不銹鋼尾渣的循環(huán)利用和分析

武曉紅

（山西林業(yè)職業(yè)技術學院，山西 太原 030009）

不銹鋼尾渣的循環(huán)利用和分析

武曉紅

（山西林業(yè)職業(yè)技術學院，山西 太原 030009）

鋼渣是煉鋼后的固體廢棄物，它的大量堆積和大量堆放不僅污染土壤、大氣、地下水環(huán)境，而且造成了資源的浪費。為此，各方積極展開對不銹鋼尾渣的綜合利用，目前利用比較多方向是冶金、建筑、農業(yè)、環(huán)保。

尾渣；循環(huán)；冶金；建筑；農業(yè)；環(huán)保

鋼鐵業(yè)是我國新型工業(yè)化過程中重要的支撐產業(yè)和基礎產業(yè)，在近二十年中快速發(fā)展，這對我國經(jīng)濟的發(fā)展起到了非常重要的促進作用。尤其是進入20世紀90年代以來，中國鋼鐵業(yè)的飛速發(fā)展，粗鋼產量逐年增加，自1996年以來粗鋼產量始終保持世界第一。2010年，中國粗鋼產量達到6.27億噸，約占世界粗鋼總產量的44.3%。據(jù)統(tǒng)計，鋼渣的排放量大約為鋼產量的15%～20%。那么，若按2010年我國鋼產量來計算，2010年我國鋼渣產量大約為0.94萬～1.25萬噸。

鋼渣的大量產生和逐年累積侵占了大量的土地，同時，其中的堿金屬離子、重金屬離子和粉塵等會向環(huán)境中釋放，從而造成嚴重的環(huán)境污染問題。除此之外，物料不能進入循環(huán)系統(tǒng)，對資源是一種極大的浪費。因此，開展鋼渣綜合利用是促進現(xiàn)代社會可持續(xù)發(fā)展的一項重要課題。

一、鋼渣的形成過程及其性質

鋼渣是煉鋼過程中的必然產物。為了實現(xiàn)從礦石中提取出鋼材的目的，我們必須實現(xiàn)Fe-O分離和金屬與其他氧化物的分離，在這個過程中，就必須加入氧化物、冷卻劑、造渣材料等，從而實現(xiàn)一系列重要的冶金反應，形成液態(tài)的爐渣，讓它直接參與煉鋼過程的物理化學反應和傳熱、傳質過程。最終產生的廢渣主要來源于：廢鋼帶入的泥沙和鐵銹等；氧化物或冷卻劑（礦石、燒結礦）帶入的脈石，加入的各種造渣劑（石灰石、螢石、硅石等）和被侵蝕的爐襯材料、煉鋼過程中的化學反應物，如錳、硅、鐵和磷等元素氧化后形成的氧化物以及少量硫化物。

二、鋼渣的循環(huán)利用現(xiàn)狀

鋼渣在產生的初期是被當做廢棄物丟棄處理的。鋼渣的利用主要是在第二次世界大戰(zhàn)以后，由于恢復建設缺乏建筑材料，鋼渣的利用得到了較快的發(fā)展。早在20世紀70年代，美國、西德、日本、英國等發(fā)達國家已實現(xiàn)鋼渣的100%利用，但我國鋼渣綜合利用率卻只有50%—60%。在中國新的《鋼鐵產業(yè)發(fā)展政策》中指出，最大限度提高廢水、廢氣、廢物的利用，是將我國建設成為鋼鐵生產大國和具有競爭力強國的必經(jīng)之路。

鋼渣的綜合利用是由鋼渣性質決定的，鋼渣中含有大量的 CaO、FCaO、FeO、MgO、MnO、SiO2等化學成分，被利用的是其中主要成分之一或其中幾種，我國主要鋼廠轉爐鋼渣化學成分見表1。現(xiàn)階段鋼渣綜合利用有以下幾個方向：（見表1）

（一）冶金方向

1.鋼渣回收鋼鐵。鋼渣回收鋼鐵是鋼渣最初利用的方式，鋼渣中通常含有7%－10%的廢鋼和鋼粒，通過對鋼渣進行破碎、磁選、分離等步驟，回收其中的廢鋼或小塊鋼鐵回爐冶煉，歐、美、日等多國發(fā)展起來的若干鋼渣公司和磁力金屬回收公司，多是靠此起家。我國以回收廢鋼為目的的渣山處理活動也進行了多年?，F(xiàn)在，我國大型的鋼鐵公司，例如首鋼、鞍鋼、太鋼等均建立起來鋼渣破碎磁選生產線，這樣不僅增加鋼鐵產量，解決我國廢鋼不足的問題，提高了鋼渣利用的經(jīng)濟效益，而且減少了鋼渣量，為我國渣山治理提供了成功的經(jīng)驗。

2.燒結礦熔劑。鋼渣中因含有大量的CaO、FCaO、FeO、MgO、MnO、SiO2等物質，其中 80%左右是鋼鐵生產所需要的有益成分，添加鋼渣可以節(jié)省不少的熔劑原料(石灰、云石等)和鐵礦，且鋼渣是一種熱料，物相均勻、軟化溫度低、軟化區(qū)間寬。燒結配入4%－8%的鋼渣，可以使粘結相提早生成且增多，促進了黏結和礦物反應，這樣就可以提高燒結時間和減少燒結燃料的消耗，同時顯著地提高燒結礦產量。

首鋼燒結廠配加鋼渣4%后，使用每噸鋼渣可替代石灰550 kg，替代鐵礦粉333 kg，替代錳礦粉100 kg，節(jié)約能耗23 000 kJ，燒結機利用率提高1%。邯鋼燒結廠配加鋼渣6%后，每噸鋼渣可以替代石灰石625.94 kg，替代鐵礦粉161.72 kg，燒結礦FeO含量升高2%，配碳量降低0.5%-1%，粉化率降低在2%內。

3.高爐熔劑。根據(jù)表1可知鋼渣中含有7%—19%的鐵性物質和43%—58%的CaO，因此，可作為煉鐵熔劑，即可利用其中的成分FeO，又可以把CaO、MgO等作為助熔劑，替代石灰石和螢石，改善高爐渣的流動性，提高高爐脫硫能力。同時，鋼渣也有為鋼水降溫的作用，減少鋼鐵在渣中殘留比例，同時提早煉鋼成渣時間，減少初期渣對爐襯的侵蝕，降低耐火材料消耗，提高爐齡、節(jié)約成本。國內的大型高爐，在利用鋼渣作為溶劑后，除了其中回收廢鋼的價值，每噸鋼渣的純利潤在50元左右。早在20世紀70年代，美國已經(jīng)有公司把爐渣直接返回高爐中，作為替代溶劑。美國內陸鋼公司和西德森鋼廠分別有40%和41%的鋼渣直接返回高爐。

（二）建筑方向

1.鋼渣筑路

在鋼渣利用初期，因為鋼渣做回填和道路墊層、基層其附加值低，鋼鐵企業(yè)和建筑單位對此都不太重視。后鋼渣經(jīng)過后續(xù)處理后，結構性質有所提升，可以替代細骨料作為瀝青和水泥路面材料，其防滑性、耐磨性、使用壽命相比之前都有很大程度的提高，鋼渣的附加值也大大提高。且鋼渣經(jīng)過穩(wěn)定化處理后，可以代替碎石用在鐵路、公路、料場、工程回填、修筑堤壩、填海造地等方面，用作道路墊層和基層，其強度、抗?jié)B性、抗彎沉性等都會優(yōu)于天然石材。我國有相對應的行業(yè)標準“YB/T801-1993工程回填用鋼渣”和“YB/T803-1993道路用鋼渣”。

可是，隨鋼渣綜合利用技術的開發(fā)和應用途徑的增家，用于道路建設的比例也會逐漸減少。不過，對于部分含游離CaO低、含磷高的鋼渣，不宜再用于高爐熔劑，因鋼渣具有滲水排水性能好、電阻高、抗滑、抗壓強度好、抗化學腐蝕性能好、抗剎車剝離好、成本低等特點，是非常優(yōu)良的筑路材料。

2.鋼渣水泥

（1）水泥生料。從表1可以看出，鋼渣中CaO、MgO、FeO的含量之和可以達到70%，這些成分都是水泥生料的組成成分，鋼渣在水泥生料主要被用作水泥的鐵質校正劑，生料中配加量通常為3%～5%，工藝已經(jīng)成熟，水泥生料配放鋼渣可以節(jié)約部分石灰石和煤，但不能解決水泥廠環(huán)境污染和能源消耗的問題。為了降低成本，水泥企業(yè)傾向選擇含鐵量達到40%以上的廢渣，而一般鋼渣的全鐵含量在15%～28%之間，含鐵量偏低。

（2）鋼渣微粉。當把鋼渣磨細成比表面積400m2/kg的顆粒時，鋼渣水泥中的易磨性問題就會被消除。通過磨細鋼渣的晶體結構發(fā)生了重組，表面能提高，活性提高，水硬凝膠性得到加強。當鋼渣微粉代替部分水泥作為摻合料加入混凝土時，可以發(fā)生“微珠效應”，即需水量減少，混凝土的流動性卻提升，且隨著鋼渣微分百分比的增加，“微珠效應”越強，其帶來的好處還有增強混凝土強度，抗壓耐磨的能力、氯離子滲透性、抗凍性和干縮性降低。同時，鋼渣微粉可以發(fā)生“火山灰效應”，鋼渣微粉可以吸收混凝土水化時的Ca(OH)2，進行二次水化、填充了空隙、減少熟化熱，以及減少混凝土因溫差產生的開裂。雖然鋼渣中也會含有部分FCaO，但是有研究表明，鋼渣微分表面積為400～550 m2/kg時，F(xiàn)CaO在水中水化可以改善體積安定性問題。

（三）農業(yè)方向

由表 1 可知，鋼渣中含有大量 Si、Ca、Mg、P、Mn 等元素，在農業(yè)中，這些元素都是必需元素或營養(yǎng)元素，因此從理論上鋼渣可以適用于農業(yè)生產。近些年來，我國有大量專家做了很多實驗，證明了鋼渣作為土壤改良劑和農業(yè)肥料的可行性。而鋼渣在其他許多國家，例如美、德、俄、法等國，利用鋼渣作為農業(yè)肥料也有幾十年的歷史，因此鋼渣應用于農業(yè)是非常有效的再利用途徑。一般在農業(yè)方面有以下幾個方向的應用：

（1）土壤改良劑。我國的酸性土壤大多通過施用石灰來調節(jié)其pH值、會改善土壤結構和增加孔隙度，但是石灰的長期使用會引起Ca、Mg、P等元素的失衡和其他肥料的效用。因為鋼渣中含有較高的CaO、MgO決定了鋼渣可以改良土壤性能，且鋼渣同時含有大量可溶性植物生長的有益元素，如Si、P、Mn等，因此鋼渣更適合長期的使用。

（2）植物肥料。鋼渣中含有大量 Si、Ca、Mg、P 元素，在農業(yè)中，這些元素都是必需元素，且各元素都有枸溶性，其均不溶于水卻可以在植物根部的弱酸性下溶解被吸收，是一種有緩釋性能的肥料。日本肥料與種子研究協(xié)會曾實驗對比鋼渣肥料與商業(yè)硅鉀肥施用效果，發(fā)現(xiàn)稻米和甘藍、菠菜等農作物施用鋼渣肥料產量高于其他商業(yè)肥料。同時，如果鋼鐵廠在出渣前的熔融態(tài)鋼渣中加入適量Fe、Mn、B、Mo、Zn等微量元素，就可以一次性生產出具有緩釋性的復合微量元素肥料。

（四）環(huán)保方向

1.處理廢水。鋼渣具有疏松多孔、表面積大、一定的吸附能力、密度大、易沉降的特點，這與廢水處理中的吸附劑有相似之處，基于這些特點，國內外的專家對鋼渣作為廢水處理吸附劑做了深入的研究。在機理方面發(fā)現(xiàn)，鋼渣表面帶負電荷，且主要的吸附力是靜電作用，吸附模式為離子交換，因此鋼渣可以對重金屬離子做選擇吸附，吸附能力的大小與離子本身的半徑、電價、電性等相關，除此之外，鋼渣還可以吸附磷酸根、銨根離子、部分有機物等。

從20世紀90年代開始，各國專家開始研究鋼渣吸附劑在處理重金屬離子、磷酸根、銨根離子、有機物等的實驗，他們就鋼渣的用量、細度、反應溫度、接觸時間、酸度以及廢水濃度等因素進行了實驗，得出鋼渣對金屬元素有良好吸附效果，且鋼渣可以在一定物質的作用下解吸，進入循環(huán)利用系統(tǒng)。即使實驗效果良好，但鋼渣一直未進入處理廢水的工業(yè)規(guī)模性應用階段，其主要原因是鋼渣的造粒問題。當普通鋼渣直接冷卻后，粒度不均勻，如果是常規(guī)的粉磨，又會破壞原有孔隙結構，造成吸附效果的下降。因此鋼渣用于廢水吸附劑，目前核心問題在于鋼渣的造粒。

2.處理廢氣。我國的大氣污染類型為“混合型”，但是我國的工業(yè)廢氣大多屬于“煤炭型”，在工業(yè)廢氣中，主要的氣態(tài)污染物是SO2和NOX。在煙氣脫硫中，世界范圍內應用最廣和最有效的方法是以鈣基濕法脫硫，脫硫劑常為CaCO3和CaO，我國使用的脫硫劑雜質比較高，因此石膏的純度也較低，基本作為廢物處理。從表1可知，鋼渣中含有40%-60%的CaO，且鋼渣的疏松多孔、表面積大等特點也可以使得鋼渣成為良好的吸收劑。

目前，國內外對鋼渣應用于煙氣脫硫方面的研究，僅有可數(shù)的幾篇，他們分別利用馬鋼和武鋼廠產生的廢鋼渣進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)脫硫效率可以達到80%，說明應用鋼渣進行煙氣脫硫具有一定的可靠性，但尚未形成比較成熟的方法，有待于進一步研究。

鋼渣的應用是固體廢物綜合利用重要的一環(huán)，它不僅使鋼渣這種“放錯地方的資源”不再占地、堆積及對環(huán)境的污染，而是重新煥發(fā)活力，加入到生產循環(huán)中，實現(xiàn)自身巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。這對中國鋼鐵業(yè)而言不僅是實現(xiàn)固廢“零排放”，更是“變廢為寶”，為企業(yè)和社會創(chuàng)造更大的價值。因此，開展鋼渣的基礎應用研究工作，是建設節(jié)約型社會、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和環(huán)境友好型社會應該解決的重點問題。

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表1 國內主要鋼廠鋼渣化學成分表（%）

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