钢铁冶炼过程的固体废渣鉴别研究

张国裕，尚大军

（西宁特殊钢集团有限责任公司，青海 西宁 810005）

冶炼钢铁产生的固体废渣，以炉渣、氧化皮和除尘灰为主，其中，符合进口要求的固体废渣为氧化皮，换句话说，炉渣和除尘灰均不满足进口的要求。要想对固体废渣进行有效鉴别，关键是根据不同类型废渣的特点，确定鉴别方法，另外，还需要指导针对进口固体废渣所开展的监管工作，充分发挥废渣价值。

1 钢铁冶炼工艺概述

一般来说，钢铁冶炼工作由两部分组成，分别是钢冶炼和铁冶炼，所使用辅料则包括以石灰石为代表的冶金熔剂、以氧化铁皮为代表的冷却剂、以锰铁为代表的脱氧剂。冶金溶剂的作用是去除常见杂质，例如硫、磷，保证所产生炉渣能够达到数量适当、反应性好的要求；冷却剂的作用是对出炉钢水的温度进行有效控制；脱氧剂的作用是将钢水中的氧彻底去除。

1.1 钢冶炼方法

炼钢所需的原料以生铁、海绵铁和废铁为主，常见的炼钢方法，包括电弧炉炼钢、转炉炼钢和平炉炼钢，正常情况下，这三种炼钢方法可以满足多数用户对钢种的要求。除此之外，以真空脱气、吹氩处理为代表的炉外精炼法，在较短的时间内得到了快速发展，与常规炼钢方法相比，炉外精炼法所生产钢种，不仅品种更多，质量也得到了明显的提升，但是，该炼钢方法需要对钢水进行附加处理。近几年，在炉外精炼法的基础上，又衍生出了电渣重熔、真空冶金等更加特殊的炼钢方法，这些方法通常被用来对特高质量的钢种进行冶炼。电渣重熔需要通过锻压、铸造的方式，使常规炼钢方法所冶炼钢种成为电极，再利用熔渣热电阻，完成二次重熔的工作；真空冶金是指在真空条件下完成冶金工作，具体包括提炼、精炼、处理合金及金属等[1]。

1.2 铁冶炼方法

通过上文的介绍能够看出，近几年，使用频率较高的铁冶炼方法主要有三种，分别是高炉炼铁、电炉炼铁和还原炼铁，其中，使用频率较高的方法为高炉炼铁。首先，高炉炼铁需要在高炉中将铁矿石还原、熔化，从而完成生铁的冶炼工作，实践证明，高炉炼铁具有低能耗、低成本、便于操作的优点；其次，电炉炼铁通常以还原电炉为载体，利用强度较差的木炭、焦炭作为还原剂，部分焦炭由电加热代替，该法对焦炭质量的要求明显低于高炉炼铁，但是，存在耗电量大的问题，只有在电价低廉且电力充足的环境中，才可以充分发挥出应有的作用；最后，直接还原炼铁需要利用固体、气体还原剂，达到将矿石还原的目的，再将其炼成固体、铁粒或半熔融海绵铁。

2 固体废渣鉴别实验

2.1 实验仪器

（1）荧光光谱仪。研究表明，荧光光谱仪的优势包括：高灵敏度、良好的重现性、较快的测试速度等，可以用来对固体、液体、粉末或熔融片进行测定，一般来说，在该仪器的辅助下，利用无标半定量法完成分析样品定性的工作，可以在保证结果准确度的基础上，缩短分析时间，提高分析效率。

（2）X射线衍射仪。X射线衍射仪是以衍射原理为依据，对物质应力、晶体结构进行精确测定及物相分析的仪器，现阶段，该仪器在科研、冶金、材料生产、航空航天等领域，均得到了广泛的应用，所取得效果也有目共睹。

（3）扫描电镜。扫描电镜的原理是以电子和物质间的相互作用，也就是说，若物质表面被高能入射电子所轰击，相关区域便会产生X射线、二次电子、电磁辐射等，扫描电镜能够以此为依据，获取样品的化学、物理性质，例如，组成、形貌、内部磁场或晶体结构[2]。

2.2 实验方法

首先，按照有关规定取样并制样，在装卸、加工、衡量散装货物的过程中，以特定的时间间隔或质量为依据，完成隔份取样的工作，再通过干燥、破损以及混合等环节，得到分析的试样，最后，对试样进行研磨、烘干、冷却后备用。测定固体废渣的实验，主要由三部分组成：其一，将试样压片放置在试样架上，再将试样架放置在操作平台上，根据荧光光谱仪的工作条件，完成测定；其二，在试样架上，对试样进行均一填充，再将试样架放置在样品架上，以X射线衍射仪的工作条件为依据，完成测定工作，得出结论；其三，挑取定量试样并放置在试样架上，利用扫描电镜仪观察试样架，得出最终结论。

3 固体废渣鉴别方法

钢铁冶炼包含两部分内容，即钢冶炼、铁冶炼。冶炼钢铁所产生固体废渣的类型，以炉渣、氧化皮和除尘灰为主。冶炼过程中，电炉、高炉或转炉所排出副产品为炉渣；轧钢或在加热炉内对配料进行加热，均存在产生氧化皮的可能；生产冶金所产生粉尘即为除尘灰。下文根据不同固体废渣的特点，分别提出了相应的鉴别方法，供研究人员参考。

（1）炉渣。随着社会经济的发展，现有资源性矿产品的总量，已经无法满足各行各业的需求，通过进口的方式对资源性矿产品加以补充，成为大势所趋。冶炼钢铁所产生固体废渣的类型，以炉渣、氧化皮和除尘灰为主，仅仅凭借肉眼无法对上述废渣的类型进行有效区分，而是需要以X射线衍射仪、荧光光谱仪、扫描电镜等仪器作为辅助。

若实验所得固体废渣所呈现出的形状并非天然矿物具有的粉状或块状而是熔渣状，则代表钢铁冶炼所产生固体废物为废渣，再通过半定量测定，确定残渣主要组成元素，例如，是否包括钙、铝、镁。在X射线衍射仪的辅助下，测定样品并对其进行物相分析，如果发现废渣的大部分物质都出现了丧失晶型的情况，钙、铝、镁等元素在废渣中的存在方式以配合物为主，便可得出该固体废渣为炉渣的结论。作为钢铁冶炼过程中，经由高炉所排出的一种固体废渣，炉渣是焦炭灰分、矿石脉石、助溶剂等无法进入生铁的物质，在高温环境中反应所得，主要成分包括铝酸盐、硅酸盐，焦炭灰分和矿石脉石则提供了大量的钙、铝、镁等元素。要想使炉渣具有较低的粘度和熔点，关键是保证炉渣所含有酸性氧化物和碱性氧化物的比例相当，由此可以推断出，助溶剂为该反应提供了部分镁和钙。在冶炼钢铁的过程中，磷和铁在被还原后进入铁水，这就决定了炉渣中磷、全铁的含量较低，将其与铁矿石进行混合极易被发现。

（2）氧化皮。若冶炼钢铁所产生固体废渣所含有碎片的形状为鳞片状，呈现出金属光泽，则可以初步断定，该固体废渣为氧化皮。无论是炼钢炉内钢坯在加热的过程中，导致表面氧化物出现脱落现象，形成脱落物，还是利用热压、卷曲等传统工艺进行轧钢，都会产生氧化皮，其中，轧钢所产生氧化皮的粒度，往往会比炼钢炉内所产生氧化皮的粒度更细。通过测定发现所产生废渣主要由硅、铁元素组成，其中，铁元素含量基本与铁矿粉持平。再在X射线衍射仪的辅助下，完成测定、物相分析等工作，若废渣以铁的氧化物为主要物相，除含量最高的氧化铁外，还存在少量二氧化硅，则表明所产生固体废渣为氧化皮。天然铁矿粉的氧化亚铁含量通常极低，以氧化亚铁的含量为依据，可在较短的时间内将铁矿粉与氧化皮进行区分。另外，氧化皮的特点还包括粒度较细、其他杂质的含量少等，这些也需要研究人员引起重视。

（3）除尘灰。除尘灰通常是有结团的综合粉末，虽然和铁矿粉的相似度较高，但具有更细的颗粒、更小的密度，出现扬尘的几率也更大。一般来说，组成除尘灰的元素以钙、铁、锌为主，其中，含量最高的元素为铁元素，基本与铁矿粉持平。在鉴别冶炼钢铁所产生固体废渣的类型时，研究人员首先可以观察XRD谱图，判断废渣的主要物相，若废渣以铁的氧化物为主要物相，例如，四氧化三铁或三氧化二铁，还含有大量的氧化锌，则可以将炉渣、氧化皮等常见固体废渣进行排除。在利用电弧炉冶炼钢铁时，往往需要将大量钢铁废料加入到电弧炉中，其中，不乏含有易挥发元素的废料，例如，铅、锌，这部分废料所挥发元素，极易被烟气处理系统吸入，从而形成氧化锌，最终形成除尘灰。除尘灰的特点是具有极高的锌含量，无法作为炼铁原料被单独使用，与炉渣同为禁止进口固体废渣。

4 结论

综上所述，在某些情况下，区分天然铁矿石和冶炼钢铁所产生固体废渣的难度较大，因此，要想避免废渣被掺杂在进口的铁矿石中，对其进行鉴别很有必要，只有根据不同废渣的特点，确定相应的鉴别方法并加以利用，才能阻止有害、有毒的固体废渣流入市场，以免给人们的生产、生活带来不必要的影响。