武曉紅

（山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009）

不銹鋼尾渣的循環(huán)利用和分析

武曉紅

（山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009）

鋼渣是煉鋼后的固體廢棄物，它的大量堆積和大量堆放不僅污染土壤、大氣、地下水環(huán)境，而且造成了資源的浪費(fèi)。為此，各方積極展開對不銹鋼尾渣的綜合利用，目前利用比較多方向是冶金、建筑、農(nóng)業(yè)、環(huán)保。

尾渣；循環(huán)；冶金；建筑；農(nóng)業(yè)；環(huán)保

鋼鐵業(yè)是我國新型工業(yè)化過程中重要的支撐產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在近二十年中快速發(fā)展，這對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了非常重要的促進(jìn)作用。尤其是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，中國鋼鐵業(yè)的飛速發(fā)展，粗鋼產(chǎn)量逐年增加，自1996年以來粗鋼產(chǎn)量始終保持世界第一。2010年，中國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到6.27億噸，約占世界粗鋼總產(chǎn)量的44.3%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼渣的排放量大約為鋼產(chǎn)量的15%～20%。那么，若按2010年我國鋼產(chǎn)量來計(jì)算，2010年我國鋼渣產(chǎn)量大約為0.94萬～1.25萬噸。

鋼渣的大量產(chǎn)生和逐年累積侵占了大量的土地，同時(shí)，其中的堿金屬離子、重金屬離子和粉塵等會(huì)向環(huán)境中釋放，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。除此之外，物料不能進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，對資源是一種極大的浪費(fèi)。因此，開展鋼渣綜合利用是促進(jìn)現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要課題。

一、鋼渣的形成過程及其性質(zhì)

鋼渣是煉鋼過程中的必然產(chǎn)物。為了實(shí)現(xiàn)從礦石中提取出鋼材的目的，我們必須實(shí)現(xiàn)Fe-O分離和金屬與其他氧化物的分離，在這個(gè)過程中，就必須加入氧化物、冷卻劑、造渣材料等，從而實(shí)現(xiàn)一系列重要的冶金反應(yīng)，形成液態(tài)的爐渣，讓它直接參與煉鋼過程的物理化學(xué)反應(yīng)和傳熱、傳質(zhì)過程。最終產(chǎn)生的廢渣主要來源于：廢鋼帶入的泥沙和鐵銹等；氧化物或冷卻劑（礦石、燒結(jié)礦）帶入的脈石，加入的各種造渣劑（石灰石、螢石、硅石等）和被侵蝕的爐襯材料、煉鋼過程中的化學(xué)反應(yīng)物，如錳、硅、鐵和磷等元素氧化后形成的氧化物以及少量硫化物。

二、鋼渣的循環(huán)利用現(xiàn)狀

鋼渣在產(chǎn)生的初期是被當(dāng)做廢棄物丟棄處理的。鋼渣的利用主要是在第二次世界大戰(zhàn)以后，由于恢復(fù)建設(shè)缺乏建筑材料，鋼渣的利用得到了較快的發(fā)展。早在20世紀(jì)70年代，美國、西德、日本、英國等發(fā)達(dá)國家已實(shí)現(xiàn)鋼渣的100%利用，但我國鋼渣綜合利用率卻只有50%—60%。在中國新的《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》中指出，最大限度提高廢水、廢氣、廢物的利用，是將我國建設(shè)成為鋼鐵生產(chǎn)大國和具有競爭力強(qiáng)國的必經(jīng)之路。

鋼渣的綜合利用是由鋼渣性質(zhì)決定的，鋼渣中含有大量的 CaO、FCaO、FeO、MgO、MnO、SiO2等化學(xué)成分，被利用的是其中主要成分之一或其中幾種，我國主要鋼廠轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)成分見表1?，F(xiàn)階段鋼渣綜合利用有以下幾個(gè)方向：（見表1）

（一）冶金方向

1.鋼渣回收鋼鐵。鋼渣回收鋼鐵是鋼渣最初利用的方式，鋼渣中通常含有7%－10%的廢鋼和鋼粒，通過對鋼渣進(jìn)行破碎、磁選、分離等步驟，回收其中的廢鋼或小塊鋼鐵回爐冶煉，歐、美、日等多國發(fā)展起來的若干鋼渣公司和磁力金屬回收公司，多是靠此起家。我國以回收廢鋼為目的的渣山處理活動(dòng)也進(jìn)行了多年?，F(xiàn)在，我國大型的鋼鐵公司，例如首鋼、鞍鋼、太鋼等均建立起來鋼渣破碎磁選生產(chǎn)線，這樣不僅增加鋼鐵產(chǎn)量，解決我國廢鋼不足的問題，提高了鋼渣利用的經(jīng)濟(jì)效益，而且減少了鋼渣量，為我國渣山治理提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。

2.燒結(jié)礦熔劑。鋼渣中因含有大量的CaO、FCaO、FeO、MgO、MnO、SiO2等物質(zhì)，其中 80%左右是鋼鐵生產(chǎn)所需要的有益成分，添加鋼渣可以節(jié)省不少的熔劑原料(石灰、云石等)和鐵礦，且鋼渣是一種熱料，物相均勻、軟化溫度低、軟化區(qū)間寬。燒結(jié)配入4%－8%的鋼渣，可以使粘結(jié)相提早生成且增多，促進(jìn)了黏結(jié)和礦物反應(yīng)，這樣就可以提高燒結(jié)時(shí)間和減少燒結(jié)燃料的消耗，同時(shí)顯著地提高燒結(jié)礦產(chǎn)量。

首鋼燒結(jié)廠配加鋼渣4%后，使用每噸鋼渣可替代石灰550 kg，替代鐵礦粉333 kg，替代錳礦粉100 kg，節(jié)約能耗23 000 kJ，燒結(jié)機(jī)利用率提高1%。邯鋼燒結(jié)廠配加鋼渣6%后，每噸鋼渣可以替代石灰石625.94 kg，替代鐵礦粉161.72 kg，燒結(jié)礦FeO含量升高2%，配碳量降低0.5%-1%，粉化率降低在2%內(nèi)。

3.高爐熔劑。根據(jù)表1可知鋼渣中含有7%—19%的鐵性物質(zhì)和43%—58%的CaO，因此，可作為煉鐵熔劑，即可利用其中的成分FeO，又可以把CaO、MgO等作為助熔劑，替代石灰石和螢石，改善高爐渣的流動(dòng)性，提高高爐脫硫能力。同時(shí)，鋼渣也有為鋼水降溫的作用，減少鋼鐵在渣中殘留比例，同時(shí)提早煉鋼成渣時(shí)間，減少初期渣對爐襯的侵蝕，降低耐火材料消耗，提高爐齡、節(jié)約成本。國內(nèi)的大型高爐，在利用鋼渣作為溶劑后，除了其中回收廢鋼的價(jià)值，每噸鋼渣的純利潤在50元左右。早在20世紀(jì)70年代，美國已經(jīng)有公司把爐渣直接返回高爐中，作為替代溶劑。美國內(nèi)陸鋼公司和西德森鋼廠分別有40%和41%的鋼渣直接返回高爐。

（二）建筑方向

1.鋼渣筑路

在鋼渣利用初期，因?yàn)殇撛龌靥詈偷缆穳|層、基層其附加值低，鋼鐵企業(yè)和建筑單位對此都不太重視。后鋼渣經(jīng)過后續(xù)處理后，結(jié)構(gòu)性質(zhì)有所提升，可以替代細(xì)骨料作為瀝青和水泥路面材料，其防滑性、耐磨性、使用壽命相比之前都有很大程度的提高，鋼渣的附加值也大大提高。且鋼渣經(jīng)過穩(wěn)定化處理后，可以代替碎石用在鐵路、公路、料場、工程回填、修筑堤壩、填海造地等方面，用作道路墊層和基層，其強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗彎沉性等都會(huì)優(yōu)于天然石材。我國有相對應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“YB/T801-1993工程回填用鋼渣”和“YB/T803-1993道路用鋼渣”。

可是，隨鋼渣綜合利用技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用途徑的增家，用于道路建設(shè)的比例也會(huì)逐漸減少。不過，對于部分含游離CaO低、含磷高的鋼渣，不宜再用于高爐熔劑，因鋼渣具有滲水排水性能好、電阻高、抗滑、抗壓強(qiáng)度好、抗化學(xué)腐蝕性能好、抗剎車剝離好、成本低等特點(diǎn)，是非常優(yōu)良的筑路材料。

2.鋼渣水泥

（1）水泥生料。從表1可以看出，鋼渣中CaO、MgO、FeO的含量之和可以達(dá)到70%，這些成分都是水泥生料的組成成分，鋼渣在水泥生料主要被用作水泥的鐵質(zhì)校正劑，生料中配加量通常為3%～5%，工藝已經(jīng)成熟，水泥生料配放鋼渣可以節(jié)約部分石灰石和煤，但不能解決水泥廠環(huán)境污染和能源消耗的問題。為了降低成本，水泥企業(yè)傾向選擇含鐵量達(dá)到40%以上的廢渣，而一般鋼渣的全鐵含量在15%～28%之間，含鐵量偏低。

（2）鋼渣微粉。當(dāng)把鋼渣磨細(xì)成比表面積400m2/kg的顆粒時(shí)，鋼渣水泥中的易磨性問題就會(huì)被消除。通過磨細(xì)鋼渣的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了重組，表面能提高，活性提高，水硬凝膠性得到加強(qiáng)。當(dāng)鋼渣微粉代替部分水泥作為摻合料加入混凝土?xí)r，可以發(fā)生“微珠效應(yīng)”，即需水量減少，混凝土的流動(dòng)性卻提升，且隨著鋼渣微分百分比的增加，“微珠效應(yīng)”越強(qiáng)，其帶來的好處還有增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度，抗壓耐磨的能力、氯離子滲透性、抗凍性和干縮性降低。同時(shí)，鋼渣微粉可以發(fā)生“火山灰效應(yīng)”，鋼渣微粉可以吸收混凝土水化時(shí)的Ca(OH)2，進(jìn)行二次水化、填充了空隙、減少熟化熱，以及減少混凝土因溫差產(chǎn)生的開裂。雖然鋼渣中也會(huì)含有部分FCaO，但是有研究表明，鋼渣微分表面積為400～550 m2/kg時(shí)，F(xiàn)CaO在水中水化可以改善體積安定性問題。

（三）農(nóng)業(yè)方向

由表 1 可知，鋼渣中含有大量 Si、Ca、Mg、P、Mn 等元素，在農(nóng)業(yè)中，這些元素都是必需元素或營養(yǎng)元素，因此從理論上鋼渣可以適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。近些年來，我國有大量專家做了很多實(shí)驗(yàn)，證明了鋼渣作為土壤改良劑和農(nóng)業(yè)肥料的可行性。而鋼渣在其他許多國家，例如美、德、俄、法等國，利用鋼渣作為農(nóng)業(yè)肥料也有幾十年的歷史，因此鋼渣應(yīng)用于農(nóng)業(yè)是非常有效的再利用途徑。一般在農(nóng)業(yè)方面有以下幾個(gè)方向的應(yīng)用：

（1）土壤改良劑。我國的酸性土壤大多通過施用石灰來調(diào)節(jié)其pH值、會(huì)改善土壤結(jié)構(gòu)和增加孔隙度，但是石灰的長期使用會(huì)引起Ca、Mg、P等元素的失衡和其他肥料的效用。因?yàn)殇撛泻休^高的CaO、MgO決定了鋼渣可以改良土壤性能，且鋼渣同時(shí)含有大量可溶性植物生長的有益元素，如Si、P、Mn等，因此鋼渣更適合長期的使用。

（2）植物肥料。鋼渣中含有大量 Si、Ca、Mg、P 元素，在農(nóng)業(yè)中，這些元素都是必需元素，且各元素都有枸溶性，其均不溶于水卻可以在植物根部的弱酸性下溶解被吸收，是一種有緩釋性能的肥料。日本肥料與種子研究協(xié)會(huì)曾實(shí)驗(yàn)對比鋼渣肥料與商業(yè)硅鉀肥施用效果，發(fā)現(xiàn)稻米和甘藍(lán)、菠菜等農(nóng)作物施用鋼渣肥料產(chǎn)量高于其他商業(yè)肥料。同時(shí)，如果鋼鐵廠在出渣前的熔融態(tài)鋼渣中加入適量Fe、Mn、B、Mo、Zn等微量元素，就可以一次性生產(chǎn)出具有緩釋性的復(fù)合微量元素肥料。

（四）環(huán)保方向

1.處理廢水。鋼渣具有疏松多孔、表面積大、一定的吸附能力、密度大、易沉降的特點(diǎn)，這與廢水處理中的吸附劑有相似之處，基于這些特點(diǎn)，國內(nèi)外的專家對鋼渣作為廢水處理吸附劑做了深入的研究。在機(jī)理方面發(fā)現(xiàn)，鋼渣表面帶負(fù)電荷，且主要的吸附力是靜電作用，吸附模式為離子交換，因此鋼渣可以對重金屬離子做選擇吸附，吸附能力的大小與離子本身的半徑、電價(jià)、電性等相關(guān)，除此之外，鋼渣還可以吸附磷酸根、銨根離子、部分有機(jī)物等。

從20世紀(jì)90年代開始，各國專家開始研究鋼渣吸附劑在處理重金屬離子、磷酸根、銨根離子、有機(jī)物等的實(shí)驗(yàn)，他們就鋼渣的用量、細(xì)度、反應(yīng)溫度、接觸時(shí)間、酸度以及廢水濃度等因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出鋼渣對金屬元素有良好吸附效果，且鋼渣可以在一定物質(zhì)的作用下解吸，進(jìn)入循環(huán)利用系統(tǒng)。即使實(shí)驗(yàn)效果良好，但鋼渣一直未進(jìn)入處理廢水的工業(yè)規(guī)模性應(yīng)用階段，其主要原因是鋼渣的造粒問題。當(dāng)普通鋼渣直接冷卻后，粒度不均勻，如果是常規(guī)的粉磨，又會(huì)破壞原有孔隙結(jié)構(gòu)，造成吸附效果的下降。因此鋼渣用于廢水吸附劑，目前核心問題在于鋼渣的造粒。

2.處理廢氣。我國的大氣污染類型為“混合型”，但是我國的工業(yè)廢氣大多屬于“煤炭型”，在工業(yè)廢氣中，主要的氣態(tài)污染物是SO2和NOX。在煙氣脫硫中，世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣和最有效的方法是以鈣基濕法脫硫，脫硫劑常為CaCO3和CaO，我國使用的脫硫劑雜質(zhì)比較高，因此石膏的純度也較低，基本作為廢物處理。從表1可知，鋼渣中含有40%-60%的CaO，且鋼渣的疏松多孔、表面積大等特點(diǎn)也可以使得鋼渣成為良好的吸收劑。

目前，國內(nèi)外對鋼渣應(yīng)用于煙氣脫硫方面的研究，僅有可數(shù)的幾篇，他們分別利用馬鋼和武鋼廠產(chǎn)生的廢鋼渣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)脫硫效率可以達(dá)到80%，說明應(yīng)用鋼渣進(jìn)行煙氣脫硫具有一定的可靠性，但尚未形成比較成熟的方法，有待于進(jìn)一步研究。

鋼渣的應(yīng)用是固體廢物綜合利用重要的一環(huán)，它不僅使鋼渣這種“放錯(cuò)地方的資源”不再占地、堆積及對環(huán)境的污染，而是重新煥發(fā)活力，加入到生產(chǎn)循環(huán)中，實(shí)現(xiàn)自身巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。這對中國鋼鐵業(yè)而言不僅是實(shí)現(xiàn)固廢“零排放”，更是“變廢為寶”，為企業(yè)和社會(huì)創(chuàng)造更大的價(jià)值。因此，開展鋼渣的基礎(chǔ)應(yīng)用研究工作，是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好型社會(huì)應(yīng)該解決的重點(diǎn)問題。

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表1 國內(nèi)主要鋼廠鋼渣化學(xué)成分表（%）

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