鋼渣綜合利用現(xiàn)狀研究*

楊素潔，張 冰，楊亞東，劉夢茹，唐 剛，劉秀玉,2

(1.安徽工業(yè)大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.南京工大開元環(huán)?？萍?滁州)有限公司，安徽 滁州 239000)

0 引言

近年來，隨著鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，鋼渣作為煉鋼過程中產(chǎn)生的廢棄物，其產(chǎn)量也在不斷增加。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年我國鋼材產(chǎn)量超過12億t，而每煉制1 t鋼約產(chǎn)生0.1～0.2 t鋼渣。我國目前現(xiàn)存的鋼渣已超過2億t[1]，但其綜合利用率僅為22%左右，與《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》提出的我國鋼渣利用率提高到95%的目標相差甚遠[2]。

我國鋼渣綜合利用率低下，大部分鋼渣仍采用露天存放的方式處理[3]，這不僅占用了大量土地，而且鋼渣中的化學成分還會污染周邊環(huán)境，因此如何高附加值地利用鋼渣已成為目前冶金行業(yè)亟待解決的問題。鋼渣的綜合利用不僅可以將其變廢為寶，提高資源的利用率，降低企業(yè)運行成本，還可以有效緩解鋼渣造成的環(huán)境污染問題，對冶金行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 鋼渣的來源及組成

1.1 鋼渣的來源

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的熔渣[4]，其組成包括冶金原料中所含的Fe、Si、P等元素氧化后形成的氧化物，金屬爐料帶入的雜質(zhì)，加入的造渣材料以及侵蝕脫落的爐襯材料等。

1.2 鋼渣的主要成分

在煉鋼過程中，由于原料、煉鋼方法以及冶煉階段的不同，所產(chǎn)生的鋼渣成分以及含量也不盡相同，但鋼渣的成分主要為氧化鈣、氧化鎂、二氧化硅、赤鐵礦、方鐵礦、氧化錳、三氧化二鋁等[5]。

1.3 鋼渣的礦物組成

鋼渣的礦物組成一般為硅酸三鈣、鎂硅鈣石、硅酸二鈣、鐵鋁酸四鈣和含有鐵、磷氧化物的固熔體以及游離氧化鈣等。

2 鋼渣利用現(xiàn)狀及途徑

2.1 國內(nèi)外鋼渣利用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)處理鋼渣的技術(shù)主要有熱悶自解法、滾筒法、?；?、風淬法、熱潑法等[6]。在鋼渣綜合利用研究方面，我國開展得相對較晚。近些年，隨著國家對環(huán)境保護和固體廢棄物再利用的重視，鋼渣在筑路、建材以及混凝土等方面獲得了廣泛應(yīng)用，但其綜合利用率僅為22%左右。國外發(fā)達國家早在二十世紀初就已開展了鋼渣綜合利用技術(shù)研究，國際權(quán)威部門對日、美、英、德等十幾個發(fā)達國家近幾年鋼渣綜合利用現(xiàn)狀的研究結(jié)果表明，日本、美國等發(fā)達國家的鋼渣利用率已接近100%，其他國家如俄羅斯的鋼渣利用率也已達到了40%。目前發(fā)達國家主要將鋼渣應(yīng)用于道路工程、農(nóng)肥、建材以及土木工程等領(lǐng)域。

2.2 鋼渣中的鐵回收技術(shù)

鋼渣中富含金屬鐵及其金屬氧化物，其中金屬鐵占10%左右。張朝暉等[7]以太鋼集團臨汾鋼鐵有限公司產(chǎn)出的鋼渣為原料，采用濕式磁選實驗開展了鐵回收技術(shù)研究，并系統(tǒng)研究了鋼渣在不同磨礦細度和磁場強度下鐵精礦的鐵品位與回收率，結(jié)果表明：在磨礦細度-200目占70%時，鐵回收率約為64%，鐵品位為59%；磁場強度為0.175 T時，鐵品位達到了66.75%。張彥龍等[8]以首鋼京唐公司轉(zhuǎn)爐脫磷鋼渣和無煙煤為原料，混合后在氮氣保護下通過微波加熱研究了不同條件下鐵的還原情況,結(jié)果表明：粒度0.15 mm鋼渣在還原溫度1 400 ℃、2倍碳當量條件下保溫45 min，鐵回收率最高可達93.6%。

2.3 鋼渣用作礦山充填料

目前礦山充填料主要以水泥為膠結(jié)劑，充填過程中水泥需求量大、成本過高是亟待解決的難題，因此尋找新的膠結(jié)劑代替水泥是礦山充填領(lǐng)域的重要研究方向。有關(guān)研究表明，鋼渣粉磨后具有潛在水硬性，可作為礦山充填膠結(jié)劑的骨料，但由于鋼渣自身活性低、難粉磨的特點使其不能直接作為制備礦山充填料的生產(chǎn)原料，因此尋找合適的激發(fā)劑對鋼渣在礦山充填領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

張靜文等[9]以唐山石人溝尾礦為骨料，以唐鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣、粉煤灰、礦渣粉和脫硫石膏作為復合激發(fā)劑制備了全尾砂膠結(jié)充填料，研究結(jié)果表明：無熟料鋼渣膠凝材料質(zhì)量分數(shù)為73%～75%時，漿體流動性能符合自流型膠結(jié)充填料的流動性要求，可作為有效的礦山充填料。董培鑫等[10]以鋼渣與礦渣混合料作為活性材料，水泥熟料、二水脫硫石膏與芒硝混合作為復合激發(fā)劑，灰砂比1∶6的全尾砂作為骨料，采用正交設(shè)計在養(yǎng)護溫度為20 ℃、濕度為96%的恒溫恒濕條件下對9組充填材料試塊進行養(yǎng)護，利用萬能壓力機測試養(yǎng)護28 d后的充填材料試塊的抗壓強度，結(jié)果表明：當加入的鋼渣微粉、礦渣微粉、水泥熟料、脫硫石膏、芒硝的質(zhì)量比為20∶65∶12∶2∶1時，制備的全尾砂膠凝材料28 d抗壓強度達到了2.78 MPa，滿足實際工業(yè)生產(chǎn)的強度要求(28 d抗壓強度>2.5 MPa)。

2.4 鋼渣在肥料生產(chǎn)及土壤改良中的應(yīng)用

鋼渣中含有對農(nóng)作物有益的錳、鐵、硅、磷、鈣等微量元素，且其含有的有毒元素浸出測試結(jié)果也滿足毒性浸出標準(TCLP)的要求[11]，因而鋼渣具有作為農(nóng)業(yè)肥料的潛在價值。上海寶鋼新型建材科技有限公司以鋼渣為原料，在普通化肥表面附著一層鋼渣微粉包膜，從而延緩化肥營養(yǎng)的釋放速度，這有利于延長化肥的肥效期，提高化肥的利用率，增加農(nóng)作物產(chǎn)量；實地試驗結(jié)果表明：以寶鋼鋼渣制備的緩釋肥具有很高的營養(yǎng)價值，能有效改善土壤環(huán)境，增強土壤肥力，并且生產(chǎn)成本低、無毒無害，是一種優(yōu)質(zhì)的綠色高效肥料。朱李俊等[12]以江西贛州某稀土礦區(qū)的土壤為研究對象，以寶鋼轉(zhuǎn)爐滾筒渣和有機肥為改良藥劑，通過6組對照實驗研究了鋼渣和有機肥對土壤結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明：摻入2%純鋼渣能改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤pH，鋼渣中含有的一些特定元素(鐵、鈣等)對植物的萌芽有促進作用，且后期搭配施用有機肥更利于植物的生長。

2.5 鋼渣在筑路施工中的應(yīng)用

與普通碎石相比，鋼渣表現(xiàn)出的耐久性、抗凍融、滲透性以及抗破碎等物理特性使其更適用于道路工程，而且鋼渣多孔的特性保證其與瀝青之間有很好的黏附力，可用于制備優(yōu)質(zhì)瀝青混合料[13]。但鋼渣表面多孔、吸水率大等缺點使其不能完全作為路用集料。目前將鋼渣作為瀝青混合料骨料的相關(guān)研究已有不少成果。黃偉等[14]以SBS改性瀝青為膠結(jié)料、5～10 mm粒徑鋼渣為集料，采用Mclead法確定無鋼渣條件下集料和瀝青(碎石封層)的初步配合比，之后采用室內(nèi)正交試驗、剪切與拉拔實驗研究了鋼渣的摻入對碎石封層的影響，結(jié)果表明：當5～10 mm粒徑鋼渣摻量不超過40%時，碎石封層脫石率降低，且碎石封層的抗拉拔和抗剪切性能均顯著提高。吳少鵬[15]研發(fā)了一種鋼渣瀝青瑪蹄脂混合料(SMA)技術(shù)，該技術(shù)以鋼渣作為SMA的骨料，用鋼渣與瀝青混合制備的“超級瀝青”可代替?zhèn)鹘y(tǒng)石材，其不僅抗變形能力強，還能降低15%左右的成本；目前，該技術(shù)已應(yīng)用于我國多條高速公路施工中，效果良好。張彥峰[16]以玄武石SMA-13、鋼渣SMA-13和石灰石SMA-13為原料設(shè)置了對照實驗，從低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及高溫穩(wěn)定性3個方面對比研究了這3種瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明：鋼渣SMA-13瀝青混合料水穩(wěn)定性符合規(guī)范要求，其在50、60、70 ℃三個不同溫度下保溫6 h的高溫穩(wěn)定性能最好；鋼渣SMA-13瀝青混合料相比其他兩種瀝青混合料抗彎強度更大，低溫抗裂性能更好。李婕[17]對湖南華菱鋼鐵集團生產(chǎn)的鋼渣按照馬歇爾方法進行了配比分析，制備了鋼渣瀝青混合料，采用車轍實驗、動態(tài)模量實驗、擺式摩擦儀分別研究了鋼渣瀝青混合料的高溫性能、抗變形能力以及抗滑性能，結(jié)果表明：鋼渣摻量為40%時，瀝青混合原料的穩(wěn)定性達到最大值，為7 532次/min；鋼渣摻量低于60%時，瀝青混合原料的抗滑性能增強。

2.6 鋼渣在混凝土中的應(yīng)用

殷學宇等[18]以萊鋼鋼渣和粗鋼渣為骨料，采用SEM、XRD等測試手段分析了鋼渣的化學組成和顆粒形態(tài)并研究了鋼渣對混凝土性能的影響，結(jié)果表明：當用渣粉代替10%礦渣時，混凝土強度得到了提高，7、28 d抗壓強度分別提高了2.07%、7.05%；當鋼渣替代礦渣比例高于10%低于50%時，7 d抗壓強度降低，但28 d抗壓強度提高。田進[19]將不同比例的鋼渣微粉及鋼渣細粉分別作為摻合料及細集料加入混凝土中，突破了鋼渣無法作為摻合料和細集料同時應(yīng)用的技術(shù)瓶頸；在大量試驗的基礎(chǔ)上，探討了不同比例的鋼渣微粉、砂率對混凝土的工作性能、力學性能和耐久性能的影響，結(jié)果表明：當鋼渣微粉摻量為20%、砂率為0.38時，混凝土的各項性能達到最優(yōu)，其7 d抗壓強度達到23.76 MPa，28 d抗壓強度達到25.25 MPa，56 d抗壓強度能達到30.56 MPa，抗壓強度達到了中等強度混凝土的要求。樸星君等[20]以新余鋼廠產(chǎn)出的鋼渣粉、礦渣和河北冀北水泥廠生產(chǎn)的水泥為原料，按照不同比例制備了凈漿試樣，采用固液萃取法對不同養(yǎng)護齡期的凈漿試樣進行了孔隙液相pH測試，養(yǎng)護齡期為28 d的純水泥、摻量30%的鋼渣粉、摻量30%的鋼鐵渣粉和摻量30%的礦渣粉的凈漿試樣pH分別為12.686、12.655、12.640、12.573；其中的鋼鐵渣粉由鋼渣粉和礦渣粉按一定比例混合而成，摻加鋼鐵渣粉的凈漿試樣pH介于單摻鋼渣粉和單摻礦渣粉之間；因此選用鋼鐵渣粉作為制備混凝土的骨料，既提高了混凝土的密實性，又保證了鋼渣粉維持混凝土內(nèi)部液相堿度的特性，避免混凝土中的鋼筋被銹蝕。OLONADE等[21]以碾碎篩分后吸水能力達19.3%的鋼渣作為結(jié)構(gòu)混凝土中部分砂土的替代材料，研究發(fā)現(xiàn)，隨著置換比的不斷增大，水灰比在一個恒定的坍落度值內(nèi)逐漸下降，有效提高了新拌混凝土和硬化混凝土的工程性能。

2.7 鋼渣在燒結(jié)材料中的應(yīng)用

鋼渣中含有一定量的鐵粉、CaO、MgO等有用成分，可作為燒結(jié)材料加以利用。CHUKWUDI等[22]以高嶺石黏土和鋼渣為骨料研究了陶瓷磚的燒結(jié)性能，結(jié)果表明：摻量20%～60%鋼渣所制備的陶瓷磚性能良好。ZONG等[23]以不銹鋼渣和SiO2、MgO等化學物質(zhì)為燒結(jié)原料制備了高附加值陶瓷，研究結(jié)果表明：制備的陶瓷主晶相為透輝石時，陶瓷的硬度和抗折強度均明顯增大；以不銹鋼渣為骨料制備的建筑陶瓷中鉻的溶出率僅為25.17 mg/kg，能有效降低鉻溶出對環(huán)境的污染，為鋼渣開發(fā)利用提供了新途徑。萬新源等[24]以天然白云石為原料，在1 000 ℃下保溫3 h得到了輕燒白云石；以鋼渣為復合燒結(jié)劑，使用不同鋼渣添加量與輕燒白云石復合6 h，研究了鋼渣摻入對白云石熟料荷重軟化溫度以及燒結(jié)性能的影響，結(jié)果表明：加入鋼渣可促進白云石的燒結(jié)，提高白云石熟料的收縮率；利用XRD圖譜分析得出，摻量2%鋼渣制備的白云石熟料荷重軟化溫度降低50 ℃左右，潰裂溫度在1 700 ℃以上。錢強[25]以攀鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣為原料，燒結(jié)原料中鋼渣、粉煤灰、電爐還原渣、生石灰的質(zhì)量分數(shù)分別為36.44%、12.54%、18.88%、32.14%，通過水淬處理模擬了水泥熟料制備工藝，研究結(jié)果表明：以鋼渣、粉煤灰、電爐還原渣和生石灰為燒結(jié)原料燒結(jié)后得到的熟料活性增強，f-CaO含量明顯降低，成分與普通高爐渣相似，可作為水泥混合材料加以利用。

2.8 鋼渣在阻燃工程中的應(yīng)用

張浩等[26]以水、鋼渣、硅烷偶聯(lián)劑、微硅粉為原料發(fā)明了一種具有阻燃協(xié)同性能的鋼渣/微硅粉復合橡膠填料，極大地提高了橡膠的物理性能與阻燃性能，實現(xiàn)了工業(yè)固體廢棄物的循環(huán)利用，降低了橡膠產(chǎn)業(yè)的成本。龍紅明等[27]以磁選熱悶渣、未磁選熱悶渣、風淬渣、電爐渣為研究對象，三乙醇胺、無水乙醇、乙二醇按體積比為1∶1∶1制備了鋼渣助磨劑，將其與鋼渣混合研磨得到鋼渣超微粉，鋼渣超微粉再與天然橡膠、促進劑、炭黑N220、硫磺、硬脂酸、ZnO復合制備鋼渣超微粉/橡膠復合材料，利用XRF、XRD、LPSA和FTIR等測試方法研究了鋼渣種類以及鋼渣助磨劑用量對鋼渣超微粉/橡膠復合材料的影響，結(jié)果表明：以磁選熱悶渣和未磁選熱悶渣為原料制備的鋼渣超微粉/橡膠復合材料燃盡時間分別為290～339 s、307～343 s，阻燃性能最優(yōu)；鋼渣超微粉/橡膠復合材料燃盡時間隨著鋼渣用量的增加小幅縮短，但仍高于空白橡膠材料樣品的燃盡時間。

3 結(jié)語

鋼渣作為冶金行業(yè)中不可避免的大宗固廢，其高價值化綜合利用與生態(tài)環(huán)境、企業(yè)效益息息相關(guān)。目前的鋼渣多元化利用研究已取得了一些成果，多項關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟，例如筑路及制備混凝土等，但鋼渣利用過程中仍有諸多問題亟待解決，例如鋼渣安定性不良、活性低等。因此，應(yīng)在現(xiàn)有鋼渣利用技術(shù)的基礎(chǔ)上探索鋼渣的其他利用途徑，以提高其資源利用效率，使鋼渣成為我國寶貴的二次資源。