液態(tài)鋼渣改性的研究現(xiàn)狀及探討

吳文斌 李雁翎 龍順紅

【摘 要】文章對液態(tài)鋼渣改性的技術(shù)方法進行了分析，指出了液態(tài)鋼渣改性技術(shù)存在的問題，提出了鋼渣改性技術(shù)應(yīng)用研究方面的新觀點。

【關(guān)鍵詞】液態(tài)鋼渣;鋼渣改性;鋼渣調(diào)質(zhì);高溫改性;易磨性

【中圖分類號】X757 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0121-02

鋼渣是生產(chǎn)鋼鐵的過程中，由于造渣材料、冶煉材料、冶煉過程中混入的爐體材料和各種金屬雜質(zhì)所混合成的高溫固溶體，經(jīng)過破碎、選取金屬鐵后的尾渣大多應(yīng)用于建材行業(yè)。

鋼渣尾渣的利用一直是世界性難題，隨著國家對固廢的嚴格管理，鋼鐵企業(yè)已經(jīng)將鋼渣的開發(fā)利用作為重點工作。鋼渣主要礦物包括硅酸三鈣、硅酸二鈣、鐵酸鈣及RO相等，其中硅酸三鈣和硅酸二鈣具有較好的膠凝活性，但由于鋼渣中存在f-CaO，其含量在鋼渣中占0～10%，f-CaO遇水后發(fā)生反應(yīng)生成Ca（OH）2，這個反應(yīng)會使鋼渣體積膨脹，對水泥安定性產(chǎn)生影響，加上鋼渣相比高爐礦渣的膠凝礦物總體含量少、難磨，制約了鋼渣在建材與道路工程中的使用。因此，如何提高鋼渣活性，擴大鋼渣在建材行業(yè)的應(yīng)用，成為許多科研工作者的研究任務(wù)。

提高鋼渣活性的研究方向很多，其中之一就是利用液態(tài)鋼渣的高溫，加入調(diào)質(zhì)補充材料，使得鋼渣和調(diào)質(zhì)材料反應(yīng)生成更多的活性礦物，從而提高鋼渣的活性。

1 當前液態(tài)鋼渣改性的技術(shù)方法

許多人對液態(tài)鋼渣的改性提出了不少的思路、方法，并開展了試驗研究，其中有不少方法還申請了專利。這里重點分析介紹這些專利方法。

（1）專利申請?zhí)朇N104016600A一種鋼渣高溫改性方法，采用富硅質(zhì)材料對鋼渣高溫重構(gòu)改性，利用富硅材料固定f-CaO，生成更多的C3S、C2S，得到高活性易磨的類水泥熟料。

（2）專利申請?zhí)?02503193A一種熱態(tài)保溫處理鋼渣制備類水泥熟料的工藝方法，將硅鋁質(zhì)的調(diào)整劑加入液態(tài)鋼渣中，經(jīng)過保溫處理，通入氮氣攪拌均勻，使鋼渣生成類水泥熟料。

（3）專利申請?zhí)朇N101792274A對中堿度鋼渣進行在線高溫重構(gòu)的鈣硅鋁質(zhì)性能調(diào)節(jié)材料及其應(yīng)用，使用石灰和礦渣、少量輔助材料加入液態(tài)鋼渣中，增加了活性硅酸鹽礦物的含量，得到的改性鋼渣活性指數(shù)大于85%。

（4）專利申請?zhí)朇N104673965A一種液態(tài)鋼渣在線改性方法，將碳酸鹽物質(zhì)作為改質(zhì)劑加入液態(tài)鋼渣中，改善了鋼渣易磨性。

（5）專利申請?zhí)朇N108658483A一種鋼渣還原回收鐵及二次渣制備輔助性膠凝材料的方法，在液態(tài)鋼渣中加入還原劑及組分調(diào)整材料，可以還原80%以上的鐵，改性鋼渣28 d的活性指數(shù)為77%～108%。

除了這些專利，還有一些研究實驗也展示了很好的方法或思路。殷素紅等人研究還原重構(gòu)鋼渣，試驗結(jié)果表明，鋼渣中鐵化合物的還原率近100%，尾渣玻璃體含量高達73%～97%，活性大大提高[1]。吳龍等人也做了類似的試驗研究，試驗表明，在加入改性材料后，對熔融鋼渣進行還原處理，可以回收鋼渣中90%的鐵（選出料含金屬鐵90%以上），同時生成高活性的尾渣，尾渣中氧化鐵僅3%，活性超過了基準水泥[2]。

2 液態(tài)鋼渣改性方法存在的問題

從理論上看，這些專利方法思路都很好，但是結(jié)合實際發(fā)現(xiàn)，這些技術(shù)方法存在一些問題，如果要推廣應(yīng)用必須解決這些問題。

2.1 難以達到硅酸鹽礦物反應(yīng)所需溫度

硅酸鹽礦物反應(yīng)所需溫度為1 350 ℃左右，大多數(shù)改性方法基本上不能達到這個反應(yīng)溫度。

可以作一個簡單的測算：高溫的液態(tài)鋼渣中加入常溫態(tài)的調(diào)質(zhì)改性材料，在沒有化學放熱、吸熱的情況下，以液態(tài)鋼渣溫度1 500 ℃計算，若加入10%的調(diào)質(zhì)改性材料，整體渣溫相應(yīng)下降10%，為1 350 ℃左右;若加入20%的調(diào)質(zhì)改性材料，整體渣溫則在1 200 ℃左右。所以，從理論上看，加入的調(diào)質(zhì)改性材料超過10%時，由于溫度低，鋼渣改性反應(yīng)是不能進行的。上述的推算還是建立在調(diào)質(zhì)改性材料均勻進入到液態(tài)鋼渣的理想狀態(tài)下，實際上如果不均勻，局部的渣溫會更低。

在生產(chǎn)實踐中，一般渣罐內(nèi)部沒有保溫材料，渣溫下降比較快，正常情況下液態(tài)鋼渣溫度一般在1 450～1 500 ℃。

有個別專利方法采取加碳質(zhì)材料進行保溫、升溫，但是如果沒有吹氧，很難實現(xiàn)保溫、升溫的目的。其實即使吹氧，由于碳質(zhì)材料的存在，存在很大的安全隱患;同時，由于氧氣溫度低的問題，常溫的氧氣也可能帶走更多的熱量，當然這一點有待實踐證明?？偟恼f來，如果對液態(tài)鋼渣升溫，鋼渣改性的成本需要做認真的核算。

2.2 調(diào)質(zhì)材料與液態(tài)鋼渣不能均勻混合

上面也提到過，如果調(diào)質(zhì)改性材料均勻地與液態(tài)鋼渣混合，在渣溫、反應(yīng)時間足夠的前提下，就可以完成鋼渣的改性目的。但是，由于液態(tài)鋼渣的流動性不好，在沒有外力的情況下是不可能均勻混合的。

從控制成本的角度，調(diào)質(zhì)改性材料加入渣罐中，只能借助液態(tài)鋼渣的沖擊力進行攪拌、混合，如果用外力攪拌，無論是采用機械攪拌還是氣力攪拌，都會大大增加鋼渣改性成本，同時加大安全風險。

所以，不均勻性是鋼渣改性過程中反應(yīng)不完全的主要原因，也是鋼渣改性技術(shù)碰到的難題之一。簡單的沖擊力決定了改性材料與液態(tài)鋼渣不能實現(xiàn)均勻混合，最終只有部分鋼渣參與完成改性，只能增加少量的硅酸鹽活性礦物。

2.3 鋼渣改性的經(jīng)濟性

如上所述，改性面臨溫度、均勻性兩個關(guān)鍵問題，如果要解決，投入的成本是比較高的，需要結(jié)合改性后鋼渣性能優(yōu)化等受益比較，計算鋼渣改性的經(jīng)濟性，這也決定了改性技術(shù)是否可以推廣應(yīng)用。而且，必須盡量利用本地廉價的鈣、硅、鋁資源，否則改性成本高，就失去經(jīng)濟價值。

3 對液態(tài)鋼渣改性技術(shù)應(yīng)用研究的幾個觀點

對液態(tài)鋼渣改性有許多的思路、方法，但是大多數(shù)處于研究階段，實際上，國內(nèi)沒有一個改性技術(shù)能夠成功應(yīng)用于生產(chǎn)。

對于企業(yè)來說，實用性、經(jīng)濟性是第一位的。因此，我們在液態(tài)鋼渣改性技術(shù)應(yīng)用研究方面應(yīng)當注意以下幾點。

3.1 應(yīng)當優(yōu)先解決鋼渣的易磨性差問題

從前面的分析看，我們不能將鋼渣改性的目標定位于全面提高鋼渣活性，期盼改性后鋼渣的活性接近水泥熟料。

從實踐看，水泥等行業(yè)不喜歡大量使用鋼渣的首要原因是鋼渣的易磨性差，其次是鋼渣的體積穩(wěn)定性不佳。易磨性差導致生產(chǎn)中粉磨電耗急劇增加。例如，某水泥廠的某型立磨，粉磨高爐水渣時臺時產(chǎn)量為120 t，而粉磨鋼渣時的臺時產(chǎn)量卻只有55 t，對生產(chǎn)成本產(chǎn)生了很大的影響。

所以，改善鋼渣的易磨性成為解決鋼渣利用問題的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鋼渣的改性必須有針對性地解決這個問題，而不是面面俱到地按水泥熟料成分配入調(diào)質(zhì)材料。

易磨性與鋼渣的礦物組成及結(jié)構(gòu)有關(guān)，含有金屬鐵、RO相、鐵酸鈣等高硬度礦物，在預粉磨盡量除鐵的前提下，如果盡量避免生成RO相、鐵酸鈣等高硬度礦物則可以明顯改善鋼渣易磨性。

郭輝等人研究表明，在CaO摻量充足的條件下，重構(gòu)鋼渣的最終礦物組成為C3S、C4AF、C2F、MgO，硅酸鹽礦物形成較多且易磨性較好[1]?；诖?，提出鋼渣改性優(yōu)先配入調(diào)質(zhì)材料是生石灰或碳酸鈣[3]。

優(yōu)先改善鋼渣的易磨性，是液態(tài)鋼渣改性的第一目標。

3.2 應(yīng)當因地制宜利用廉價資源進行鋼渣改性

必須盡量利用本地廉價的鈣、硅、鋁資源，否則改性成本高，就失去經(jīng)濟價值。有的地方有廉價的石灰，有的地方有赤泥或其他鈣、鋁、硅質(zhì)固廢，可以根據(jù)實際情況采用，力求用最便宜的材料。

3.3 應(yīng)當控制調(diào)質(zhì)材料加入比例

前面提到，要保持硅酸鹽礦物反應(yīng)所需溫度，調(diào)質(zhì)材料加入比例最好小于10%，盡量保持較高的液態(tài)鋼渣溫度。

4 結(jié)論

液態(tài)鋼渣改性技術(shù)對鋼渣擴大在水泥行業(yè)的應(yīng)用具有較大的促進作用，但鑒于經(jīng)濟性，建議盡量使用簡單的、廉價的調(diào)質(zhì)材料，采用簡單的投加方法。

液態(tài)鋼渣改性的重點應(yīng)放在改善易磨性，這對下游水泥企業(yè)、鋼渣微粉企業(yè)非常重要。

參 考 文 獻

[1]殷素紅，郭輝，余其俊，等.還原鐵法重構(gòu)鋼渣及其礦物組成[J].硅酸鹽學報，2013（7），41（7）：966-971.

[2]吳龍，郝以黨，張凱，等.熔融鋼渣資源高效化利用探索試驗[J].環(huán)境工程，2015，33（12）：147-150.

[3]郭輝，殷素紅，高凡，等.鋼渣重構(gòu)組成設(shè)計的關(guān)鍵因子[J].水泥，2017（2）：8-12.

[責任編輯：陳澤琦]