电炉氧化钢渣全组分高效利用的试验研究

刘智伟，李 宇，苍大强

（1.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京，100083；2.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京，100083；3.莱芜钢铁集团有限公司技术中心，山东 莱芜，271104）

近年来，我国粗钢产量快速增长，冶金废渣的排放量也随之增加。中国钢铁工业协会信息统计部发布的数据显示，2011年中国粗钢产量为6.83亿t，其中电炉钢为6800万t，电炉氧化渣的总量达到400万t以上（单位产渣量按60kg／t钢计算）［1］。可见，实现这类大宗量冶金废渣的有效综合利用已成为企业发展循环经济、实施节能减排、降本增效和保护环境的有效途径。然而，目前国内尚无比较先进的电炉氧化渣处理技术，大部分钢渣经水淬裂解和简单磁选后，剩余的大量尾渣则粗放外排，造成严重的资源浪费和环境污染［2］。随着我国粗钢产量增速的放缓以及钢材蓄积量的逐年增加，大量利用废钢的短流程电炉钢及相应冶炼过程排放的氧化渣量必将大量增长，因此，研究电炉氧化渣的综合利用对钢铁行业发展具有重要意义。

本文以莱芜钢铁集团有限公司（以下简称“莱钢”）的电炉氧化渣为主要原料，通过试验研究提出一种电炉氧化渣资源化利用的新方法，即对钢渣中有价成分进行合理分选，变废为宝，剩余尾泥则经活化技术处理后用于生产钢渣硅酸盐水泥，从而提高钢渣的利用价值，实现钢渣“零排放”。

1 试验

1.1 原材料

（1）电炉氧化渣：莱钢特钢事业部50t电炉产生的氧化渣，外观呈灰色，多气孔，其中金属矿物主要为铁质矿物，具强磁性，其化学成分见表1，矿相分析照片见图1。由图1可见，氧化渣中存在单质铁，多呈细粒集合体状分布（图1（a）），粒径为0.005～0.01mm，还可见细粒状单质铁分布在长柱状或针状脉石矿物晶隙间（图1（b）），另有粗粒的球粒状单质铁不均匀分布，球粒尺寸大者8mm左右，一般在0.1～1mm之间，呈正圆形分布（图1（c）），同时也呈锯齿状边分布（图1（d））。样片中未见其它金属矿物。

表1 电炉氧化渣的化学成分（wB／%）Table1 Chemical compositions of EAF oxidizing slag

（2）高炉渣：莱钢炼铁厂产生的粒化水淬高炉渣，外观呈淡黄色，密度为2.90g／cm3。水渣的碱度系数为1.10，属碱性矿渣；水渣的质量系数为2.30。

图1 钢渣原样的矿相照片（×50）Fig.1 Mineralogical images of EAF oxidizing slag（×50）

（3）水泥熟料：莱钢鲁碧公司生产，外观呈灰绿色，密度为3.13g／cm3，水泥熟料的物理力学性能见表2。

（4）石膏：莱钢鲁碧公司生产，外观呈灰色，密度为2.39g／cm3，SO3的含量为35%。

表2 水泥熟料的物理力学性能Table2 Physical and mechanical properties of the clinker cement

1.2 试验方法

（1）钢渣破碎及磁选

磁选试验流程包括破碎、粗磨和湿式磁选。电炉氧化渣经颚式破碎机和辊式破碎筛分机两段破碎后，用2.5mm的筛子预先筛出粗颗粒单质铁（w（TFe）达89.38%）。将－2.5mm钢渣样品置入锥形球磨机，分别进行不同时间的粉磨，得到不同细度的钢渣，再经磁选管选出钢渣中的强磁性渣铁粉。

（2）尾泥活化

将磁选后的钢渣尾泥烘干，取5kg置于球磨机中磨碎至一定的细度，得到勃氏比表面积为552.6m2／kg的电炉氧化钢渣尾泥粉，再进行活化试验。钢渣的化学活化是通过加入晶核并提高液相碱度的方法来加速钢渣的水化硬化，工业生产中用得最多的为石膏类激发剂［3］。为此，本试验选用3种不同的石膏：二水石膏（CaSO4·2H2O）、无水石膏（CaSO4）和半水石膏（CaSO4·1／2H2O），各以4%、5%和6%的量掺入尾泥粉中，然后检测其活性指数。

（3）配制钢渣硅酸盐水泥

将水泥熟料和高炉渣分别置于球磨机中粉碎至一定细度（水泥熟料的勃氏比表面积为534.5 m2／kg，高炉渣粉的勃氏比表面积为563.2m2／kg），然后与经过活化处理的尾泥粉（掺入5%二水石膏）按表3所示配比制备钢渣硅酸盐水泥并进行性能检测。水泥强度按GB／T 17671—1999进行测定，水泥安定性按GB／T 1346—2001进行检验。

表3 钢渣硅酸盐水泥的配比（wB／%）Table3 Compositions of Portland steel slag cement

2 结果与分析

2.1 钢渣磁选分析

2.1.1 钢渣细度对磁选效果的影响

在不同的粉磨时间下，钢渣中含铁成分的单体解离程度也不同，直接影响到弱磁选的选别质量、渣铁粉的品位以及回收率。图2所示为磁选管电流调节为3A时，不同细度钢渣粉的磁选效果。

图2 不同细度钢渣粉的磁选效果Fig.2 Magnetic separation effects of EAF slag with different finenesses

由图2可见，随着钢渣粉中小于0.074mm的颗粒含量从78.8%增至95.0%，渣铁粉的产率从46.99%逐渐降至16.17%。与此同时，渣铁粉的品位呈上升趋势，其从44.18%增至65.00%。总体上铁质资源的回收率随着钢渣粉平均粒度的变小而降低，即从62.64%降为31.11%。这是因为，随着钢渣粉磨过程的延长，钢渣的解离度不断增大，使得连生的强磁性和弱磁性铁矿物分离开，导致弱磁性矿物未被选出。因此，增加钢渣粉磨时间不利于品位较低的弱磁性矿物的选出。同时，随着磨矿时间的增加，一部分铁矿物也可能因过磨泥化而损失，从而导致渣铁粉回收率随钢渣粒度变小而下降。

2.1.2 磁感应强度对磁选效果的影响

调节磁选管的电流强度，得到不同磁感应强度下钢渣粉（－0.074mm颗粒占94.4%）的磁选效果，如图3所示。

图3 不同磁感应强度下钢渣粉的磁选效果Fig.3 Magnetic separation effects of EAF slag under different magnetic induction intensities

由图3可见，随着磁感应强度由216.7mT增至337.5mT，渣铁粉的产率由15.81%增至22.02%，回收率由29.63%增至39.31%，而渣铁粉的品位则略有降低。可见，随着磁感应强度的增加，大量弱磁性的矿物被回收。对于本文研究的钢渣粉，这部分弱磁性矿物的品位接近强磁性矿物，弱磁性矿物的回收并未引起渣铁粉含铁量的显著变化，使得钢渣中铁质资源的回收率明显增加。因此，增加磁选管磁感应强度对提高铁质资源回收率的效果较为显著。

2.1.3 磁选效益分析

如前文所述，电炉氧化渣中的铁质资源通过两步实现了高效回收。首先，用2.5mm的筛子筛出钢渣中5%左右的粗颗粒单质铁，这部分铁的品位达到89.38%；然后，其它粒径小于2.5 mm的钢渣经粉磨和弱磁选得到强磁性渣铁粉（单质铁、磁铁矿等）。在钢渣粉中－0.074mm颗粒占94.4%、磁感应强度为312.5mT的条件下，磁选回收的渣铁粉品位达到64.34%，回收率为38.75%。将预先筛出的粒径大于2.5mm粗颗粒单质铁与弱磁初选后的渣铁粉混合，其折合品位为69%，回收率为50.51%，产率为25%。若按莱钢年产优特钢55万t计算，电炉氧化渣的产量为3.3万t／年，每年可回收约8250t高品位渣铁粉，实现约1000万元／年的经济效益（69%品位渣铁粉价格按1200元／t计算）。

2.2 钢渣尾泥活化与应用效果

2.2.1 尾泥活化

用3种不同石膏活化后的钢渣尾泥粉活性指数见表4。由表4可见，半水石膏的活化激发效果最好，当掺入4%的半水石膏时，尾泥的活性指数A7和A28分别为81.9%和82.8%，达到一级钢渣微粉的国标要求（GB／T 20491—2006）；二水石膏的活化激发效果次之，当掺入5%的二水石膏时，尾泥的活性指数A7和A28分别为80.3%和80.4%，也能达到一级钢渣微粉的国标要求；无水石膏的活化激发效果则不太理想，掺入无水石膏的尾泥样品活性指数均达不到一级钢渣微粉的国标要求。

表4 钢渣尾泥活化性能指标Table4 Performance indexes of activated steel slag mud

对比分析可知，在无水、半水和二水石膏中，无水石膏溶解速度较快，溶解度较大，可提高钙矾石的形成速度，有利于提高钢渣水泥的早期强度，但对后期强度的改善有限；而半水石膏溶解速度较低，具有逐步溶出的特点，可促进水化过程，能提高钢渣水泥早期强度和后期强度，所以对钢渣的激发作用最为明显［3］。但由于半水石膏是二水石膏在750℃以上经高温煅烧后的产品，其生产成本明显高于天然石膏。

在石膏掺量方面，二水石膏和无水石膏的掺量为5%时，对钢渣尾泥的活化效果比较好，而当半水石膏的掺量为4%时，其活化效果较佳。因为石膏的活化激发成分主要是SO3，石膏中SO3的含量不同，掺入量对活化效果的影响也会不同。试样中SO3含量过高，会导致石膏在微粉中的局部富集，使得纯度高的石膏很难均匀有效地分布在钢渣中，最终影响其强度的发展［4］。

2.2.2 尾泥配制钢渣硅酸盐水泥

电炉氧化渣尾泥经活化处理后配制的钢渣硅酸盐水泥的性能指标如表5所示。由表5可见，由钢渣尾泥活性粉（20%～30%）、水泥熟料（20%～30%）和粒化高炉矿渣粉（40%～50%）能够制备出具有较高性能的钢渣硅酸盐水泥；即使尾泥掺量达到30%，所制水泥的各龄期力学性能也能达到42.5强度等级的国标要求；水泥熟料掺入量的增加和尾泥掺入量的降低有利于提高钢渣水泥的各龄期力学性能；所制钢渣水泥的体积安定性良好，均符合国标要求。因此，电炉氧化钢渣磁选后产生的尾泥，经活化处理后完全可以应用于生产高性能钢渣硅酸盐水泥，从而真正实现钢渣的“零排放”。

表5 钢渣硅酸盐水泥的性能指标Table5 Performance indexes of Portland steel slag cement

3 结论

（1）电炉氧化钢渣粉磨时间延长，钢渣解离度增大，不利于品位较低的弱磁性矿物的选出，降低了铁质资源回收率；增加磁选管磁感应强度，可提高弱磁性矿物的选出率，对提高钢渣中铁质资源回收率的效果显著。钢渣中－0.074mm颗粒占94.4%、磁感应强度为312.5mT时，回收的渣铁粉折合品位为69%，回收率为50.51%，产率为25%。

（2）电炉氧化钢渣磁选后产生的尾泥，可以通过加入适量的石膏类激发剂进行活化，半水石膏的活化效果较好，二水石膏的活化效果次之，但均可以使尾泥粉达到一级钢渣微粉的国标要求。二水石膏和无水石膏的掺量为5%时，其活化效果较好，而半水石膏的掺量为4%时，其活化效果较好。

（3）活化处理后的电炉氧化钢渣尾泥粉掺量高达30%时，所配制的钢渣硅酸盐水泥各龄期力学性能均能达到42.5强度等级的国标要求。

［1］肖睿，孟宪慧.用湿式弱磁选选矿方法回收钢渣中铁的试验研究［J］.广东化工，2011，38（11）：40－41.

［2］靳松.钢渣处理方法和有效利用的比较分析［J］.冶金自动化，2010（S1）：329－333.

［3］程丛密，何娟，唐兵，等.电炉钢渣活性激发研究［J］.广州大学学报：自然科学版，2012，11（1）：53－57.

［4］施惠生，黄昆生，吴凯，等.钢渣活性激发及其机理的研究进展［J］.粉煤灰综合利用，2011（1）：48－53.