鋼渣

鋼渣是冶金工業中產生的廢渣，其產生率 為粗鋼產量的8%～15%，2012年全世界排鋼渣量約1．8億t。中國的鋼渣產生量隨着鋼鐵工業的快速發展而迅速遞增，因此，鋼鐵企業廢渣的處理和資源化利用問題也越來越受到重視。

國家“十一五”發展規劃中指出，鋼渣的綜合利用率應達86%以上，基本實現“零排放”。然而，中國綜合利用的現狀與該規劃相差甚遠，尤其是素有“劣質水泥熟料”之稱的轉爐鋼渣的利用率僅為10% ～20%。國內鋼鐵企業產生的鋼渣不能及時處理，致使大量鋼渣佔用土地，污染環境。然而鋼渣並非不可用固體廢棄物，其中含有大量的渣鋼、氧化鈣、鐵以及氧化鎂等可利用組分。所以，為使鋼鐵企業創造經濟和環境效益，選擇合適的處理工藝和利用途徑來開發鋼渣的再利用價值是十分必要和迫切的 ^[1]  。 ^[2] 

鋼渣的主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣、RO（鎂、鐵、錳的氧化物，即FeO、MgO、MnO形成的固熔體）、遊離石灰（f－CaO）等。

鋼渣的礦物組成不盡相同，其影響因素在於鋼渣本身的化學成分及鹼度。 ^[2] 

目前國內鋼渣主要處理工藝有：熱潑法、風淬法、滾筒法、粒化輪法、熱悶法。其中熱潑法、滾筒法、熱悶法最為常用，在此對其工作原理和優缺點進行簡單介紹。 ^[2] 

（1）渣線熱潑法

將鋼渣傾翻，噴水冷卻3～4天后使鋼渣大部分自解破碎，運至磁選線處理。此工藝的優點在於對渣的物理狀態無特殊要求、操作簡單、處理量大。

其缺點為佔地面積大、澆水時間長、耗水量大，處理後渣鐵分離不好、回收的渣鋼含鐵品位低、污染環境、鋼渣穩定性不好、不利於尾渣的綜合利用。

（2）渣跨內箱式熱潑法

該工藝的翻渣場地為三面砌築並鑲有鋼坯的儲渣槽，鋼渣罐直接從鍊鋼車間吊運至渣跨內，翻入槽式箱中，然後澆水冷卻。　此工藝的優點在於佔地面積比渣線熱潑小、對渣的物理狀態無特殊要求、處理量大、操作簡單、建設費用比熱悶裝置少。

其缺點為澆水時間24h以上、耗水量大、污染渣跨和鍊鋼作業區、廠房內蒸汽大、影響作業安全。鋼渣穩定性不好、不利於尾渣綜合利用。

高温液態鋼渣從溜槽流淌下降時，被高壓空氣擊碎，噴至周圍的鋼擋板後落入下面水池中。此工藝的優點在於流程短、設備體積小、佔地少、鋼渣穩定性好、渣呈顆粒狀、渣鐵分離好、渣中f－CaO含量小於4%（質量分數，下同）、便於尾渣在建材行業的應用。

其缺點為對渣的流動性要求較高、必須是液態稀渣、渣處理率較低、仍有大量的幹渣排放、處理時操作不當易產生爆炸現象。

待熔渣温度自然冷卻至300～800℃時，將熱態鋼渣傾翻至熱悶罐中，蓋上罐蓋密封，待其均熱半小時後對鋼渣進行間歇式噴水。急冷產生的熱應力使鋼渣龜裂破碎，同時大量的飽和蒸汽滲入渣中與f－CaO、f－MgO發生水化反應使鋼渣局部體積增大從而令其自解粉化。

此工藝的優點在於渣平均温度大於300℃均適用，處理時間 短（10～12h），粉化率高（粒 徑20mm以下者達85%），渣鐵分離好，渣性能穩定，f－CaO、f－MgO含量小於2%，可用於建材和道路基層材料。

其缺點為需要建固定的封閉式內嵌鋼坯的熱悶箱及天車廠房、建設投入大、操作程序要求較嚴格、冬季廠房內會產生少量蒸汽。 ^[2] 

日本目前的鋼渣有效利用率已達到95%以上，轉爐渣和電爐渣的利用方向分為外銷、自使用、填埋 ^[3]  。德國目前的鋼渣有效利用率達98%以上，其主要利用方向為土建、農肥以及配入燒結和高爐進行再利用。德國已將轉爐渣用於加固萊茵河港口和謬司河岸。

美國目前的鋼渣有效利用率達98%，其主要利用方向（燒結和高爐再利用、築路）的鋼渣用量佔總鋼渣利用量的65%以上。美國的8條主要鐵路均用鋼渣作鐵道渣。美國研究機構對氧氣頂吹轉爐渣性能進行研究，開發出利用鋼渣去除土壤含水層中有機物與無機物的使用途徑。

瑞典通過向熔融鋼渣中加入碳、硅和鋁質材料對鋼渣進行成分重構，在回收渣中渣鋼後將鋼渣用於水泥生產。加拿大將處理後的鋼渣用於道路建設。阿拉伯地區利用電弧爐鋼渣（分級）作為混凝土摻合料配製出屬性更好的混凝土。 ^[2] 

1）回收廢鋼鐵，鋼渣中含有較大數量的鐵，平均質量分數約為25%，其中金屬鐵約 佔10%。磁選後，可 回 收 各粒級的廢鋼，其中大部分含鐵品位高的鋼渣作為鍊鋼、鍊鐵原料。

2）鋼渣用作燒結材料，由於轉爐鋼渣中含40%～50%的CaO，用其代替部分石灰石作燒結配料，不僅可回收利用鋼渣中殘鋼、氧 化 鐵、氧 化 鈣、氧 化 鎂、氧 化 錳、稀 有 元 素（V、Nb等）等，而且可使轉鼓指數和結塊率提高並有利於燒結造球及提高燒結速 度。鋼渣中Fe、FeO在氧化反應過程中產生的熱量可降低燒結礦燃料消耗。 ^[4] 

3）鋼渣用作高爐熔劑，轉爐鋼渣中含有40% ～50%的CaO、6% ～10%的MgO，將其回收作為高爐助溶劑可代替石灰石、白雲石，從而節省礦石資源。

另外，由於石灰石（CaCO3）、白雲石[CaMg（CO3）2]分解為CaO、MgO的過程需耗能，而鋼渣中的Ca、Mg等均以氧化物形式存在，從而節省大量熱能 ^[4]  。

4）鋼渣用作鍊鋼返回渣料，鋼渣返回轉爐冶煉可降低原料消耗，減少總渣量。對於冶煉本身還可促進化渣，縮短冶煉時間。

1）鋼渣生產水泥及混凝土摻合料，鋼渣中含有具有水硬膠凝性的硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）及鐵鋁酸鹽等活性礦物，符合水泥特性。因此可以用作生產無熟料水泥、少熟料水泥的原料以及水泥摻合料 ^[4]  。鋼渣水泥具有耐磨、抗折強度高、耐腐蝕、抗凍等優良特性。

2）鋼渣代替碎石和細骨料，鋼渣碎石具有強度高、表面粗糙、耐磨和耐久性好、容重大、穩定性好、與瀝青結合牢固等優點，相對於普通碎石還具有耐低温開裂的特性，因而可廣泛用於道路工程回填。鋼渣作為鐵路道渣，具有不干擾鐵路系統電訊工作、導電性好等特點。由於鋼渣具有良好的滲水和排水性，其中的膠凝成分可使其板結成大塊。鋼渣同樣適於沼澤、海灘築路造地。

1）新型混凝土，通過磨細加工，使工業廢渣的活性提高並作為一種混凝土用摻合料進入混凝土的第6組分———礦物細摻料 ^[5]  。細磨加工不僅使渣粉顆粒減小，增大其比表面積，使渣粉中的f－CaO進一步水化以提高渣粉穩定性，還伴隨着鋼渣晶格結構及表面物化性能變化，使粉磨能量轉化為渣粉的內能和表面能，提升鋼渣膠凝性。利用鋼渣微粉與高爐礦粉相互間的激發性，加以適當的激發劑可配製出高性能的混凝土膠凝材料。

同時，根據不同的使用要求，還可配製出道路混凝土（抗拉強度高，耐磨、抗折、抗滲性好）、海工混凝土（良好的滲水、排水性，海洋生物附着率高）等系列產品。

2）碳化鋼渣制建築材料，造成鋼渣穩定性不好的主要因素是遊離氧化鈣和遊離氧化鎂，它們都可以和CO2進行反應，且鋼渣在富CO2環境下，會在短時間內迅速硬化。利用這種性質，可利用鋼渣製成鋼渣磚，再次用到不同的建築中，其重要意義在於碳化養護材料的物理化學性能得到了重大改進。與此同時，有效控制了CO2的排放，改善温室效應。

礦渣微晶玻璃自20世紀60年代研發 出來以後，在許多國家形成了規模化生產。程金樹等 ^[6]  以還原性鋼渣為主要原料研製出了外形美觀的微晶玻璃花崗岩。陳惠君等 ^[7]  以粉煤灰和鋼 渣為主要原料，研製出以鈣、鐵灰石為主晶相的微晶玻璃。

鋼渣較高的鹼性和較大的比表面積可用於處理廢水。研究表明，鋼渣具有化學沉澱和吸附作用。在鋼 渣 處 理含鉻廢水研究中，鉻的去除率達到99%。鋼渣處理含鋅廢水的研究中，鋅的去除率達98%以上，處理後的廢水達到GB　897888污水綜合排放標準。鋼渣處理含汞廢水的研究中，汞的去除率達到90．6%。其研究結果 為解決海洋 汞污染提供了一種有效途徑。鋼渣還可用於處理含磷廢水及含其他重金屬廢水。

鋼渣作為鹼性渣可以用於酸性土壤中，其中的CaO、MgO可改良土壤土質。含磷高的鋼渣也可用於缺磷鹼性土壤中並增強農作物的抗病蟲害能力。硅是水稻生長需求量最大的元素，SiO2含 量 高 於15%的鋼渣可作硅肥。

鋼渣還可生產免燒磚、鑄造砂、水泥膨脹劑、制流態砂硬化劑等。 ^[2] 

雖然鋼渣的應用方向廣泛，鋼渣資源化應用技術的開發也取得了一定的進展。但總體而言，中國鋼渣的利用率仍然較低，這源於鋼渣應用的眾多制約因素。

根據中國鋼渣的利用情況，應對以下幾個方面進行更為深化的研究：

1）對鋼渣成分和性能進行深入瞭解，為鋼渣的開發利用提供理論依據。

2）加強鋼渣處理技術的研究，以解決鋼渣內所含的遊離氧化鈣（f－CaO）和氧化鎂（MgO）遇水後易膨脹的問題，還有由於鋼渣中的Ca、Si、Al三大元素相對偏低，所形成的硅酸鹽總量與水泥熟料相差過大（近45%）的問題。

3）通過推廣鋼渣作冶煉（燒結、高爐、鍊鋼）熔劑的應用技術，充分利用其中所含的鐵、鈣、鎂、錳等成分的同時，還可以節省大量能源。加強鋼渣作回填和築路材料的研究。

4）由於鋼渣中的硅酸二鈣和硅酸三鈣礦物結晶完整，晶粒粗大致密，粉磨的細度難以達到要求。所以，製造高性能鋼渣微粉的難點在於開發針對鋼渣的特殊磨粉工藝和設備。

鋼渣是一種“放錯了地方的資源”。鋼渣的綜合利用不但可以消除環境污染，還能夠變廢為寶創造巨大的經濟效益，是可持續發展的有效途徑，對國家、對社會都具有十分重要的意義。 ^[2]