钢渣综合利用途径及处理工艺的选择

水泥 2006-11-24

　　钢铁工业是国民经济的基础产业，在国家经济快速发展的形势下，钢铁工业也呈现出跳跃式发展的态势，钢产量近几年不断提高，钢渣作为炼钢工艺流程的衍生物随着钢产量的提高年产量不断递增。据最新资料统计，2004年我国钢渣的产生量为3819万ｔ，钢渣利用率仅为10%左右，该数据显示钢渣利用率很低，距离钢铁企业固体废弃物“零”排放的目标尚远。积极开发和应用先进有效的处理技术和资源化利用新技术，提高其利用率和附加值，是钢铁企业发展循环经济，实现可持续发展的重要课题之一。

    钢渣利用途径和制约钢渣利用率的因素　　

    钢渣的利用途径大致可分为内循环和外循环，内循环指钢渣在钢铁企业内部利用，作为烧结矿的原料和炼钢的返回料。钢渣的外循环主要是指用于建筑建材行业。

    1　钢渣的内循环利用　　

    钢渣返烧结主要是利用钢渣中的残钢、氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化锰等有益成分，而且可以作为烧结矿的增强剂，因为它本身是熟料，且含有一定数量的铁酸钙，对烧结矿的强度有一定的改善作用，另外转炉渣中的钙、镁均以固溶体形式存在，代替溶剂后，可降低溶剂(石灰石、白云石、菱镁石)消耗，使烧结过程碳酸盐分解热减少，降低烧结固体燃料消耗。

    钢渣在钢铁企业内部循环历来受到重视和普遍采用，配加转炉渣的烧结矿可改善高炉的流动性，增加铁的还原产量。但是配矿工艺对返烧结有影响，过度使用会造成Ｐ等有害元素的富集；配加转炉渣的烧结矿品位、碱度有所降低。研究表明，当高炉炉料使用100%自熔性球团矿时，5%转炉渣作为溶剂加入会引起高炉运行不畅，原因是明显影响球团矿的软熔特性，增大软熔温度间隔，使炉渣粘性有增大趋势。另外钢渣的成分波动较大，烧结配矿时要求钢渣各种氧化物成分波动≤±2%，粒度要求一般小于3ｍｍ，钢渣在成分上很难满足要求，对钢渣破碎和筛分的要求也高。

    由于这些不利因素存在，尤其是各大钢铁公司普遍采用富矿冶炼，推行精料入炉方针，同时要求炼钢和炼钢工序的能耗和材料消耗指标不断降低，致使返回烧结利用的钢渣量越来越低。目前马钢混匀烧结矿中只加入1%左右，而且是间断式配加。

    2　钢渣的外循环利用　　

    钢渣的外循环主要是建筑建材行业，钢渣在此行业中利用受制约的主要因素是钢渣的体积不稳定性，钢渣不同于高炉渣的地方是钢渣中存在ｆＣａＯ、ｆＭｇＯ，它们在高于水泥熟料烧成温度下形成，结构致密，水化很慢，ｆＣａＯ遇水后水化形成Ｃａ(ＯＨ)2，体积膨胀98%，ｆＭｇＯ遇水后水化形成Ｍｇ(ＯＨ)2，体积膨胀148%，容易在硬化的水泥浆体中发生膨胀，导致掺有钢渣的混凝土工程、道路、建材制品开裂，因此钢渣在利用之前必须采取有效的处理，使ｆＣａＯ、ｆＭｇＯ充分消解才能使用。钢渣在建筑建材行业有以下几种利用途径。

    ——做水泥生料　　

    钢渣中ＣａＯ、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3含量之和能达到70%，这些成分对水泥都是有用的，钢渣做水泥生料主要作用是做水泥的铁质校正剂，目前生料中配加量为3%～5%，工艺比较成熟。水泥工艺中煅烧1ｔ石灰石产生440ｋｇＣＯ2，需500ｋｃａｌ热量，煅烧1ｔ熟料需230ｋｇ优质煤。水泥生料配放钢渣可以节约石灰石和煤，但其仍需煅烧的特征未从根本上消除对能源环保方面的负作用，而且钢渣的全铁含量在15%～28%之间，含铁量偏低，水泥生产企业在计算成本时，比较倾向于选择其他含铁量达到40%以上的废渣。

    ——做钢渣水泥原料和复合硅酸盐水泥的混合材　　

    根据对钢渣的岩相检定和Ｘ射线检定，钢渣之所以具有水硬胶凝性主要是含有水泥熟料中的一些矿物，Ｃ3Ｓ、Ｃ2Ｓ和铁铝酸盐，这些矿物都具有胶凝性，但其含量比水泥熟料少，慢冷的钢渣晶体发育较大，比较完整，活性较低，因而水化速度和胶凝能力都比熟料小。

    目前的钢渣水泥品种有无熟料钢渣矿渣水泥、少熟料钢渣矿渣水泥、钢渣沸石水泥、钢渣矿渣硅酸盐水泥和钢渣硅酸盐水泥，它们都有相应的国家标准和行业标准，掺量在20%～50%之间。钢渣水泥具有水化热低、耐磨、抗冻、耐腐蚀、后期强度高等优点。但是钢渣水泥的实际应用情况并不是很好，主要原因是钢渣的成分波动大，常随炼钢品种、原料来源和操作管理制度而变化，易引起水泥质量的波动；做水泥混合材时，不同方法处理的钢渣的易磨性不同，普遍比熟料难磨，使水泥磨制的台时产量降低，增加水泥生产成本。渣铁没有很好分离导致渣中金属铁含量高，也影响水泥的磨制；另外钢渣的活性矿物含量低且以Ｃ2Ｓ为主，造成钢渣水泥的早期强度低，新的水泥标准中取消了7天强度指标，增加了3天强度指标，致使钢渣水泥难以达到标准要求。

    ——钢渣微粉做混凝土掺和料　　

    钢渣微粉开发利用研究是近年来继矿渣微粉大规模应用后而出现的热门话题，钢渣生产微粉或者复合微粉可以消除钢渣水泥生产中易磨性差异问题，钢渣通过磨细到一定细度，比表面积大于400ｍ²ｋｇ时，可以最大程度地清除金属铁，通过超细粉磨使物料晶体结构发生重组，颗粒表面状况发生变化，表面能提高，机械激发钢渣的活性，发挥水硬胶凝材料的特性。　　

    钢渣微粉和矿渣微粉复合时有优势叠加的效果，钢渣中的Ｃ3Ｓ、Ｃ2Ｓ水化时形成的氢氧化钙是矿渣的碱性激发剂。最新资料表明，矿渣渣粉做混凝土掺合料使用虽然可以提高混凝土强度，改善混凝土拌合物的工作性、耐久性，但由于高炉渣的碱度低(%ＣａＯ+%ＭｇＯ)/(%ＳｉＯ2+%Ａｌ2Ｏ3)，约为0.9～1.2，大掺量时会显著降低混凝土中液相碱度，破坏混凝土中钢筋的钝化膜(ｐＨ<12.4易破坏)，引起混凝土中的钢筋腐蚀，另外高炉渣是以Ｃ3ＡＳ、Ｃ2ＭＳ2为主要成分的玻璃体，粒化高炉渣粉的胶凝性来源于矿渣玻璃体结构的解体，只有在Ｃａ(ＯＨ)2作用下才能形成水化产物，钢渣碱度高(%ＣａＯ+%ＭｇＯ)/(%ＳｉＯ2)，约为1.8～3.0，矿物主要是Ｃ3Ｓ、Ｃ2Ｓ、ＣＦ、Ｃ3ＲＳ2、ＲＯ等，钢渣中的ｆＣａＯ和活性矿物遇水后生成Ｃａ(ＯＨ)2，提高了混凝土体系的液相碱度，可以充当矿渣微粉的碱性激发剂。掺入钢渣微粉的混凝土具有后期强度高的特性，见表1。因此钢渣和矿渣复合粉可以取长补短，性能更加完善。

表1　用磁选后尾渣及风碎渣制成微粉与高矿渣微粉的复合微粉代替20%的52.5Ｒ水泥作掺和料的砼3个月强度值

混凝土龄　期	基准纯水泥		20%矿渣微粉		20%钢渣矿渣复合		20%风淬渣矿渣复
	抗压强度		砼抗压强度比		微粉砼抗压强度比		合微粉抗压强度比
	砼标号	ＭＰａ	砼标号	压比/%	砼标号	抗压比/%	砼标号	抗压比/%
7天	Ｃ40	41.2	Ｃ20	71.8	Ｃ30	80.6	Ｃ30	73.8
28天	Ｃ45	47.8	Ｃ40	91.8	Ｃ45	96.7	Ｃ40	93.01
90天	Ｃ55	56.2	Ｃ50	94.1	Ｃ50	97	Ｃ60	107.7

    凝土中的钢渣粉”国家标准、建设部建筑科学研究院负责起草的“矿物掺合技术规范”国家标准已经完成，钢渣微粉将成为我国钢渣高价值利用的最佳途径，和矿渣微粉复合应用是混凝土掺合料的最佳方案。

    ——做道路材料　　

    钢渣经过稳定化处理后可以做道路垫层和基层，其强度、抗弯沉性、抗渗性均优于天然石材，有相应的行业标准“ＹＢ/Ｔ801 1993工程回填用钢渣”和“ＹＢ/Ｔ803 1993道路用钢渣”，但是钢渣做回填和道路垫层、基层其附加值低，钢铁企业和建筑单位对此都不太重视。
钢渣经过风淬稳定化处理后可以代替细骨料做沥青混凝土和水泥混凝土路面材料，其防滑性、耐磨性、使用寿命都提高，钢渣的附加值也大大提高。　　

    安徽省马鞍山市1987年建设的湖南路工程，使用了风淬钢渣砼试验路面，和黄砂砼路面比较，2003年1月7日对路面钻芯取样后检测强度的结果如表2所示。

表2　通车使用15年两种砼工程路面钻芯取样抗压强度对比表ＭＰａ

砼种类	28天强度		25年后强度
砼种类	抗　压	抗　折	抗　压
风淬钢渣砼路面	47.86	6.23	85.26
黄砂砼路面	43.54	5.56	70.10

    ——做砖、瓦、砌块及混凝土预制件　　

    钢渣经过稳定化处理后可以做地面砖、免烧砖、混凝土预制件等建材制品，掺量大，能达到60%以上，强度和耐久性高于黏土砖和粉煤灰砖，能节省大量的水混和黏土，但钢渣比重较大，不太适宜做实心的墙体砖。这类实用技术是全国新型墙体材料改革的重点推广技术。

    综上所述，钢渣的循环利用应着重放在建筑和建材行业，在水泥、混凝土、路面和建材制品中的利用是钢渣利用的发展方向。因此钢铁企业内液态钢渣的处理应该围绕这些利用途径，进行钢渣处理工艺的选择。

    目前高温液态钢渣处理工艺的比较　　

    目前国内外钢渣资源化处理工艺由于炼钢设备、工艺、造渣制度、钢渣物化性能的多样性及其利用上的多种途径呈现多样化，有冷弃法、闷渣法、热泼法、盘泼法、水淬法、滚筒法、风淬法、粒化轮法等。这些工艺都有各自的优缺点。具体情况见表3。　　

表3　钢渣处理工艺优缺点及应用实例

处理方式	工艺特点及过程	优点	缺点	应用厂家
热闷法	利用高温液态渣的显热洒水产生物理力学作用和游离氧化钙的水解作用使渣碎化	工艺简单，适于处理高碱度钢渣、钢渣活性较高、安定性较好，并能处理固态渣	粒度不均匀、后续破碎加工量大、处理周期长	鞍钢、首钢、涟钢、宝钢
热泼法	在炉渣高于可淬温度时，以有限的水向炉渣喷洒，使渣产生的温度应力大于渣本身的极限应力，产生碎裂，游离氧化钙的水化作用使渣进一步裂解	排渣速度快，冷却时间短、便于机械化生产，处理能力大；钢渣活性较高、生产率高	设备损耗大，占地面积大，破碎加工粉尘大，蒸汽量大；钢渣加工量大。对环境和节能两方面都不利。钢渣安定性差	唐钢、武钢二炼钢
盘泼法	是将热熔渣倒在渣罐中，运至渣盘边，用吊车将罐中的渣均匀倒在渣盘中，待表面凝固即喷淋大量水急冷，再倾翻到渣车中喷水冷却，最后翻入水池中冷却	快速冷却、占地少、处理量大、粉尘少、钢渣活性较高	渣盘易变形、工艺复杂、运行和投资费用大。钢渣安定性差	新日铁、宝钢
水淬法	高温液态渣在流出、下降过程中被压力水分割、击碎，再加上高温熔渣遇水急冷收缩产生应力集中而破裂，同时进行了热交换，使熔渣在水幕中粒化	排渣快、流程简单、占地少、投资少，处理后钢渣粒度小(5ｍｍ左右)，性能稳定	熔渣水淬时操作不当，易发生爆炸，钢渣粒度均匀性差。只能处理液渣	济钢、齐齐哈尔车辆厂、美国伯利恒钢铁公司
滚筒法	高温液态钢渣在高速旋转的滚筒内，以水作冷却介质，急冷固化、破碎	排渣快、占地面积较小，污染小，渣粒性能稳定	钢渣粒度大，不均匀( >9.5ｍｍ达18%)，活性差，设备较复杂，且故障率高，设备投资大。只能处理液态渣	宝钢二炼钢
风淬法	用压缩空气作冷却介质，使液态钢渣急冷、改质、粒化	安全高效，排渣快、工艺成熟，占地面积较小。污染小，渣粒性能稳定，粒度均匀且光滑( >5ｍｍ没有)，投资少	只能处理液态渣	日本钢管公司福山厂、台湾中钢集团、重钢
粒化轮法	将液态钢渣落到高速旋转的粒化轮上，使熔渣破碎渣化，喷水冷却	排渣快、适宜于流动性好的高炉渣	设备磨损大，寿命短，处理量大则水量小时易发生爆炸，处理率低。粒度不均匀( >9.5ｍｍ达29%)	沙钢

选择处理工艺一般从钢渣综合利用途径、节能和环境保护、投资这几方面综合考虑，在满足炼钢工艺顺利进行的前提下，结合考虑液态钢渣的黏度和流动性，选择相对合理的处理工艺，达到渣铁的有效分离，尽量保持钢渣的活性，降低钢渣的不稳定性。　　

从表3可知，从液态钢渣流动性的角度考虑，滚筒法、风淬法、水淬法和粒化轮法只能处理流动性好的钢渣，盘泼法、热泼法和热闷法可以处理流动性差的渣；从工艺繁杂程度、装置投资角度看，风淬法、热闷法较简单，投资少、设备磨损小；从节能和环境保护角度考虑，风淬法、热闷法、滚筒法可行；从处理后钢渣粒度的均匀程度考虑，风淬法得到的钢渣粒度最小而且均匀；从处理后钢渣的安定性和活性考虑，风淬法和热闷法较好；因此，处理流动性好的钢渣的最佳工艺是风淬法，处理流动性差的钢渣的最佳工艺是热闷法。

风淬法和热闷法原理　　

    风淬法用压缩空气作介质，在风淬时，熔融和半熔融渣粒随压缩空气向前飞行，在击碎的飞行过程中，压缩空气对高温液态钢渣有一个较强的氧化作用，风淬后，钢渣中的ＦｅＯ相消失，含ＦｅＯ的石灰不稳定相明显减少，而2ＣａＯＦｅ2Ｏ3稳定相增加，而这是其他任何一种钢渣处理方式都不可能实现的，在用水补充冷却时强化了ｆＣａＯ的消解反应，粒化和冷却过程使钢渣中的不稳定相基本消失，颗粒表面非晶态矿物相显著增加，钢渣的潜在活性提高。由于钢水和液态钢渣的表面张力不同，风淬过程可使渣铁得到良好的分离，固态渣和钢都呈球型细小颗粒，渣包钢的情况不会出现，风淬后经过简单的磁选便能使渣铁分离。液态钢渣通过调整风淬过程的工艺参数可使风淬渣的平均粒度达到2ｍｍ左右，且粒度分布区间较窄，代替黄砂做混凝土细骨料可直接使用，生产钢渣微粉能减少粗破碎工序，直接进入粉磨机。

    热闷法是将热融钢渣冷却至800～300℃装入热闷装置中喷雾遇热渣产生饱和蒸汽，与钢渣中游离氧化钙ｆＣａＯ、游离氧化镁ｆＭｇＯ发生反应，使钢渣自解粉化，达到钢渣破碎的目的，同时消除了钢渣的不稳定因素，使钢渣在建筑建材上的应用安全可靠，磁选后尾渣的利用率可为100%。该工艺不用大量的水浸泡保证了钢渣中水硬性矿物Ｃ3Ｓ、Ｃ2Ｓ的活性不下降，同时热闷法对喷溅渣、流动性差的钢渣都能进行处理。
　　
    提高钢铁企业钢渣利用率的主要途径是在建筑建材行业多途径利用，应大力开发和完善钢渣在建筑建材行业中的应用技术，围绕此主要利用途径反向选择钢渣处理工艺。从钢铁企业的钢渣整体情况和提高钢渣的处理率来看，认为风淬法和热闷法联合应用是非常稳妥的最佳选择，风淬法处理流动性较好的液态钢渣，使60%左右的钢渣处理后粒度适宜，加工量小、活性大、安定性好，其余流动性较差的液态钢渣和固态渣采用热闷法处理，使之活性大、安定性好，这样就为钢铁企业的比较难以利用的二次资源—钢渣的100%利用打下坚实的基础。

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