实现钢渣微粉生产的可行性探讨

于明兴 刘敬东 郭玉安 张涵

(安阳钢铁集团有限责任公司)

实现钢渣微粉生产的可行性探讨

于明兴 刘敬东 郭玉安 张涵

(安阳钢铁集团有限责任公司)

介绍了钢渣微粉技术的原理及国内钢渣利用概况，从技术、市场等方面进行了分析。提出了安钢钢渣利用的方案。就安钢实现钢渣微粉生产的可行性进行了探讨。

钢渣微粉 生产 可行性

0 前言

钢渣是炼钢过程中的副产品，呈黑色，外观像结块的水泥熟料，夹带部分铁粒，硬度大，密度为1700～2000 kg/m3。主要化学成分有:CaO、SiO2、FeO、Al2O3、MgO等，成分组成基本稳定。钢渣的主要矿物组成为橄榄石(FeO·SiO2)，硅酸二钙(2CaO·SiO2)，硅酸三钙(3CaO·SiO2)，铁酸二钙(2CaO·Fe2O3)和f－CaO等。钢渣产生率约为粗钢量的13%～18%左右，如果不能充分利用而作为废弃物遗弃，不仅占用大量土地，还对环境造成严重污染。

1 钢渣利用概况

随着钢铁工业的发展，我国对钢渣利用进行了广泛研究，成效显著，基本达到了消除渣害的目的。特别是在发展循环经济政策的推动下，钢渣综合利用领域不断拓宽。返回冶金再利用;作水泥;作筑路与回填工程材料;作农肥和酸性土壤的改良剂;用于废水处理等等。

安钢集团已具备年产1000万t钢的生产能力，可产生150万t钢渣。目前从钢渣中分选出的废钢作为钢铁料返回炼钢，磁选渣返烧结配料，实现了内部循环使用;而尾渣主要作为回填材料，并没有实现高效利用。钢渣化学成分见表1。

表1 钢渣化学成分 %

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400 m2/kg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 f CaO 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。因此钢渣和矿渣复合粉可以取长补短，性能更加完善。特别是在技术标准和高性能粉磨设备的推动下，把钢渣尾渣磨细到一定粒度，生产钢渣微粉成为可能。这些研究成果的取得为我国钢渣的高价值循环利用指明了方向。

2 钢渣微粉

2.1钢渣微粉的应用

1)部分替代熟料用于水泥生产。钢渣作为水泥混合材料已列入国家标准，经过磨细制成钢渣粉可做为优良的水泥混合材，部分替代熟料、以降低水泥生产成本，而且钢渣水泥，与硅酸盐水泥相比具有后期强度高、耐磨性好、水化热低、抗渗性好等特点。每吨产品可节约煤25 kg，节电30 kW·h，节约Ca-CO3资源 0.84 t，少排 CO20.72 t，属于绿色环保产品。

2)替代水泥用于混凝土。钢渣微粉可等量替代水泥，比重可达10% ～40%，可提高混凝土后期强度，可配制C30～C80的混凝土。与不掺加掺合料的混凝土相比，在水灰比相同时，拌和物坍落度增大10 cm以上，流动性、抗离析性、间隙通过性良好，混凝土的密实性和抗渗透能力得到提高，水化热降低，抗冻性改善。

3)生产钢铁渣复合粉。钢渣微粉和矿渣微粉各有缺点，两者复合使用，优点互补，缺点消失，是21世纪混凝土最佳掺合料，矿渣产品不享受国家减免税政策，但复合粉中钢渣微粉掺量达30%后，复合粉也享受国家减免税优惠政策。

2.2 实现钢渣微粉生产的可行性

1)钢渣微粉生产的政策可行性。国家工业和信息化部2011年12月17日以600号《大宗工业固体废物综合利用“十二五”规划》的通知指出:积极推进钢渣综合利用专业化企业与钢铁企业合作，实现钢渣“零排放”。促进钢渣热焖自解、低能耗破碎磁选提取渣钢、生产钢渣微粉和钢、矿渣复合微粉为核心内容的整体利用，建设和改造一批专业钢渣预处理、钢渣微粉和钢、矿渣复合微粉项目;在钢渣生产微膨胀型充填采矿专用胶凝材料等特种胶凝材料方面，建设若干个示范项目，实现年消纳钢渣5，475万t，预计年产值125亿元。

2)钢渣微粉生产的技术可行性。国家发改委、国家科技部、国家环保总局2005年10月28日以65号文公告《国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术》，其中有:“钢渣综合利用技术—生产用作水泥和混凝土使用高活性掺合料的磨细钢渣粉”。

2006年8月，国家标准《钢渣硅酸盐水泥》国家标准(GB13590－2006)、2006年9月，国家标准《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》(GB/T20491－2006)颁布实施，为钢渣微粉的产业化应用提供了技术支持。

3)钢渣微粉生产的设备可行性。实现钢渣微粉生产的关键的技术装备是粉磨设备。由于钢渣硬度大，且含铁元素，易磨性较差，粉磨钢渣选择球磨机和卧辊磨。

球磨机粉磨工艺简单、可靠，但单机能力小、粉磨效率低、生产噪音大、研磨体消耗严重、单位产品电耗高，一般钢渣粉的比表面积在420 m2/kg时，吨产品电耗为75 kW·h～100 kW·h。

卧式辊磨具有球磨机和立磨的优点，既可粉磨矿渣又可粉磨钢渣，设备启动过程简单，操作方便，并在较短时间内进入稳定运转状态，设备运转可靠、生产稳定、振动和噪音比其它形式磨机小得多。粉磨效率高，电耗比球磨和立磨都低，两台磨机同时运转产品比表面积在420 m2/kg时，主机(磨机+选粉机+提升机)单位产品电耗为30.5 kW·h。

卧式辊磨的构造是粗短的圆筒，内装圆辊，筒体转动带动磨辊转动，通过液压调节磨辊的位置来调节磨机的粉磨压力。结构介于辊压磨和立磨之间。与立磨和辊压磨原理主要区别在于物料咬入角。对辊压磨而言其咬入角在6°以下，相应的辊间隙较小。立磨其咬入角为12°，而卧式辊磨其咬入角为18°，因此适应不同物料粒度和硬度，同时物料多次穿过磨辊与磨体间隙受到挤压粉磨，多次粉磨，可获得不同的产品颗粒分布曲线和操作指标。适合粉磨粒化高炉矿渣和钢渣，为我国钢铁渣粉的生产提供了最佳设备。其渣粉的比表面积可达到400～800 m2/kg，渣粉的颗粒形态为球形。吨产品电耗比立磨、辊压磨、管磨都低。

因此，卧式辊磨设备的成熟，为钢渣微粉的产业化应用提供了设备支持。

3 钢渣微粉市场分析

3.1 产品

钢渣微粉作水泥和混凝土掺合料技术与产品，并在首都机场扩建工程，北京、武汉、广州、深圳等地建设工程及福建高速公路大桥建设工程中大量应用，被建筑工程界认可，是21世纪混凝土最佳掺合料，不但可提高混凝土强度，而且可改善混凝土性能，提高混凝土的质量，是国家推广项目。

3.2 水泥

2006年国家发改委、财政部、国土资源部、建设部、商务部、中国人民银行、国家质量监督检验总局、国家环保总局联合下发(2006)609号关于加快水泥工业结构调整的若干意见文件，规定“十一五”期间新型干法窑水泥产量的比例由目前40%要提高到70%，即提高水泥强度等级，取消强度等级为32.5的品种，这样高强度等级水泥在使用时就可以提高工业废渣掺量，“十一五”期间水泥行业工业废渣的利用量要达到3亿t。钢渣微粉对提高水泥质量，节省水泥熟料，节省一次能源消耗量，减少CO2排放，降低水泥生产成本，都具有十分重要作用。

由于传统矿渣硅酸盐水泥生产工艺是矿渣与熟料混合磨细，矿渣易磨性差，在水泥中达不到完全水化的颗粒粒径，因此会降低水泥的强度。

在水泥胶砂强度检验方法改变后，开始实施矿渣硅酸盐水泥新标准，混合磨细的矿渣硅酸盐水泥的强度等级一般为32.5。同时矿渣掺入量也降低为10%～20%，许多水泥厂不再生产矿渣硅酸盐水泥。粒化高炉矿渣在水泥行业销路不畅，其节能、降耗、降低水泥成本作用消失。

磨细钢渣微粉其细度在400 m2/kg以上，其粒径多为0～30 μm。在水泥中能很好发挥水硬胶凝性能，掺入20% ～30%的钢渣微粉，不但不降低水泥强度，还能改善水泥性能，并可提高水泥产量，降低水泥能耗和成本。水泥厂可用熟料粉与钢渣微粉掺合可生产不同品种不同强度等级的水泥满足市场要求，促进水泥行业可持续发展。

3.3 混凝土

随着社会进步、科学技术的发展，传统的混凝土结构已不能满足建筑工程的要求，高层建筑、跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、核反应堆、海底军事工程等施工难度大，对混凝土强度和耐久性要求高，因此用高性能混凝土来代替传统的混凝土结构和建造耐久性好的特殊结构，被作为21世纪的新材料。美、日、英、德等发达国家在建筑工程中使用高性能混凝土已显示出独特的优越性，不但经济合理，而且应用新型的现代混凝土科学技术来增加混凝土结构的安全使用寿命，同时便于施工，节省施工成本，降低混凝土成本和工程造价等。

高性能混凝土被认为是新型高技术混凝土，是今后混凝土的发展方向，不但是因为它所具有良好的耐久性，工作性和强度，而且在工程应用中具有显著的经济效益和社会效益。配制高性能混凝土必须掺入钢渣微粉，只用水泥、砂、石、减水剂和水不可能配制出强度好、工作性好、耐久性好的混凝土。因此钢铁渣粉具有广阔的市场。

3.4 混凝土搅拌站

提高混凝土的强度，改善工作性和耐久性只靠高标号水泥不行，而应掺入活性矿物掺合料和外加剂。其中矿物掺合料多采用硅灰、细磨粉煤灰，沸石粉等。由于我国硅灰资源有限，沸石粉和粉煤灰的活性较低，近几年国内大力开展矿渣微粉、钢渣微粉和复合粉掺合料的开发和应用。

钢渣微粉在混凝土中的应用之所以能如此迅速地推广开来，主要是由掺合料，因其化学活性不象水泥那么高，所以在搅拌后的最初两小时内混凝土的流变性易于控制，尤其能明显地减少其坍落度损失，对施工非常有利。

对混凝土的显著增强作用也是掺钢渣微粉混凝土的一大特性，由于钢渣微粉的超细化，填充了水泥粒子的空隙，使混凝土更加密实;再加上钢渣微粉中的活性SiO2和Al2O3与水泥水化生成的Ca(OH)2发生二次水化，产生硅酸盐凝胶，使硅酸盐凝胶数量比普通水泥混凝土中多许多，所以掺钢渣微粉的混凝土的后期强度(28天、60天)要比普通水泥混凝土高许多(抗压强度比约为130%)。

此外，在混凝土中掺入钢渣微粉，大大提高了混凝土耐久性，由于钢渣微粉颗粒呈球状，表面光滑致密，并具有活性，将其掺入水泥中，水化时活化SiO2、Al2O3与水泥中 C3S、C2S水化产生的 Ca(OH)2反应，进一步形成水化硅酸钙产物。众所周知，混凝土中石子的空隙是由砂来填充，而砂的空隙由水泥来填充，由于钢渣微粉比水泥还细，所以它又填充了水泥的空隙，增加了密实度，产生的微细结构与孔结构均比普通水泥石细得多，这样就大大减小离子扩散率，获得优良的抗侵蚀性和耐久性。

4 讨论

钢渣微粉在混凝土中掺量可高达20%～40%，也就是说每立方混凝土中钢渣微粉可以等量取代100 kg以上的水泥，钢渣微粉出厂价为(130～140)元/t，水泥出厂价为360元/t，这样每立方混凝土可以节省20元以上，高强度等级的混凝土节省更多。以一个年产量15万m3～20万m3的中型混凝土供应商为例，如果使用钢渣微粉，一年可以节省约300万元。

综上所述，钢渣微粉生产具有显著的经济效益、环境效益和社会效益，符合国家产业政策，产品具有广阔市场，建议有关部门尽早立项。

5 结论

1)钢渣微粉的生产能够充分利用废渣中的矿物活性生产建材掺合料，进一步回收了钢渣中的有用金属，变废为宝，可有效解决安钢钢渣尾渣的排放污染问题;实现安钢钢铁渣 “零排放”，为钢铁企业的循环经济和清洁生产奠定了基础。

2)钢渣微粉与矿渣微粉复合制成钢铁渣复合微粉，是钢渣微粉的延伸，可进一步开辟安钢钢铁渣利用的新途径。

3)安钢可利用自身的原料优势，迅速占领豫北微粉区域市场，可取得显著的社会效益和经济效益。对安阳市甚至河南省建材工业的结构优化和调整具有重大意义。

［1］ 马忠民，翟国营，刘三军.安钢钢铁渣循环利用方案探讨，河南冶金，2010，18(5):26 －29.

FEASIBILITY INVESTIGATION ON STEEL SLAG POWDER PRODUCTION

Yu Mingxing Liu Jingdong Guo Yuan Zhang Han

(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

The paper introduces the principle of steel slag powder technology and analyses its utilization at home and abroad from technology and market.It also puts forward utilization scheme and investigates feasibility in Anyang Steel.

steel slag powder production feasibility

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联系人:刘敬东，高级工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁集团有限责任公司综合利用开发公司;

2011—12—26