鋼渣處理工藝對比及應用范文

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《資源再生雜志》2016年第三期

摘要：

本文概述了鋼渣的來源、分類及鋼渣的性質、礦物組成和物理凝膠性，并對鋼渣的常用處理工藝進行了優缺點比較；對世界發達國家和我國的鋼渣應用情況分別進行了詳細的論述，進一步闡明了冶金渣綜合利用是最具代表性的資源循環利用、節能、環保措施之一，也是鋼鐵工業實現健康、持續發展的一個重要保障。目前國內使用的鋼渣處理方法各有優缺點，各鋼廠要根據自身條件和具體情況圍繞鋼渣利用途徑，進行處理工藝的選擇。

關鍵詞：

鋼渣；處理工藝；鋼渣應用

鋼渣就是指在煉鋼的過程中排出的各種熔爐渣，在經過高溫熔煉后淬冷而形成的，主要是煉鋼時的金屬爐料中各種元素被氧化生成的氧化物、金屬爐料帶進的雜質、被侵蝕爐襯料和為調整鋼渣的性質而加入的造渣物質，如白云石、鐵礦石等組成。鋼渣是在煉鋼過程時的副產物，并且為鋼鐵行業的一種主要固體廢棄物，它的數量約為鋼產量的15%~20%，按這一數字計算我國每年要產生上千萬噸的鋼渣。鋼渣按煉鋼工藝可分為兩種：電爐渣和轉爐渣；按冶煉過程可以分為：初期渣、精煉渣；按形成的形態可分為：塊狀渣、水淬粒狀渣和粉狀渣。同時，隨著鋼鐵工業的發展，鋼渣產量的增加，鋼渣的應用、環保、處理等問題也日益凸顯。

一、概述

1.鋼渣的性質鋼渣性質隨化學成分的變化而不斷變化，同時冷卻環境及化學成分不同也會造成鋼渣的顏色、外觀形態差異大。堿度低的鋼渣呈灰色，堿度高的呈褐灰色、灰白色。鋼渣松散不粘結，質地堅硬、孔隙較少。鋼渣中含鐵量較高，密度為3.1~3.6g/cm3，較難磨。鋼渣的抗壓性能很好，壓碎值一般在20.4%~30.8%之間，而鋼渣中轉爐渣占了鋼渣的絕大一部分。鋼渣的主要化學成分有：Si02、CaO、FeO、A1203、Fe203、MgO、P205、MnO等，有的還有Ti02、V205等，其成分有比較大的波動。鋼渣的特點之一是Fe的氧化物以Fe203和FeO兩種形式存在，并且以FeO為主，總量一般在25％以下。鋼渣、硅酸鹽熟料和礦渣的主要化學組成相似，對比見表-1中。2.鋼渣的礦物組成與膠凝性能鋼渣礦物組成與其化學成分有關，特別取決于它的堿度(CaO與Si02、P205含量的比值)。低堿度鋼渣里主要成分為氧化鐵，并固溶有氧化鈣和氧化錳；在堿度高的鋼渣中主要含氧化亞鐵、氧化錳、氧化鎂組成的固溶體。鋼渣的主要礦物組成為：硅酸二鈣，硅酸三鈣，鈣鎂橄欖石，鐵酸二鈣，鈣鎂薔薇輝石，RO(R代表鎂、鐵和錳的氧化物組成固溶體)，游離氧化鈣(f-CaO)等。鋼渣的礦物組就決定了鋼渣會具有一定的膠凝性，主要源于其中的一些活性膠凝礦物水化。如氧化鈣含量較高時，水化經常生成硅酸三鈣、硅酸二鈣及鐵鋁酸鹽，可以有較高的活性，可應用于水泥生產。鋼渣中含有游離氧化鈣、游離氧化鎂，因而穩定性差，這些物質遇水會水化但是速度較慢，導致體積膨脹、產生危害，利用時要加以注意。另外，鋼渣中鐵和錳的含量也較高，由于鐵、錳離子具有極化能力，因此氧離子能脫離正硅酸鈣(錳)四面體而破壞正硅酸鹽的結構，使四面體互相連接起來，可以生成巨大而復雜的硅氧團，從而降低鋼渣易磨性。有研究結果表明：鋼渣中的主要硅酸鹽礦物C2S和C3S的X衍射數據及巖相特征與硅酸鹽水泥熟料的A礦和B礦特征基本相似，鋼渣中存在的硅酸鹽相決定了鋼渣具有一定的膠凝性能。盡管這樣，由于鋼渣化學組成特點，鋼渣里活性相對比較高的硅酸鹽礦物及鐵鋁酸鹽礦物僅占40％~70％，遠低于硅酸鹽水泥熟料；另外鋼渣在處理工藝中其C3S易轉化為C2S及二次的游離石灰，鋼渣中高活性的C3S相對含量非常低；而且高溫融熔形成的C3S結構較致密，水化速度也遠低于熟料中的C3S。正因如此，雖然鋼渣具有膠凝性能，但其膠凝性能尤其是早期膠凝性能遠遠低于硅酸鹽水泥熟料。

二、鋼渣的處理工藝方法比較

由于鋼渣成分的特殊性，加工處理非常困難，以前很多鋼廠都廢棄處理，這樣造成大量堆存，不僅占用了很多的土地，還造成了一些污染。這些年，隨著科技的發展進步和環保要求的日益嚴峻，鋼渣綜合利用發展的速度十分快，很多鋼鐵企業開始對鋼渣加工綜合利用，將其變廢為寶，不少企業達到鋼渣的“零”排放。目前，鋼渣以選鐵利用最為普遍，因此對鋼渣的處理主要圍繞在破碎、磁選等進行工藝設施的配套。為了減輕破碎壓力，采用水淬、風碎、熱潑等的方式先對熔融狀態熱鋼渣進行盡可能大的?；幚聿⑦M行粗的磁選(可以選出大塊渣鋼)，再通過1．2次機械破碎和磁選，選出部分渣鋼返回利用。這些工藝有各自的特點及優缺點，具體情況見表-2。

三、世界發達國家鋼渣利用情況

工業發達國家很早就開始重視環境保護問題，因而他們的鋼渣綜合利用率一般較高，以下就是典型的幾個工業發達國家的鋼渣利用情況。在20世紀70年代初，美國的鋼渣就已達到排用平衡，實現了鋼渣利用的資源化、專業化、企業化，歷史上的鋼渣堆現已基本消除。最新數據統計表明，從2005年以來，美國鋼渣產量基本在2000萬噸左右，利用量也是2000萬噸左右，利用率基本達到100％。2007年以來，日本鋼總產量基本穩定在為1.2億噸左右，所產鋼渣中21％用于道路工程，40.7％用于土木建筑工程，19.3％用于回爐燒結料，8％用于深加工原材料，5.9％用于水泥原材料，1％用于肥料，4％用于回填料,基本應該是100%回收利用。據統計數據表明，整個歐洲每年產鋼渣約1200萬噸，其中65％已得到高效率的利用，但仍有35％的鋼渣堆積未利用。相比之下，德國的鋼渣利用率相對較高。2005年，德國約97％的鋼渣已作為基料廣泛應用于公路交通、地下工程及民用建筑。以上發達國家鋼渣綜合利用情況表明，盡管發達國家鋼渣總體利用率相對較高，如美國、日本、德國的鋼渣利用率己接近100％，但鋼渣在混凝土生產中利用的效率還相當低。日本的資源再利用技術世界領先，但其鋼渣在水泥生產中的利用率也不到6％；德國的鋼渣利用率雖高，但基本上全部用作了基料，很少用于水泥。美國在上世紀90年代以前僅1％的水泥生產利用到鋼鐵渣，而且主要是礦渣，鋼渣基本沒有在水泥生產中利用。近幾年來，發達國家也逐漸開始重視鋼渣在水泥和混凝土中的應用與研究。上世紀90年代后期美國Chaparral鋼鐵公司與TXI水泥公司聯合開發了STAR(SystemandTechnologyforAdvaneedRecycling)計劃，主要研究成果就是發現鋼渣可以作為原材料燒成水泥，目前該技術正在美國部分地區推廣應用。相比較而言，中國對鋼渣作水泥燒成原料及混合材的研究與應用雖然走在世界前列，但鋼渣粉作混凝土摻合料的研究也只是剛剛開始，還沒有在工程上大規模應用。

四、影響鋼渣利用因素及我國鋼渣的應用情況

1.影響鋼渣利用的主要因素鋼渣、礦渣與粉煤灰是我國冶金工業、能源工業三大主要工業廢棄物，其中礦渣與粉煤灰目前己在水泥與混凝土行業得到了大量有效的利用，礦渣的利用率近乎100％，二級以上粉煤灰在混凝土中的應用也己非常普遍。相比之下，鋼渣雖然含有與水泥礦物類似的組成，但其利用率一直較低，主要原因有以下幾個方面：（1）受其形成過程的影響，鋼渣的化學成分、礦物組成波動大；（2）鋼渣中含有大量的鐵和含鐵元素的化合物，難以磨至理想的細度，如果磨至與水泥同樣的細度，能耗以及設備損耗都較大。此外，因鋼渣密度大，所以運輸費用高；（3）與水泥相比，鋼渣的活性低，水化速度慢、早強低；（4）鋼渣含有部分游離CaO、MgO，這些物質在后期遇水發生化學反應，進而產生體積膨脹，因而鋼渣的長期體積穩定性差。

2.我國鋼渣的應用情況鋼渣的主要礦物組成為硅酸二鈣、硅酸三鈣、橄欖石、薔薇輝石和二價金屬。鋼渣的主要化學成分為CaO、Si02、FeO、Fe203、AL203、MgO、P2O5等，其密度為3.1～3.6g/cm3。近年來隨著國家越來越重視環境保護，對鋼渣的利用也逐步得到了重視，已經開發出很多種有關鋼渣綜合利用的好途徑，一般鋼渣的主要利用途徑有以下幾個方面：（1）鋼渣在冶金領域中的應用1)鋼渣中廢鋼鐵回收鋼渣中大多數含有10％上下的金屬鐵，通過破碎、磁選、篩分等手段可回收其中的大部分金屬鐵，一般鋼渣破碎的細度越細，回收的金屬會越多。國外較早開展從鋼渣中回收廢鋼鐵，我國也已有不少廠家建立了處理鋼渣的生產線。2)鋼渣作為冶煉熔劑鋼渣作燒結礦的熔劑時，在燒結礦石里適當配加5％~15％的顆粒小于8mm的鋼渣以替代部分的熔劑，可以改善燒結礦宏觀和微觀結構，顯著提高燒結礦的質量和產量，有利于燒結造球及提高燒結速度，使燒結礦燃耗降低。將鋼渣作為煉鐵熔劑，不僅可以回收鋼渣中的Fe，而且可以把CaO、MgO等作為助熔劑，從而節省大量石灰石、白云石資源。鋼渣中的Ca、Mg等均以氧化物形式存在，不需要經過碳酸鹽的分解過程，可以節省大量熱能，并能節約大量石灰石、螢石等的用量，改善爐況，增加生鐵產量，降低成本。3)鋼渣作鐵水脫硫用鋼渣研制的復合脫硫劑有以下優點：可以合理的利用鋼渣資源、且回收金屬鐵；脫硫渣為液相，脫硫速度較快，煙塵污染程度低，脫硫渣易于排出，經濟效益高。（2）鋼渣在建筑領域的應用由于鋼渣中含有與水泥相類似的硅酸二鈣、硅酸三鈣及鐵鋁酸鹽等活性礦物，具有水硬膠凝性，可作為生產無熟料水泥或少熟料水泥的原料，也可作水泥摻和料。還可利用鋼渣作原料生產鋼渣磚。1）在環境工程方面的應用由于鋼渣具有一定的堿性和較大的比表面積，因此可考慮用于吸附處理廢水。鋼渣還可用于處理含磷廢水及含其他重金屬廢水。2）在農業上的應用鋼渣富含磷、鈣、硅等元素，由于鋼渣在冶煉過程中經高溫煅燒，其溶解度已大大改變，所含有益成分易溶量大，容易被植物吸收，可以用于生產磷肥。CaO、MgO含量高的鋼渣磨細后，可作為酸性土壤改良劑，并且利用了鋼渣中的各種微量元素，用于農業生產中可增強農作物的抗病蟲害的能力。（3）鋼渣制備微晶玻璃等陶瓷由于鋼渣基本的化學組成就是硅酸鹽成分，其成分一般都在微晶玻璃形成的范圍內，能滿足制備微晶玻璃的化學組分的要求。微晶玻璃由于其具有機械強度高、耐磨損性、耐腐蝕性、電絕緣性優良、介電常數很穩定、膨脹系數可調、熱穩定性好和耐高溫的特點，除廣泛應用在光學、宇航、電子等高新技術領域作為結構材料和功能材料外，還可大量應用在工業和民用建筑作為裝飾材料或防護材料。

五、結束語

目前，鋼鐵工業面臨的形勢十分嚴峻，鋼材價格走低、原燃料降價滯后，鋼鐵企業正面臨著巨大的市場壓力和節能減排壓力。在這種形勢下，廢鋼鐵產業的循環應用，冶金渣的綜合開發利用，起到了緩解企業壓力和對鋼鐵生產重要的支撐作用。冶金渣的綜合利用應屬于新興產業范疇，應該得到國家相關部門的重視和政策扶持。行業自身也應該抓緊產業升級和完善工藝改造，并積極推廣和交流先進技術，組織重大技術項目攻關，促進行業的產業化發展，促進鋼鐵渣利用產業的科技進步。冶金渣的開發利用既要考慮資源的再利用，符合循環經濟的產業政策；又要考慮到采用合理的生產工藝，開發出節能、環保、符合市場、達到國家標準要求的建材產品。在鋼渣處理技術方面，應朝著使鋼渣顆?；?、游離氧化鈣消解粉化、廢鋼與渣分離效果好等方向發展，盡可能多地回收金屬料，努力使鋼渣綜合利用率達到100％，使鋼渣產生的經濟效益和環保效益最大化。

作者：張建國 單位：北京瀚川鑫冶工程技術有限公司