钢渣处理工艺对比及应用论述

文 / 北京瀚川鑫冶工程技术有限公司 张建国

钢渣处理工艺对比及应用论述

文 / 北京瀚川鑫冶工程技术有限公司 张建国

本文概述了钢渣的来源、分类及钢渣的性质、矿物组成和物理凝胶性，并对钢渣的常用处理工艺进行了优缺点比较；对世界发达国家和我国的钢渣应用情况分别进行了详细的论述，进一步阐明了冶金渣综合利用是最具代表性的资源循环利用、节能、环保措施之一，也是钢铁工业实现健康、持续发展的一个重要保障。目前国内使用的钢渣处理方法各有优缺点，各钢厂要根据自身条件和具体情况围绕钢渣利用途径，进行处理工艺的选择。

钢渣 处理工艺 钢渣应用

钢渣就是指在炼钢的过程中排出的各种熔炉渣，在经过高温熔炼后淬冷而形成的，主要是炼钢时的金属炉料中各种元素被氧化生成的氧化物、金属炉料带进的杂质、被侵蚀炉衬料和为调整钢渣的性质而加入的造渣物质，如白云石、铁矿石等组成。

钢渣是在炼钢过程时的副产物，并且为钢铁行业的一种主要固体废弃物，它的数量约为钢产量的15%～20%，按这一数字计算我国每年要产生上千万吨的钢渣。钢渣按炼钢工艺可分为两种：电炉渣和转炉渣；按冶炼过程可以分为：初期渣、精炼渣；按形成的形态可分为：块状渣、水淬粒状渣和粉状渣。同时，随着钢铁工业的发展，钢渣产量的增加，钢渣的应用、环保、处理等问题也日益凸显。

一、概述

1. 钢渣的性质

钢渣性质随化学成分的变化而不断变化，同时冷却环境及化学成分不同也会造成钢渣的颜色、外观形态差异大。碱度低的钢渣呈灰色，碱度高的呈褐灰色、灰白色。钢渣松散不粘结，质地坚硬、孔隙较少。钢渣中含铁量较高，密度为3.1～3.6g/cm3，较难磨。钢渣的抗压性能很好，压碎值一般在20.4%～30.8%之间，而钢渣中转炉渣占了钢渣的绝大一部分。

钢 渣 的 主 要 化 学 成 分 有：Si02、CaO、FeO、A1203、Fe203、MgO、P205、MnO等，有的还有 Ti02、V205等，其成分有比较大的波动。钢渣的特点之一是Fe的氧化物以Fe203和FeO两种形式存在，并且以FeO为主，总量一般在25%以下。钢渣、硅酸盐熟料和矿渣的主要化学组成相似，对比见表-1中。

表-1 钢渣、硅酸盐熟料以及矿渣的主要化学组成（百分比%）

2. 钢渣的矿物组成与胶凝性能

钢渣矿物组成与其化学成分有关，特别取决于它的碱度(CaO与Si02、P205含量的比值)。低碱度钢渣里主要成分为氧化铁，并固溶有氧化钙和氧化锰；在碱度高的钢渣中主要含氧化亚铁、氧化锰、氧化镁组成的固溶体。钢渣的主要矿物组成为：硅酸二钙，硅酸三钙，钙镁橄榄石，铁酸二钙，钙镁蔷薇辉石，RO(R代表镁、铁和锰的氧化物组成固溶体)，游离氧化钙(f-CaO)等。

钢渣的矿物组就决定了钢渣会具有一定的胶凝性，主要源于其中的一些活性胶凝矿物水化。如氧化钙含量较高时，水化经常生成硅酸三钙、硅酸二钙及铁铝酸盐，可以有较高的活性，可应用于水泥生产。钢渣中含有游离氧化钙、游离氧化镁，因而稳定性差，这些物质遇水会水化但是速度较慢，导致体积膨胀、产生危害，利用时要加以注意。

另外，钢渣中铁和锰的含量也较高，由于铁、锰离子具有极化能力，因此氧离子能脱离正硅酸钙(锰)四面体而破坏正硅酸盐的结构，使四面体互相连接起来，可以生成巨大而复杂的硅氧团，从而降低钢渣易磨性。

有研究结果表明：钢渣中的主要硅酸盐矿物C2S和C3S的X衍射数据及岩相特征与硅酸盐水泥熟料的A矿和B矿特征基本相似，钢渣中存在的硅酸盐相决定了钢渣具有一定的胶凝性能。尽管这样，由于钢渣化学组成特点，钢渣里活性相对比较高的硅酸盐矿物及铁铝酸盐矿物仅占40%～70%，远低于硅酸盐水泥熟料；另外钢渣在处理工艺中其C3S易转化为C2S及二次的游离石灰，钢渣中高活性的C3S相对含量非常低；而且高温融熔形成的C3S结构较致密，水化速度也远低于熟料中的C3S。正因如此，虽然钢渣具有胶凝性能，但其胶凝性能尤其是早期胶凝性能远远低于硅酸盐水泥熟料。

二、钢渣的处理工艺方法比较

由于钢渣成分的特殊性，加工处理非常困难，以前很多钢厂都废弃处理，这样造成大量堆存，不仅占用了很多的土地，还造成了一些污染。这些年，随着科技的发展进步和环保要求的日益严峻，钢渣综合利用发展的速度十分快，很多钢铁企业开始对钢渣加工综合利用，将其变废为宝，不少企业达到钢渣的“零”排放。

目前，钢渣以选铁利用最为普遍，因此对钢渣的处理主要围绕在破碎、磁选等进行工艺设施的配套。为了减轻破碎压力，采用水淬、风碎、热泼等的方式先对熔融状态热钢渣进行尽可能大的粒化处理并进行粗的磁选(可以选出大块渣钢)，再通过1．2次机械破碎和磁选，选出部分渣钢返回利用。这些工艺有各自的特点及优缺点，具体情况见表-2。

表-2 几种钢渣处理工艺的特点及优缺点比较

三、世界发达国家钢渣利用情况

工业发达国家很早就开始重视环境保护问题，因而他们的钢渣综合利用率一般较高，以下就是典型的几个工业发达国家的钢渣利用情况。

在20世纪70年代初，美国的钢渣就已达到排用平衡，实现了钢渣利用的资源化、专业化、企业化，历史上的钢渣堆现已基本消除。最新数据统计表明，从2005年以来，美国钢渣产量基本在2000万吨左右，利用量也是2000万吨左右，利用率基本达到100%。

2007年以来，日本钢总产量基本稳定在为1.2亿吨左右，所产钢渣中21%用于道路工程，40.7%用于土木建筑工程，19.3%用于回炉烧结料，8%用于深加工原材料，5.9%用于水泥原材料，1%用于肥料，4%用于回填料,基本应该是100%回收利用。

据统计数据表明，整个欧洲每年产钢渣约1200万吨，其中65%已得到高效率的利用，但仍有35%的钢渣堆积未利用。相比之下，德国的钢渣利用率相对较高。2005年，德国约97%的钢渣已作为基料广泛应用于公路交通、地下工程及民用建筑。

以上发达国家钢渣综合利用情况表明，尽管发达国家钢渣总体利用率相对较高，如美国、日本、德国的钢渣利用率己接近100%，但钢渣在混凝土生产中利用的效率还相当低。日本的资源再利用技术世界领先，但其钢渣在水泥生产中的利用率也不到6%；德国的钢渣利用率虽高，但基本上全部用作了基料，很少用于水泥。美国在上世纪90年代以前仅1%的水泥生产利用到钢铁渣，而且主要是矿渣，钢渣基本没有在水泥生产中利用。

近几年来，发达国家也逐渐开始重视钢渣在水泥和混凝土中的应用与研究。上世纪90年代后期美国Chaparral钢铁公司与TX I水泥公司联合开发了STAR(Systemand Technology for Advaneed Recycling)计划，主要研究成果就是发现钢渣可以作为原材料烧成水泥，目前该技术正在美国部分地区推广应用。相比较而言，中国对钢渣作水泥烧成原料及混合材的研究与应用虽然走在世界前列，但钢渣粉作混凝土掺合料的研究也只是刚刚开始，还没有在工程上大规模应用。

四、影响钢渣利用因素及我国钢渣的应用情况

1.影响钢渣利用的主要因素

钢渣、矿渣与粉煤灰是我国冶金工业、能源工业三大主要工业废弃物，其中矿渣与粉煤灰目前己在水泥与混凝土行业得到了大量有效的利用，矿渣的利用率近乎100%，二级以上粉煤灰在混凝土中的应用也己非常普遍。相比之下，钢渣虽然含有与水泥矿物类似的组成，但其利用率一直较低，主要原因有以下几个方面：

（1）受其形成过程的影响，钢渣的化学成分、矿物组成波动大；

（2）钢渣中含有大量的铁和含铁元素的化合物，难以磨至理想的细度，如果磨至与水泥同样的细度，能耗以及设备损耗都较大。此外，因钢渣密度大，所以运输费用高；

（3）与水泥相比，钢渣的活性低，水化速度慢、早强低；

（4）钢渣含有部分游离CaO、MgO，这些物质在后期遇水发生化学反应，进而产生体积膨胀，因而钢渣的长期体积稳定性差。

2.我国钢渣的应用情况

钢渣的主要矿物组成为硅酸二钙、硅酸三钙、橄榄石、蔷薇辉石和二价金属。钢渣的主要化学成分为CaO、Si02、FeO、Fe203、AL203、MgO、P2O5等，其密度为3.1～3.6g/ cm3。近年来随着国家越来越重视环境保护，对钢渣的利用也逐步得到了重视，已经开发出很多种有关钢渣综合利用的好途径，一般钢渣的主要利用途径有以下几个方面：

（1）钢渣在冶金领域中的应用

1)钢渣中废钢铁回收

钢渣中大多数含有10%上下的金属铁，通过破碎、磁选、筛分等手段可回收其中的大部分金属铁，一般钢渣破碎的细度越细，回收的金属会越多。国外较早开展从钢渣中回收废钢铁，我国也已有不少厂家建立了处理钢渣的生产线。

2)钢渣作为冶炼熔剂

钢渣作烧结矿的熔剂时，在烧结矿石里适当配加5%～15%的颗粒小于8mm的钢渣以替代部分的熔剂，可以改善烧结矿宏观和微观结构，显著提高烧结矿的质量和产量，有利于烧结造球及提高烧结速度，使烧结矿燃耗降低。

将钢渣作为炼铁熔剂，不仅可以回收钢渣中的Fe，而且可以把CaO、MgO等作为助熔剂，从而节省大量石灰石、白云石资源。钢渣中的Ca、Mg等均以氧化物形式存在，不需要经过碳酸盐的分解过程，可以节省大量热能，并能节约大量石灰石、萤石等的用量，改善炉况，增加生铁产量，降低成本。

3)钢渣作铁水脱硫

用钢渣研制的复合脱硫剂有以下优点：可以合理的利用钢渣资源、且回收金属铁；脱硫渣为液相，脱硫速度较快，烟尘污染程度低，脱硫渣易于排出，经济效益高。

（2）钢渣在建筑领域的应用

由于钢渣中含有与水泥相类似的硅酸二钙、硅酸三钙及铁铝酸盐等活性矿物，具有水硬胶凝性，可作为生产无熟料水泥或少熟料水泥的原料，也可作水泥掺和料。还可利用钢渣作原料生产钢渣砖。

1）在环境工程方面的应用

由于钢渣具有一定的碱性和较大的比表面积，因此可考虑用于吸附处理废水。钢渣还可用于处理含磷废水及含其他重金属废水。

2） 在农业上的应用

某钢渣制砖生产线

钢渣富含磷、钙、硅等元素，由于钢渣在冶炼过程中经高温煅烧，其溶解度已大大改变，所含有益成分易溶量大，容易被植物吸收，可以用于生产磷肥。CaO、MgO含量高的钢渣磨细后，可作为酸性土壤改良剂，并且利用了钢渣中的各种微量元素，用于农业生产中可增强农作物的抗病虫害的能力。

（3）钢渣制备微晶玻璃等陶瓷

由于钢渣基本的化学组成就是硅酸盐成分，其成分一般都在微晶玻璃形成的范围内，能满足制备微晶玻璃的化学组分的要求。微晶玻璃由于其具有机械强度高、耐磨损性、耐腐蚀性、电绝缘性优良、介电常数很稳定、膨胀系数可调、热稳定性好和耐高温的特点，除广泛应用在光学、宇航、电子等高新技术领域作为结构材料和功能材料外，还可大量应用在工业和民用建筑作为装饰材料或防护材料。

五、结束语

目前，钢铁工业面临的形势十分严峻，钢材价格走低、原燃料降价滞后，钢铁企业正面临着巨大的市场压力和节能减排压力。在这种形势下，废钢铁产业的循环应用，冶金渣的综合开发利用，起到了缓解企业压力和对钢铁生产重要的支撑作用。

冶金渣的综合利用应属于新兴产业范畴，应该得到国家相关部门的重视和政策扶持。行业自身也应该抓紧产业升级和完善工艺改造，并积极推广和交流先进技术，组织重大技术项目攻关，促进行业的产业化发展，促进钢铁渣利用产业的科技进步。

冶金渣的开发利用既要考虑资源的再利用，符合循环经济的产业政策；又要考虑到采用合理的生产工艺，开发出节能、环保、符合市场、达到国家标准要求的建材产品。在钢渣处理技术方面，应朝着使钢渣颗粒化、游离氧化钙消解粉化、废钢与渣分离效果好等方向发展，尽可能多地回收金属料，努力使钢渣综合利用率达到100%，使钢渣产生的经济效益和环保效益最大化。

Discussion about comparison and application of steel slag treatment process