冶炼弃渣综合利用现状*

邓福海

(江苏省冶金设计院有限公司，江苏 南京　210019)



冶炼弃渣综合利用现状*

邓福海

(江苏省冶金设计院有限公司，江苏 南京210019)

分析了目前冶炼弃渣的种类及利用状况，提出了转底炉处理冶炼弃渣特别是二次冶炼弃渣工艺的应用前景。关键词：

冶炼弃渣； 转底炉； 综合利用； 现状

引言

冶炼弃渣指冶炼过程提取铁、铜、铅、锌、锑、锡、镍等目的金属后排出的固体废弃物。按照冶炼过程可以分为湿法冶炼废渣和火法冶炼废渣。湿法冶炼废渣是指从含金属矿物中浸出了目的金属后的固体剩余物，火法冶炼废渣指含金属矿物在熔融状态下分离出有用组分后的产物。按照生产金属的种类可以分为钢铁冶炼弃渣和有色冶炼弃渣。

1　中国冶炼弃渣现状

由于中国矿产资源存在贫矿多、富矿少、多伴生矿等特点，钢铁冶炼弃渣(包括污泥、除尘灰、提铁后的钢渣等)的主要成分为铁(含量为35%～55%)，同时含有锌元素(0.5%～1.5%)及氧化钙、氧化镁、氧化铝和氧化硅等脉石成分。

随着有色冶金炉渣贫化技术的发展，有色冶金炉渣多为再次提取有价金属后的二次弃渣。该类渣中有价金属元素已基本提取完毕，弃渣中主要成分为铁(含量为20%～40%)，少量的铅、锌、银、镍、铜等元素及脉石成分。

中国是一个资源缺乏的发展中国家，在经济高速发展的过程中，冶金系统产生的固体废弃物越来越多。资源节约和环境保护受到国家高度重视。为了提高资源利用效率，增强可持续发展能力，国家发展改革委员会于2011年12月就《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》关于“提高资源综合利用水平”的总体要求，特别提出了《“十二五”资源综合利用指导意见》和《大宗固体废物综合利用实施方案》，到 2015 年，大宗固体废物综合利用率达到50%，其中工业固体废物综合利用率达到72%。2005年、2010年及2015年产生的废渣量和利用率如表1所示。从表1可以看出，中国的废渣利用率还没有达到国家要求的水平。

表1　产生的废渣量和利用率

2　国内外冶炼弃渣综合应用现状

2.1作为矿山坑井的回填物

矿山开采出矿石以后，必须对坑井进行回填。随着中国矿山资源的开发，几乎所有矿山都面临着坑井回填的问题，而冶金弃渣具有稳定性较高、价格低廉等优点，备受关注。玉子庆[1]等做了铜坑矿充填中应用有色冶炼炉渣代替部分水泥作胶结的研究，并在广西柳州华锡集团试验成功。目前，冶金渣中多含有20%～40%左右的铁及锌、铅等多种元素，而中国铁矿石开采品位约40%，这些弃渣如果直接填埋，不仅浪费了大量的铁矿资源，渣中的铅锌等元素还存在污染地下水源和环境的可能。因此如何解决铁、铅、锌等资源的回收使弃渣无害化成为该技术应用的关键点。

2.2用于制作建筑材料

利用冶金弃渣生产水泥、微粉、铺路材料等是目前研究最多、最深入的一种弃渣利用方法。冶金炉渣的成分随矿石品位及冶炼工艺的不同，会有较大的波动，但大部分冶金炉渣属于硅酸盐材料，其主要成分有SiO2, CaO，Al2O3，MgO，FeO及MnO等[2]。

炼铁高炉渣和提取废钢后的钢渣具有渣活性高、质量好等特点，非常适合于水泥、微粉的生产。有研究表明有些钢渣水泥甚至能达到625号的性能[3]，且具有后期强度高、耐磨、抗蚀等多种优良性能。

有色冶金废渣目前也有报道应用于建造道路路基。孟庆余[4]等做了钒渣道路基层材料的试验研究。结果表明针对低等级公路的底基层和基层材料的强度要求，泥石灰土稳定钒渣可用作路面基层材料，适当掺入水泥即可达到基层材料的强度标准。齐建召[5]等做了赤泥做道路基层材料的试验研究，结果表明选用适当的配比,赤泥道路基层强度可满足高等级公路的要求。盛广宏[6]等的研究表明水淬急冷的镍渣，由于其玻璃相中含有少量的CaO，Al2O3，因而在碱性介质(如硅酸盐水泥的水化产物Ca(OH)2)的激发下具有潜在的水硬性，可以作为水泥的混合材。

同时研究表明，铅渣[7]也可以在水泥生产中代替部分混合材使用，在磨制水泥时，掺入部分水淬铅渣代替矿渣作混合材，可以提高水泥的耐磨性，减少干缩，使颜色较深。但是由于有色冶金废渣材质不稳定，使用前必须进行试验研究和抽样检测，根据其性质确定其使用方案。

2.3用于烧结工序

用于烧结工序的渣主要为炼钢过程中产生的钢渣。钢渣中含有钙、镁、锰、铁等成分，其中CaO和FeO为主要成分，钢渣返回烧结矿生产，不仅回收了渣中粒铁、有效金属氧化物，而且充分利用了渣中的CaO，从而节约部分石灰，降低了烧结矿成本。

由于冶炼弃渣中多含有锌元素，当锌元素进入烧结系统随着烧结矿进入高炉后，容易在高炉炉口结瘤，影响高炉生产顺行。并且很多有色冶炼弃渣中铁的含量小于40%，远远小于烧结工序对原料含铁量的要求，因此必须根据弃渣成分决定其是否可以直接返回烧结工序。

2.4用于生产除锈剂、水质净化剂、电焊条等产品

根据研究，火法冶炼弃渣可代替黄砂作防腐除锈剂使用。沈阳冶炼厂、山海关造船厂和日本钢管公司均有试验和应用，质量能够达到瑞典质量标准Sa2-2(1/2)级，如有特殊要求可以达到Sa3级。

研究表明，在水质净化方面，用钢渣做吸附剂处理含砷废水，效率可达95%以上。

钢铁冶炼炉渣中含有大量的氧化钙，稳弧性能较好；含有大量熔点为1200℃的钙、硅、铝混合物，造渣及流动性能也较好；含有硅、镁、钛等成分，合金性能好。而锰、钙又有利于脱硫脱磷，适量加入锰铁、硅铁脱氧，淀粉、木屑造气，磨细到120目，与水玻璃混匀压涂到H08A焊芯上，即可制成优质焊条。原料成本可降低50%以上[8-11]。

但是由于冶炼弃渣的性质不稳定，成分波动大，使用弃渣制作除锈剂、水质净化剂、电焊条等产品必须经过工业化试验。

2.5生产农业肥料

在很多冶金渣中都含有P，Ca，Si等农作物生长所需的元素，经过适当处理可以用作农业肥料或添加剂。如炼钢转炉渣中w(P2O5)≈1%，w(CaO) ≈50%，可以用于农业生产磷肥，也可以用作酸性土壤改良剂。钢渣磷肥被作为农业肥料已有百余年的历史，如法国、德国等含磷铁矿比较丰富的国家，钢渣磷肥占磷肥总量的13%～16%，日本已将钢渣矿渣的硅酸质确定为普通肥料[12]。

有色冶炼弃渣中元素成分波动较大，有些含有砷等有害元素，不适宜制作肥料。

3　转底炉弃渣综合处理工艺

3.1现有转底炉弃渣处理工艺存在的问题

综上所述，目前冶炼弃渣综合利用工艺越来越受重视，能够大规模处理冶炼弃渣的工艺主要是矿井回填、用于建筑材料、返回烧结工序和生产化工产品。其存在的主要问题有以下几个方面：

1)直接作为矿井回填材料时，容易造成铁元素的浪费，若渣中含有锌、铅等金属元素时容易产生污染；

2)钢渣和高炉水渣用于建筑材料工艺成熟可靠，但是有色冶炼弃渣成分变化较大，使用前必须进行试验研究；

3)冶炼弃渣返回烧结主要受锌、铅元素含量影响，如何实现铁锌分离是关键问题；

4)制作化工产品，需要根据渣的性质、产品成分进行具体分析，工艺适应性差。

3.2解决措施

3.2.1转底炉直接还原工艺及原理

根据上述问题，提出一种转底炉煤基直接还原处理冶炼弃渣的综合利用工艺，该工艺通过将冶炼弃渣、煤、粘结剂及其他辅助材料(如石灰等)，经混合——造块——转底炉直接还原——磨矿磁选——铁粉压。如果原料中含有铅、锌、银等有价金属，则可以通过转底炉烟气系统回收粉尘。

其基本原理是：将含铁、锌、铅等原料配加还原剂、添加剂等制成含碳球团，烘干后布入转底炉，在炉内1200～1400 ℃的还原区将含碳球团还原为金属化球团，球团中的ZnO, PbO还原成金属Zn，Pb，金属挥发进入烟气中再氧化生成氧化物，通过对烟尘的收集可以得到富含Zn，Pb的二次粉尘，而生产出的转底炉金属化球团采用磨矿磁选流程，通过细磨实现铁与脉石的单体解离，再通过磁选的方法回收得到金属铁粉，压块后使用。含铅锌和氧化铁物料的还原反应方程式为：

MO + C = M + CO

MO + CO =M + CO2

FeO + CO = Fe + CO2

Fe2O3+ 3C = 2Fe + 3CO

Fe2O3+ 3CO = 2Fe + 3CO2

CO2+ C = 2CO

3.2.2产品情况

通过该法，可以充分利用冶炼弃渣中的铁生产铁块，含铁80%～90%，回收率大于95%可以作为炼钢用冷却剂。冶炼弃渣中的铅、锌、银等元素被富集到烟气粉尘中被收集，元素脱除率可达95%以上，该粉尘具有成分简单，容易浸出等特点，可以直接返回企业原有有色冶炼系统。项目产生的尾矿由于已经充分提取过铁、银元素，并且将铅、锌等污染环境元素分离，是制作微粉、矿井填充材料的优质原料。

4　结束语

目前中国已经堆存了大量的冶炼弃渣，并且每年还都不断的产生，根据转底炉规格，其处理能力可达到40万t/台。该技术的广泛应用将大大缓解中国冶炼弃渣的环保处理压力。

[1]玉子庆，姜凡均．有色冶炼炉渣在矿山充填中的应用研究[J]．矿业研究与开发，2002，22(5)：22—23．

[2]邹伟斌．张颂蚊．利用钢渣、还原渣配料煅烧高强水泥熟料[J]．山西建材，2000，(3)：22—25．

[3]贵甫．钢渣湿法磁选分级方法[P]．中国专利：CN00116009.5．

[4]孟庆余，李伟男，唐志前，等．钒渣道路基层材料的试验研究[J]．武汉理工大学学报，2o07，29(9)：91—94．

[5]齐建召，杨家宽，王梅，等．赤泥做道路基层材料的试验研究[J]．公路交通科技，20o5，22(6)：30—33．

[6]盛广宏，翟建平．镍工业冶金渣的资源化[J]．金属矿山，2005(10)：68—71．

[7]周端倪．冶炼铅渣在水泥工业中的应用[J]．广西冶金，1992, (2)：46—50．

[8]杨华明．张广业．钢渣资源化的现状与前景[J]．矿产综合利用，1999，6(3)：35—37．

[9]宋坚民．钢渣的综合利用[J]．上海金属，1999，21(6)：45-49．

[10]庄明龙，柴立元，闵小波，等. 含砷废水处理研究进展[J]．工业水处理，2004，24 (7): 13—17 ．

[11]杨扬．钢铁冶炼炉渣制造电焊条[P]．中国专利：CN90105991.9．

[12]金恒阁，于立波, 俎晓彤，等．钢铁废渣与磷肥[J]．中国物资再生，1999,(3)：31—32．

2016-04-05

邓福海(1966—)，男，工程师

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