冶金工业固体废物钢渣的综合利用

高 瑞，程芳琴

（山西大学资源与环境工程研究所，山西 太原 030006）

传统的工业经济发展模式，高强度的开采和资源消耗，造成资源短缺与生态环境恶化。要从根本上解决环境、资源与发展之间的矛盾，就必须实施清洁生产和循环经济战略，保护环境，充分利用废弃物资[1-2]。工业固体废物作为最主要的固废来源之一，其资源化利用对于缓解资源短缺和生态环境恶化有重要意义。

钢渣是冶金工业固体废物的一种，我国每年钢渣的排放量非常大，2008年排放量约为6 357万t，但因技术限制，利用率很低，仅为20％，目前累积堆存量已近1亿t，而且每年仍以数百万吨的排渣量递增[3]。钢渣的大量堆弃不仅占用了大量土地，还严重污染了生态环境，同时也造成资源的极大浪费，因此钢渣的综合利用势在必行。

1 钢渣概述

1.1 钢渣的来源

钢渣是炼钢过程排出的熔渣，主要是金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蚀的炉衬料和补炉材料、金属炉料带入的杂质，以及为调整钢渣性质而特意加入的石灰石、白云石、铁矿石、硅石、萤石等造渣材料，是炼钢过程中的必然副产物[4]。

1.2 钢渣的组成

钢渣的主要化学成分有：CaO，SiO2，Al2O3，FeO，Fe2O3，MgO，MnO，P2O5，f-CaO，有的还含有 V2O5，TiO2等，成分有较大范围的波动。表1所示为我国几个大型钢铁企业钢渣的主要化学成分。

表1 我国几个大型钢铁企业钢渣的化学成分 ％

1.3 钢渣的加工方法

钢渣均需加工处理才能利用，加工过程包括破碎、分选和陈化。粗破碎常用颚式破碎机，细破碎用圆锥式破碎机。分选加工包括磁选和筛分，磁选主要去除其中的废钢渣，筛分获得所需粒度的规格渣。陈化堆存是为了使f-CaO等进一步消解，使钢渣趋于稳定。钢渣加工工艺流程见图1所示。

2 钢渣的综合利用

2.1 国内外钢渣综合利用状况

国外工业发达国家20世纪初期就开始研究钢渣的利用方法，这期间，主要的用途是填海和筑路，20世纪70年代后，钢渣的处理和综合利用技术得到了进一步发展，其综合利用率得到迅速提高，主要应用在水泥、冶金配料和农业化肥等生产中。

我国钢渣处理和综合利用发展较晚，20世纪后期，钢渣在烧结、农业化肥、炼铁和水泥生产中的利用量仅为100多万t，有效利用率仅为10％，大部分钢渣用于填海、工程回填料、筑路、油田建设等，资源流失比例很大。近年来用钢渣处理废水的研究越来越多，研究表明钢渣是一种性能优异的吸附剂，这无疑为钢渣的利用开辟了一个新领域，同时也是以废治废的典型代表。

2.2 利用磁选工艺回收废钢铁

钢渣经破碎、磁选、筛分等分选技术可回收其中90％以上的废钢，磁选出的渣钢，一般含铁在55％以上。图2为钢渣机械破碎回收渣钢的工艺流程。

2.3 作为冶金原料

钢渣作为冶金原料主要用于炼铁烧结熔剂、炼铁高炉熔剂以及炼钢返回渣等。一般的炼铁烧结熔剂、炼铁高炉熔剂以及炼钢熔剂是石灰石，钢渣中含有40％～50％的CaO，MgO，MnO和铁的氧化物等有益成分，1 t钢渣相当于700～750 kg的石灰石。所以将钢渣代替石灰石作为冶金原料具有可以降低燃料消耗和生产成本，软化温度低，物相均匀，可以改善高炉运行状况及高效节能的优点。

2.4 作为建筑材料

钢渣中含有和水泥相类似的硅酸三钙、硅酸二钙及铁铝酸盐等活性矿物质，具有水硬胶凝性。同时钢渣碎石具有密度大、强度高、表面粗糙、稳定性好、耐磨与耐久性好、与沥青结合牢固等特点，因此可以用作生产无熟料或少熟料的水泥、钢渣砖，以及用于铁路、公路和工程回填等。将钢渣按一定的比例掺入水泥熟料中可以生产钢渣矿渣水泥、钢渣硅酸盐水泥及钢渣白水泥等；将粉状钢渣或水淬钢渣为主要原料掺入部分高炉水渣或粉煤灰和激发剂中加水搅拌，经轮碾、压制成型、蒸养，可制成建筑用砖，用于民用建筑中砌筑墙体、柱子、沟道等；钢渣广泛用于各种路基材料、工程回填、修砌加固堤坝、填海工程等方面代替天然碎石，但缺点是其体积稳定性，必须对其稳定性进行检验并采取措施，促使其完全消解。

2.5 农业方面的应用

钢渣中含有P，Si，Ca，Mg等有利用价值的元素，可以起到不同程度的肥效作用，因此可以用作生产钢渣磷肥、钢渣硅肥、酸性土壤改良剂以及钙镁磷肥等。

钢渣磷肥是由含磷生铁用托马斯法炼钢时所生成的碱性炉渣经轧碎、磨细而得，主要有效成分是磷酸四钙和硅酸钙的固溶体，并含有镁、铁、锰等元素，适用于酸性土壤，可作基肥。用南京钢铁厂低品位的钢渣磷肥在江苏土壤上试验，按有效五氧化二磷2.5 kg/667 m2施用，结果表明对水稻的肥效显著优于过磷酸钙；在江苏江宁土壤上以含五氧化二磷7.79％马钢钢渣磷肥对大豆进行肥效试验，按五氧化二磷3 kg/667 m2施用，其增产效果也明显高于过磷酸钙。

钢渣硅肥中含有较多的可被植物吸收的活性硅，施用具有极好的效果，主要用于水稻、小麦、玉米等喜硅作物，尤以水稻对硅最敏感[5]。在辽宁省主要类型的水稻土上进行实验，结果表明，可改善水稻的生长状况，增加水稻产量，增产幅度为8.3％～20.9％；在湖北丘陵黄土、黄红土水稻田中施用碱性钢渣粉的实验表明，施用钢渣粉，都有不同程度的增产效果，增产率可达3.0％～17.6％。

钢渣中含有较高的CaO和MgO，因而具有很好的改良酸性土壤和补充钙镁营养元素的作用[5]。浙江金华地区土壤酸化严重，用含42％CaO的钢渣作基肥，大麦产量明显提高，其他农作物如大白菜、菠菜、豆类，以及棉花和果树等都有良好的增产效果，增产率可达30.6％以上。

钢渣中除含有硅、磷等有效成分可直接用作农肥外，还可利用其中高含量的氧化钙和氧化镁，将其作为助剂与矿石一起制备成钙镁磷肥，对农作物的增产具有明显的效果。

2.6 水处理方面的应用

钢渣是一种性能优异的吸附剂，在重金属离子废水、有机染料废水、无机非金属废水处理方面都有很好的效果[6-9]。具有吸附性能优异；易于固液分离，简化吸附后处理工艺，操作简单；性能稳定，无毒害作用；来源广泛，价格低廉等优点。其去除作用机理主要是由于钢渣具有良好的过滤性能，对废水中的杂质颗粒、溶解性有机物和部分重金属具有良好的去除作用；其次是因为钢渣还具有活性基团，对污染物质有一定的吸附作用。

有关研究表明，在废水pH值为2.5～12，Cr3+为0～350 mg/L范围内，按铬／钢渣质量比为1/35投加钢渣进行处理，铬的去除率达到99％，处理后的废水达到排放标准；当溶液Cu2+初始浓度为50 mg/L，pH值为6.5～6.8，钢渣投加量为5 g/L，出水Cu2+低于0.5 mg/L，去除率超过99％；在废水pH值≥3，Ni≤300 mg/L范围内，按镍与钢渣质量比为1/15投加量进行处理，镍去除率达到99％。

有关研究表明，钢渣对多种有机染料废水的处理效果很好，谢复清[10]以钢渣为吸附剂处理活性翠蓝染料废水、结晶紫、亚甲基蓝染料废水、碱性品红染料废水、孔雀石绿染料废水，脱色率均可达到90％以上。

有关研究表明，钢渣对其他无机非金属废水如含磷废水、含砷废水、含氟废水等也有较强的处理能力。郑礼胜[6]等用钢渣处理含砷废水，在pH值为1.5～12.0，砷（Ⅲ）含量10～200 mg/L，按砷／钢渣质量比为1/2 000投加钢渣，砷去除率达97％；刘平[11]等采用振荡吸附试验，对40 mg/L含氟废水进行处理，氟的去除率可达77.77％，出水剩余浓度达到国家工业含氟废水一级排放标准。

2.7 钢渣利用中存在的问题

钢渣成分波动大，不利于利用，如将f-CaO含量高的钢渣用于工程，会因其消解产生的体积膨胀使工程遭到破坏；钢渣硬度大，易将机器卡住或损坏；钢渣中含有少量的铁，导致钢渣脆性下降，韧性加强，若利用常规的破碎技术既费时又耗能，产品粒度不均匀，很难生产出粒度适宜、性能均匀的吸附剂产品，如经过粉磨处理，不但不能产生疏松多孔的产品，而且还会破坏原有的孔隙，从而导致吸附效果下降。

3 钢渣综合利用前景展望

钢渣综合利用具有良好的社会经济效益。充分利用钢渣，不仅能解决堆积占地问题，而且能解决环境污染，改善废钢供应局面。科研机构有必要继续认真贯彻我国关于开展综合利用的方针政策，并跟踪国家指导的发展方向，在技术上进一步优化钢渣处理流程，研究更多利用钢渣的途径，实现物尽其用，为企业和社会提供技术服务。

我国钢渣处理工作起步较晚，虽然近些年来在钢渣综合利用方面进行了大量试验研究，但还需要在认识上加以重视和提高，在经济上加大支持和投入，将“全身都是宝”的钢渣作为宝贵的第二资源来认真对待，创造出更好的社会效益和经济效益。进入21世纪后，国家更加提倡环境保护和资源利用，因此，钢渣综合利用的前景将更加美好。

[1] 陈 洁，吴 斌，赵元华.论循环经济的实质与实践体系[J].西南农业大学学报(社会科学版)，2004(6)：37-40.

[2] 耿春梅，李婉茹，王修川.用循环经济理念促进工业固体废物资源化[J].环境科学动态，2005(3)：6-8.

[3] 杨华明，张广业.钢渣资源化的现状与前景[J].矿产综合利用，1999(3)：35-37.

[4] 冷光荣，朱美善.钢渣处理方法探讨与展望[J].江西冶金，2005，25(4)：44-47.

[5] 杨智宽.钢铁冶金渣在农业上的应用[J].再生资源研究，1999(2)：29-30.

[6] 郑礼胜，王士龙，张 虹，等.用钢渣处理含砷废水[J].化工环保，1996，10(6)：342-345.

[7] 马少健，刘盛余，胡治流，等.钢渣吸附剂对铬和铅重金属离子的吸附特性研究[J].有色矿冶，2004，20(4)：57-59.

[8] 邓雁希，许 虹，黄 玲，等.矿物材料对城市生活污水中磷的去除[J].有色金属，2005，57(2)：136-138.

[9] 谢维民，邱建明，周伟明，等.用转炉钢渣处理水中腐殖酸类有机物[J].环境污染与防治，1992，14(4)：5-8.

[10] 谢复清.改性钢渣处理亚甲基兰染料废水研究[J].针织工业，2006(1)：68-70.

[11] 刘 平，，马少健，蒋艳红.钢渣吸附剂去除废水中氟的试验研究[J].有色矿冶，2005，21(1)：121-122.