钢渣资源化利用途径探讨

2014-08-15刘敬东郭玉安

河南冶金 2014年2期

刘敬东郭玉安

( 安阳钢铁集团有限责任公司)

0 前言

钢渣是钢铁工业的主要固体废弃物，每生产1 t钢将产生约0．13 t 钢渣。国外对钢渣的利用越来越重视，钢渣利用率在不断提高，已成为钢铁企业可开发利用的宝贵资源。欧美、日本等发达国家的钢渣利用率几近100%，其中主要应用在筑路、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，现在钢渣的有效利用率仅为22%左右，而且大部分钢渣用于填海、工程回填料，资源流失比例很大。

随着国家发展循环经济和节能减排工作的逐步推进，我国在钢铁渣利用方面已经引起了越来越多的重视。国家工信部2011年制定的《大宗工业固体废弃物综合利用“十二五”规划》中明确指出: 以钢渣提铁及尾渣深度整体利用为重点，强化技术支撑，完善以冶炼渣综合利用为核心的循环经济产业链，培育一批钢渣预处理及深度综合利用专业化企业集群。重点推广钢渣自解及稳定化技术、大规模低能耗破碎磁选技术、钢渣微粉和钢铁渣复合微粉应用技术，发展钢铁渣在路面基层材料、采矿充填胶凝材料及建筑材料中的应用，实现钢铁渣集约化、规模化综合利用。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”。

1 国内先进企业利用情况

国内很多钢铁企业在钢铁渣资源化利用方面开展了大量的实验研究工作，应用后取得了显著的经济效益。宝钢除了在传统方式上应用钢渣之外，还聚焦循环经济、专注技术开发、积极探索钢渣综合利用产业化之路。经过10 余年的研究与开发，该公司已形成以“型砂化”、“混凝土化”、“制品化”和“微粉化”四化为核心技术的资源综合利用系列化产品。武钢成功研制“磨细钢渣粉”和“钢渣复合粉”两项新产品。他们还研制出利用尾渣做沥青混凝土骨料的科研成果，在武钢内部和武黄高速公路上得到运用，提高路面的耐磨程度和防滑系数，实现了钢渣再利用。

2 安钢钢渣利用现状

安钢已具备年产1000 万t 钢的能力，产能发挥后，每年将产生约130 万t 转炉钢渣。目前是从钢渣中选出废钢作为钢铁料返炼钢使用，磁选渣返烧结配料使用，其余的向社会出售。由于受场地限制，生产的钢渣必须当天销售，加上利用渠道不宽，销售半径受限，社会消费量的不均衡将直接影响到钢渣的外排，进而威胁到主体工艺。外销的钢渣并没有形成终端消费，选铁后的尾渣被丢弃填埋，这与国家产业政策定义的钢渣综合利用是不相符的。

钢渣利用的首要目标是最大限度的将金属铁从钢渣中提取出来，返回炼钢或炼铁，节约资源，然后就是如何对选铁后的尾渣进行综合利用，实现炼钢固体废弃物的绿色循环。因此在如何对钢渣进行深加工和资源化利用，提高经济效益，加快处理节奏，促进钢铁主业生产的稳定顺行方面。必须借鉴先进钢铁企业的经验，结合自身实际加快钢渣资源化利用的研究，提高附加值，提高企业竞争力。

3 钢渣的主要利用途径

3．1 钢渣用于冶金原料

3．1．1 钢渣用作烧结材料

烧结矿中配加钢渣代替熔剂，不仅回收利用了钢渣中残钢、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化锰等有益成分，而且成了烧结矿的增强剂，提高了烧结矿的质量和产量。烧结矿中适量配入钢渣后，能显著的改善烧结矿的质量，使转鼓指数和结块率提高，风化率降低，成品率增加。再加上由于水淬钢渣疏松、粒度均匀、料层透气性好，有利于烧结造球及提高烧结速度。此外，由于钢渣中Fe 和FeO 的氧化放热，节省了烧结矿中钙、镁碳酸盐分解所需要的热量，使烧结矿燃料消耗降低。高炉使用配入钢渣的烧结矿，由于强度高，粒度组成改善，尽管铁品位略有降低，炼铁渣量略有增加，但高炉操作顺行，对其产量提高、焦比降低有利。

目前安钢每年有含铁品位25%左右的磁选钢渣12 万t 返烧结使用。但烧结中配加钢渣值得注意的是磷富集问题，根据统计数据，烧结矿中钢渣配入量增加10 kg/t，烧结矿的磷含量将增加约0．0038%，而相应铁水中磷含量将增加0．0076%。另外，钢渣的粒度过大对烧结矿质量会带来不利影响。如钢渣平均粒度过大，较粗的钢渣在烧结混合料中产生偏析，造成烧结矿的碱度波动，给高炉生产带来不利影响。

因此需要提高钢渣破碎和筛分能力，保证粒度的均匀性，减少钢渣在烧结混料中产生偏析，造成烧结矿碱度波动，影响高炉生产;解决配料过程中磷的富集问题。

3．1．2 钢渣用作炼钢返回渣料

使用部分转炉钢渣返回转炉冶炼既能提高炉龄，促进化渣，缩短冶炼时间，又可降低副原料消耗，并减少转炉总的渣量。

宝钢在国内率先开发了转炉脱磷脱碳的双联法工艺。即在转炉内进行铁水脱磷处理，出钢后再进行脱碳处理，可以稳定地生产［P］含量低于80 ×10－6的超低磷钢。在双联法工艺中，由于脱磷负荷主要由脱磷炉分担，因此脱碳炉的钢渣磷比较低，因而可以返回转炉利用。

目前，宝钢已经成功进行了转炉D 渣、铸余渣及脱碳炉的钢渣返回转炉利用的试验，结果表明，通过适当的工艺，合理地将钢渣返回转炉利用，可以有效地促进转炉冶炼过程的前期化渣，降低副原料的消耗，达到降本增效的目的，而且，钢渣的返回利用不会对钢水质量产生负面影响。

3．2 钢渣作建筑材料

3．2．1 钢渣用于水泥生产

由于钢渣中含有和水泥相类似的硅酸三钙、硅酸二钙及铁酸钙等活性矿物，具有水硬胶凝性，因此可以成为生产无熟料水泥或少熟料水泥的原料，也可以作为水泥掺合料。水泥熟料是由石灰石、黏土和铁粉等高温焙烧而成。每分解1 t 石灰石需耗能2．1 MJ，排放440 kg 二氧化碳，因此钢渣用于水泥生产可以有效降低能耗，减少温室气体效应。

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、钢渣矿渣高温型石膏白水泥和钢渣硅酸盐水泥等。水泥标号从325 提高到425 以上，并制订了相应的国家标准和行业标准。钢渣水泥不仅具有与矿渣水泥相同的物理力学性能，还具有水化热低、耐磨、抗冻、耐腐蚀、高抗折强度等优良特性。

影响水泥强度的关键因素是钢渣矿渣水泥的细度。在水泥原料中，熟料和石膏的硬度比较小，容易破碎，而钢渣的硬度比较大，渣内还包裹着渣钢粒，因此破碎比较困难。钢渣细度越细，水化作用越快，强度增大速度越快。但比表面积过大，水量提高，强度反而会降低。另外，钢渣水泥的早期强度较普通硅酸盐水泥相对较低。

3．2．2 钢渣用于混凝土

钢渣在炼钢的高温下形成，因此渣中的硅酸二钙和硅酸三钙矿物结晶完整，晶粒粗大致密，水化硬化速度较慢。为了提高水泥水硬活性，需要用特殊的磨粉工艺和设备，原因是粉磨过程不仅仅是颗粒减少的过程，同时伴随着晶体结构及物理化学性质的变化。粉磨能量中一部分转化为物料新颗粒的内能和表面能，同时产生晶体晶格的位错、缺陷或在表面形成易溶于水的非晶态结构，加速水化反应。

用钢渣粉配制的混凝土具有较高的耐磨性、抗碳化性，水化热低，抗折强度高，韧性好等，但早期强度低，如果采用钢渣和矿渣双掺粉，强度可以提高到C80。用钢渣微粉配制的混凝土具有耐磨性好、水化热低、和易性好等优点，符合高性能混凝土的发展方向。钢渣微粉技术是钢渣综合利用技术转化为生产力的集中体现，展示了钢渣综合利用技术的全面进步。

3．2．3 钢渣用于新型建筑材料

利用钢渣微粉与高炉矿粉互相激发的特性，加以石膏等激发剂可配制出完全符合使用要求的高性能混凝土胶凝材。以此为基体，根据不同的使用方向，可配制出道路混凝土、海工混凝土等系列产品。其中钢渣道路混凝土抗折、抗拉强度高，耐磨性、抗渗性好;根据不同钢渣的物理化学特性，应用于耐磨地坪等多项新型建筑工程，其中钢渣使用量达到70%生产的大理石与天然人造大理石相比具有耐磨性好、硬度高、耐高温、放射性元素含量极低等独特优势;用于GRC 制品不但达到同类石英砂材质要求，体现高附加值，而且拓展了其在环艺工程领域的新途径。

3．3 钢渣用于道路工程

钢渣用于筑路是钢渣综合利用的一个主要途径。欧美各国钢渣约有60%用于道路工程。钢渣碎石的硬度和颗粒形状都很适合道路材料的要求。钢渣可以用于道路的基层、垫层及面层。一般是钢渣与粉煤灰或高炉水渣中加入适量水泥或石灰作为激发剂，成为道路的稳定基层。

钢渣还可以用于沥青混凝土路面。国内外的研究表明，一些钢渣的力学性能较碎石好，不仅耐磨，颗粒形状和自然级配好，而且与沥青有良好的粘附性，沥青包裹后能防止钢渣膨胀，其比热值高，很适合沥青混合料集料用于铺筑路面。

钢渣用于道路工程的最大危害是它的膨胀性，若不采取相应措施就可能对工程造成极大的危害。解决钢渣膨胀与粉化的关键是: 控制钢渣的最大粒径;设置合适的孔隙率;控制钢渣内f－CaO 含量。

目前，提高钢渣稳定性的有效途径是:探索新的钢渣处理工艺，力争在钢渣的初次处理中，降低f －CaO 含量，将磁选后的尾渣堆置湿存进行陈化处理。

3．4 钢渣用于地基回填和软土地基加固

钢渣做地基回填料主要控制钢渣在地基的膨胀性能，钢渣的膨胀性能是长期的，主要与钢渣的物化性质有关。堆放一年以上的钢渣大部分已经完成膨胀过程，块度在200 mm 以下，可以做为回填材料，回填经过8 个月后基本稳定。在回填工程中地基下沉量一般是很大的，采用钢渣作为地基回填材料，减少了地基的下沉值，对工程是有利的。在回填时要控制钢渣铺设的均匀性，才可避免地基的不均匀下沉。近年来国内钢渣作为回填材料已经大规模应用。

钢渣桩加固软土地基是在软地基中用机械成孔后填入钢渣形成单独的桩柱。当钢渣挤入软土时，压密了桩间土;然后钢渣又与软土发生了物理和化学反应，钢渣进行吸水、发热、体积膨胀，钢渣周围的水分被吸附到桩体中来，直到毛细吸力达到平衡为止;与此同时，桩周围的软土受到脱水和挤密作用。这个过程一般需要3 ～4 周才能结束。钢渣入土水化后经过凝结、硬化，产生强度，提高了地基加固的复合效果，加固了软土地基。