鋼渣的處理工藝和綜合利用

高艷杰，郜建全，2，彭 軍，2，張 芳，2，王永斌，2，常宏濤，2

（1.內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古包頭 014010；2.內蒙古科技大學 內蒙古自治區(qū)先進陶瓷材料與器件重點實驗室，內蒙古包頭 014010）

0 鋼渣產(chǎn)生背景

鋼渣作為“富有”利用前景的二次資源，儲量巨大。我國始終高度重視鋼渣的綜合利用，在《廢鋼產(chǎn)業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》中提出明確要求，在“十四五”規(guī)劃結束時，鋼渣綜合利用率達到60%?，F(xiàn)階段，我國鋼渣的利用率處于較低水平[1]。我國每生產(chǎn)1 t 鋼，就會產(chǎn)生100～150 kg 鋼渣。2020年，我國粗鋼年產(chǎn)量10.6 億噸，鋼渣產(chǎn)量1.6 億噸，然而我國鋼渣超過70%沒有被有效利用，逐年堆存形成渣壩，占用大量土地形成環(huán)境污染，嚴重時會導致土壤、水重金屬污染等問題[2，3]。本文通過解析包鋼鋼渣的組成和性質，來進一步分析鋼渣的綜合利用。

1 鋼渣的主要成分和處理工藝

1.1 鋼渣的主要成分

常見鋼渣的主要物相有硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、硅 酸 三 鈣（3CaO·SiO2）、鈣 鎂 橄 欖 石（CaO-RO-SiO2）、鐵酸鈣（CaO-FeO）、鐵酸二鈣（2CaO·Fe2O3）、f-CaO 和固溶相RO 等[4]。不同鋼鐵廠的鋼渣因冶煉原料的不同而差異較大，如攀枝花鋼鐵廠的鋼渣富集釩鈦的氧化物，包鋼早期的鋼渣成分富含稀土氧化物等。目前隨著外來礦的使用，包鋼熱悶鋼渣的化學成分如表1 所示。

表1 包鋼熱悶鋼渣化學成分表 w/%

1.2 鋼渣的處理工藝

國內外處理爐外鋼渣最普遍的工藝[5]有滾筒法、熱悶法、熱潑法、淺盤法、風淬法和水淬法等。目前，國內大中型鋼鐵企業(yè)采用的主流技術是滾筒法、熱悶法和熱潑法，利用率達到93.01%。

表2 和表3 總結了滾筒法、熱悶法、熱潑法的工藝原理和特點以及國內大型鋼企選用的鋼渣處理工藝。其中熱悶法處理工藝簡單，鋼渣利用率相對較高，能充分消解鈣氧化物，在國內應用普遍；熱潑法對環(huán)境污染嚴重，逐漸被淘汰，目前僅有武鋼和安鋼等少數(shù)鋼鐵企業(yè)應用于此工藝；滾筒法金屬利用率高，設備占地面積少，一次性成本低，技術正在完善和推廣[6]。

表2 熱悶法、熱潑法和滾筒法工藝原理及其優(yōu)缺點

表3 熱悶法、熱潑法和滾筒法基本特征、使用率及主要應用廠家

2 鋼渣的利用現(xiàn)狀

工信部等8 部門聯(lián)合印發(fā)《關于加快推動工業(yè)資源綜合利用的實施方案》，工業(yè)發(fā)展目標及實施路徑在方案中被明確，并提出于2025 年，力爭大宗工業(yè)固廢綜合利用率達到57%[13]。

2.1 國內外鋼渣利用現(xiàn)狀

近年來，國家重視環(huán)境保護，使得固體廢棄物等二次資源再次進入人們的視野，鋼渣的利用主要為鋼廠內循環(huán)和鋼廠外循環(huán)這兩大途徑。鋼廠內循環(huán)主要是回收廢鋼鐵和用作燒結原料，鋼廠外循環(huán)則推廣鋼渣在混凝土、筑路以及建材等領域的應用，但總體利用率仍不足25%。在二十世紀初期，發(fā)達國家針對鋼渣綜合利用，已初步開展相關技術及工藝研究，至今99%的鋼渣已被利用。發(fā)達國家不僅具有發(fā)達的鋼鐵工業(yè)，而且在鋼渣利用領域投入較多的研究，使鋼渣展現(xiàn)出“零排放”的效果。目前，我國鋼渣的再利用遠遠不能達到要求，已被發(fā)達國家遠遠“甩”在了身后，故實現(xiàn)鋼渣100%回收利用已成為國家科技的發(fā)展目標[14-16]。

2.2 企業(yè)內部循環(huán)利用

目前，鋼渣在企業(yè)內部循環(huán)利用的主要方式為回收鐵粉、作為燒結原料。

2.2.1 鋼渣用于回收廢鋼鐵

鋼渣中的鐵氧化物約占鋼渣總量的20%，鐵含量約占10%。需要對鋼渣進行破碎、篩分、磁選等方式，回收、富集鋼渣中的金屬成分，作為高爐、轉爐的原料，循環(huán)至冶煉過程，從而減少原料消耗、降低冶煉成本，實現(xiàn)資源二次利用，同時降低鋼渣中的重金屬[17]。

2.2.2 鋼渣用作燒結原料

鋼渣被廣泛應用在燒結原料。第一，循環(huán)利用鋼渣中的廢鋼、鐵、錳、鈣、鎂等有價金屬；第二，用作燒結礦中的增強劑，改善燒結礦的質量，提升燒結礦的成品率，且鋼渣中含有Fe 和FeO，發(fā)生氧化時熱量會迅速散出，極大地節(jié)省燒結過程的燃料；第三，參與高爐的部分熔劑，鋼渣中的CaO 取代部分石灰?guī)r、鐵礦物取代部分鐵礦石、MgO 取代部分白云石，極大地降低了燒結礦的成本，增加高爐的使用年齡，減少冶煉的周期，降低副原料的損耗[18，19]。

2.3 企業(yè)外部循環(huán)利用

2.3.1 鋼渣在筑路施工和建筑領域的應用

對包鋼熱悶鋼渣進行X 射線衍射的結果如圖1 所示，由圖可見鋼渣主要的礦物組成為C3S、C2S，其次含有C2F、鈣鎂橄欖石等。其中C3S、C2S、C2F 具有水化活性，但含有C3S、C2S 的礦物晶粒緊湊，晶體粗大且完整，導致前期水化速度較慢[20]。鋼渣中具有水化活性的物相發(fā)生水化反應時，會生成具有微弱初級強度的C-S-H 膠凝物相，并隨水化反應時間的增長，會獲得較大的后期強度。鋼渣同時具有抗磨度高、硬度大等特點，為鋼渣在筑路施工和建筑領域的應用提供了可行性[21]。

圖1 包鋼熱悶鋼渣的XRD 圖譜

2.3.2 鋼渣在農(nóng)業(yè)肥料生產(chǎn)及土壤改良中的應用

鋼渣中含有Si、Fe、Mn、Mg、P、Ca 等元素，對農(nóng)作物表現(xiàn)出有益性，故被應用于農(nóng)業(yè)領域[22]。

周朝剛等[23]通過實驗得出，磷在鋼渣中分布較廣，甚至有富磷相生成。在酸性土壤中，含鈣、鎂氧化物的堿性鋼渣，遇水發(fā)生水解反應生成OH-，與土壤中的H+發(fā)生反應，起到降低土壤pH 值、改良土壤性質的作用。

上海寶鋼新型建材科技有限公司研究一種鋼渣粉末，附著于普通化肥表面，起到延緩肥料釋放的速度、延長肥效的作用，且低成本、無毒害，因此被稱為綠色肥料[13]。鋼渣在農(nóng)業(yè)和土壤改良方面的應用必須重視鋼渣中重金屬Cr 等處理。

2.3.3 鋼渣在混凝土中的應用

鋼渣中含有硅酸三鈣、硅酸二鈣和鋁酸鐵等，具有水化膠凝特性，和水泥的活性礦物基本無差別，因此可以用作生產(chǎn)無熟料、少熟料水泥的原料，也可以用作水泥外加劑[24，25]。

韓均[26]使用鋼渣代替部分水泥制備混凝土，研究了鋼渣用量與混凝土的相對抗壓強度的關系（見圖2）。由圖可知，鋼渣摻量的增加導致混凝土抗壓強度降低，尤其是混凝土早期強度降低明顯。隨養(yǎng)護齡期的增長，鋼渣混凝土的相對抗壓強度都逐漸增大。

圖2 鋼渣混凝土的相對抗壓強度

尚建麗[27]通過SEM 分析得出（見圖3），鋼渣混凝土的骨料- 水泥石界面之間結合較緊密，且基本沒有縫隙。

圖3 鋼渣混凝土骨料- 水泥石界面微觀形貌

楊琴琴等[28]使用鋼渣替代混凝土粗集料，鋼渣砂替代混凝土細集料，實驗得出，增大鋼渣替代比例，混凝土的抗壓、抗折強度均增加；增大鋼渣砂替代比例，抗折強度增加，抗壓強度先增大后降低，鋼渣砂替代的比例為50%以內。鋼渣100%替代粗集料時，獲得高強度的鋼渣混凝土。

張冠軍[29]使用鋼渣作為粗、細骨料配制混凝土的研究表明，在養(yǎng)護齡期相同時，鋼渣混凝土與普通混凝土強度基本相當，甚至強于普通混凝土。

2.3.4 鋼渣在煙氣脫硫中的應用

鋼渣中含有游離態(tài)的氧化鈣、氧化鎂等成分，是一種廉價、高效、實用的脫硫劑[30]。鋼渣主要用于濕法脫硫。馬濤等[31]做了鋼渣脫除燒結煙氣中硫的動力學研究，以雙膜傳質理論為基礎，建立雙膜動力學模型（見圖4），為大型工廠采用鋼渣脫硫應用領域提供可行的理論支持。圖5 為鋼渣吸收煙氣中SO2的流程圖，證明了鋼渣是非常好的SO2的吸收劑，為鋼渣用于燒結煙氣脫硫的可行性提供支持。

圖4 二氧化硫與鋼渣反應過程的傳遞步驟

圖5 鋼渣吸收煙氣中SO2 流程示意圖

史漢祥[32]以鋼渣在燃煤鍋爐煙氣脫硫的實例分析，得到在鋼渣漿液pH 為6～6.5 之間時，脫硫前煙氣SO2濃度＜1000 mg/dNm3時，鋼渣脫硫率最高，達到93%；且得出鋼渣中CaO、MgO 構成的礦物是吸收SO2的主要物質。

使用鋼渣進行煙氣脫硫也為冶金工業(yè)廢料的回收再利用提出了一條新思路。近年來，鋼渣脫硫在煙氣脫硫中的應用引起了許多科學家的興趣。許多大型工廠在煙氣脫硫中采用鋼渣脫硫，由于鋼渣的價格非常低廉，故此法具有無法比擬的低成本，同時解決了鋼渣作為工業(yè)垃圾難處理的問題。所以，鋼渣脫硫技術在燒結煙氣脫硫方面前景廣泛。

2.3.5 鋼渣吸收二氧化碳研究

鋼鐵冶金流程是CO2排放的大戶，每生產(chǎn)1 t鋼排放約2 tCO2。尋求鋼鐵企業(yè)自身消化CO2的方法是冶金行業(yè)的重要課題。鋼渣碳化回收CO2成為鋼渣利用的研究熱點[33]。

鋼渣碳化過程中，鋼渣中含鈣的化合物為主要研究對象，主要化合物為C2S、C3S、Ca（OH）2和CaO，首先含鈣化合物與水發(fā)生水化反應，生成氫氧化物，氫氧化物與CO2反應，生成CaCO3和SiO2。在適宜的堿性環(huán)境下，會減少鋼渣的碳化時間，這是由于低濃度堿的環(huán)境下，更利于鋼渣中鈣的浸出，加快氫氧化鈣的生成速度，同時CO2轉變成碳酸鹽，此時兩種生成物進行反應，生成CaCO3物質，促進碳化反應的進行[34]。

常鈞等[35]把鋼渣粉和水混合，使用攪拌機充分攪拌，團成小球狀，放進天平上密封的容器里，并通入CO2氣體進行碳化。碳化結束后，對鋼渣和碳化鋼渣進行X 射線衍射分析，分析結果顯示：鋼渣“本身”有碳酸鈣（CaCO3）、硅酸二鈣（C2S）和鐵鋁酸鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3），較未碳化鋼渣相比，碳化鋼渣中CaCO3的衍射峰增多、增強。進一步用SEM 觀察碳化鋼渣，得出：細棒狀晶體為CaCO3，在碳化鋼渣表面和內部大量生成，尺寸為1～2 μm（見圖6）。說明鋼渣吸收二氧化碳是可行的。

圖6 碳化鋼渣的SEM圖（上）內部圖（下）表面

2.3.6 鋼渣在功能材料領域的應用

鋼渣被廣泛應用在微晶玻璃、陶瓷材料、阻燃材料、橡膠填料、噴砂除銹磨料等功能材料中，具有較為深入的研究。

組成微晶玻璃的三元體系為CaO-SiO2-Al2O3，且鋼渣礦物成分中剛好含有，故一些研究人員向鋼渣中加入部分組成，使成分含量與微晶玻璃成分相致，制備出的微晶玻璃具有精良的性能[36]。

傳統(tǒng)陶瓷材料對原料要求較高，主要為游離氧化鈣含量，一般要求小于3%。近幾年，使用鋼渣為原料，制備新型陶瓷材料，已成為研究學者的主流研究方向，主要為以富CaO 鋼渣制備Si-Ca 基陶瓷、以鋼渣和粉煤灰制備新型鋼渣陶瓷、釉面陶瓷、多孔陶瓷等[37]。

黃子宸等[38]以鋼渣和偏高嶺土為原料，制備多孔陶瓷材料，制備方法為直接發(fā)泡法，制備的多孔陶瓷主晶相為鈣長石相。

馬帥等[39]研究了用鋼渣制備的水滑石阻燃劑以及該種阻燃劑在EVA 復合發(fā)泡材料中的應用，結果表明使用鋼渣制備水滑石阻燃劑有效提高了EVA 復合發(fā)泡材料的阻燃性能。

3 結語

鋼渣是一種較優(yōu)的二次資源，在目前鋼渣的處理工藝中，熱悶法和滾筒法處理鋼渣時，鋼渣產(chǎn)生的余熱量較大，且都存在收集率低、利用率低的缺點。在新的發(fā)展趨勢下，我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展要與時俱進，加大回收利用鋼渣的高附加值熱量是鋼渣處理技術亟待解決的難題，是鋼鐵行業(yè)綠色健康持續(xù)發(fā)展的重要保障。

在鋼渣綜合利用方面，鋼渣捕集二氧化碳等技術不太成熟，仍需要深入研究。使用鋼渣作為摻合料制作透水混凝土時，制作出的混合料各種性能有很大的差異性，迄今為止尚無統(tǒng)一、確切的測量、檢測方法，故需要在檢測等方面進行更深入的研究。在制作普通混凝土時，鋼渣可以替換等體積的粗骨料，此種方法是近年來鋼渣利用的主流，也是主要的研究方向。

綜上所述，在鋼鐵冶金行業(yè)中，發(fā)展高利用率、多極化的鋼渣處理工藝，加大鋼渣綜合利用，始終是科研人員的重點研究課題。也將為我國在打造綠色工業(yè)體系進程中邁出至關重要的一步。