永鋼鋼渣工藝礦物學(xué)及其綜合利用技術(shù)★

江飛飛 馬 劍

(江蘇科技大學(xué)(張家港)船舶與建筑工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

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永鋼鋼渣工藝礦物學(xué)及其綜合利用技術(shù)★

江飛飛 馬 劍

(江蘇科技大學(xué)(張家港)船舶與建筑工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

介紹了永鋼集團(tuán)經(jīng)灑水降溫處理后轉(zhuǎn)爐鋼渣的工藝礦物學(xué)特性，利用XRF，XRD，SEM微觀(guān)測(cè)試技術(shù)，研究了鋼渣的成分組成、含量及顆粒形狀。歸納總結(jié)了鋼渣的內(nèi)外循環(huán)綜合利用技術(shù)，并針對(duì)存在的問(wèn)題提出了未來(lái)鋼渣處理的研究重點(diǎn)。

鋼渣，工藝礦物學(xué)，轉(zhuǎn)爐，綜合利用

1 概述

“十二五”期間，在高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)下，我國(guó)粗鋼產(chǎn)量由2010年的6.3億t發(fā)展到2015年的8億t[1]，但也伴隨產(chǎn)生了大量鋼渣廢棄物，其質(zhì)量約為鋼材的12%～14%。由此推斷，去年我國(guó)鋼渣產(chǎn)生量達(dá)到1.1億t。舊渣無(wú)法消耗，新渣卻還在不斷增加，嚴(yán)重制約了我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并且污染環(huán)境，給人類(lèi)的生存帶來(lái)了極大的威脅。因此，如何有效的利用這些鋼渣，使之既能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，又能起到保護(hù)環(huán)境的作用，是當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的重要議題。本文利用XRF,XRD,SEM微觀(guān)測(cè)試技術(shù)，研究了永鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣的成分組成和含量，并介紹了鋼渣綜合利用新技術(shù)。

2 鋼渣處理現(xiàn)狀

永鋼集團(tuán)是集燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼于一體的大型鋼鐵企業(yè)。2013年，煉鐵、煉鋼、軋材的年生產(chǎn)量分別達(dá)到726萬(wàn)t,732萬(wàn)t和782萬(wàn)t，每年為國(guó)家生產(chǎn)大量?jī)?yōu)質(zhì)鋼材的同時(shí)，也產(chǎn)生了近200萬(wàn)t的鋼渣。近些年，由于鋼鐵行業(yè)“零”排放政策的推行，各大鋼企積極開(kāi)發(fā)鋼渣利用新技術(shù)。目前，鋼渣的利用按照用途大致可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)，內(nèi)循環(huán)是指鋼鐵企業(yè)內(nèi)部回爐使用，作為煉鋼的返回料和燒結(jié)礦的原料；外循環(huán)主要是指用于農(nóng)業(yè)和建材行業(yè)等領(lǐng)域。

3 工藝礦物學(xué)特性

鋼渣的主要成分為：CaO,SiO2,FeO,Al2O3,MgO等，不同鋼廠(chǎng)由于鐵礦石以及生產(chǎn)工藝的不同，產(chǎn)生的鋼渣外觀(guān)形態(tài)和成分差別也較大[2]。本文通過(guò)XRF,XRD,SEM微觀(guān)測(cè)試技術(shù)，研究了沙鋼鋼渣的主要物相組成及具體含量。

3.1 鋼渣化學(xué)成分

利用美國(guó)Thermo Electron公司的ADVANT’XP型X射線(xiàn)熒光光譜儀(X-ray fluorescence spectrometer, XRF)測(cè)其化學(xué)成分，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。

表1 鋼渣化學(xué)成分 %

3.2 鋼渣XRD分析

利用日本RIGAKU公司的SMARTLAB(3)型X-射線(xiàn)衍射儀分析了鋼渣的礦物組成，如圖1所示，鋼渣的主要礦物組成為C3S,C2S,C2F和RO，并還有少量Ca(OH)2,f-CaO和方鎂石等。

3.3 鋼渣SEM分析

由圖2可知，鋼渣主要由大小不同的粒狀顆粒和少量不規(guī)則團(tuán)聚體組成，部分小顆粒附著在大顆粒表面，還有小顆粒聚集在一起形成大的顆粒。顆粒的棱角比較明顯，整體疏松多孔，具有較大的比表面積，級(jí)配大顆粒(20μm左右)和小顆粒(4μm以下)較多。

4 鋼渣綜合利用技術(shù)研究

鋼渣主要來(lái)自金屬爐料中Si,Mn,P等元素的氧化物，被浸蝕、剝落的爐襯材料，以及為調(diào)整爐渣性質(zhì)而向爐內(nèi)加入的造渣材料(如石灰、螢石、白云石等)。沙鋼集團(tuán)的鋼渣綜合利用大致分為內(nèi)部循環(huán)和外部循環(huán)，內(nèi)部循環(huán)指鋼渣在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部利用，作為燒結(jié)礦的原料和煉鋼的返回料；外部循環(huán)指用于建材、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

4.1 鋼渣的內(nèi)部循環(huán)利用

由于具有可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益，鋼渣在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部循環(huán)一直廣受重視。鋼渣含有鈣、鐵、錳、鎂的氧化物和一些稀有元素，且鈣、鎂均以固溶體形式存在，可替代溶劑，減少石灰石、白云石、菱鎂礦的消耗；同時(shí)由于鋼渣本身是熟料，可作為燒結(jié)礦的增強(qiáng)劑，內(nèi)含的鐵酸鈣對(duì)燒結(jié)礦有一定的改善作用。

目前幾大產(chǎn)鋼大國(guó)都采取了將鋼渣返爐做溶劑的生產(chǎn)工藝，美國(guó)所占比例約為56%，德國(guó)約為24%，日本約為20%。但鋼渣的成分波動(dòng)較大，燒結(jié)配礦時(shí)要求鋼渣各種氧化物成分波動(dòng)不大于±2%，粒度要求小于3mm，對(duì)破碎和篩分要求較高；同時(shí)，多次返爐燒結(jié)會(huì)造成P等有害元素的富集。正是由于這些不利因素，雖然目前沙鋼也將產(chǎn)生的中低品位鋼渣用于燒結(jié)生產(chǎn)，但摻入量?jī)H為10%左右，圖3為永鋼鋼渣處理工藝圖。

4.2 鋼渣的外部循環(huán)利用

鋼渣內(nèi)含有一定活性的C2S，C3S，具有一定的膠凝性，且還有較高的鈣、硅及多種微量元素，可用于建材、農(nóng)業(yè)、化學(xué)等領(lǐng)域。

4.2.1 鋼渣用于建材行業(yè)

鋼渣在建材行業(yè)的用途主要有：水泥原料、礦物摻合料、地基回填、骨料替代和鋪筑道路等。鋼渣中含有C2S，C3S等礦物，加水后能夠水化，具有一定的膠凝活性，在一定程度上能替代水泥使用。已有研究表明：鋼渣加入混凝土后具有耐磨、耐腐蝕、低水化熱和后期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。但鋼渣易磨性較差，不同鋼廠(chǎng)或同一鋼廠(chǎng)不同批次的鋼渣成分波動(dòng)較大，且f-CaO有安定性的問(wèn)題，由于以上因素的制約，鋼渣水泥在實(shí)際工程應(yīng)用效果并不明顯。

4.2.2 鋼渣用于化學(xué)領(lǐng)域

鋼渣中含有一定量的SiO2和MgO，能夠作為摻合料燒制成陶瓷材料和微晶玻璃，具有強(qiáng)度高、硬度大和耐磨性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。張全鵬,劉立強(qiáng)等利用鋼渣和赤泥兩種費(fèi)料復(fù)摻，在不加助溶劑的情況下制備出了微晶玻璃，力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性良好，當(dāng)摻入50%的鋼渣時(shí)，微晶玻璃的抗折強(qiáng)度為162MPa，顯微硬度為840MPa[3]。

4.2.3 鋼渣用于農(nóng)業(yè)

鋼渣中含有大量的鈣、硅、鐵、鎂和少量的P,Mn,Cu,Zn等元素,能制成肥料提供農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素。同時(shí)鋼渣顆粒較細(xì)，比表面積較大，能作為酸性土壤改良劑。姜永利等以土壤重金屬原位固定技術(shù)為基礎(chǔ)，確定了土壤的污染程度，并用鋼渣、石灰和普鈣三者單摻及復(fù)摻使用，研究了其抑制鋼渣吸收重金屬的效果，結(jié)果表明：通過(guò)添加鋼渣等進(jìn)行土壤改良，土壤從偏酸性提高至中性，從有利于降低土壤重金屬的活性，減少了甘蔗對(duì)重金屬的吸收；并且促使土壤的氮磷含量均有所提高，在一定程度上增高了土壤肥力[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)對(duì)鋼渣的資源再利用越來(lái)越重視，且取得了一定的研究成果，提高了資源利用率的同時(shí)又保護(hù)了環(huán)境。但由于鋼渣自身物理化學(xué)特性，其在各行各業(yè)的使用仍存在大量的問(wèn)題。因此有必要進(jìn)一步對(duì)鋼渣進(jìn)行深入研究，集中解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

1)鋼渣的成分波動(dòng)較大，應(yīng)對(duì)鋼渣種類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)，科學(xué)合理分類(lèi)使用；

2)相比水泥或粉煤灰等其他摻合料，鋼渣的比重較大，同等體積的摻鋼渣混凝土比普通混凝土的質(zhì)量大很多，對(duì)地基的要求較大，增加了建筑成本；

3)鋼渣中含有大量的游離CaO和MgO，能引發(fā)混凝土安定性的問(wèn)題[5]；

4)利用鋼渣的膨脹特性研制摻鋼渣微膨脹混凝土，補(bǔ)償混凝土的自收縮；

5)隨著鋼渣存量的持續(xù)增加，有必要開(kāi)發(fā)鋼渣使用的新領(lǐng)域。

[1] 關(guān)于印發(fā)鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級(jí)規(guī)劃(2016—2020年)的通知[Z].

[2] 王愛(ài)華.鋼渣的綜合利用研究[J].中國(guó)資源綜合利用,2009(12):8-9.

[3] 張全鵬,劉立強(qiáng).鋼渣—赤泥微晶玻璃的制備及性能[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,31(6):896-900.

[4] 姜永利.個(gè)舊尾礦庫(kù)復(fù)墾農(nóng)田植物固化修復(fù)研究[D].昆明：昆明理工大學(xué),2012.

[5] 王 博.鋼渣中游離氧化鈣、游離氧化鎂的測(cè)定及其安定性研究[D].北京：北京化工大學(xué),2010.

TheslagprocessmineralogyandcomprehensiveutilizationtechniqueofYonggangcorporation★

JiangFeifeiMaJian

(SchoolofNavalArchitectureandCivilEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology(Zhangjiagang),Zhangjiagang215600,China)

Introduce the corporation’s process mineralogy of steel making slag which is treated by watering for temperature reduction. By means of using microcosmic testing techniques, such as XRF, XRD and SEM, the composition, content and particle shape of the slag were researched. The circulation and reutilization of the slag and the comprehensive utilization of external loop current situation were also summarize. Meanwhile, the researches focused on slag treatment in the future were proposed in the end.

steel slag, process mineralogy, converter, comprehensive utilization

1009-6825(2017)12-0184-02

2017-02-16★：張家港市科技局2015年軟科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：ZKR1503)

江飛飛(1989- )，男，在讀博士

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