(jìn)展。但總體而言，中國(guó)鋼渣的利用率仍然較低，這源于鋼渣應(yīng)用的眾多制約因素。

根據(jù)中國(guó)鋼渣的利用情況，應(yīng)對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行更為深化的研究：

1）對(duì)鋼渣成分和性能進(jìn)行深入了解，為鋼渣的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

2）加強(qiáng)鋼渣處理技術(shù)的研究，以解決鋼渣內(nèi)所含的游離氧化鈣（f－CaO）和氧化鎂（MgO）遇水后易膨脹的問題，還有由于鋼渣中的Ca、Si、Al三大元素相對(duì)偏低，所形成的硅酸鹽總量與水泥熟料相差過大（近45%）的問題。

3）通過推廣鋼渣作冶煉（燒結(jié)、高爐、煉鋼）熔劑的應(yīng)用技術(shù)，充分利用其中所含的鐵、鈣、鎂、錳等成分的同時(shí)，還可以節(jié)省大量能源。加強(qiáng)鋼渣作回填和筑路材料的研究。

4）由于鋼渣中的硅酸二鈣和硅酸三鈣礦物結(jié)晶完整，晶粒粗大致密，粉磨的細(xì)度難以達(dá)到要求。所以，制造高性能鋼渣微粉的難點(diǎn)在于開發(fā)針對(duì)鋼渣的特殊磨粉工藝和設(shè)備。

鋼渣是一種“放錯(cuò)了地方的資源”。鋼渣的綜合利用不但可以消除環(huán)境污染，還能夠變廢為寶創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，是可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，對(duì)國(guó)家、對(duì)社會(huì)都具有十分重要的意義。2