冶金渣资源化利用的现状和发展趋势

张国柱

（中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北 秦皇岛 066000）

我国冶金行业一直都是工业种类中的重要行业。一直以来，由于原料与产品市价是行业效益的主导因素，导致大多数企业对优化行业管理不重视，使社会成本急剧增加，尤其对社会资源、环保以及能源发展而言。目前，国家大力倡导发展低碳经济、节能环保经济以及循环经济，行业规模巨大的冶金行业以及其冶金渣的资源化利用成为关注焦点。

1 冶金渣的定义以及分类

1.1 冶金渣定义

在冶金工业生产中，把各种金属矿石当作原料来冶炼或者是把粗金属加工制作成金属产品，在该过程中产生的炉渣被称为冶金渣。按我国行业管理分类，冶金渣可划分为钢铁渣、有色金属渣以及铁合金渣。而钢铁渣包括炼铁渣与炼钢渣两类[1-4]。

1.2 冶金渣分类

（1）炼铁渣。炼钢生铁渣、锰铁渣、铸造生铁渣、化铁炉渣、硅锰铁渣等都是属于炼铁渣的范畴。普通高炉渣来源于高炉冶炼生铁中所产生的由焦炭灰分、矿石脉石以及助熔剂等相互作用形成的主要成分为硅酸钙和硅铝酸钙的物质。

（2）炼钢渣。炼钢渣的主要分类有三种，分别为炼钢钢渣、钒钛钢渣、不锈钢钢渣等。炼钢钢渣来源于钢铁生产时，转炉、精炼炉以及电炉在熔炼时所产生的由造渣材料以及炉料杂质等溶化而成的以氧化物为主的物质成分，时而还伴有少量硫化物、碳化物以及氟化物的成分。

（3）铁合金渣铁。铁合金在冶炼生产过程中形成的工业废渣被称之为铁合金渣。

（4）有色金属渣。有色金属在冶炼过程形成的各种金属渣都被称之为有色冶金废渣。

（5）其它冶金废料。冶金固体废物、污泥以及废金属都是属于其他冶金废料范畴。对其它冶金废料展开研究，目的是为了提高冶金渣资源化的有效利用率，其生产出的冶金渣衍生品也是整个冶金渣体系的重要研究组成。

2 浅谈我国冶金渣资源化利用现状

我国对于冶金渣资源化已经做了很多研究，其主要利用现状总结如下。

2.1 用于生产矿渣水泥

高炉水渣主要用来生产矿渣水泥。CaO和SiO2是高炉水渣的化学成分,在总量中占到70%到80%。钙铝黄长石、镁黄长石、硅酸二钙、钙长石等矿相形成受到水冷条件的抑制,从而形成了玻璃体矿相结构并且具备潜在水硬胶凝的性能,在水泥熟料、石膏石灰等激发剂作用下，这些矿相能产生水硬胶凝性能并具有相应强度,从而得出,水渣可作为水泥生产的良好原料。现阶段,利用高炉水渣生产的矿渣水泥包括以下几类：

（1）矿渣硅酸盐水泥。该水泥主要把颗粒状的高炉水渣、硅酸盐水泥熟料、石膏这三者通过混合磨细，最终生产出水硬性胶凝材料。由高炉水渣制造的水泥牌号通常超过400号,但该水泥早期存在强度较低的问题。

（2）石膏矿渣水泥。该水泥是由大约80%质量分数的高炉水渣，配上约15%质量分数的石膏以及少许石灰或者硅酸盐水泥熟料，经过混合磨细，最终产生的水硬性胶凝材料。该水泥具有成本低、抗渗透性强以及良好的抗硫酸盐侵蚀等特征,因此它在混凝土水工建筑物以及各类预制砌块中普遍适用。

（3）石灰矿渣水泥。按照一定的比例把颗粒状的干燥高炉渣、消石灰、生石灰和约含5%质量分数的天然石膏混合磨细，最终形成的水硬性胶凝材料。通常用到各种蒸汽养护的混凝土预制品、水地路面等无筋混凝土之中，此外在工业与民用的建筑砂浆中也同样适用。

2.2 把冶金渣用作冶金返回原料

转炉渣利用价值相当高，可实现冶金返回原料的利用。现阶段，通过转炉渣研发的冶金原料有以下3类。

（1）烧结矿熔剂。把转炉渣含有的CaO成分作为烧结熔剂来使用,可代替部分石灰石。把适量转炉渣加入烧结矿中能够促进烧结造球，使烧结速度提升。此外，存在于转炉渣中的FeO和Fe通过氧化作用放出热量,使钙以及镁碳酸盐在分解过程中所需热量得到补偿,有效减少烧结矿的相关燃料耗损。

（2）化铁炉或高炉熔剂。转炉渣可直接当作化铁炉或高炉熔剂来使用,这样不仅使石灰石以及白云石用量降低,还能节省热能。可是,由于目前白云石以及石灰石在高炉中使用越来越少，甚至有些企业高炉已经不再使用，因而转炉渣在高炉的替代作用也被限制了。

（3）作炼钢返回渣。在下一炉的冶炼中把转炉终渣作初渣使用,有利于加快冶炼初期的成渣速度,使初期渣侵蚀炉衬的程度降低；在现阶段使用溅渣护炉工艺中,大量转炉渣被消耗后,可以使耐火材料的耗损大大降低。

2.3 冶金渣用作道路和建筑材料

冶金渣有着与天然岩石相似的物理属性，因而冶金渣被广泛用于道路与建筑方面，比如建设公路、机场以及地基工程等。

（1）矿渣砖。高炉水渣与适量的水泥胶凝材料，在搅拌、定型以及蒸汽养护等之后形成的建筑用砖被成为矿渣砖,它在普通的房屋建筑以及地下建筑中广泛使用，实质上就是使用高炉水渣替换部分沙石。

（2）矿渣混凝土。把高炉水渣作为原材料，配适当的激发剂，一同混合放入轮碾机并加水碾磨，最后同骨料混合形成的产物被称为矿渣混凝土。在小型混凝土预制件生产中特别适合使用矿渣混凝土,但是对于施工浇筑现场不宜使用。

（3）地基用碎石。因为冶金渣拥有与天然岩石大体相同的强度,所以冶金渣碎石颗粒的强度能够满足地基工程对强度的需求。除此以外,由于密度大、耐磨性好、表面粗糙、能与沥青结合牢靠等众多优点,使冶金渣在铁路路基施工、公路路基施工、工程回填等方面应用广泛。值得注意的是,当转炉渣在筑路以及回填料过程中,应该对其进行陈化，预防渣中的自由氧化钙由于水化发生体积膨胀。

2.4 用作生产农用肥料和土壤改良剂

Ca O、SiO2是冶金渣的主要成分,且还富含多种复合矿物元素以及含有微量元素,这些元素可促进农作物生长。因而，合理利用冶金渣中有助农作物生长的成分,制作出农用肥料以及土壤改良剂。

（1）生产磷肥。转炉吹炼未进行炉外脱磷处理的铁水,将会得到含P2O5成分较高的炉渣。该炉渣具有相应的肥力,尤其适用于缺少磷元素的碱性土壤。

（2）生产硅肥。水稻生长需要大量的硅元素，而SiO2在转炉渣含量高达15%。因此把转炉渣磨细，细度低于0.246mm,就可以当作硅肥在农作物中使用。

（3）酸性土壤改良剂。CaO以及MgO在转炉渣具有含很高的含量。因而，把转炉渣经过磨细处理之后，可用于改良酸性土壤，成为一种有效的酸性土壤改良剂。

3 冶金渣资源化利用未来发展趋势分析

（1）激发冶金渣活性。冶金渣的资源化利用在过去也比较成功,且利用率最高、用量最高的是在生产水泥方面。然而，水泥生产过程中，因为较低的冶金渣附加值导致了冶金渣所呈现的活性比较低。基于这一点,如果想要提高冶金渣的附加值利用，最关键的问题在于把冶金渣的活性激发出来,使其活性达到硅酸盐水泥活性。在以往的研究里,主要采用的方法是调控添加物使其化学组成发生改变以此激发冶金渣活性。现阶段冶金渣活性的激发主要采用机械手段,使冶金渣的水硬胶凝性能提升。通过在机械作用下冶金渣的颗粒粒度降低,使其比表面积提高,实现新生颗粒内能以及表面能的增加，这就是机械激发活性的原理；与此同时,新生颗粒的晶体结构与表面发生了物理、化学性质的变化,随之加大了水跟冶金渣中矿物表面的接触面积,从而使出现在矿物与水两者之间的水化反应速度提升。

（2）生产缓释性钾肥。冶金渣用于生产缓释性钾肥,这是当前冶金渣资源化利用的一门新技术。我们这里指的缓释性肥料，其具有难溶于水的特征,但对于从农作物根部分泌出的柠檬酸溶液极其容易溶解于其中。正是因为这一性质特性，缓释性肥料能从根源上解决由灌溉或雨水导致的农作物肥料流失的问题。并且,农作物根部所分泌出的柠檬酸会伴随着农作物的成长发育而不断增加,从而使根部对于肥料的吸收能力也随着增加,从源头上满足了植物生长需要。有助于植物生长和发育的三大元素有氮、磷、钾。植物对于钾肥的需求量，主要是在结果期要求量多，生长期要求少。基于该原因，钾肥应当具备肥效长的特点。作为农业大生产大国，我国对钾肥需量大，因此把冶金渣用于生产缓释性钾肥，正是未来发展的趋势的要求。在冶炼时，铁水预处理过程中所形成的脱硅渣能用于生产缓释性钾肥。脱硅渣中SiO2和CaO含量丰富，再把K2CO3或KOH添加进去合成钾肥，满足植物对缓释性肥料的需求。

（3）深度开发冶金渣。由于我国钢渣产量大，造成了环境严重污染以及资源浪费，阻碍了我国经济的可持续发展。因此，如何提高钢渣资源化利用率，是我国当前发展面临的问题。早期的冶金渣处理方式是排废堆放且置之不管，随着循环经济的意识提升，企业开始了对矿渣进行破碎处理。磁选出含铁量10%左右的钢渣做回收处理。但是，磁选后的尾渣依旧堆放在原地。随着科技的进步以及环保经济理念的倡导，目前磁选后高炉渣废渣以及钢渣废渣经过加工后形成具有高价值的各种附加产品。高炉炉渣通过水淬处理技术可以产出具备良好活性的高炉水淬渣，将其磨制成粉再混合到水泥以及混凝土中，这种使用方法在国内比较常见。高炉矿渣粉在我国综合利用率仅为78%；而在国外其利用率实现100%。由于转炉钢渣有不稳定物质的存在，比如游离氧化镁、氧化钙等物质，就可能出现体积稳定性不强、早期活性不及高炉水淬渣粉强、研磨困难等问题，使高炉矿渣粉在水泥与混凝土中的有效使用率降低，导致只能用作填海、道路材料以及工程回填材料等，与发达国家相比，综合利用率相当低。由于不能充分利用转炉钢渣，导致钢厂囤积大量钢渣，由此带来的后果包括：大面积占用和浪费耕地、污染环境、影响水质，不利于企业健康长远的发展。此外，由于冶金渣堆积规模庞大，其处理难度系数非常大，如果没有科学合理的处理办法，该情况将愈演愈烈。基于这些原因，深度开发冶金渣资源，提高利用率是未来发展的必然趋势。

（4）加强冶炼中废渣、废液、废气、余热等资源化利用。提取冶金渣固体废弃物中的有价金属，提取回收赤泥中的铁、碱、贵金属等物质，提取铜冶炼渣以及阳极泥中的稀贵金属，提取铅锌冶炼废渣中的镉、铁、锗等元素，提取氰化尾渣以及黄金矿渣中的铅、铜、银等元素。转炉钢渣热量来源于众多能源的转换，通过收集余热可使企业在能源费用上节约开支；与此同时，减少能源的消耗就是在减轻环境污染。此外，通过回收再利用冶炼废液的中资源，能够把镓、钪等元素从氧化铝母液提取并再利用。因此，深入挖掘冶金渣中存在各种潜在资源，并做到再次循环使用，有有效提高冶金渣资源化利用率。

（5）拓宽高炉炉渣的多样化用途。冶金渣中，高炉炉渣具有广泛用途。通过打水冷却或者是自然冷却的作用后，高炉炉渣能够替换天然砂石的作用，可用作道路的相关混凝土或者混凝土骨料使用，在防滑耐磨场地的基材中也可以选用高炉炉渣，其具有很强的耐高温作用，能承受住700℃的高温条件。高炉炉渣作为填充基料时，具有稳定的膨胀性能，甚至对净化海水都能起到作用。在熔融态的高炉炉渣经水淬冷却，形成的颗粒具有潜在水硬胶凝性能以及较好的活性，可将其掺入水泥中替代熟料，改善水泥的各项性能指标，使水泥的早期活性得到提高，同时使用高炉炉渣替代水泥熟料还能降低生产成本。因此在水泥中加入高炉水淬矿渣粉可以使水泥各项性能得到提升，是水泥熟料替代品的最佳选择。除此以外，保温材料以及矿渣棉都可以使用高炉水淬渣来生产制作。

综上所述，提高冶金渣相关资源化利用，有利于减少耕地浪费、防止污染，对我国冶金工业的可持续发展有着重要的意义。现阶段，矿渣水泥生产、道路建筑用材、冶金返回料利用是冶金渣在资源化利用方面的集中体现，当前生产出冶金渣制品附加值不高,并且没有充分利用好冶金渣在物理化学方面的潜在热能。因此，开发出具有较高附加值的产品是冶金渣未来资源化高效利用的趋势所在。同时，还要激发冶金渣的活性以及在生产缓释性钾肥等方面的作用，使冶金渣在沿着高效资源化利用的方向发展。