劉敬東 郭玉安

( 安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

0 前言

鋼渣是鋼鐵工業(yè)的主要固體廢棄物，每生產(chǎn)1 t鋼將產(chǎn)生約0．13 t 鋼渣。國外對鋼渣的利用越來越重視，鋼渣利用率在不斷提高，已成為鋼鐵企業(yè)可開發(fā)利用的寶貴資源。歐美、日本等發(fā)達(dá)國家的鋼渣利用率幾近100%，其中主要應(yīng)用在筑路、水泥、冶金配料和農(nóng)業(yè)化肥等生產(chǎn)中。我國鋼渣處理和綜合利用發(fā)展較晚，現(xiàn)在鋼渣的有效利用率僅為22%左右，而且大部分鋼渣用于填海、工程回填料，資源流失比例很大。

隨著國家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排工作的逐步推進(jìn)，我國在鋼鐵渣利用方面已經(jīng)引起了越來越多的重視。國家工信部2011年制定的《大宗工業(yè)固體廢棄物綜合利用“十二五”規(guī)劃》中明確指出: 以鋼渣提鐵及尾渣深度整體利用為重點(diǎn)，強(qiáng)化技術(shù)支撐，完善以冶煉渣綜合利用為核心的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，培育一批鋼渣預(yù)處理及深度綜合利用專業(yè)化企業(yè)集群。重點(diǎn)推廣鋼渣自解及穩(wěn)定化技術(shù)、大規(guī)模低能耗破碎磁選技術(shù)、鋼渣微粉和鋼鐵渣復(fù)合微粉應(yīng)用技術(shù)，發(fā)展鋼鐵渣在路面基層材料、采礦充填膠凝材料及建筑材料中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)鋼鐵渣集約化、規(guī)?；C合利用。積極推進(jìn)鋼渣綜合利用專業(yè)化企業(yè)與鋼鐵企業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)鋼渣“零排放”。

1 國內(nèi)先進(jìn)企業(yè)利用情況

國內(nèi)很多鋼鐵企業(yè)在鋼鐵渣資源化利用方面開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，應(yīng)用后取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。寶鋼除了在傳統(tǒng)方式上應(yīng)用鋼渣之外，還聚焦循環(huán)經(jīng)濟(jì)、專注技術(shù)開發(fā)、積極探索鋼渣綜合利用產(chǎn)業(yè)化之路。經(jīng)過10 余年的研究與開發(fā)，該公司已形成以“型砂化”、“混凝土化”、“制品化”和“微粉化”四化為核心技術(shù)的資源綜合利用系列化產(chǎn)品。武鋼成功研制“磨細(xì)鋼渣粉”和“鋼渣復(fù)合粉”兩項(xiàng)新產(chǎn)品。他們還研制出利用尾渣做瀝青混凝土骨料的科研成果，在武鋼內(nèi)部和武黃高速公路上得到運(yùn)用，提高路面的耐磨程度和防滑系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼渣再利用。

2 安鋼鋼渣利用現(xiàn)狀

安鋼已具備年產(chǎn)1000 萬t 鋼的能力，產(chǎn)能發(fā)揮后，每年將產(chǎn)生約130 萬t 轉(zhuǎn)爐鋼渣。目前是從鋼渣中選出廢鋼作為鋼鐵料返煉鋼使用，磁選渣返燒結(jié)配料使用，其余的向社會(huì)出售。由于受場地限制，生產(chǎn)的鋼渣必須當(dāng)天銷售，加上利用渠道不寬，銷售半徑受限，社會(huì)消費(fèi)量的不均衡將直接影響到鋼渣的外排，進(jìn)而威脅到主體工藝。外銷的鋼渣并沒有形成終端消費(fèi)，選鐵后的尾渣被丟棄填埋，這與國家產(chǎn)業(yè)政策定義的鋼渣綜合利用是不相符的。

鋼渣利用的首要目標(biāo)是最大限度的將金屬鐵從鋼渣中提取出來，返回?zé)掍摶驘掕F，節(jié)約資源，然后就是如何對選鐵后的尾渣進(jìn)行綜合利用，實(shí)現(xiàn)煉鋼固體廢棄物的綠色循環(huán)。因此在如何對鋼渣進(jìn)行深加工和資源化利用，提高經(jīng)濟(jì)效益，加快處理節(jié)奏，促進(jìn)鋼鐵主業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定順行方面。必須借鑒先進(jìn)鋼鐵企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身實(shí)際加快鋼渣資源化利用的研究，提高附加值，提高企業(yè)競爭力。

3 鋼渣的主要利用途徑

3．1 鋼渣用于冶金原料

3．1．1 鋼渣用作燒結(jié)材料

燒結(jié)礦中配加鋼渣代替熔劑，不僅回收利用了鋼渣中殘鋼、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化錳等有益成分，而且成了燒結(jié)礦的增強(qiáng)劑，提高了燒結(jié)礦的質(zhì)量和產(chǎn)量。燒結(jié)礦中適量配入鋼渣后，能顯著的改善燒結(jié)礦的質(zhì)量，使轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和結(jié)塊率提高，風(fēng)化率降低，成品率增加。再加上由于水淬鋼渣疏松、粒度均勻、料層透氣性好，有利于燒結(jié)造球及提高燒結(jié)速度。此外，由于鋼渣中Fe 和FeO 的氧化放熱，節(jié)省了燒結(jié)礦中鈣、鎂碳酸鹽分解所需要的熱量，使燒結(jié)礦燃料消耗降低。高爐使用配入鋼渣的燒結(jié)礦，由于強(qiáng)度高，粒度組成改善，盡管鐵品位略有降低，煉鐵渣量略有增加，但高爐操作順行，對其產(chǎn)量提高、焦比降低有利。

目前安鋼每年有含鐵品位25%左右的磁選鋼渣12 萬t 返燒結(jié)使用。但燒結(jié)中配加鋼渣值得注意的是磷富集問題，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，燒結(jié)礦中鋼渣配入量增加10 kg/t，燒結(jié)礦的磷含量將增加約0．0038%，而相應(yīng)鐵水中磷含量將增加0．0076%。另外，鋼渣的粒度過大對燒結(jié)礦質(zhì)量會(huì)帶來不利影響。如鋼渣平均粒度過大，較粗的鋼渣在燒結(jié)混合料中產(chǎn)生偏析，造成燒結(jié)礦的堿度波動(dòng)，給高爐生產(chǎn)帶來不利影響。

因此需要提高鋼渣破碎和篩分能力，保證粒度的均勻性，減少鋼渣在燒結(jié)混料中產(chǎn)生偏析，造成燒結(jié)礦堿度波動(dòng)，影響高爐生產(chǎn);解決配料過程中磷的富集問題。

3．1．2 鋼渣用作煉鋼返回渣料

使用部分轉(zhuǎn)爐鋼渣返回轉(zhuǎn)爐冶煉既能提高爐齡，促進(jìn)化渣，縮短冶煉時(shí)間，又可降低副原料消耗，并減少轉(zhuǎn)爐總的渣量。

寶鋼在國內(nèi)率先開發(fā)了轉(zhuǎn)爐脫磷脫碳的雙聯(lián)法工藝。即在轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行鐵水脫磷處理，出鋼后再進(jìn)行脫碳處理，可以穩(wěn)定地生產(chǎn)［P］含量低于80 ×10－6的超低磷鋼。在雙聯(lián)法工藝中，由于脫磷負(fù)荷主要由脫磷爐分擔(dān)，因此脫碳爐的鋼渣磷比較低，因而可以返回轉(zhuǎn)爐利用。

目前，寶鋼已經(jīng)成功進(jìn)行了轉(zhuǎn)爐D 渣、鑄余渣及脫碳爐的鋼渣返回轉(zhuǎn)爐利用的試驗(yàn)，結(jié)果表明，通過適當(dāng)?shù)墓に?，合理地將鋼渣返回轉(zhuǎn)爐利用，可以有效地促進(jìn)轉(zhuǎn)爐冶煉過程的前期化渣，降低副原料的消耗，達(dá)到降本增效的目的，而且，鋼渣的返回利用不會(huì)對鋼水質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

3．2 鋼渣作建筑材料

3．2．1 鋼渣用于水泥生產(chǎn)

由于鋼渣中含有和水泥相類似的硅酸三鈣、硅酸二鈣及鐵酸鈣等活性礦物，具有水硬膠凝性，因此可以成為生產(chǎn)無熟料水泥或少熟料水泥的原料，也可以作為水泥摻合料。水泥熟料是由石灰石、黏土和鐵粉等高溫焙燒而成。每分解1 t 石灰石需耗能2．1 MJ，排放440 kg 二氧化碳，因此鋼渣用于水泥生產(chǎn)可以有效降低能耗，減少溫室氣體效應(yīng)。

目前的鋼渣水泥品種有:無熟料鋼渣礦渣水泥、少熟料鋼渣礦渣水泥、鋼渣沸石水泥、鋼渣礦渣硅酸鹽水泥、鋼渣礦渣高溫型石膏白水泥和鋼渣硅酸鹽水泥等。水泥標(biāo)號(hào)從325 提高到425 以上，并制訂了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。鋼渣水泥不僅具有與礦渣水泥相同的物理力學(xué)性能，還具有水化熱低、耐磨、抗凍、耐腐蝕、高抗折強(qiáng)度等優(yōu)良特性。

影響水泥強(qiáng)度的關(guān)鍵因素是鋼渣礦渣水泥的細(xì)度。在水泥原料中，熟料和石膏的硬度比較小，容易破碎，而鋼渣的硬度比較大，渣內(nèi)還包裹著渣鋼粒，因此破碎比較困難。鋼渣細(xì)度越細(xì)，水化作用越快，強(qiáng)度增大速度越快。但比表面積過大，水量提高，強(qiáng)度反而會(huì)降低。另外，鋼渣水泥的早期強(qiáng)度較普通硅酸鹽水泥相對較低。

3．2．2 鋼渣用于混凝土

鋼渣在煉鋼的高溫下形成，因此渣中的硅酸二鈣和硅酸三鈣礦物結(jié)晶完整，晶粒粗大致密，水化硬化速度較慢。為了提高水泥水硬活性，需要用特殊的磨粉工藝和設(shè)備，原因是粉磨過程不僅僅是顆粒減少的過程，同時(shí)伴隨著晶體結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)的變化。粉磨能量中一部分轉(zhuǎn)化為物料新顆粒的內(nèi)能和表面能，同時(shí)產(chǎn)生晶體晶格的位錯(cuò)、缺陷或在表面形成易溶于水的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，加速水化反應(yīng)。

用鋼渣粉配制的混凝土具有較高的耐磨性、抗碳化性，水化熱低，抗折強(qiáng)度高，韌性好等，但早期強(qiáng)度低，如果采用鋼渣和礦渣雙摻粉，強(qiáng)度可以提高到C80。用鋼渣微粉配制的混凝土具有耐磨性好、水化熱低、和易性好等優(yōu)點(diǎn)，符合高性能混凝土的發(fā)展方向。鋼渣微粉技術(shù)是鋼渣綜合利用技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的集中體現(xiàn)，展示了鋼渣綜合利用技術(shù)的全面進(jìn)步。

3．2．3 鋼渣用于新型建筑材料

利用鋼渣微粉與高爐礦粉互相激發(fā)的特性，加以石膏等激發(fā)劑可配制出完全符合使用要求的高性能混凝土膠凝材。以此為基體，根據(jù)不同的使用方向，可配制出道路混凝土、海工混凝土等系列產(chǎn)品。其中鋼渣道路混凝土抗折、抗拉強(qiáng)度高，耐磨性、抗?jié)B性好;根據(jù)不同鋼渣的物理化學(xué)特性，應(yīng)用于耐磨地坪等多項(xiàng)新型建筑工程，其中鋼渣使用量達(dá)到70%生產(chǎn)的大理石與天然人造大理石相比具有耐磨性好、硬度高、耐高溫、放射性元素含量極低等獨(dú)特優(yōu)勢;用于GRC 制品不但達(dá)到同類石英砂材質(zhì)要求，體現(xiàn)高附加值，而且拓展了其在環(huán)藝工程領(lǐng)域的新途徑。

3．3 鋼渣用于道路工程

鋼渣用于筑路是鋼渣綜合利用的一個(gè)主要途徑。歐美各國鋼渣約有60%用于道路工程。鋼渣碎石的硬度和顆粒形狀都很適合道路材料的要求。鋼渣可以用于道路的基層、墊層及面層。一般是鋼渣與粉煤灰或高爐水渣中加入適量水泥或石灰作為激發(fā)劑，成為道路的穩(wěn)定基層。

鋼渣還可以用于瀝青混凝土路面。國內(nèi)外的研究表明，一些鋼渣的力學(xué)性能較碎石好，不僅耐磨，顆粒形狀和自然級(jí)配好，而且與瀝青有良好的粘附性，瀝青包裹后能防止鋼渣膨脹，其比熱值高，很適合瀝青混合料集料用于鋪筑路面。

鋼渣用于道路工程的最大危害是它的膨脹性，若不采取相應(yīng)措施就可能對工程造成極大的危害。解決鋼渣膨脹與粉化的關(guān)鍵是: 控制鋼渣的最大粒徑;設(shè)置合適的孔隙率;控制鋼渣內(nèi)f－CaO 含量。

目前，提高鋼渣穩(wěn)定性的有效途徑是:探索新的鋼渣處理工藝，力爭在鋼渣的初次處理中，降低f －CaO 含量，將磁選后的尾渣堆置濕存進(jìn)行陳化處理。

3．4 鋼渣用于地基回填和軟土地基加固

鋼渣做地基回填料主要控制鋼渣在地基的膨脹性能，鋼渣的膨脹性能是長期的，主要與鋼渣的物化性質(zhì)有關(guān)。堆放一年以上的鋼渣大部分已經(jīng)完成膨脹過程，塊度在200 mm 以下，可以做為回填材料，回填經(jīng)過8 個(gè)月后基本穩(wěn)定。在回填工程中地基下沉量一般是很大的，采用鋼渣作為地基回填材料，減少了地基的下沉值，對工程是有利的。在回填時(shí)要控制鋼渣鋪設(shè)的均勻性，才可避免地基的不均勻下沉。近年來國內(nèi)鋼渣作為回填材料已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。

鋼渣樁加固軟土地基是在軟地基中用機(jī)械成孔后填入鋼渣形成單獨(dú)的樁柱。當(dāng)鋼渣擠入軟土?xí)r，壓密了樁間土;然后鋼渣又與軟土發(fā)生了物理和化學(xué)反應(yīng)，鋼渣進(jìn)行吸水、發(fā)熱、體積膨脹，鋼渣周圍的水分被吸附到樁體中來，直到毛細(xì)吸力達(dá)到平衡為止;與此同時(shí)，樁周圍的軟土受到脫水和擠密作用。這個(gè)過程一般需要3 ～4 周才能結(jié)束。鋼渣入土水化后經(jīng)過凝結(jié)、硬化，產(chǎn)生強(qiáng)度，提高了地基加固的復(fù)合效果，加固了軟土地基。

4 結(jié)論

在鋼渣利用的諸多途徑中，鋼渣用于冶金原料實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，鋼渣用于建筑及道路工程材料，是鋼渣資源化利用的主流。提高鋼渣預(yù)處理技術(shù)，生產(chǎn)鋼渣粉用于制造干粉砂漿、水泥、磚和做混凝土摻合料、筑路材料，是我國鋼渣資源化利用的發(fā)展方向，也是安鋼鋼渣綜合利用研究的方向。

1) 探索新的鋼渣處理工藝，力爭在鋼渣的初次處理中，降低f － CaO 含量。為了提高鋼渣的粉化率，降低f－CaO 的含量。首先要優(yōu)化燜渣程序，其次嚴(yán)格控制燜渣時(shí)間、打水量，使鋼渣的理、化指標(biāo)達(dá)到道路工程所需要的要求。

2) 研究和改造新的鋼渣破碎、篩分和磁選工藝，增加磁選工序，進(jìn)一步回收鋼渣中含鐵元素，提高資源利用效率，同時(shí)控制尾渣粒度和級(jí)配要求，為道路工程利用創(chuàng)造條件。

3) 對鋼渣進(jìn)行密度、粒度、化學(xué)成分、物相構(gòu)成檢測分析，檢測鋼渣的理化性質(zhì)及主要成分的狀態(tài)。

4) 對鋼渣用作水泥、混凝土摻合料的可行性進(jìn)行系統(tǒng)研究，包括鋼渣體積安定性的改善措施、鋼渣活性的機(jī)械化學(xué)復(fù)合激發(fā)技術(shù)的研發(fā)。

5) 對鋼渣用作道路路基材料、混凝土小型空心砌塊骨料( 墻體材料) 、免燒磚骨料的可行性和效果進(jìn)行系統(tǒng)研究。

6) 制定鋼渣作路基墊層實(shí)驗(yàn)路段的施工手冊，對實(shí)驗(yàn)路段進(jìn)行檢測、觀察，通過所測數(shù)據(jù): 如彎拉強(qiáng)度、平整度、地表沉降值。得出鋼渣對路面性能所產(chǎn)生的各種影響。

7) 對鋼渣用作道路瀝青路面進(jìn)行系統(tǒng)研究。首先采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法對鋼渣瀝青混合料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，通過對瀝青用量進(jìn)行估計(jì)，然后在估計(jì)值用量附近進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，確定最佳瀝青用量，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)路段鋼渣瀝青路面的鋪設(shè)。

［1］楊景玲，朱桂林，孫樹杉．我國鋼鐵渣資源化利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢．冶金環(huán)境保護(hù)，2009(6) :26 －31，3．

［2］呂心剛．安鋼鋼渣處理現(xiàn)狀及發(fā)展之探索．河南冶金，2013，21(4) :20 －21，25，30．

［3］于明興，劉敬東，郭玉安，等． 實(shí)現(xiàn)鋼渣微粉生產(chǎn)的可行性探索．河南冶金，2012，20(2) :26 －28，48．