邢天鵬，俞雅俊，孫振國(guó)，李晶國(guó)，季平

（中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310003）

0 前言

在鋼鐵冶煉過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的鋼鐵廢渣，按來(lái)源不同，分為高爐渣和鋼渣。其中，每生產(chǎn)1 t鐵產(chǎn)生0.25～0.50 t高爐渣，每生產(chǎn)1 t鋼產(chǎn)生0.15～0.20 t鋼渣。2012年我國(guó)鋼渣的排出量約9300萬(wàn)t，高爐渣的排量約為22134萬(wàn)t，綜合利用率分別為22%和78%，遠(yuǎn)低于國(guó)際先進(jìn)水平。

我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量世界第一，但鋼鐵廢渣的利用率卻很低，導(dǎo)致我國(guó)目前累積堆存了10萬(wàn)億多t未處理的鋼渣。這不僅對(duì)鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展造成壓力、還會(huì)成為環(huán)境污染的重要因素，如處理不當(dāng)，會(huì)給土壤、水系、大氣等帶來(lái)嚴(yán)重污染，并對(duì)公眾的生命健康安全造成危害。因此，對(duì)鋼渣進(jìn)行綜合利用，實(shí)現(xiàn)其減量化、資源化和無(wú)害化，對(duì)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是非常必要的。

傳統(tǒng)鋼渣的資源化主要是用于筑路的基材，或利用鋼渣中含量很高的CaO、FeO以及一定比例的MgO、MnO等組分，將鋼渣制成球后返回?zé)掍摖t作為有效熔劑使用，可降低礦石消耗及能源消耗。但在這些用途中，鋼渣利用量有限，附加值也很低。想要提高鋼渣利用量和附加值，一個(gè)非常用效的途徑就是將鋼渣超細(xì)粉磨后作為水泥的混合材來(lái)生產(chǎn)鋼渣水泥，或者用作混凝土的活性摻入料來(lái)配制高性能混凝土等。

1 鋼渣的物理化學(xué)特性

1.1 鋼渣的物理性能

鋼渣的物理特性類似于過(guò)燒熟料，超細(xì)粉磨后具有潛在水硬性。由于鋼渣的易碎性差，并且含有一定的金屬鐵粒，既難破碎又難粉磨，粉磨效率低、電耗高。如何提高粉磨效率、降低粉磨電耗，直接影響到鋼渣資源的綜合利用水平。

1.2 鋼渣的化學(xué)特性

國(guó)內(nèi)幾大鋼廠轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學(xué)成分見(jiàn)表1[1]。

表1 國(guó)內(nèi)主要鋼廠轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學(xué)成分 %

鋼渣的礦物組成較為復(fù)雜，常見(jiàn)的有：硅酸三鈣、硅酸二鈣、鐵酸鈣、薔薇輝石、橄欖石、RO相、游離氧化鈣等。堿度較高的鋼渣中硅酸三鈣和硅酸二鈣含量較多，使鋼渣具有類似硅酸鹽水泥熟料的水硬膠凝性，但由于鋼渣形成溫度較高（1600～1700℃），比硅酸鹽水泥熟料的燒成溫度高100～200℃，因此，鋼渣中的C3S、C2S的結(jié)晶致密，晶粒粗大，水化硬化緩慢，又被稱為過(guò)燒的水泥熟料，磨細(xì)后具有一定的水硬膠凝性。

2 鋼渣的預(yù)處理工藝

鋼渣的預(yù)處理是利用鋼渣本身的特性，通過(guò)達(dá)到快速冷卻液態(tài)渣保證不影響煉鋼工藝流暢性的前提下，同時(shí)充分提取鋼渣中的廢鋼以獲得經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)內(nèi)主要采用熱悶法、水淬法、風(fēng)淬法、熱潑法或淺盤熱潑法及滾筒法等預(yù)處理工藝。

風(fēng)淬法、水淬法和滾筒法預(yù)處理工藝較復(fù)雜，對(duì)鋼渣流動(dòng)性的要求較嚴(yán)格，需要配備其它處理設(shè)備才能100%處理熱態(tài)鋼渣。熱潑法、淺盤熱潑法的預(yù)處理工藝簡(jiǎn)單，且處理能力大，但是對(duì)環(huán)境的影響亦較大，且處理的效果不佳。

熱悶法預(yù)處理工藝流程簡(jiǎn)單又合理，兼顧了鋼渣中渣鋼分離的處理效果，符合環(huán)境保護(hù)的要求，是目前最為推廣應(yīng)用的鋼渣處理工藝。

熱悶預(yù)處理工藝：將1600℃液態(tài)鋼渣利用高壓水噴成10 mm的鋼渣，溫度也降到800℃；再倒進(jìn)渣坑，溫度繼續(xù)降到320℃，在壓力為0.3 MPa條件下經(jīng)熱悶8～12 h，制成8～10 mm的?；撛?。粒化后的鋼渣一般含有8%～11%的水分，粒化效果越好水分越均勻，這可減少或避免了磁選時(shí)的粉塵污染，環(huán)保效果較好。

該工藝主要通過(guò)密閉渣坑內(nèi)熱鋼渣遇水產(chǎn)生大量飽和蒸汽使其自行碎裂粉化。這樣的處理可以充分利用鋼渣余熱產(chǎn)生的飽和蒸汽消解鋼渣中的f-CaO和f-MgO，同時(shí)產(chǎn)生體積膨脹應(yīng)力，使鋼渣冷卻、龜裂、粉化，實(shí)現(xiàn)鋼渣穩(wěn)定化及渣、鋼分離。回收的廢鋼鐵返回?zé)掍?，鋼渣尾渣磨?xì)成鋼渣粉等量取代0～30%的水泥配制混凝土或制成其它產(chǎn)品，可用于工業(yè)與民用建筑中，使鋼渣達(dá)到“零排放”。

3 鋼渣粉的生產(chǎn)工藝

鋼渣尾渣磨細(xì)后制備成鋼渣粉，鋼渣粉中位粒徑一般為12～15 μm，小于30 μm的一般在80%左右。鋼渣粉不僅粒度小，其晶體結(jié)構(gòu)（晶格錯(cuò)位、缺缺陷以及重結(jié)晶）以及表面物理化學(xué)性能也發(fā)生變化，從而加大了鋼渣活性以及加速了水化反應(yīng)，成為水硬性膠凝材料。

鋼渣粉生產(chǎn)工藝主要分為球磨機(jī)粉磨工藝、臥式輥磨粉磨工藝、輥式立磨粉磨工藝。

3.1 球磨粉磨工藝

球磨機(jī)系統(tǒng)是我國(guó)最早采用的鋼渣粉磨處理系統(tǒng)，具有流程簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、生產(chǎn)可靠、操作要求低和投資省的特點(diǎn)，但能耗高（單位電耗90 kW·h/t），單機(jī)能力小，生產(chǎn)較高細(xì)度鋼渣粉時(shí)，處理效率偏低。而由中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院優(yōu)化改進(jìn)的球磨粉磨工藝采用高壓輥磨機(jī)+球磨機(jī)生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)工藝分為：鋼渣初磨系統(tǒng)以及鋼渣終磨系統(tǒng)。

鋼渣初磨系統(tǒng)：由輥壓機(jī)、V型選粉機(jī)和收塵器組成預(yù)粉磨閉路擠壓工藝系統(tǒng)，物料經(jīng)過(guò)多次擠壓、分選、除鐵、烘干，逐步細(xì)化粉化，由收塵器收集細(xì)料進(jìn)入鋼渣終磨系統(tǒng)。初磨系統(tǒng)生產(chǎn)能力為32 t/h，鋼渣細(xì)粉（半成品）比表面積約為260 m2/kg（一部分可直接成為鋼渣粉產(chǎn)品）。

鋼渣終磨系統(tǒng)：由球磨機(jī)、高效選粉機(jī)和收塵器組成終磨閉路工藝系統(tǒng)，半成品粉料經(jīng)過(guò)多次球磨、分選、進(jìn)一步粉化，最終粉磨至鋼渣微粉成品，由收塵器收集微粉料進(jìn)入成品料倉(cāng)。終磨系統(tǒng)生產(chǎn)能力為32 t/h，產(chǎn)品（鋼渣微粉）比表面積≥450 m2/kg。

球磨粉磨工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 球磨粉磨工藝流程

優(yōu)化后的工藝系統(tǒng)繼承了原有球磨系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、生產(chǎn)可靠、操作簡(jiǎn)單和投資省的特點(diǎn)，也大幅降低了系統(tǒng)能耗（單位電耗為60kW·h/t），穩(wěn)定地生產(chǎn)出比表面積≥450 m2/kg，其它性能符合GB/T 20491—2006《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》標(biāo)準(zhǔn)要求的鋼渣微粉。

3.2 臥式輥磨粉磨工藝

臥式輥磨粉磨工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 臥式輥磨粉磨工藝流程

臥式輥磨粉磨工藝原理介于輥壓機(jī)和球磨機(jī)之間，特點(diǎn)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的筒體內(nèi)嵌襯板，筒內(nèi)有圓輥和筒體產(chǎn)生的壓力及碾壓力將物料磨細(xì)。該工藝設(shè)備能耗低，磨損小，粉磨細(xì)度可以達(dá)470～500 m2/kg，主機(jī)電耗為31 kW·h/t。但前期投資較大，國(guó)內(nèi)設(shè)備技術(shù)不成熟，設(shè)備需要國(guó)外進(jìn)口。

3.3 輥式立磨生產(chǎn)工藝

輥式立磨生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 輥式立磨生產(chǎn)工藝流程

輥式立磨生產(chǎn)工藝集破碎、粉磨、烘干、選粉為一體，具有電耗低、密封性能好、占地面積小、流程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)選粉機(jī)的轉(zhuǎn)速、磨機(jī)風(fēng)機(jī)的氣流量和碾磨壓力，可獲得要求的細(xì)度以及粒徑分布。成品粉磨細(xì)度可以控制在300～600m2/kg，主機(jī)電耗為43 kW·h/t。但是輥式立磨對(duì)鋼渣的適應(yīng)性比較差，因?yàn)樵谌肽デ暗奈沽掀C(jī)上必須設(shè)置電磁除鐵器和金屬探測(cè)器以防止金屬硬物進(jìn)入磨機(jī)，造成對(duì)立磨損害，而鋼渣的金屬含量較高且不易被除鐵器除掉，容易因金屬探測(cè)器信號(hào)引起分料三通閥頻繁動(dòng)作使磨盤上的物料太少，致使磨機(jī)震動(dòng)甚至引起停機(jī)。將來(lái)隨著設(shè)計(jì)手段和觀念的轉(zhuǎn)變以及工藝技術(shù)的日益成熟，立磨系統(tǒng)的投資大大降低，與閉路球磨系統(tǒng)基本持平或略高。但由于其使用性能和產(chǎn)品電耗方面的較大優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

4 鋼渣粉在建筑材料行業(yè)的應(yīng)用

鋼渣中含有和水泥相類似的硅酸三鈣、硅酸二鈣及鐵鋁酸鹽等活性礦物質(zhì)，具有水硬膠凝性。大量對(duì)比試驗(yàn)以及實(shí)際應(yīng)用表明，優(yōu)質(zhì)鋼渣粉在比表面積為550 m2/kg時(shí)，其活性與高爐礦渣相似，這說(shuō)明鋼渣粉有著良好的市場(chǎng)前景，是活性混合材的有益補(bǔ)充[2]。

4.1 鋼渣水泥的應(yīng)用

鋼渣礦渣水泥（簡(jiǎn)稱鋼渣水泥）是以鋼渣、?；郀t渣為主要組分，加入適量硅酸鹽水泥熟料和石膏，磨細(xì)制成水硬性膠凝材料。由于鋼渣水泥是以鋼渣和?；郀t礦渣為主要原材料，生產(chǎn)該產(chǎn)品可以節(jié)省石灰石資隙，節(jié)省能源，減少CO2和煙塵對(duì)環(huán)境的污染，因此也可稱為“綠色水泥”。

在水泥熟料中摻入10%鋼渣粉配制成鋼渣水泥無(wú)論是抗折強(qiáng)度還是抗壓強(qiáng)度特別是后期強(qiáng)度都比普通水泥要高[3]。

鋼渣水泥不僅具有與普通硅酸鹽水泥相同的物理性能，而且還有后期強(qiáng)度高、抗折強(qiáng)度高、抗?jié)B性好、耐磨性好、微膨脹、水化熱低、耐腐蝕等一系列特點(diǎn)。鋼渣水泥主要應(yīng)用于一般工業(yè)與民工建筑、地下工程和防水工程、大體積混凝土工程，以及對(duì)抗?jié)B、抗硫酸鹽侵蝕、耐磨性有一定要求的特種工程。

4.2 鋼渣粉作為摻合料的利用

實(shí)驗(yàn)研究表明，混凝土中摻加鋼渣粉或復(fù)合鋼渣粉后，抗折強(qiáng)度變高，耐磨性能變好，而且還可以改善新拌混凝土的工作性能，尤其能降低水化熱峰值、延遲峰值發(fā)生時(shí)間，而且隨摻量的增加效果更明顯。另外，鋼渣微粉配制的混凝土具有微膨脹的特點(diǎn)，能夠補(bǔ)償收縮，使混凝土后期干縮減小，可廣泛用作高性能水泥混凝土摻合料使用，使其抗折強(qiáng)度、耐磨性能、水化熱、干縮性能等混凝土理化作用得到明顯改善[4]。

鋼渣粉在國(guó)內(nèi)的實(shí)踐應(yīng)用：如福建省福寧高速公路A19標(biāo)段中的碼頭大橋、岐后大橋和下白石大橋均使用了摻鋼渣粉的摻合料。

鋼渣微粉在建筑行業(yè)的應(yīng)用使得它替代水泥后起到了降低CO2的污染源排放作用，每1 t鋼渣用于水泥制品，可減少CO2排放0.815 t，如全部利用，每年可少排放2.4億t CO2，對(duì)我國(guó)CO2減排貢獻(xiàn)巨大[5]。因此，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。

[1]韋響，李源，蔡敏.鋼鐵渣綜合利用述評(píng)[J].山西冶金，2011（4）：4-5.

[2]靳志剛，陳艷生.大規(guī)模制備鋼渣粉的技術(shù)及裝備[R]//第三屆冶金渣綜合利用技術(shù)專題研討會(huì)暨鋼渣粉應(yīng)用項(xiàng)目對(duì)接會(huì)，2015：70-71.

[3]朱躍剛，李燦華，程勇.鋼渣粉做水泥摻合料的研究與探討[J].廣東化工，2005（11）：59-62.

[4]金強(qiáng)，賀鴻珠，楊剛，等.寶鋼鋼渣在混凝土材料中資源化應(yīng)用技術(shù)研究[J].寶鋼技術(shù)，2010（3）：21-22.

[5]方麗華，何建松，段江濤，等.鋼渣綜合利用途徑及其發(fā)展方向[J].昆鋼科技，2013（5）：46-51.