新疆鋼渣成渣工藝及集料化分析研究

陳 偉，俞海明，李 倩

（1.新疆交通建設集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830016；2.新疆交建公路規(guī)劃勘察設計有限公司，新疆 烏魯木齊 830016；3.新疆中合大正冶金科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830022；4.新疆農業(yè)職業(yè)技術學院，新疆 昌吉 830000）

0 引言

我國自上世紀改革開放以來經濟得到飛躍式發(fā)展，在市場經濟激勵下各大支柱產業(yè)從技術到規(guī)模上不斷提升。鋼材作為基礎設施必不可少的原材料，鋼鐵產業(yè)規(guī)模屢創(chuàng)新高，但煉鋼末端產物——鋼渣在一定空間內未受到關注，直到21世紀以來國際對生態(tài)環(huán)境越發(fā)重視和我國發(fā)達省份鋼渣存量已嚴重制約到企業(yè)發(fā)展，人們才對鋼渣如何資源化和規(guī)?；h(huán)應用進行探索和深入研究。以馬鋼、寶鋼、武鋼、鞍鋼、太鋼等為首的大型企業(yè)，通過實踐推動了鋼渣在公路工程中的應用，但在鋼渣化學成分對穩(wěn)定性的影響上認識不清，部分工程所用鋼渣f-CaO含量過高或未陳化穩(wěn)定，致使出現(xiàn)擁包、鼓脹的結構性破壞，后期眾多學者也對此進行了深入研究。

新疆鋼渣的資源化應用領域范圍較小，主要包括水泥生產的摻合料、制磚以及煉鋼過程中的返燒結材料，并未形成規(guī)模量化應用場景。2008年，對鋼渣作為公路集料進行了物理力學試驗分析，各項指標均滿足規(guī)范要求，但2015年之前鋼渣在新疆公路領域從未進行過系統(tǒng)化研究和應用。在近幾年，隨著生態(tài)意識的加強和資源短缺，公路建設過程中對原材料的大量需求促使鋼渣可作為一種潛在的筑路材料。其中，高崇[1]、郭麗霞[2]、徐桂花[3]等人對新疆鋼渣在水穩(wěn)基層和瀝青面層進行了試驗研究，并根據(jù)研究結果將鋼渣進行了規(guī)?；瘧?。解英明[4]等人將鋼渣應用于“三供一業(yè)”及市政道路中，效果良好。上述研究成果對鋼渣的實際應用進行了分析，但新疆煉鋼企業(yè)分布眾多，全疆鋼渣的品質對公路化應用影響重大，因此，本文從新疆鋼渣成渣工藝、礦物組成和集料化性能進行分析，加強鋼渣的科學化應用，尋求碳達峰及碳中和技術路徑[5-6]。

1 新疆鋼渣成渣工藝和產能分析

按煉鋼工藝和煉鋼爐的爐型不同，新疆鋼渣可分為轉爐渣和電爐渣，轉爐渣以煉制鐵礦石為主，電爐渣以煉制廢舊回收鋼鐵材料為主。考慮能耗和經濟效益，新疆現(xiàn)有鋼鐵生產情況以轉爐為主，電爐方式僅有2家規(guī)模較小的企業(yè)在應用。而原渣處理工藝中，經過長期發(fā)展和受氣候條件的制約，新疆當前采用熱潑法和熱悶法兩種形式，最后經破碎（柱磨）磁選工藝形成具有一定級配的粒徑顆粒，其中熱悶法是現(xiàn)有鋼渣處理工藝中比較先進的方式，其原理是利用鋼渣余熱，在有蓋容器內加入冷水后使其成為蒸汽而使鋼渣在高溫高壓下進一步分解破碎，噴水悶渣時長一般在8～12 h。而熱潑法主要特點是操作簡單便捷，對企業(yè)技術要求較低，在露天環(huán)境下進行。

本文對新疆鋼渣分布狀態(tài)及成渣工藝進行了調研，從表1可以看出，新疆鋼鐵企業(yè)主要集中在北疆的烏魯木齊和昌吉地區(qū)，并且從圖1中的鋼渣產能來看，截至2020年北疆地區(qū)（含烏昌區(qū)域）現(xiàn)有鋼渣存量與年鋼渣產量位列全疆首位，占比73%，而烏昌區(qū)域占比就達到56%，南疆地區(qū)占比22%，東疆地區(qū)占比5%。在長期生產過程中，鋼渣未得到量化循環(huán)利用，尤其是在烏昌地區(qū)鋼渣大量堆積，對社會環(huán)境造成負面影響。

表1 新疆鋼渣分布及成渣工藝分析Tab.1 Distribution of steel slag in Xinjiang and analysis of slag forming process

圖1 新疆鋼渣分布情況Fig.1 Distribution of steel slag in Xinjiang

2 鋼渣礦物組成分析

對新疆熱潑法和熱悶法處理形成的鋼渣進行不同批次和年度的長期化學組成檢驗分析，實測數(shù)據(jù)如表2所示。從檢測結果可看出，鋼渣主要由鈣、鐵、鋁、鎂等的金屬氧化物組成，并含有少量的其他氧化物。根據(jù)熱潑法和熱悶法成渣工藝，在f-CaO含量上有一定區(qū)分。其中熱潑法f-CaO含量在3%左右，且波動性較大。而熱悶法在高溫高壓過程中促使鋼渣發(fā)生一系列以化學反應為主的相變反應和物理裂解反應，包括f-CaO+H2O→Ca(OH)2，加速鋼渣的陳化崩解，最終表現(xiàn)出較穩(wěn)定的性能，因此相對熱潑法，熱悶法f-CaO含量較低，一般在2.5%左右，有利于鋼渣在公路中的應用。

表2 鋼渣化學成分檢測Tab.2 Chemical composition detection of steel slag

通過X衍射，鋼渣的主要成分有鈣鎂橄欖石（CaORO-SiO2）和氧化鐵相、硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、硅酸三鈣（3CaO·SiO2)、鐵酸鈣（CaO-FeO）、鐵酸二鈣（2CaO·Fe2O3）、f-CaO、RO（RO代表鎂、鐵、錳的氧化物形成的固溶體總稱）等，如圖2所示。

圖2 鋼渣X衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction pattern of steel slag

其礦物成分與水泥主要物質相似，并且在鋼渣料堆表面存在一定厚度的膠結層，說明鋼渣具有水化膠凝的特性。而鋼渣除了有圖2中所含礦物外，能起到膠凝特點的另一原因就是鋼渣成分中含有大量的CaO。根據(jù)表2鋼渣化學成分和已有學者總結的堿度值計算，新疆鋼渣堿度一般在2.5以上，屬于高度堿鋼渣，具有較高活性，可為渣體提供堿性環(huán)境，促進膠凝產物的生成。鋼渣用于路面結構有利于無機結合料摻配水泥強度的提高，同時在瀝青混合料中，瀝青為酸性物質，選用集料一般要求為堿性，鋼渣可增強其與瀝青的粘附性[7]。

3 集料化性能分析

3.1 穩(wěn)定性分析

在高溫作用下，鋼渣中存在部分對體積穩(wěn)定性影響較大的f-CaO，其遇水反應后會使固體體積變大，從內部造成損壞[8-9]。從表2可知由于成渣工藝不同，熱潑渣f-CaO含量大于熱悶渣，主要原因為熱悶渣在高溫高壓下加速了鋼渣中f-CaO的陳化消解。本文對不同成渣工藝的鋼渣在自然環(huán)境下f-CaO的降解進行了監(jiān)測，其實際變化規(guī)律如圖3所示。監(jiān)測周期為2018年5月至2020年5月，共24個月，以3個月為間隔對f-CaO含量進行檢測。

圖3 不同成渣工藝鋼渣f-CaO自然環(huán)境下的變化趨勢Fig.3 Change Trend of f-CaO Steel Slag with Different Slag Forming Processes in Natural Environment

從圖3可看出，兩種成渣工藝在自然環(huán)境下f-CaO含量呈下降趨勢，說明f-CaO在自然降水過程中持續(xù)陳化降解。但在變化趨勢中出現(xiàn)兩處階梯狀下降，結合實際月份可知，這兩處時間分別處于新疆冬季（即11月至次年2月），均是新疆冬季自由水較少的時期，所以f-CaO降解速度很慢。而在過了此階段之后，有一個f-CaO含量快速下降的趨勢，特別是在第一個年度周期內，這是在春季大量冰雪消融和雨水共同作用下，加速了f-CaO消解，說明在新疆氣候環(huán)境整體表現(xiàn)為干旱少雨的情況下（當然也有局部氣候環(huán)境降水量比較多的區(qū)域），鋼渣中f-CaO的消解與季節(jié)有一定關系，主要集中在春、夏、秋三季。若上述3個季節(jié)降水量均偏少，則對f-CaO的消解有較大影響，因此熱潑法鋼渣工程化應用時應在自然環(huán)境或灑水加速陳化降解至穩(wěn)定狀態(tài)（f-CaO≤3%）[10]。

3.2 物理性能分析

根據(jù)相關試驗規(guī)程對鋼渣進行物理性能測定，試驗結果見表3。

表3 鋼渣物理力學指標Tab.3 Physical and mechanical indexes of steel slag

從表3試驗結果可看出，鋼渣集料化性能良好，各項指標均滿足現(xiàn)行瀝青路面和穩(wěn)定基層標準要求，壓碎值、堅固性和磨光值性能較好，優(yōu)于一般石材物理指標。同時，從堅固性和磨光值檢測結果來看，其性能高于材質較好的玄武巖，新疆瀝青面層粗集料磨光值一般在38～39，玄武巖類石質可達到40，說明鋼渣具有良好的耐磨性，用于瀝青面層可發(fā)揮其良好的特性，并提高瀝青路面的行車安全指數(shù)。

此外，鋼渣的工程粒徑主要集中分布于5～10 mm和 10～15 mm 區(qū)間（見表 4），4.75～16.0 mm 篩孔含量可占到50%左右。鋼渣粒徑與破碎磁選工藝關系密切，磁選中采用棒磨將大粒徑鋼渣進一步破碎并回收其中的鐵，在長期生產過程中若鋼渣鐵含量大于2%，則鋼渣超粒徑顆粒大為增加，并且金屬鐵后期遇水生銹也會帶來體積不穩(wěn)定、剝落等問題，不利于鋼渣集料化工程應用。

表4 鋼渣顆粒組成分析Tab.4 Composition analysis of steel slag particles

4 效益分析

4.1 經濟效益分析

近兩年來，鋼渣在公路及其他相關領域得到規(guī)模化應用，以高速公路等級計算，鋼渣摻量在30%條件下，根據(jù)工程配合比表5和表6，其中水穩(wěn)基層每公里可節(jié)約成本約20萬元，瀝青面層每公里可節(jié)約成本約15萬元。新疆砂石料獲取便捷，與其他省份相比單價較低，若新疆自然資源受國家環(huán)保理念宏觀控制或加大鋼渣摻配比例，鋼渣則會表現(xiàn)出顯著的經濟效益。

表5 水穩(wěn)鋼渣礫石基層級配和原材料綜合成本Tab.5 Gradation of water-stabilized steel slag gravel base and comprehensive cost of raw materials

表6 鋼渣瀝青面層級配和原材料綜合成本Tab.6 Gradation of asphalt surface layer of steel slag and comprehensive cost of raw materials

4.2 生態(tài)效益分析

綜合考慮《公路工程預算定額》（JTG/T 3832—2018）、《公路工程機械臺班費用定額》（JTG/T 3833—2018）和新疆相關補充定額，結合社會平均生產水平，每生產1噸集料需消耗柴油0.640 7 kg、電0.302 kW·h。在《綜合能耗計算通則》中可知柴油的二氧化碳排放系數(shù)為3.095 9 kg/kg，原煤二氧化碳排放系數(shù)為1.900 3 kg/kg，而火電對煤的消耗量為0.32 kg/kW·h。考慮等質量替換，則每應用1 t鋼渣，可減少二氧化碳排放量為

3.095 9 kg/kg × 0.640 7 kg + 1.900 3 kg/kg ×0.302 kW ·h × 0.32 kg/kW ·h = 2.167 2 kg

以規(guī)?；瘧?00萬噸計算，累計減少二氧化碳排放量為2 167.2 t，具有一定的生態(tài)效益，有利于公路建設綠色發(fā)展。

5 結論

通過對新疆鋼渣成渣工藝的分析，研究了兩種成渣工藝下鋼渣的化學礦物組成、穩(wěn)定性和物理技術指標，并對鋼渣集料化應用的效益進行分析，主要結論如下：

（1）當前新疆鋼渣成渣工藝有熱潑法和熱悶法，鋼渣存量為1 800萬噸，主要集中于北疆的烏昌地區(qū)，占新疆鋼渣總量的56%，未得到有效的量化循環(huán)利用。

（2）不同成渣工藝鋼渣中化學成分相對穩(wěn)定，且礦物組成與水泥相似，在鋼渣自身堿性作用下，有利于無機結合料摻配水泥強度的提高，并增強其與瀝青的黏附性。

（3）由于工藝原理不同，熱潑渣f-CaO含量一般在3.0%，熱悶渣f-CaO含量一般在2.5%，同時受新疆季節(jié)影響，在自然狀態(tài)下冬季f-CaO降解幅度較小，因此對于熱潑渣建議灑水加速陳化降解至穩(wěn)定狀態(tài)，減少陳化穩(wěn)定周期。

（4）鋼渣物理指標滿足現(xiàn)行規(guī)范技術要求，且優(yōu)于新疆常規(guī)碎、礫石指標，具有一定工程級配，可作為路面結構層集料進行規(guī)?；瘧茫⑶医洕鷳B(tài)效益顯著，有利于公路建設綠色發(fā)展。