钢渣处理利用新技术对有色冶炼渣处理的借鉴

吴 龙， 郝以党， 闾 文， 孙树衫

(中冶建筑研究总院有限公司，中冶节能环保有限责任公司，北京 100088)

钢渣处理利用新技术对有色冶炼渣处理的借鉴

吴 龙， 郝以党， 闾 文， 孙树衫

(中冶建筑研究总院有限公司，中冶节能环保有限责任公司，北京 100088)

冶炼渣作为金属冶炼时伴生的副产物，由于综合利用率较低，大量堆置，污染环境，浪费资源。本文以冶炼渣中产生量较大的钢渣为对象，介绍了其处理技术、资源化利用技术和运营模式，为有色冶炼渣的处理利用提供借鉴。

冶炼渣； 钢渣； 有色金属冶炼渣； 资源利用

随着有色冶炼行业的迅速发展，冶炼有色金属时排放的废渣大量堆置，对土壤、地下水等生态环境造成污染和危害，严重威胁着人类健康。目前，我国有色冶金废渣的堆放量已超过1亿t，占地近万亩，而且还在以每年3 000万t的速度逐年增加。我国有色冶金废渣的综合利用率较低，平均约为45%。

为建设环境友好型、资源节约型社会，国家发改委和工信部在“十二五”规划中提出：重点发展先进、节能、无污染的有色冶炼渣综合利用工艺，生产消纳渣量大、附加值高的产品，实现有色冶炼渣清洁化高价值综合利用，力争到“十二五”末使冶炼渣的综合利用率提高到75%，并预计投入170亿元用于建设一批重点工程。

本文对冶炼渣中的钢渣的处理利用新技术进行介绍，以期为有色冶炼渣的处理利用提供借鉴。

1 钢渣的处理工艺

钢渣为炼钢时排放的副产物，冶炼1 t钢约产生120～150 kg钢渣，2014年我国粗钢产量为8.23亿t[1]，钢渣总产生量约1.15亿t。近几年来由于采用先进的处理工艺和高价值利用技术，钢渣利用率已由“十一五”的10%提高到22%。目前国内钢渣的处理工艺有以下几种。

1.1 热泼处理工艺

图1为钢渣热泼工艺，该工艺是将热态钢渣从炼钢车间运至热泼场，倾翻落地，喷水冷却，然后用铲运车将冷却的钢渣运至钢渣破碎-筛分-磁选生产线。

图1 钢渣热泼处理

该工艺是二十世纪七十年代引进国外生产线后发展的钢渣处理工艺，存在的问题是：投资大，冷却时间长，占地多，破碎工作量大，金属回收难，对环境污染严重，工艺设备多，生产操作人员多，钢渣不稳定等，故应用受到限制。

1.2 风淬处理工艺

风淬处理工艺是中冶建筑研究总院和马钢钢研所上世纪八十年代研发的钢渣粒化工艺。该工艺是在水淬工艺原理上发展的一种方法，但比水淬工艺技术进步，克服了水淬时爆炸的不安全因素。但风淬工艺和水淬工艺一样要求钢渣的流动性好，以保证风淬的处理率。由于冶炼工艺进步造成钢渣粘度增大，风淬处理率越来越低。其次，风淬处理的尾渣利用途径少，金属回收率低，只有马鞍山钢铁公司一家使用。

1.3 滚筒法处理工艺

二十世纪九十年代，宝钢从俄罗斯引进滚筒法处理工艺：熔融钢渣缓慢倾倒在接渣槽内，液态渣经接渣槽底部的流渣孔流到有一定落差的高速旋转的滚筒内，经过叶轮的机械作用和钢球的破碎作用成为小颗粒，同时用高压水急速冷却，冷却的渣经链板机输送至堆场。近几年宝钢在此基础上又进行改进，在滚筒内加入钢球，增强破碎作用。图2为钢渣滚筒法处理。

图2 钢渣滚筒法处理

图3 钢渣热闷处理

该工艺存在以下问题：由于钢渣的碱度大、流动差，处理率仅为20%～40%，仍有60%～80%的钢渣需采用热泼法处理；处理后的钢渣颗粒单一，利用途径窄，利用率低；钢和渣粘连包裹在一起，废钢回收困难；钢渣经粒化处理后，结晶致密，难磨细，用于水泥生产时增加电耗。该工艺在宝钢系统建有生产线。

1.4 热闷处理工艺

中冶建筑研究总院经过20余年不断地技术创新，现已实现熔融钢渣直接热闷处理，即将1 600 ℃以上的钢渣运至热闷处理生产线，直接倾翻至热闷装置中，盖上装置盖，喷水产生蒸汽对钢渣进行消解处理，8～12 h后装置内温度降至60 ℃，打开装置盖，将钢渣铲出输送至筛分磁选提纯加工生产线。图3为热闷生产工艺。

该工艺的先进性是利用钢渣本身的余热产生蒸汽消解钢渣中游离的氧化钙和氧化镁，保证了钢渣在建材中的安全应用；同时利用钢渣中各矿物冷却收缩应力、相变应力和化学反应膨胀应力的不同，实现渣铁分离；热闷处理后的钢渣颗粒小于10 mm的占60%以上，简化了回收钢渣中金属铁的破碎磁选工序，并为钢渣粉磨及其它应用节省能源[2-4]。该工艺还实现了厂房内蒸汽的有组织排放和回流水的循环利用。目前国内已建成钢渣热闷处理生产线近50条，年处理钢渣近4 000万t。该技术连续4年被列入国家先进污染防治示范技术名录和国家鼓励发展的环境保护技术目录。

1.5 钢渣辊压破碎-余热有压热闷新技术

2007年至2009年，中冶建筑研究总院开展了钢渣辊压破碎-余热有压热闷(简称有压热闷)新一代工艺技术的研发，进行了实验室模拟试验以及关键设备结构的设计。2011年河南济源钢铁和广东珠海粤裕丰钢铁两家公司开始建设钢渣有压热闷生产线，并于2012年底全部投入生产运行。河北沧州中铁装备材料制造公司的有压热闷线也于2014年底投产运行。

有压热闷技术主要包括钢渣辊压破碎和余热有压热闷两个阶段。图4为钢渣有压热闷的两个关键设备辊压破碎机和有压热闷罐。熔融钢渣运输至有压热闷现场，首先倾倒至辊压破碎区，使用辊压破碎机对钢渣进行破碎处理，该设备按照一定的方式在钢渣上行走，对倒入辊压区的熔融钢渣进行辊压，同时配合打水作业[5-6]。钢渣受到辊压力和冷却应变力作用而破碎，使钢渣初步冷却并破碎粉化。辊压处理后的钢渣经转运台车及吊装设备运输至有压热闷罐内，再进行打水热闷。

图4 钢渣有压热闷主要装备

有压热闷罐工作压力约0.2～0.4 MPa，高的热闷压力提高了水蒸气在钢渣体系中的渗透速率，使水蒸气与钢渣充分接触，加速了水蒸气与钢渣中游离钙镁氧化物的反应。有压热闷时间较传统热闷大大缩短，处理时间仅需3 h，生产效率大幅提高。处理后钢渣粒径小于20 mm的在70%以上，渣铁分离效果好。实现了热闷处理线的装备化和自动化，减少了生产现场操作人员，提高了劳动生产率，降低了生产运行成本。

辊压破碎处理处于半封闭状态，且设置除尘装置，能够满足烟尘排放标准。有压热闷罐处理是在全密闭体状态下进行的，实现了烟尘的有组织排放，比以往钢渣处理技术洁净化程度更高，更加环保。此外，有压热闷罐处理过程在封闭罐体内产生大量蒸汽，可望进行整合发电，为钢渣显热的回收利用创造了条件。

2 钢渣中金属铁提纯工艺技术

钢渣中约含10%的残钢。由于在冶炼造渣过程中，钢渣在钢液表面处于喷溅状态，有部分钢液以钢珠形态与钢渣粘附包裹在一起，随渣排出，造成钢渣中残钢回收困难。研发的棒磨机破碎、剥离、提纯渣钢的新工艺，回收的钢渣铁品位大于85%，可直接返回炼钢；磁选粉铁品位大于60%，可直接返回烧结使用；尾渣的金属铁小于2%，用于生产建材。棒磨机渣钢提纯工艺流程见图5。

3 钢渣资源化利用技术

钢渣中含有水硬性物质硅酸三钙C3S和硅酸二钙C2S，两者含量在50%以上，而钢渣的生成温度在1 600～1 700 ℃，比硅酸盐水泥熟料的烧成温度高200～300 ℃，因此钢渣常被称为“过烧的硅酸盐水泥熟料”。其两者不同点在于，钢渣中C3S和C2S结晶致密、晶粒粗大，固熔少量其他矿物；其次，钢渣中含有游离氧化钙和游离氧化镁，影响钢渣的体积安定性，限制了钢渣的应用。钢渣经过热闷处理后，消解了其中的游离氧化钙和游离氧化镁，保证了钢渣的安全使用。

根据钢渣的水硬胶凝性、耐磨、水化热低、后期强度不断增长等的特点，钢渣现已实现了多途径、体系化应用。

图5 棒磨机渣钢提纯工艺流程

3.1 钢渣返回烧结用作熔剂

钢渣中含有钙、镁、铁等，粒度在0～10 mm、含磷低的钢渣可以部分用于烧结配料，从而降低烧结矿成本，达到变废为宝、资源二次利用的目的。

3.2 钢渣作水泥混合材

钢渣中含有水硬性矿物硅酸三钙C3S和硅酸二钙C2S，还含有少量金属铁及铁氧化物，可以在水泥生料配料时代替石灰石和铁质校正剂，还可用作水泥混合材，节约资源，降低水泥成本，改善水泥性能。

3.3 钢渣用于道路材料

钢渣作道路垫层、基层材料，其强度、抗沉弯性、抗渗性均优于天然石材；钢渣替代碎石作砼骨料用于道路面层，可提高防滑性、耐磨性。其在市政、公路等工程建设中应用，不仅节约工程投资，而且避免了开采石材对环境造成的破坏，具有推广应用价值。

3.4 钢渣生产钢铁渣粉用作混凝土掺合料

钢渣粉中的C3S、C2S、f-CaO水化可以释放出Ca(OH)2，促进矿渣粉的水化反应，保证体系的碱度。矿渣粉可以吸收钢渣粉水化产生的Ca(OH)2，利用自身水化产生的收缩降低体系因钢渣粉中组分后期水化膨胀造成开裂的风险，同时钢渣粉中少量f-CaO、f-MgO水化膨胀特性可补偿混凝土自身及磨细矿粉掺入所增加的收缩，减少混凝土开裂风险。钢渣粉磨生产钢铁渣粉，实现了钢渣与矿渣的优势互补，是钢渣高价值利用的途径。

目前，钢铁渣粉作混凝土掺合料已成功地应用在福建下白石特大桥、武汉南太子湖大桥、武汉墨水湖大桥、武汉世贸锦绣长江、浙江萧山国际机场T3航站楼及隧道工程、浙江新世界财富中心等大型工程中，时间较长的已有几十年的时间。其各项性能优于常用普通混凝土，并且显示出较好的经济效益。钢铁渣粉在混凝土搅拌站使用，按每方混凝土掺入量180 kg(约占胶凝材料50%)，预计可降低混凝土原材料成本5～10元/m3，如果将2014年全国产生的1.15亿t钢渣中的5 000万t用于生产钢铁渣粉，可生产1.5亿t钢铁渣粉，节约混凝土原材料成本近10亿元[7]。

4 钢渣综合利用的运营模式

我国冶金渣处理和运营方式有两种：由冶金企业建设、负责运营和冶金企业排渣、由乡镇企业或个体、私营企业建设、运营。

以上两种方式的弊端是：冶金企业建设运营费用由企业负担，管理责任不明，影响企业技术进步。由乡镇企业或个体、私营企业建设运营，环保和资源利用方面人才不足，难以正确有效地对处理设施进行科学合理的运行管理，污染严重，资源不能100%利用。

世界公认的有效方法是由专业环保设施运营管理公司对冶炼渣的处理和资源化实施专业化管理。随着冶金企业产能的扩大，以及国家节能减排工作的不断深入，冶金固体废物合理处置与资源化利用的压力越来越大。中国冶金科工集团有限公司尝试利用资金和技术优势投资冶金企业固体废物处理项目并长期运营管理的商务新模式，现已初见成效。

2008年以来，中冶建筑研究总院有限公司以设计、设备总成，EPC和BOO方式推广钢渣“零排放”技术，与新余钢铁公司、萍钢九江钢铁公司、天津无缝钢管公司、广东珠海粤裕丰钢铁公司、宝钢湛江钢铁基地等签订了冶炼渣综合利用投资运营协议和环保综合运营框架协议。并组建了专业运营公司，其专业性强，管理经验丰富，可保证钢铁渣“零排放”，环保达标，使上级环保部门易于管理和控制。这种运营方式结构的调整，保证了钢铁渣的资源化利用。

5 钢渣处理利用新技术和运营模式对有色冶炼行业的借鉴

2014年，我国有色金属冶金废渣的产生量在3 000万t以上，其中火法冶炼产生的废渣以铜渣，铅渣、铬渣以及镍渣为主。铜渣在1 000万t以上，铜渣铁含量通常达30%～40%，铜含量0.5%～2.1%，其他成分主要为CaO和SiO2；铅渣约400万t，主要成分有SiO2、FeO、CaO和ZnO，占铅渣总量的90%；铬渣150余万吨，主要成分为CaO和MgO，含10%～20%的Fe2O3，以及7%～9%的铬；镍渣150万t，成分主要为FeO、SiO2，其中TFe含量约40%，SiO2含量30%～50%[8-11]。

粗略计算，上述四种工业渣年产生量近2 000万t，平均铁含量约30%，若能有效利用可获得300万t的铁原料以及1 500余万吨的无机非金属材料。可见这些废渣是一笔价值可观的资源。

综上所述，冶炼渣不是绝对的废物，而是放错位的资源，只要对其进行深入研究，拓展利用途径，其可成为可利用的宝贵资源。

5.1 钢渣热闷技术的借鉴

钢渣热闷技术利用钢渣本身的余热，在热闷过程中各矿物间产生复杂的相变，利用在相变过程中不同矿物的冷却收缩应力、相变应力和化学反应膨胀应力，实现金属与渣的分离，为金属的提取和废渣的再利用节能降耗。有色冶炼渣特别是火法冶炼渣，和钢渣产生过程一样，都经历由高温到低温的过程，因此可以借鉴钢渣热闷技术，通过热闷，实现金属与渣的分离、有价金属的提取、尾渣的安全利用。

5.2 钢渣中金属铁提纯技术的借鉴

有色冶炼渣和钢渣一样都存在渣包裹金属、金属包裹渣的问题，简单处理提取的金属中渣含量高，不利于金属的利用，因此可通过棒磨提纯技术，提高金属的品位，减少金属在回收利用时废渣造成的能源消耗。

5.3 钢渣利用技术的借鉴

关于有色渣的资源化利用国内外学者进行了大量的研究，一方面是提取渣中的有价金属，另一方面是利用其中钙、镁、铝、硅元素的氧化物，制备水泥、陶瓷以及玻璃等无机材料，但由于其含有较高的MgO和游离钙等，导致综合利用率较低。

针对上述问题，结合钢渣利用的研究过程，提出几点建议供参考：废渣首先根据特性进行分类，再通过不同途径利用，如MgO和游离钙含量较高的废渣，利用其膨胀性能用作膨胀剂；MgO和游离钙含量稍低的用于砂浆等的体积补偿收缩；MgO和游离钙含量更低、体积膨胀率在可控范围内的，用于水泥混合材及其它建材制品等。通过多途径、体系化的应用，实现冶炼渣的综合利用。另外，研究开发不同废渣的潜在特性，利用各自的优势，实现优势互补，变废为宝。

5.4 钢渣综合利用运营模式的借鉴

有色冶炼渣中的金属价值较高，其已逐步被企业所认识，并被简单地回收利用。但由于技术或经济等原因，提取金属后的废渣主要堆弃处理，造成资源浪费，并污染环境。对此，可通过成立专业环保设施运营管理公司进行专业化运作，不仅可为企业创造效益，还能减轻企业发展的负担，为企业、社会做出贡献。

6 结论

本文以钢渣为对象，介绍了钢渣处理工艺的发展过程、钢渣利用技术和钢渣综合利用的运营模式，以期为我国有色冶炼渣的综合利用提供借鉴：

(1)热闷技术可应用于火法冶炼渣的处理，通过液态渣的自身余热实现金属与渣的分离，是一种清洁、节能、环保的处理技术；

(2)棒磨技术可提高金属品位，为金属的再利用提供保证；

(3)冶炼渣的利用应进行分类，多途径体系化地应用，以提高综合利用率；

(4)冶炼渣的综合利用只有通过专业企业处理，才能实现资源高附加值和“零排放”。

[1] 天津冶金编辑部．钢铁及有色行业2014年盘点[J]．天津冶金，2015，(1)：33-34.

[2] 朱桂林，孙树杉，郝以党．开创钢铁工业固体废物高价值综合利用新局面[J]．钢铁，2003，38(10)：39-44.

[3] Zhu Gui-lin，Hao Yi-dang，Sun Shu-shan，etal．The technology and Promotion of Molten Steel Slag Self-Disintegrating Process[A]．The 13th China-Japan Symposium on Science and Technology of Iron and Steel[C]．Beijing：The Chinese Society for Metals The Iron and Steel Institute of Japan，2013：235-242.

[4] 孙树杉，朱桂林，郝以党．推进钢铁渣综合利用产业发展，实现钢铁渣“零排放”[A]．首届冶炼渣综合利用技术交流会材料汇编[C]．北京：中国资源综合利用协会，2013：86-96.

[5] 孙健，董春柳，郝以党等．转炉钢渣辊压破碎余热有压热闷技术的研究与应用[A]．2014年全国冶金能源环保生产技术会文集[C]．武汉：中国金属学会，2014：633-636.

[6] 王延兵，宋善龙，范永平．一种钢渣有压热闷处理新技术[J]．环境工程，2014，(S1)：664-667.

[7] 杨景玲，闾文，郝以党．制订系列标准推动钢渣“零排放”[J]．工程建设标准化，2014，(2)：50-53.

[8] 杨杰．回收有色冶金废渣中有价金属的研究[J]．新疆有色金属，2012，35(4): 72-75.

[9] 王明玉，刘晓华，隋智通.冶金废渣的综合利用技术[J]. 矿产综合利用，2003，(4): 28-32.

[10] 陈进利，吴勇生. 有色冶金废渣综合利用现状及发展趋势[J]. 中国资源综合利用，2008，26(10): 21-25.

[11] 刘清，招国栋，赵由才．有色冶金废渣中有价金属回收的技术及现状[J]．有色冶金设计与研究，2007， 28(2)：3-7.

Disposal and utilization new technology for steel slag and its reference to non-ferrous smelting slag

WU Long, HAO Yi-dang, LÜ Wen, SUN Shu-shan

Smelting slag is the by-product of metal smelting. Due to the low utilization rate, a large amount slag is under storage which lead to pollution of environment and waste of resources. Taking a large amount steel slag produced in smelting as object, the processing technology, resource utilization technology and operation mode were introduced in this paper, the results provided reference to the disposal and utilization of non-ferrous smelting slag.

smelting slag; steel slag; noferrous smelting slag; resource utilization

吴龙(1985—)，男，安徽亳州人，工学博士，高级工程师，主要从事冶金固废资源循环利用研究。

2015-08-13

X756

B

1672-6103(2016)01-0062-06