有色金屬冶煉廢渣回收利用綜述

張利民

（衡水學(xué)院，河北 衡水 053000）

作為有色金屬冶煉生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)物，大量的熔渣和其他副產(chǎn)品被生產(chǎn)出來(lái)[1]。固體廢物貯存的限制和其他環(huán)境問(wèn)題使這種廢物的回收成為保護(hù)自然資源的一個(gè)非常重要的課題。除了這些環(huán)境問(wèn)題外，近幾十年來(lái)，工業(yè)廢物在工業(yè)應(yīng)用中的利用是為了節(jié)能和節(jié)約成本，以及將其循環(huán)利用成適用的副產(chǎn)品。

考慮全球的鋼鐵生產(chǎn)，將廢渣作為附加值副產(chǎn)品或額外的能源輸出加以利用的需求，既是環(huán)境問(wèn)題的要求，也是工業(yè)應(yīng)用中節(jié)約成本的機(jī)會(huì)。這些應(yīng)用包括在道路施工中用作填充材料，在水泥生產(chǎn)中用作添加劑，在玻璃生產(chǎn)中用作鐵路道碴以及在隔熱棉生產(chǎn)中用作添加劑。

有色金屬渣主要由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、MgAl2O4等陶瓷基化合物組成。由于與金屬材料相比，廢渣的導(dǎo)熱系數(shù)明顯較低，因此這種氧化物含量使高爐渣成為熱絕緣的候選材料。近年來(lái)，渣的這些特性引起了研究者的注意，通過(guò)表面工程技術(shù)在靶面沉積或應(yīng)用，使其在氧化、腐蝕、熱循環(huán)等惡劣條件下的應(yīng)用，為其在附加值應(yīng)用中的應(yīng)用鋪平了道路。本文提出了目前渣在余熱回收、水泥生產(chǎn)和其他增值應(yīng)用等各種應(yīng)用中的綜合利用方法，以及渣在表面工程等增值應(yīng)用中的可能和目前的應(yīng)用。

1 廢渣

一般來(lái)說(shuō)，熔渣是冶煉過(guò)程中的廢料，由金屬氧化物、SiO2、金屬硫化物和元素金屬的混合物組成，這些金屬氧化物、SiO2、金屬硫化物和元素金屬積聚在不純凈的熔融金屬表面。未加工金屬通常被稱為礦石，因?yàn)樵谧匀唤缰校鼈円匝趸?、硫化物和其他化合物的形式存在，或者是這些金屬化合物和非金屬化合物的混合物。將化學(xué)化合物形式的礦石還原成純金屬形式需要加入熔劑材料，熔劑材料與雜質(zhì)結(jié)合，以形成和去除熔融金屬中的熔渣。為此，通常使用白云石和生石灰（氧化鈣）等助熔劑材料。在礦石熔化過(guò)程中積聚在高溫熔融金屬上的熔渣層從表面去除，并通過(guò)各種冷卻方法固化。

2 渣的利用

工業(yè)廢渣作為工業(yè)副產(chǎn)品回收利用，在很大程度上取決于渣的性質(zhì)和熔融金屬的熱處理。在熔爐中，從金屬礦石中除去脈石和非金屬雜質(zhì)，從而生產(chǎn)出生鐵和渣作為最終產(chǎn)品。

金屬和熔渣以熔融的形式聚集在高爐的中心，然后熔渣由于密度低于金屬而擴(kuò)散到熔融金屬表面。爐渣的高粘度在爐子的低溫區(qū)達(dá)到甚至更高的值，需要采用額外的工藝將其從熔爐中去除[2]。

當(dāng)從爐中取出時(shí)，熔渣仍處于高溫熔融狀態(tài)。冷卻和固化熔渣進(jìn)行儲(chǔ)存的操作對(duì)熔渣成分有效。

2.1 廢熱回收渣的利用

熔融工業(yè)廢渣是有色金屬生產(chǎn)過(guò)程中最大的能源之一，這為金屬生產(chǎn)所需的能源最小化提供了重要的潛力。然而，這種浪費(fèi)的能量通常不用于熱回收，因?yàn)橐睙拸S通常傾向于快速淬火熔渣，以獲得用于水泥生產(chǎn)的玻璃狀結(jié)構(gòu)。盡管已開(kāi)發(fā)出多種方法回收不同形式的熔渣余熱，但由于熔渣導(dǎo)熱系數(shù)較小，這是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，除了在水泥生產(chǎn)等附加值較高的領(lǐng)域中更為可取的應(yīng)用外，這些方法中的大多數(shù)都是加工過(guò)程尚未商業(yè)化[3]。

2.2 建筑渣的利用

水泥工業(yè)由于消耗大量原材料和能源，排放大量溫室氣體（如二氧化碳）而受到嚴(yán)重的環(huán)境影響，這些溫室氣體是在熟料生產(chǎn)和能源消耗過(guò)程中產(chǎn)生的。不斷增加的能源成本和環(huán)境限制使得有必要通過(guò)使用工業(yè)副產(chǎn)品來(lái)減少工業(yè)污染物的排放[4]。通過(guò)水淬火快速冷卻后，產(chǎn)生的玻璃狀和粒狀熔渣，使鋼鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品成為具有潛在水力活性的波特蘭水泥生產(chǎn)的優(yōu)良替代材料[5]。然而，據(jù)報(bào)道，水淬火除了釋放有害廢物如硫化氫、重金屬和二氧化硫外，還存在一些主要缺點(diǎn)，如廢熱回收效率低下。這些環(huán)境因素使得有必要開(kāi)發(fā)出新的處理熔渣的方法，如干法造粒法，除了限制硫化物等有害物質(zhì)的排放外，干法造粒法比水淬法具有更高的廢熱回收率。結(jié)果表明，干?；c水淬渣具有相似的水化性能。

2.3 渣在增值應(yīng)用和產(chǎn)品中的利用

工業(yè)廢渣資源化利用的最新趨勢(shì)之一是作為一種綠色來(lái)源在瓷磚生產(chǎn)中的循環(huán)利用。尤其是電弧爐（EAF）熔渣的化學(xué)成分使這種材料成為瓷磚生產(chǎn)的替代來(lái)源。據(jù)Teo等人[6]報(bào)道，以Al2O3、CaO、MgO、Fe3O4、FeO、SiO2等氧化物為主的電爐渣成分與硅石、長(zhǎng)石、粘土等瓷磚原料成分非常接近。由于進(jìn)行了失火、流量按鈕和相分析等試驗(yàn)，除了其成分與瓷磚生產(chǎn)的適當(dāng)原料非常相似外，電弧爐渣還被報(bào)告為瓷磚生產(chǎn)的無(wú)害綠色原料。在他們的研究中，他們用爐渣部分或全部替代了用作墻磚原料的高嶺土和石灰石。結(jié)果表明，耐火強(qiáng)度提高近25%，熱膨脹系數(shù)降低。此方法可作為減少陶瓷生產(chǎn)中昂貴的高質(zhì)量礦物使用的一種手段。

3 總結(jié)

本文綜述了近年來(lái)有色金屬冶煉廢渣回收利用方面的研究進(jìn)展。介紹了渣的生產(chǎn)工藝概況和渣的各種特性，討論了渣的再利用范圍。主要目的是提出從廢熱回收到高附加值應(yīng)用的廢渣開(kāi)采演變，從而提高人們對(duì)利用這種廢渣的無(wú)限可能性的認(rèn)識(shí)。