淺談鋼渣的綜合利用

李冰唐彪王星磊

隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鋼鐵生產(chǎn)過程中排出的廢渣量也隨之增加。鋼渣是煉鋼生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品，其數(shù)量約為粗鋼產(chǎn)量的10～15%[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2015年粗鋼產(chǎn)量達(dá)到8.04億t，鋼渣的產(chǎn)量約1億t左右，而其綜合利用率僅為22%左右[2]。大部分鋼渣只是進(jìn)行了簡單的堆棄處理，不但占用了大面積的土地，造成了可用資源的浪費(fèi)，也給大氣、河流、土壤帶來了很嚴(yán)重的污染。因此，鋼渣的綜合利用勢(shì)在必行。

1　鋼渣概述

1.1　鋼渣的來源

鋼渣是轉(zhuǎn)爐、電爐或精煉爐冶煉過程中排出的熔渣，主要是由爐料中各元素被氧化后生成的氧化物，被侵蝕的爐襯料以及加入的造渣材料等物質(zhì)構(gòu)成。

1.2　鋼渣的組成

鋼渣的化學(xué)成分主要有：CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5和f-CaO、f-MgO[3]。由于不同的鋼鐵生產(chǎn)工藝以及原料的不同，鋼渣的成分也存在著一定的波動(dòng)。

鋼渣的主要礦物相為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣、游離石灰（f-CaO）、RO（R代表鎂、鐵、錳的氧化物，即FeO，MgO，MnO形成的固熔體）等。鋼渣的礦物組成與其化學(xué)成分有關(guān)，如堿度。在煉鋼過程中需要不斷的加入石灰，鋼渣的組成成分也隨石灰量的增多而發(fā)生變化。渣在煉鋼初期的成分主要有鈣鎂橄欖石，因其堿度不斷提高，吸收CaO從而轉(zhuǎn)變成為鈣鎂薔薇輝石，期間還伴隨著RO相的放出。繼續(xù)增加石灰，則生成硅酸二鈣和硅酸三鈣。

1.3　鋼渣的性質(zhì)

冷卻后的鋼渣顏色隨著堿度的變化而變化，一般低堿度鋼渣顯灰色，較高堿度的鋼渣呈褐灰色[4]。鋼渣質(zhì)地堅(jiān)硬，密度比較高，通常在3.2×103～3.7×103kg/m3之間。鋼渣的普遍抗壓強(qiáng)度為 168～307MPa，沖擊強(qiáng)度為15次，較難破碎。由于游離氧化鈣（f-CaO）、游離氧化鎂（f-MgO）存在于鋼渣中，游離氧化鈣要消解成為氫氧化鈣，游離氧化鎂會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸V，這些都會(huì)導(dǎo)致鋼渣的體積膨脹。所以，鋼渣在常溫的情況下一般都是不穩(wěn)定的，只有當(dāng)f-CaO、f-MgO含量很少，或者全部消解完全的時(shí)候鋼渣才會(huì)變得穩(wěn)定。

2　鋼渣的處理技術(shù)

由于國內(nèi)各鋼廠鋼渣種類不同，我國鋼渣處理技術(shù)呈現(xiàn)出多元化，包括水淬法、熱潑法、粉化法等。每種工藝都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[5～6]，詳細(xì)情形見表1。

表1　鋼渣處理方法過程與優(yōu)缺點(diǎn)

3　鋼渣的綜合利用

3.1　鋼渣在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用

（1）生產(chǎn)鋼渣水泥

鋼渣中含有大量的硅酸二鈣和硅酸三鈣等活性物質(zhì)，這些活性物質(zhì)與硅酸鹽水泥熟料主要成分相似。以鋼渣為主要原料，加入一定量的摻合料和適量的石膏，經(jīng)混合、球磨后，可生產(chǎn)鋼渣水泥[7]。鋼渣水泥具有微膨脹性和良好的抗?jié)B透性能，可廣泛應(yīng)用于防水混凝土工程。

（2）作為鋪路和回填材料

鋼渣具有密度大、強(qiáng)度高、磨損性小等優(yōu)良特性。粒徑比較均勻且f-CaO含量較少的鋼渣可用于修筑公路、鐵路的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美、日、俄、德、法等國家產(chǎn)出的50%左右的鋼渣用于道路工程建設(shè)。經(jīng)陳化處理后的鋼渣也可用來作回填材料，日本利用鋼渣填海，實(shí)現(xiàn)了人造陸地。

（3）制備磚和砌塊

鋼渣具有較高的潛在水硬膠凝性，以粉狀鋼渣作為主要原料，摻入部分粉煤灰和激發(fā)劑，加水?dāng)嚢?，?jīng)輪碾壓制成型，蒸養(yǎng)后可制成建筑用磚。

3.2　鋼渣在冶金領(lǐng)域中的應(yīng)用

（1）作鋼鐵冶煉熔劑

使用鋼渣作為燒結(jié)熔劑或高爐煉鐵熔劑，主要是由于鋼渣中含有40～50%的CaO，CaO可以代替石灰石用作燒結(jié)或煉鐵配料。鋼渣中Ca是以氧化物的形式存在，在冶煉過程中不需要經(jīng)過碳酸鹽高溫分解，這可降低冶金燃料的消耗。

（2）回收金屬

鋼渣中含有大量的鐵粒，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為25%，含廢鋼量約為10～15%。通過破碎磁選可以回收廢鋼鐵，進(jìn)而進(jìn)行重新利用[8]。除了含有金屬鐵外，鋼渣中還含有其他金屬，如Mn、Cr、V等。人們嘗試多種途徑回收這些有用金屬，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3　鋼渣在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

（1）用作肥料

初期煉鋼爐渣含磷高，經(jīng)過破碎、磁選、再破碎等工藝處理后，就可以得到鋼渣磷肥。鋼渣磷肥適用于酸性土壤和缺磷的堿性土壤，能起到改良土壤質(zhì)量和提高農(nóng)作物產(chǎn)量的作用[9]。鋼渣中也含有較多的可被植物吸收的活性硅。硅是水稻生長的必需元素，對(duì)于缺硅的稻田，鋼渣硅肥是一種不錯(cuò)的硅素補(bǔ)充劑。除此之外，鋼渣硅肥也適用于玉米等喜硅作物。鋼渣中還含有一定量的鋅、硼、錳等微量元素，可以生產(chǎn)鋼渣微量元素肥料。

（2）改良土壤

鋼渣中含有較高的CaO，因而具有良好的改良酸性土壤的作用。對(duì)于有些農(nóng)作物特別有利，是農(nóng)業(yè)上理想的土壤改良劑[10]。

3.4　鋼渣在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

鋼渣表面具有良好的吸附過濾性，可以去除廢水中雜質(zhì)顆粒，部分重金屬離子和有機(jī)物。因此，鋼渣在重金屬離子廢水、有機(jī)涂料廢水處理方面都具有良好的效果。在醫(yī)學(xué)范疇中，由于鋼渣中含有Ca、Mg、Fe等元素，能夠用來作為治愈風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、神經(jīng)痛、皮膚病等病痛[11]。

4　鋼渣利用中存在的問題

4.1　鋼渣成分波動(dòng)大

由于煉鋼方式、煉鋼原料以及初處理方式的不同，造成鋼渣成分和質(zhì)量存在較大的波動(dòng)，不利用應(yīng)用。

4.2　鋼渣穩(wěn)定性不良

鋼渣中f-CaO和f-MgO含量高，在常溫下遇水發(fā)生水化膨脹。若鋼渣不進(jìn)行處理，直接應(yīng)用于建材行業(yè)，會(huì)造成構(gòu)筑物開裂，甚至造成整體建筑的損壞。因而制約了鋼渣在建筑材料中的使用。

4.3　磨細(xì)能耗大

鋼渣硬度大，易磨性較差。利用常規(guī)的粉渣設(shè)備磨至適宜的粒度，既費(fèi)時(shí)又耗能[12]。

此外，鋼渣雜質(zhì)含量高，影響直接回收利用。

5　鋼渣利用的發(fā)展趨勢(shì)

5.1　新型鋼渣處理工藝的開發(fā)

現(xiàn)階段鋼渣的處理工藝主要以水淬為主，處理流程長且耗水量大，產(chǎn)生二次蒸汽難以利用。因此應(yīng)積極的開發(fā)清潔化、更節(jié)能、短流程、可回收余熱資源的新型處理工藝。

5.2　鋼渣穩(wěn)定性工藝的研發(fā)

國內(nèi)相關(guān)企業(yè)一直致力于鋼渣穩(wěn)定工藝的研究開發(fā)，如熱悶技術(shù)等。如果能很好的處理鋼渣的安定性問題，那么可以進(jìn)一步的提高鋼渣綜合利用率、擴(kuò)大資源化利用范圍。

5.3　高效節(jié)能粉磨設(shè)備的開發(fā)

傳統(tǒng)的粉磨設(shè)備電耗大，生產(chǎn)成本高。在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，研發(fā)出新型節(jié)能、低耗的超細(xì)粉磨設(shè)備，將粉磨的成本降至最低。對(duì)開創(chuàng)鋼渣廣泛應(yīng)用的新局面大有裨益。

5.4　鋼渣在高附加值產(chǎn)品領(lǐng)域中的研究

對(duì)鋼渣進(jìn)行分級(jí)、分類處理，使鋼渣成分穩(wěn)定、粒度分級(jí)，能夠真正成為商品化的二次原料資源，有利于鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

我國鋼渣處理需要在認(rèn)識(shí)上加以重視，在經(jīng)濟(jì)上加大投入，有效的進(jìn)行鋼渣的綜合利用，創(chuàng)造出更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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[12]杜鑫，聶文海，柴星騰，等.鋼渣粉磨系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國水泥，2015（4）.