冶金渣資源化利用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

張國(guó)柱

（中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河北 秦皇島 066000）

我國(guó)冶金行業(yè)一直都是工業(yè)種類中的重要行業(yè)。一直以來，由于原料與產(chǎn)品市價(jià)是行業(yè)效益的主導(dǎo)因素，導(dǎo)致大多數(shù)企業(yè)對(duì)優(yōu)化行業(yè)管理不重視，使社會(huì)成本急劇增加，尤其對(duì)社會(huì)資源、環(huán)保以及能源發(fā)展而言。目前，國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟(jì)以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)，行業(yè)規(guī)模巨大的冶金行業(yè)以及其冶金渣的資源化利用成為關(guān)注焦點(diǎn)。

1 冶金渣的定義以及分類

1.1 冶金渣定義

在冶金工業(yè)生產(chǎn)中，把各種金屬礦石當(dāng)作原料來冶煉或者是把粗金屬加工制作成金屬產(chǎn)品，在該過程中產(chǎn)生的爐渣被稱為冶金渣。按我國(guó)行業(yè)管理分類，冶金渣可劃分為鋼鐵渣、有色金屬渣以及鐵合金渣。而鋼鐵渣包括煉鐵渣與煉鋼渣兩類[1-4]。

1.2 冶金渣分類

（1）煉鐵渣。煉鋼生鐵渣、錳鐵渣、鑄造生鐵渣、化鐵爐渣、硅錳鐵渣等都是屬于煉鐵渣的范疇。普通高爐渣來源于高爐冶煉生鐵中所產(chǎn)生的由焦炭灰分、礦石脈石以及助熔劑等相互作用形成的主要成分為硅酸鈣和硅鋁酸鈣的物質(zhì)。

（2）煉鋼渣。煉鋼渣的主要分類有三種，分別為煉鋼鋼渣、釩鈦鋼渣、不銹鋼鋼渣等。煉鋼鋼渣來源于鋼鐵生產(chǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)爐、精煉爐以及電爐在熔煉時(shí)所產(chǎn)生的由造渣材料以及爐料雜質(zhì)等溶化而成的以氧化物為主的物質(zhì)成分，時(shí)而還伴有少量硫化物、碳化物以及氟化物的成分。

（3）鐵合金渣鐵。鐵合金在冶煉生產(chǎn)過程中形成的工業(yè)廢渣被稱之為鐵合金渣。

（4）有色金屬渣。有色金屬在冶煉過程形成的各種金屬渣都被稱之為有色冶金廢渣。

（5）其它冶金廢料。冶金固體廢物、污泥以及廢金屬都是屬于其他冶金廢料范疇。對(duì)其它冶金廢料展開研究，目的是為了提高冶金渣資源化的有效利用率，其生產(chǎn)出的冶金渣衍生品也是整個(gè)冶金渣體系的重要研究組成。

2 淺談我國(guó)冶金渣資源化利用現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)于冶金渣資源化已經(jīng)做了很多研究，其主要利用現(xiàn)狀總結(jié)如下。

2.1 用于生產(chǎn)礦渣水泥

高爐水渣主要用來生產(chǎn)礦渣水泥。CaO和SiO2是高爐水渣的化學(xué)成分,在總量中占到70%到80%。鈣鋁黃長(zhǎng)石、鎂黃長(zhǎng)石、硅酸二鈣、鈣長(zhǎng)石等礦相形成受到水冷條件的抑制,從而形成了玻璃體礦相結(jié)構(gòu)并且具備潛在水硬膠凝的性能,在水泥熟料、石膏石灰等激發(fā)劑作用下，這些礦相能產(chǎn)生水硬膠凝性能并具有相應(yīng)強(qiáng)度,從而得出,水渣可作為水泥生產(chǎn)的良好原料?，F(xiàn)階段,利用高爐水渣生產(chǎn)的礦渣水泥包括以下幾類：

（1）礦渣硅酸鹽水泥。該水泥主要把顆粒狀的高爐水渣、硅酸鹽水泥熟料、石膏這三者通過混合磨細(xì)，最終生產(chǎn)出水硬性膠凝材料。由高爐水渣制造的水泥牌號(hào)通常超過400號(hào),但該水泥早期存在強(qiáng)度較低的問題。

（2）石膏礦渣水泥。該水泥是由大約80%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高爐水渣，配上約15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石膏以及少許石灰或者硅酸鹽水泥熟料，經(jīng)過混合磨細(xì)，最終產(chǎn)生的水硬性膠凝材料。該水泥具有成本低、抗?jié)B透性強(qiáng)以及良好的抗硫酸鹽侵蝕等特征,因此它在混凝土水工建筑物以及各類預(yù)制砌塊中普遍適用。

（3）石灰礦渣水泥。按照一定的比例把顆粒狀的干燥高爐渣、消石灰、生石灰和約含5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的天然石膏混合磨細(xì)，最終形成的水硬性膠凝材料。通常用到各種蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土預(yù)制品、水地路面等無筋混凝土之中，此外在工業(yè)與民用的建筑砂漿中也同樣適用。

2.2 把冶金渣用作冶金返回原料

轉(zhuǎn)爐渣利用價(jià)值相當(dāng)高，可實(shí)現(xiàn)冶金返回原料的利用?，F(xiàn)階段，通過轉(zhuǎn)爐渣研發(fā)的冶金原料有以下3類。

（1）燒結(jié)礦熔劑。把轉(zhuǎn)爐渣含有的CaO成分作為燒結(jié)熔劑來使用,可代替部分石灰石。把適量轉(zhuǎn)爐渣加入燒結(jié)礦中能夠促進(jìn)燒結(jié)造球，使燒結(jié)速度提升。此外，存在于轉(zhuǎn)爐渣中的FeO和Fe通過氧化作用放出熱量,使鈣以及鎂碳酸鹽在分解過程中所需熱量得到補(bǔ)償,有效減少燒結(jié)礦的相關(guān)燃料耗損。

（2）化鐵爐或高爐熔劑。轉(zhuǎn)爐渣可直接當(dāng)作化鐵爐或高爐熔劑來使用,這樣不僅使石灰石以及白云石用量降低,還能節(jié)省熱能。可是,由于目前白云石以及石灰石在高爐中使用越來越少，甚至有些企業(yè)高爐已經(jīng)不再使用，因而轉(zhuǎn)爐渣在高爐的替代作用也被限制了。

（3）作煉鋼返回渣。在下一爐的冶煉中把轉(zhuǎn)爐終渣作初渣使用,有利于加快冶煉初期的成渣速度,使初期渣侵蝕爐襯的程度降低；在現(xiàn)階段使用濺渣護(hù)爐工藝中,大量轉(zhuǎn)爐渣被消耗后,可以使耐火材料的耗損大大降低。

2.3 冶金渣用作道路和建筑材料

冶金渣有著與天然巖石相似的物理屬性，因而冶金渣被廣泛用于道路與建筑方面，比如建設(shè)公路、機(jī)場(chǎng)以及地基工程等。

（1）礦渣磚。高爐水渣與適量的水泥膠凝材料，在攪拌、定型以及蒸汽養(yǎng)護(hù)等之后形成的建筑用磚被成為礦渣磚,它在普通的房屋建筑以及地下建筑中廣泛使用，實(shí)質(zhì)上就是使用高爐水渣替換部分沙石。

（2）礦渣混凝土。把高爐水渣作為原材料，配適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)劑，一同混合放入輪碾機(jī)并加水碾磨，最后同骨料混合形成的產(chǎn)物被稱為礦渣混凝土。在小型混凝土預(yù)制件生產(chǎn)中特別適合使用礦渣混凝土,但是對(duì)于施工澆筑現(xiàn)場(chǎng)不宜使用。

（3）地基用碎石。因?yàn)橐苯鹪鼡碛信c天然巖石大體相同的強(qiáng)度,所以冶金渣碎石顆粒的強(qiáng)度能夠滿足地基工程對(duì)強(qiáng)度的需求。除此以外,由于密度大、耐磨性好、表面粗糙、能與瀝青結(jié)合牢靠等眾多優(yōu)點(diǎn),使冶金渣在鐵路路基施工、公路路基施工、工程回填等方面應(yīng)用廣泛。值得注意的是,當(dāng)轉(zhuǎn)爐渣在筑路以及回填料過程中,應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行陳化，預(yù)防渣中的自由氧化鈣由于水化發(fā)生體積膨脹。

2.4 用作生產(chǎn)農(nóng)用肥料和土壤改良劑

Ca O、SiO2是冶金渣的主要成分,且還富含多種復(fù)合礦物元素以及含有微量元素,這些元素可促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)。因而，合理利用冶金渣中有助農(nóng)作物生長(zhǎng)的成分,制作出農(nóng)用肥料以及土壤改良劑。

（1）生產(chǎn)磷肥。轉(zhuǎn)爐吹煉未進(jìn)行爐外脫磷處理的鐵水,將會(huì)得到含P2O5成分較高的爐渣。該爐渣具有相應(yīng)的肥力,尤其適用于缺少磷元素的堿性土壤。

（2）生產(chǎn)硅肥。水稻生長(zhǎng)需要大量的硅元素，而SiO2在轉(zhuǎn)爐渣含量高達(dá)15%。因此把轉(zhuǎn)爐渣磨細(xì)，細(xì)度低于0.246mm,就可以當(dāng)作硅肥在農(nóng)作物中使用。

（3）酸性土壤改良劑。CaO以及MgO在轉(zhuǎn)爐渣具有含很高的含量。因而，把轉(zhuǎn)爐渣經(jīng)過磨細(xì)處理之后，可用于改良酸性土壤，成為一種有效的酸性土壤改良劑。

3 冶金渣資源化利用未來發(fā)展趨勢(shì)分析

（1）激發(fā)冶金渣活性。冶金渣的資源化利用在過去也比較成功,且利用率最高、用量最高的是在生產(chǎn)水泥方面。然而，水泥生產(chǎn)過程中，因?yàn)檩^低的冶金渣附加值導(dǎo)致了冶金渣所呈現(xiàn)的活性比較低。基于這一點(diǎn),如果想要提高冶金渣的附加值利用，最關(guān)鍵的問題在于把冶金渣的活性激發(fā)出來,使其活性達(dá)到硅酸鹽水泥活性。在以往的研究里,主要采用的方法是調(diào)控添加物使其化學(xué)組成發(fā)生改變以此激發(fā)冶金渣活性。現(xiàn)階段冶金渣活性的激發(fā)主要采用機(jī)械手段,使冶金渣的水硬膠凝性能提升。通過在機(jī)械作用下冶金渣的顆粒粒度降低,使其比表面積提高,實(shí)現(xiàn)新生顆粒內(nèi)能以及表面能的增加，這就是機(jī)械激發(fā)活性的原理；與此同時(shí),新生顆粒的晶體結(jié)構(gòu)與表面發(fā)生了物理、化學(xué)性質(zhì)的變化,隨之加大了水跟冶金渣中礦物表面的接觸面積,從而使出現(xiàn)在礦物與水兩者之間的水化反應(yīng)速度提升。

（2）生產(chǎn)緩釋性鉀肥。冶金渣用于生產(chǎn)緩釋性鉀肥,這是當(dāng)前冶金渣資源化利用的一門新技術(shù)。我們這里指的緩釋性肥料，其具有難溶于水的特征,但對(duì)于從農(nóng)作物根部分泌出的檸檬酸溶液極其容易溶解于其中。正是因?yàn)檫@一性質(zhì)特性，緩釋性肥料能從根源上解決由灌溉或雨水導(dǎo)致的農(nóng)作物肥料流失的問題。并且,農(nóng)作物根部所分泌出的檸檬酸會(huì)伴隨著農(nóng)作物的成長(zhǎng)發(fā)育而不斷增加,從而使根部對(duì)于肥料的吸收能力也隨著增加,從源頭上滿足了植物生長(zhǎng)需要。有助于植物生長(zhǎng)和發(fā)育的三大元素有氮、磷、鉀。植物對(duì)于鉀肥的需求量，主要是在結(jié)果期要求量多，生長(zhǎng)期要求少。基于該原因，鉀肥應(yīng)當(dāng)具備肥效長(zhǎng)的特點(diǎn)。作為農(nóng)業(yè)大生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)對(duì)鉀肥需量大，因此把冶金渣用于生產(chǎn)緩釋性鉀肥，正是未來發(fā)展的趨勢(shì)的要求。在冶煉時(shí)，鐵水預(yù)處理過程中所形成的脫硅渣能用于生產(chǎn)緩釋性鉀肥。脫硅渣中SiO2和CaO含量豐富，再把K2CO3或KOH添加進(jìn)去合成鉀肥，滿足植物對(duì)緩釋性肥料的需求。

（3）深度開發(fā)冶金渣。由于我國(guó)鋼渣產(chǎn)量大，造成了環(huán)境嚴(yán)重污染以及資源浪費(fèi)，阻礙了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何提高鋼渣資源化利用率，是我國(guó)當(dāng)前發(fā)展面臨的問題。早期的冶金渣處理方式是排廢堆放且置之不管，隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)的意識(shí)提升，企業(yè)開始了對(duì)礦渣進(jìn)行破碎處理。磁選出含鐵量10%左右的鋼渣做回收處理。但是，磁選后的尾渣依舊堆放在原地。隨著科技的進(jìn)步以及環(huán)保經(jīng)濟(jì)理念的倡導(dǎo)，目前磁選后高爐渣廢渣以及鋼渣廢渣經(jīng)過加工后形成具有高價(jià)值的各種附加產(chǎn)品。高爐爐渣通過水淬處理技術(shù)可以產(chǎn)出具備良好活性的高爐水淬渣，將其磨制成粉再混合到水泥以及混凝土中，這種使用方法在國(guó)內(nèi)比較常見。高爐礦渣粉在我國(guó)綜合利用率僅為78%；而在國(guó)外其利用率實(shí)現(xiàn)100%。由于轉(zhuǎn)爐鋼渣有不穩(wěn)定物質(zhì)的存在，比如游離氧化鎂、氧化鈣等物質(zhì)，就可能出現(xiàn)體積穩(wěn)定性不強(qiáng)、早期活性不及高爐水淬渣粉強(qiáng)、研磨困難等問題，使高爐礦渣粉在水泥與混凝土中的有效使用率降低，導(dǎo)致只能用作填海、道路材料以及工程回填材料等，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，綜合利用率相當(dāng)?shù)汀Ｓ捎诓荒艹浞掷棉D(zhuǎn)爐鋼渣，導(dǎo)致鋼廠囤積大量鋼渣，由此帶來的后果包括：大面積占用和浪費(fèi)耕地、污染環(huán)境、影響水質(zhì)，不利于企業(yè)健康長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。此外，由于冶金渣堆積規(guī)模龐大，其處理難度系數(shù)非常大，如果沒有科學(xué)合理的處理辦法，該情況將愈演愈烈?；谶@些原因，深度開發(fā)冶金渣資源，提高利用率是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

（4）加強(qiáng)冶煉中廢渣、廢液、廢氣、余熱等資源化利用。提取冶金渣固體廢棄物中的有價(jià)金屬，提取回收赤泥中的鐵、堿、貴金屬等物質(zhì)，提取銅冶煉渣以及陽極泥中的稀貴金屬，提取鉛鋅冶煉廢渣中的鎘、鐵、鍺等元素，提取氰化尾渣以及黃金礦渣中的鉛、銅、銀等元素。轉(zhuǎn)爐鋼渣熱量來源于眾多能源的轉(zhuǎn)換，通過收集余熱可使企業(yè)在能源費(fèi)用上節(jié)約開支；與此同時(shí)，減少能源的消耗就是在減輕環(huán)境污染。此外，通過回收再利用冶煉廢液的中資源，能夠把鎵、鈧等元素從氧化鋁母液提取并再利用。因此，深入挖掘冶金渣中存在各種潛在資源，并做到再次循環(huán)使用，有有效提高冶金渣資源化利用率。

（5）拓寬高爐爐渣的多樣化用途。冶金渣中，高爐爐渣具有廣泛用途。通過打水冷卻或者是自然冷卻的作用后，高爐爐渣能夠替換天然砂石的作用，可用作道路的相關(guān)混凝土或者混凝土骨料使用，在防滑耐磨場(chǎng)地的基材中也可以選用高爐爐渣，其具有很強(qiáng)的耐高溫作用，能承受住700℃的高溫條件。高爐爐渣作為填充基料時(shí)，具有穩(wěn)定的膨脹性能，甚至對(duì)凈化海水都能起到作用。在熔融態(tài)的高爐爐渣經(jīng)水淬冷卻，形成的顆粒具有潛在水硬膠凝性能以及較好的活性，可將其摻入水泥中替代熟料，改善水泥的各項(xiàng)性能指標(biāo)，使水泥的早期活性得到提高，同時(shí)使用高爐爐渣替代水泥熟料還能降低生產(chǎn)成本。因此在水泥中加入高爐水淬礦渣粉可以使水泥各項(xiàng)性能得到提升，是水泥熟料替代品的最佳選擇。除此以外，保溫材料以及礦渣棉都可以使用高爐水淬渣來生產(chǎn)制作。

綜上所述，提高冶金渣相關(guān)資源化利用，有利于減少耕地浪費(fèi)、防止污染，對(duì)我國(guó)冶金工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義?，F(xiàn)階段，礦渣水泥生產(chǎn)、道路建筑用材、冶金返回料利用是冶金渣在資源化利用方面的集中體現(xiàn)，當(dāng)前生產(chǎn)出冶金渣制品附加值不高,并且沒有充分利用好冶金渣在物理化學(xué)方面的潛在熱能。因此，開發(fā)出具有較高附加值的產(chǎn)品是冶金渣未來資源化高效利用的趨勢(shì)所在。同時(shí)，還要激發(fā)冶金渣的活性以及在生產(chǎn)緩釋性鉀肥等方面的作用，使冶金渣在沿著高效資源化利用的方向發(fā)展。