姚艷玲，周 俊

YAO Yan-ling1，ZHOU Jun2

（1.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，包頭 014030；2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072）

0 引言

隨著我國冶金行業(yè)的迅猛發(fā)展，累積堆存和新增的冶金產(chǎn)生的固體廢棄物也日益增加，不僅占地多、嚴重污染周邊環(huán)境，而且浪費了大量資源。其中各種冶煉渣是主要的廢棄物，主要包括高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣、電爐渣和爐外精煉渣等。對環(huán)境的治理是實現(xiàn)社會持續(xù)發(fā)展的重要手段。固體廢棄物的處理是環(huán)境治理的重要方面，冶金工業(yè)作為一個固體廢棄物排出量較大的工業(yè)部門，其治理程度直接影響到環(huán)境治理水平，進行這方面的研究符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，有廣闊的發(fā)展前景。近幾年冶金技術(shù)發(fā)展迅速，工藝過程中產(chǎn)生了越來越多的冶煉渣，這部分廢棄物的有效利用值得我們?nèi)ミM一步研究。

1 冶金爐渣利用的必要性

隨著冶金行業(yè)的快速發(fā)展，各國的礦產(chǎn)資源也在日益減少。同樣，中國礦產(chǎn)資源也面臨著嚴重的危機。如何能更好的利用有限的資源創(chuàng)造更多的財富是我們時刻要重視的。

鋼鐵工業(yè)是原材料工業(yè)，也是基礎(chǔ)工業(yè)。它的發(fā)展是和整體經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模和速度相適應(yīng)的。鋼鐵產(chǎn)品又是用途廣、用量大的材料，鋼鐵工業(yè)和各經(jīng)濟部門的發(fā)展密切相關(guān)，各經(jīng)濟部門使用鋼材的和品種質(zhì)量是不盡相同的，因此產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化和發(fā)展將直接影響到鋼鐵工業(yè)的發(fā)展速度和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。在快速發(fā)展中的中國，基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)、建筑業(yè)發(fā)展較快，鋼材消費量增長較快。所以冶金行業(yè)產(chǎn)生的爐渣也就相應(yīng)的較多。如何更好的利用這些棄渣是值得我們研究的。

企業(yè)的原料條件不同，冶煉工藝不同，爐渣的產(chǎn)出量和爐渣成分也不同，不同的企業(yè)可能采用不同的爐外精煉設(shè)備，其精煉渣會有所不同，特鋼企業(yè)還可能在連鑄之后，設(shè)有電渣爐等進一步的精煉設(shè)備，產(chǎn)出的還有電渣冶煉廢渣，因而有必要從系統(tǒng)利用的角度出發(fā)，進行煉鋼爐渣的綜合利用研究。

2 冶金渣的綜合利用狀況

鋼鐵冶金工業(yè)遍及全國各主要城市，所產(chǎn)生的固體廢物占固體廢物總量的18%，渣中含有各種有用元素如Fe、Mn、Cr、Mo、Ni、AI等金屬元素和Ca、Mg、Si等非金屬元素，是一項可再利用的大宗二次資源。

鋼鐵冶金工業(yè)所產(chǎn)生的固體廢物主要有高爐渣、鋼渣、鐵臺金渣等，中國鋼鐵渣堆棄量約3億，占地3萬畝。2002年全國鋼產(chǎn)量總計約為8389萬噸，但缺乏全量和高附加值的利用技術(shù)，特別是對共生復(fù)合礦渣中共生的金屬元素的分離和利用以及通過共生元素的分離全面經(jīng)濟地對爐渣進行綜合利用缺乏系統(tǒng)研究，平均利用率約為60%。下面我們就冶金爐渣目前的綜合利用情況作一下總結(jié)和分析。

3 高爐渣的綜合利用

高爐渣是鋼鐵冶金工業(yè)中數(shù)量最多的一種渣。目前，80%以上的高爐渣得到了利用，但利用的主要途徑是生產(chǎn)水泥和筑路材料。高爐渣是冶煉生鐵時從高爐中排出的一種廢渣。高爐礦渣還可用來生產(chǎn)一些用量不大，但產(chǎn)品價值高，又有特殊性能的高爐渣產(chǎn)品。如礦渣棉及其制品、微晶玻璃、熱鑄礦渣、礦渣鑄石及硅鈣渣肥等。

1）生產(chǎn)礦渣棉

礦渣棉是以礦渣為主要原料，經(jīng)熔化、高速離心或噴吹制成的一種白色棉絲狀礦物纖維材料。它具有質(zhì)輕、保溫、隔音、隔熱、防震等性能。許多單位已將礦渣棉制成各種規(guī)格的板、氈、管殼等。

2）生產(chǎn)微晶玻璃

微晶玻璃是近幾十年發(fā)展起來的一種用途很廣的新型無機材料。高爐渣微晶玻璃與同類產(chǎn)品對比，具有配方簡單、熔化溫度低、產(chǎn)品物化性能優(yōu)良及成本低廉等優(yōu)點，除用于耐酸、耐堿、耐磨等部位外，經(jīng)研磨拋光是優(yōu)良的建筑裝飾材料。采用機械化壓延成型工藝，還可生產(chǎn)大而薄的板材。

3）生產(chǎn)硅肥

硅肥是一種以含氧化硅（SiO）和氧化鈣（CaO）為主的礦物質(zhì)肥料，它是水稻等作物生長不可缺少的營養(yǎng)元素之一，被國際±壤學(xué)界確認為繼氮（N）、磷（P）、鉀（K2O）后的第四大元素肥料

4）生產(chǎn)高爐渣微粉

所謂高爐渣微粉是指高爐水渣經(jīng)烘干、破碎、粉磨、篩分而得到的比表面積在3000cm2/g以上的超細高爐渣粉末。

4 鋼渣的綜合利用

鋼渣是煉鋼過程排出的廢渣。煉鋼過程是除去生鐵中的碳、硅、磷和硫等雜質(zhì)，使鋼具有特定性能的過程，也是造渣材料和冶煉反應(yīng)物以及熔融的爐襯材料生成融合物的過程。因此，鋼渣是煉鋼過程中的必然副產(chǎn)物，其排出量約為粗鋼產(chǎn)量的15%～20%，鋼渣目前的利用率只有大約36%。

鋼渣的利用途徑：

迄今，人們已經(jīng)開發(fā)了多種有關(guān)鋼渣的綜合利用途徑，主要包括回收廢鋼鐵和鋼粒、冶金、建筑材料、農(nóng)業(yè)利用、回填等幾個領(lǐng)域。

1）從鋼渣中分選網(wǎng)收廢鋼和鋼粒

鋼渣中一般含7%～10%的廢鋼，經(jīng)破碎、磁選、篩選等分選技術(shù)可回收其中90%以上的廢鋼及部分磁性氧化物。磁選出的渣鋼，一般含鐵在55%以上。利用價值很高。

2）鋼渣用做冶煉熔劑

鋼渣常含有很高的CaO、鐵分及一定比例的MgO、MnO。若用于煉鐵，一些成分能有效地降低熔劑、礦石的消耗及能耗。有資料報道，作為熔劑用于高爐冶煉和燒結(jié)的鋼渣量，以美國為最多，占鋼渣總量的56%以上。

3）鋼渣用做筑路材料

鋼渣具有容量大、呈塊狀、表面粗糙、穩(wěn)定性好、不滑移、強度高、耐磨、耐蝕、耐久性好、與瀝青膠結(jié)牢固等特點，被廣泛用于各種路基材料、工程回填、修砌加固堤壩、填海工程等方面代替天然碎石。

4）生產(chǎn)水泥

鋼渣生產(chǎn)水泥，主要指用它做原料配制水泥生料。

5）生產(chǎn)鋼渣磚

鋼渣磚是以粉狀鋼渣和水淬鋼渣為主要原料，摻入部分高爐水渣或粉煤灰和激發(fā)劑（石灰、石膏粉），加水?dāng)嚢?，?jīng)輪碾、壓制成型、蒸養(yǎng)而制成的建筑用磚。

5 目前煉鋼渣利用思路的不足

1）煉鋼爐渣利用的主要難點在于爐渣的堿度過高，渣中含有大量的自由氧化鈣和氧化鎂，不宜作為水泥、建材和工程回填材料，在近年來我國轉(zhuǎn)爐煉鋼企業(yè)普遍采用濺渣護爐等技術(shù)后，轉(zhuǎn)爐爐渣中自由氧化鎂進一步升高，精煉渣的堿度更高，爐渣的自由氧化鈣也更高，因而將煉鋼過程的轉(zhuǎn)爐鋼渣和精煉渣直接作建筑材料不是最佳途徑。另外，鋼渣不易磨，直接用于水泥生產(chǎn)會降低生產(chǎn)能力。

2）鋼渣在企業(yè)內(nèi)部回用是一種理想的方法，但在目前的回用方法中，作燒結(jié)溶劑和高爐煉鐵熔劑雖然有積極的報道，但燒結(jié)和煉鐵過程無法脫磷，鋼渣的循環(huán)，必然使鐵水的磷含量不斷提高，給下一步的煉鋼增加負擔(dān)，要求煉鋼工序消耗更多的石灰，產(chǎn)出更大的渣量滿足脫磷要求，所以從工藝全盤考慮是不一定合理的。另外，高爐的冶煉實踐表明，入爐品位提高1%，焦比降低2%，產(chǎn)量降低3%，鋼渣的鐵含量僅為10%～15%，鋼渣的配入必然大大降低高爐入爐料品位，在高爐焦碳價格居高不下的今天，鋼渣作為燒結(jié)和高爐熔劑的做法，也是不一定合理的。

3）將鋼渣用作鐵水預(yù)處理渣劑，不僅可以利用渣中的鐵氧化物，也可以利用渣中的熔劑，是一種合理的回用方式，但不能解決現(xiàn)代煉鋼工藝中不同階段的爐渣的回用問題。

4）目前鋼渣利用的主要思路仍然集中在回收渣中廢鋼，選出精礦，尾渣作建筑材料。這事實上是一種末端治理手段。

6 煉鋼爐渣綜合利用設(shè)計

根據(jù)冶金爐渣性能分析，從現(xiàn)實的環(huán)保要求出發(fā)，我們可以提出爐渣梯級回收利用的新概念。根據(jù)鋼鐵企業(yè)煉鋼工序不同階段產(chǎn)出鋼渣的特性，利用梯級回用的方法，使煉鋼爐渣盡量在煉鋼工藝中循環(huán)利用，發(fā)掘其最大冶金潛能，實現(xiàn)最大限度的回用，提高煉鋼造渣材料的利用效率，減少造渣材料消耗，減少爐渣的外攤，從而實現(xiàn)對煉鋼爐渣的資源化利用和生態(tài)工業(yè)的要求，提高企業(yè)的經(jīng)濟和社會效益。其轉(zhuǎn)爐和電弧爐冶煉工藝的爐渣梯級利用思路示意圖如下所示：

圖1 電弧爐冶煉工藝的爐渣梯級利用

通過梯級利用，煉鋼過程產(chǎn)生的爐渣大部分都返回上一級煉鋼工序，一方面變廢為寶，使原本當(dāng)作廢棄物排出的爐渣作為造渣材料返回利用，充分利用了其潛在的冶煉潛能，代替了一部分原料，優(yōu)化了煉鋼工藝，同時降低了成本，提搿了經(jīng)濟效益；另一方面，爐渣的梯級利用減少了爐渣的最終排出量，實現(xiàn)了少渣生產(chǎn)，減少了廢棄物的產(chǎn)生，降低了冶金工業(yè)對環(huán)境的污染。這符合我國對于工業(yè)走可持續(xù)發(fā)展道路的思路，劉予實現(xiàn)“綠色冶金”清潔生產(chǎn)有重要的意義。

1）梯級利用的工藝方法

對鋼渣返回利用可通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)，鋼鐵冶煉過程中，將后步工序產(chǎn)出的爐渣逐級返回應(yīng)用到前面工序，在返回過程中，可配入調(diào)整劑，調(diào)整劑為石灰、石灰石或鐵礦石等。

2）具體實施方式：

高爐、轉(zhuǎn)爐流程中，將電渣爐產(chǎn)出的爐渣返回到精煉爐，精煉爐產(chǎn)出的爐渣返回到轉(zhuǎn)爐和鐵水預(yù)處理脫硫，將轉(zhuǎn)爐特別是脫碳轉(zhuǎn)爐產(chǎn)出的爐渣返回到鐵水預(yù)處理脫磷。電弧爐鋼鐵冶煉過程中，將電渣爐產(chǎn)出的爐渣返凰到精煉爐，精煉爐產(chǎn)出的爐渣返回到電弧爐。以上棄渣返回利用過程中，脫碳渣和精煉渣用量為30%～100%。由于后步工序爐渣的產(chǎn)出量比較小，其返回應(yīng)用不一定能替代全部原上部工序的造渣材料。渣量不足部分，依造渣要求，由石灰、粘土磚塊、白云石、螢石等補充。

通過梯級回用，預(yù)計可達到如下效果：

1）利用鋼鐵廢棄渣，減少鋼鐵企業(yè)固體廢棄物排放。

2）減少石灰和其他原料消耗，減少成本消耗。

3）由于LF精煉渣、電渣重熔爐渣甚至轉(zhuǎn)爐渣等均為預(yù)熔渣，具有優(yōu)良的冶金反應(yīng)性能，可明顯改善煉鋼過程的動力學(xué)條件。通過LF精煉渣和電渣重熔爐渣均為預(yù)熔渣的應(yīng)用，替代外購預(yù)熔渣，具有明顯的經(jīng)濟效益。

4）通過綜合應(yīng)用，可改善煉鋼操作，使冶煉時間縮短，供電效率提高，爐齡提高等。

5）由于最終排出爐渣的反應(yīng)更加充分，穩(wěn)定性更好，更易在建筑材料方面獲得應(yīng)用。

7 結(jié)論

礦業(yè)及其后續(xù)產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟建設(shè)的強大支柱，如何將冶金棄渣合理利用，對可持續(xù)發(fā)展有重要意義。只有更好的合理利用有限資源，才能最有效地保持人類生存空間，造福子孫后代。

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