钢渣资源化利用现状及发展趋势

倪海明 潘 凯 蔡广超 黄科林 贾艳桦 谢清若 李克贤蓝 丽 柳 春

（1.中国科技开发院广西分院，广西 南宁 530022；2.广西大学化学与化工学院，广西 南宁 530004）

钢渣是钢铁冶金工业排放的固体废弃物，大量钢渣堆积，不仅占用土地，污染环境，而且钢渣中的重金属元素经过雨水浸出对土壤及地下水造成严重的污染，给人民的生活和生存带来了潜在的威胁[1,2]。资源综合利用一直是可持续发展永恒的主题，因此,钢渣资源综合利用符合时代的发展要求，同时也会产生良好的经济、社会及环境效益。文章简要的介绍了钢渣资源化利用现状及今后发展趋势。

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、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[3]。钢渣依炉型分为转炉渣、平炉渣、电炉渣；按冶炼过程一般可分为：初期渣、精炼渣、出钢渣及浇铸渣；钢渣按照碱度划分：碱度M=CaO/(SiO2+P205)，低碱度渣M小于1，中碱度渣M为1.8～2.5，高碱度渣M大于2.5。我国是世界最大产钢国，2010年粗钢产量约为6.27亿吨，2011年约为6.96亿吨，2012年约为7.17亿吨，而钢渣排放量一般为粗钢产量的12%至20%，如此大的生产规模和低水平的综合利用率造成了钢渣堆积成山的问题。

1.2 钢渣的组成及性质

钢渣一般为深灰、深褐色，硬度大，密度为 1700～2000kg/m3，钢渣颗粒形状不规则，多棱角，表面粗糙而多孔[4]。主要化学成分包括：CaO，SiO2，Al203，FeO，Fe203，MgO，MnO，P205，f-CaO，除此之外还含有一些重金属元素钒和稀有金属钛等其他成分。主要的矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等。钢渣中各种成分的含量因炼钢炉型、钢种以及每炉钢冶炼阶段的不同，有较大的差异。

2 钢渣资源化利用的现状

对钢渣的研究始于20世纪初期，但由于其成分波动大的原因，到70年代初，美国才首先把每年产生的钢渣全部利用起来。目前，欧美和日本等国的钢渣利用率比较高，而我国钢渣的利用率还远远落后于发达国家。在我国，钢渣主要应用于农业、冶金、路基与建筑材料、环保等领域中。

2.1 农业

钢渣含有硅、钙、铁、锰、磷等大量对农作物有益的元素，非常适于农业生产,对于改良土壤、满足农作物营养需求等十分有益[5]，可根据钢渣中元素含量为农作物提供不同的营养元素和改良不同类型的土壤。我国将钢渣应用于农业始于20世纪50年代。早期，中科院中国科学院东北林业土壤研究所、中科院南京土壤研究所对钢渣在我国用于农业的可行性试验研究并得到了积极的结果。在几十年的中作中，对钢渣在农业应用的研究取得了一系列的成果。总体来说，在农业生产中，钢渣可以作为土地改良剂，生产各种肥料。

（1）修复和改良土地

钢渣中含少量有害重金属，但大部分钢渣符合相关农业标准，过去的研究中均未发现施用钢炉渣肥料后引起土壤中的重金属含量的增加，王昌汾[6]、邓腾灏博[7]等还发现施用钢渣肥能降低稻谷中镉、铬、锏、铅的含量，因此农业肥料是安全的，不会引起土壤和水环境的二次污染等人们担心的问题。钢渣中含有碱性氧化物，可以调节农田pH，对酸性土地进行修复，避免长期施用石灰引起钙、镁、钾等元素的失衡现象。施用钢渣的土壤由于钙镁铝的相互作用，消除了铝对土壤的毒害作用[8]。研究表明，钢渣的使用不会对土壤的空隙度不良影响，土壤的水分常数的变化与钢渣肥的使用没有相关性[9]。

（2）生产肥料

钢渣在冶炼过程中经高温煅烧，其溶解度大大改变，所含各种主要成分易溶解量达全量的 1/3～1/2，有的甚至更高，容易被植物吸收[10]，可以用于生产磷肥，硅肥、微量元素肥料。

目前，我国用钢渣生产的磷肥品种有钢渣磷肥和钙镁磷肥，马钢、武钢的施用结果表明，钢渣磷肥无论在酸性还是碱性土壤，水田还是旱田，施用效果都很好，都能使作物增产[11]。

硅肥既可作肥料，提供养分，又可用作土壤调理剂，改良土壤。此外，还兼有防病、防虫和减毒的作用。以其无毒、无味、不变质、不流失、无公害等突出优点。近年，缓释性的硅钾肥资源化利用钢铁渣的一种新兴技术。作微量元素肥料，张中星[12]等在石灰性土壤上亩施钢渣肥15～20kg ,玉米植株体内 Zn、Mn、Fe 的含量较对照均有不同程度的增加，增产13.3～14.7%。

2.2 冶金领域

钢渣从冶金过程中来，返回冶金工业也是钢渣资源化利用一种途径。这种在钢渣产生的源头把钢渣利用起来的办法不仅可以有效的解决钢渣的堆积问题，较其他途径还节约了装运费、人工、土地，从而降低钢渣再利用产品的成本。

（1）金属回收

钢渣中含有 Fe、FeO、Fe2O3、Fe3O4，铁元素的总含量平均约为25%，金属铁的含量约为10%。将钢渣中的铁资源充分利用起来，不但是钢渣资源化利用的一种途径，对企业节约资源、提高经济效益的也有重要意义。目前，从钢渣回收铁元素已拥有关键的技术和丰富的经验。涟钢[13]的工艺可通过水洗球磨磁选回收钢渣精粉( Fe58-62%)、球磨铁粒( Fe92%以上)；鞍钢[14]磁选粉日输出量超过2000t。使用含钒铁矿用于炼钢，产生了含钒钢渣。钒是稀有金属，其产品具有许多特殊性能，因而有着广泛的用途和巨大的市场需要，预计未来中国将成为最具潜力的钒产品市场[15]。我国每年排放大量含钒钢渣，将其中的钒利用起来，即可以减少钢渣堆积产生的环境问题，又节约了钒资源，对国家和企业都有重要意义。现有的钢渣提钒工艺主要可分为有火法冶炼和湿法冶金（一般为焙烧→浸出→净化回收）两种路线，这些工艺普遍存在成本高、污染大、回收率低、不成熟等诸多问题，应加强新工艺的开发[16]。

（2）助剂

钢渣中含有 CaO、MgO、MnO、TFe、稀有金属（V、Nb）等有益成分，使用钢渣作助剂，可提高烧结矿的强度,改善烧结矿的质量，有利于提高烧结矿产量，降低燃料消耗,降低烧结矿的生产成本。高炉中使用钢渣作助剂，钢渣中的 MnO、MgO、Mn 和Fe，可大量节约石灰石、萤石，改善高炉渣的流动性，增加生铁产量，提高利用系数,降低成本[17,18,19]。鉴于此，世界几个产钢大国一直坚持钢渣返回作助剂，而且占钢渣资源化的比重很大，美国、德国、日本的利用率大约为56%、24%和 19%[20]。

2.3 建筑材料

改革开放以来，我国正处于蓬勃的发展时期。经济发展取得的成果带动着城市的扩建，建筑材料的需要日益增大。由于钢铁企业多离城不远，大量积存的钢渣不但对钢铁企业的生产与发展造成巨大压力，且废弃物成为城市的污染源。因此，将大量的钢渣成功地应用于材料是一件既利于企业，又利于社会的一举两得的好事[21]。

（1）钢渣稳定性

钢渣中存在游离氧化物，所以在使用中一直存在稳定性问题。为消除钢渣中的 f-CaO，国内外采用的主要方法是热泼法、热焖法等，但这些传统方法成本大、效率低、易污染环境[22]。在钢渣出渣过程中引入一些特定物质钢渣微粉化和碳酸化等方法都能够降低钢渣中的f-CaO含量，提高钢渣稳定性。

（2）混凝土中的应用

钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的硅酸三钙（C3S）和硅酸二钙（C2S）等成分，高碱度转炉钢渣中两者的含量在50%以上，中、低碱度的钢渣中主要是C2S。另外，钢渣经过激发后胶凝性能能够发挥出来,国内外很早就开始了钢渣用于水泥的研究。

钢渣混凝土，与普通混凝土相比，钢渣混凝土的各项力学性能均较好，而且钢渣混凝土具有良好的耐磨性和耐久性[23]，但钢渣混凝土干缩性能低于普通混凝土[24]。邹启贤[25]等的研究还得出钢渣微粉可以提高混凝土的抗氯离子渗透性能，对混凝土的抗冻性也无不利的影响。 孙家瑛[26]试验得出了钢渣粉最优掺量，即钢渣微粉掺量为10%，此时混凝土28d抗压强度最高而且耐久能力最佳。朱桂林[27]提出了高标号钢渣水泥和钢渣粉、矿渣粉做水泥和混凝土掺合料的研究。唐卫军[28]等研究证实了钢渣-矿渣混凝土良好的工作性能。学者们还研究开发了一些具有特殊用途的钢渣混凝土，如用于混凝土结构的应力诊断与自监控、电力设备接地等方面的导电混凝土。

（3）筑路工程的应用

路面结构对路面基层有两大要求，其一为结构强度的要求，第二是稳定性的要求[29]。钢渣坑压强度高，耐磨性好，压碎值低，其物理性质满足路基的结构强度要求。道路水泥稳定碎石基层在干燥空气中硬化时，随着水分的减少，体积将收缩变形，每隔一段距离产生均匀的干缩裂缝。对于沥青路面，这些裂缝会在较短时间内反射到面层，导致路面的早期破坏[30]。一般地，水泥稳定碎石产生干缩裂缝的原因与其水泥、水和碎石集料都有很大关系[31]。钢渣用于路基可以弥补一些传统路基的不足。

Maslehuddin M[32]等将钢渣和普通石灰岩筑体进行比较，证明钢渣可用于制造硅酸盐水泥，同时发现钢渣用于道路建设后，道路的一些物理性能都有所提高，如耐久性，抗压性能等，单位重量却提高了。Perviz A[33]等也研究了将钢渣掺和在高温沥青中用于道路建设，各种数据表明力学性能都能达到一定的要求，并且电导率也比不加钢渣的高。Hisham Q[34]等人研究发现，将钢渣代替黄沙用于道路建设既可以节约矿产资源也起到了保护环境和节约成本的作用。

从技术角度讲，优良的物理、化学、机械性能等使钢渣能够在道路工程中取代石料用于道路建设，但从生态角度讲，钢渣当中的微量重金属元素会不会造成环境污染一直为人们担忧[35]。

（4）用于制砖

钢渣一般与粒状矿渣（高炉渣，粉煤灰等）和激发剂（石灰，石膏粉等）加水搅拌后，经轮碾压制成型，再经蒸汽养护制成免烧砖。

吕铮[36]的实验研究表明，对转炉钢渣和结合剂采用压制方法生产的高强度砖抗折强度5.02MPa、抗压强度46.25MPa、体积密度25.19/cm3、气孔率2.41%、抗水化和抗冻性能好.

吴昊泽[37]通过加速碳化养护可以制备出碳化增重率10.44%，抗折强度5.02 MPa，抗压强度20.06 MPa，冻融强度14.63MPa，吸水率11.24%，饱水强度10.89 MPa，在满足国家标准的前提下，加速碳化养护钢渣砖中钢渣的掺量上限为60%。

此外，周佳[38]在不使用水泥和天然骨料的情况下，使用碱激发工业废渣胶凝材料，与一定粒径的钢渣颗粒拌和，制备路面透水砖。经过行标JC/T446-2000规定测试，得出这种透水砖28天抗压强度可达30MPa、抗折达5.8MPa，透水系数达16.50mm/s。

（5）制备微晶玻璃

张乐军[39]采取烧结法利用钢渣和粉煤灰制备出了以透辉石的固溶体为主晶相的微晶玻璃，为钢渣固体废物的资源化开辟了一条崭新的方向。

2.4 坏境治理

钢渣属于多种金属氧化物的熔融混合物，性能优良，本身又存在一定的孔隙结构，具有良好的吸附性能，是一种潜在的环境治理材料。

（1）治理水污染

钢渣是一种很好的除磷材料，其原理是磷吸附在钢渣表面与钢渣中的钙、铁、无定形树脂生成了羟基磷灰石、铁磷酸盐、以及一些螯合物 然后得以祛除。

钢渣多孔、表面积大，可以用于染料废水的脱色处理。其脱色过程主要是对染料分子的吸附和富集，然后染料分子发生一系列氧化、还原、水解和化合过程后降解成简单无机物或转化为各种营养物及原生质。与活性炭相比，钢渣密度大，在水中沉降速度快，固液分离处理周期短，更具优势。钢渣对砷、镍、汞、铅、铬等常见的有毒重金属具有很好的吸附去除作用。钢渣作为PRB材料处理高砷地下水成本低、稳定可靠、去除效率高，是一种具有广阔开发应用前景的PRB材料[40]。

（2）治理空气污染

CO2作为一种温室气体，对人类生存环境有着重要的负面影响。大气中的 CO2浓度大幅度增加，导致了严重的温室效应[41]。全球气候变暖引起了农作物的毁坏、海平面上升和陆地淹沒、全球气候恶劣化（如暴雨、干旱、泥石流等）、生态环境改变（如土地荒漠化、海洋酸化等）、冰川融化、河流干涸等现象，很多动植物也灭迹或濒临灭绝，一些人失去了美丽家园。近年来国外开展了以钢渣为原料固定 CO2的研究。但 CO2转化效率和能耗问题始终困扰着工业化，要提高经济效益，还要解决如何 CO2提高转化率、低能耗回收媒介的问题。

此外，钢渣也可以用于吸收钢铁行业排放的SO2。其本质是利用钙元素将气相中的硫元素转移到固相。钢渣石膏法烧结烟气脱硫工艺原理与石灰石膏法基本相同，该法利用了废渣，减少了石灰石粉的用量，从而降低了成本[42]。

2.5 其他

（1）制备陶粒[43]

以钢渣和淤泥为原料烧制陶粒的工艺，在淤泥中掺入一定量(不宜过高)的钢渣可以烧制出符合标准规定的陶粒。钢渣掺量较高（大于10%）时烧成温度范围很窄，稍微提升焙烧温度或延长焙烧时间料球即极易液化，很难烧成符合规范的陶粒。

（2）制备陶瓷空心微珠

陈文海等以钢渣尾矿为原料制备陶瓷空心微珠产品，从试验过程上，各工序均可操作，从试验结果上，结构均匀可控，性能符合产品要求。这打破了以“化学成分”为基点的传统思路，另辟蹊径，转由以“产品结构”为切入点的新材料应用研究，寻求钢渣尾矿升值利用领域的新突破。

（3）制备碳酸钙

CaCO3是一种重要的无机化工产品，广泛用于塑胶、塑料、纸张、涂料、制药、化妆品、冶金等行业的生产中。传统工艺生产过程中，石灰石煅烧会产生较多的CO2，并且浪费煤炭等能源。而钢渣中还有大量的钙资源，采用钢渣为原料生产CaCO3具有广阔的发展前景。

3 发展趋势及展望

研发钢渣资源利用技术已是一个重要科技任务。切实有效地解决钢渣的资源化利用问题，将成为扎实推进节能减排、生态建设和环境保护的重要一环。钢渣资源化利用的趋势，一方面在于对取得研究的成果进行进一步的深层次研究、对一些工艺进行改进以及钢渣综合利用的新思路；另一方面在于把获得的技术向工业化推进，建立钢渣资源化利用示范工程。今后的工作应从源头开始，综合利用，研发资源化利用新技术，提升钢渣资源化水平，实现钢渣规模化、高值化利用。另外，国家和业界应制订政策和技术标准,扩大综合利用的范围,建立商品化钢渣质量要求标准。

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