[科普中国]-钢渣

简介

钢渣是冶金工业中产生的废渣，其产生率 为粗钢产量的8%～15%，2012年全世界排钢渣量约1．8亿t。中国的钢渣产生量随着钢铁工业的快速发展而迅速递增，因此，钢铁企业废渣的处理和资源化利用问题也越来越受到重视。

国家“十一五”发展规划中指出，钢渣的综合利用率应达86%以上，基本实现“零排放”。然而，中国综合利用的现状与该规划相差甚远，尤其是素有“劣质水泥熟料”之称的转炉钢渣的利用率仅为10% ～20%。国内钢铁企业产生的钢渣不能及时处理，致使大量钢渣占用土地，污染环境。然而钢渣并非不可用固体废弃物，其中含有大量的渣钢、氧化钙、铁以及氧化镁等可利用组分。所以，为使钢铁企业创造经济和环境效益，选择合适的处理工艺和利用途径来开发钢渣的再利用价值是十分必要和迫切的1。2

钢渣的组成钢渣的主要矿物组成为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁酸二钙、RO（镁、铁、锰的氧化物，即FeO、MgO、MnO形成的固熔体）、游离石灰（f－CaO）等。

钢渣的矿物组成不尽相同，其影响因素在于钢渣本身的化学成分及碱度。2

目前国内钢渣主要处理工艺目前国内钢渣主要处理工艺有：热泼法、风淬法、滚筒法、粒化轮法、热闷法。其中热泼法、滚筒法、热闷法最为常用，在此对其工作原理和优缺点进行简单介绍。2

热泼法（1）渣线热泼法

将钢渣倾翻，喷水冷却3～4天后使钢渣大部分自解破碎，运至磁选线处理。此工艺的优点在于对渣的物理状态无特殊要求、操作简单、处理量大。

其缺点为占地面积大、浇水时间长、耗水量大，处理后渣铁分离不好、回收的渣钢含铁品位低、污染环境、钢渣稳定性不好、不利于尾渣的综合利用。

（2）渣跨内箱式热泼法

该工艺的翻渣场地为三面砌筑并镶有钢坯的储渣槽，钢渣罐直接从炼钢车间吊运至渣跨内，翻入槽式箱中，然后浇水冷却。 此工艺的优点在于占地面积比渣线热泼小、对渣的物理状态无特殊要求、处理量大、操作简单、建设费用比热闷装置少。

其缺点为浇水时间24h以上、耗水量大、污染渣跨和炼钢作业区、厂房内蒸汽大、影响作业安全。钢渣稳定性不好、不利于尾渣综合利用。

滚筒法高温液态钢渣从溜槽流淌下降时，被高压空气击碎，喷至周围的钢挡板后落入下面水池中。此工艺的优点在于流程短、设备体积小、占地少、钢渣稳定性好、渣呈颗粒状、渣铁分离好、渣中f－CaO含量小于4%（质量分数，下同）、便于尾渣在建材行业的应用。

其缺点为对渣的流动性要求较高、必须是液态稀渣、渣处理率较低、仍有大量的干渣排放、处理时操作不当易产生爆炸现象。

热闷法待熔渣温度自然冷却至300～800℃时，将热态钢渣倾翻至热闷罐中，盖上罐盖密封，待其均热半小时后对钢渣进行间歇式喷水。急冷产生的热应力使钢渣龟裂破碎，同时大量的饱和蒸汽渗入渣中与f－CaO、f－MgO发生水化反应使钢渣局部体积增大从而令其自解粉化。

此工艺的优点在于渣平均温度大于300℃均适用，处理时间 短（10～12h），粉化率高（粒 径20mm以下者达85%），渣铁分离好，渣性能稳定，f－CaO、f－MgO含量小于2%，可用于建材和道路基层材料。

其缺点为需要建固定的封闭式内嵌钢坯的热闷箱及天车厂房、建设投入大、操作程序要求较严格、冬季厂房内会产生少量蒸汽。2

国外钢渣利用概况日本目前的钢渣有效利用率已达到95%以上，转炉渣和电炉渣的利用方向分为外销、自使用、填埋3。德国目前的钢渣有效利用率达98%以上，其主要利用方向为土建、农肥以及配入烧结和高炉进行再利用。德国已将转炉渣用于加固莱茵河港口和谬司河岸。

美国目前的钢渣有效利用率达98%，其主要利用方向（烧结和高炉再利用、筑路）的钢渣用量占总钢渣利用量的65%以上。美国的8条主要铁路均用钢渣作铁道渣。美国研究机构对氧气顶吹转炉渣性能进行研究，开发出利用钢渣去除土壤含水层中有机物与无机物的使用途径。

瑞典通过向熔融钢渣中加入碳、硅和铝质材料对钢渣进行成分重构，在回收渣中渣钢后将钢渣用于水泥生产。加拿大将处理后的钢渣用于道路建设。阿拉伯地区利用电弧炉钢渣（分级）作为混凝土掺合料配制出属性更好的混凝土。2

国内钢渣利用概况钢渣用于冶金原料1）回收废钢铁，钢渣中含有较大数量的铁，平均质量分数约为25%，其中金属铁约 占10%。磁选后，可 回 收 各粒级的废钢，其中大部分含铁品位高的钢渣作为炼钢、炼铁原料。

2）钢渣用作烧结材料，由于转炉钢渣中含40%～50%的CaO，用其代替部分石灰石作烧结配料，不仅可回收利用钢渣中残钢、氧 化 铁、氧 化 钙、氧 化 镁、氧 化 锰、稀 有 元 素（V、Nb等）等，而且可使转鼓指数和结块率提高并有利于烧结造球及提高烧结速 度。钢渣中Fe、FeO在氧化反应过程中产生的热量可降低烧结矿燃料消耗。4

3）钢渣用作高炉熔剂，转炉钢渣中含有40% ～50%的CaO、6% ～10%的MgO，将其回收作为高炉助溶剂可代替石灰石、白云石，从而节省矿石资源。

另外，由于石灰石（CaCO3）、白云石[CaMg（CO3）2]分解为CaO、MgO的过程需耗能，而钢渣中的Ca、Mg等均以氧化物形式存在，从而节省大量热能4。

4）钢渣用作炼钢返回渣料，钢渣返回转炉冶炼可降低原料消耗，减少总渣量。对于冶炼本身还可促进化渣，缩短冶炼时间。

钢渣用于道路工程1）钢渣生产水泥及混凝土掺合料，钢渣中含有具有水硬胶凝性的硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）及铁铝酸盐等活性矿物，符合水泥特性。因此可以用作生产无熟料水泥、少熟料水泥的原料以及水泥掺合料4。钢渣水泥具有耐磨、抗折强度高、耐腐蚀、抗冻等优良特性。

2）钢渣代替碎石和细骨料，钢渣碎石具有强度高、表面粗糙、耐磨和耐久性好、容重大、稳定性好、与沥青结合牢固等优点，相对于普通碎石还具有耐低温开裂的特性，因而可广泛用于道路工程回填。钢渣作为铁路道渣，具有不干扰铁路系统电讯工作、导电性好等特点。由于钢渣具有良好的渗水和排水性，其中的胶凝成分可使其板结成大块。钢渣同样适于沼泽、海滩筑路造地。

新型建筑材料工程应用1）新型混凝土，通过磨细加工，使工业废渣的活性提高并作为一种混凝土用掺合料进入混凝土的第6组分———矿物细掺料5。细磨加工不仅使渣粉颗粒减小，增大其比表面积，使渣粉中的f－CaO进一步水化以提高渣粉稳定性，还伴随着钢渣晶格结构及表面物化性能变化，使粉磨能量转化为渣粉的内能和表面能，提升钢渣胶凝性。利用钢渣微粉与高炉矿粉相互间的激发性，加以适当的激发剂可配制出高性能的混凝土胶凝材料。

同时，根据不同的使用要求，还可配制出道路混凝土（抗拉强度高，耐磨、抗折、抗渗性好）、海工混凝土（良好的渗水、排水性，海洋生物附着率高）等系列产品。

2）碳化钢渣制建筑材料，造成钢渣稳定性不好的主要因素是游离氧化钙和游离氧化镁，它们都可以和CO2进行反应，且钢渣在富CO2环境下，会在短时间内迅速硬化。利用这种性质，可利用钢渣制成钢渣砖，再次用到不同的建筑中，其重要意义在于碳化养护材料的物理化学性能得到了重大改进。与此同时，有效控制了CO2的排放，改善温室效应。

钢渣制微晶玻璃矿渣微晶玻璃自20世纪60年代研发 出来以后，在许多国家形成了规模化生产。程金树等6以还原性钢渣为主要原料研制出了外形美观的微晶玻璃花岗岩。陈惠君等7以粉煤灰和钢 渣为主要原料，研制出以钙、铁灰石为主晶相的微晶玻璃。

钢渣在环境工程方面的应用钢渣较高的碱性和较大的比表面积可用于处理废水。研究表明，钢渣具有化学沉淀和吸附作用。在钢 渣 处 理含铬废水研究中，铬的去除率达到99%。钢渣处理含锌废水的研究中，锌的去除率达98%以上，处理后的废水达到GB 897888污水综合排放标准。钢渣处理含汞废水的研究中，汞的去除率达到90．6%。其研究结果 为解决海洋 汞污染提供了一种有效途径。钢渣还可用于处理含磷废水及含其他重金属废水。

钢渣在农业上的应用钢渣作为碱性渣可以用于酸性土壤中，其中的CaO、MgO可改良土壤土质。含磷高的钢渣也可用于缺磷碱性土壤中并增强农作物的抗病虫害能力。硅是水稻生长需求量最大的元素，SiO2含 量 高 于15%的钢渣可作硅肥。

其他用途钢渣还可生产免烧砖、铸造砂、水泥膨胀剂、制流态砂硬化剂等。2

展望虽然钢渣的应用方向广泛，钢渣资源化应用技术的开发也取得了一定的进展。但总体而言，中国钢渣的利用率仍然较低，这源于钢渣应用的众多制约因素。

根据中国钢渣的利用情况，应对以下几个方面进行更为深化的研究：

1）对钢渣成分和性能进行深入了解，为钢渣的开发利用提供理论依据。

2）加强钢渣处理技术的研究，以解决钢渣内所含的游离氧化钙（f－CaO）和氧化镁（MgO）遇水后易膨胀的问题，还有由于钢渣中的Ca、Si、Al三大元素相对偏低，所形成的硅酸盐总量与水泥熟料相差过大（近45%）的问题。

3）通过推广钢渣作冶炼（烧结、高炉、炼钢）熔剂的应用技术，充分利用其中所含的铁、钙、镁、锰等成分的同时，还可以节省大量能源。加强钢渣作回填和筑路材料的研究。

4）由于钢渣中的硅酸二钙和硅酸三钙矿物结晶完整，晶粒粗大致密，粉磨的细度难以达到要求。所以，制造高性能钢渣微粉的难点在于开发针对钢渣的特殊磨粉工艺和设备。

钢渣是一种“放错了地方的资源”。钢渣的综合利用不但可以消除环境污染，还能够变废为宝创造巨大的经济效益，是可持续发展的有效途径，对国家、对社会都具有十分重要的意义。2