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1、钢渣综合利用研究现状与进展前景摘要：钢渣是钢铁企业利用率比较低的大宗固体废物之一，目前我国钢渣的综合利用率仅为20%左右，与许多发达国家90%以上的钢渣利用率相差甚远，尚未利用的钢渣存放量高达10亿t。本文综合分析了国内外学者关于钢渣综合利用的文献，主要从以下几方面进行阐述：首先，简单对比分析国内主要的六种钢渣处理工艺及其优缺点；其次，从企业内部循环利用的角度分析介绍钢渣在有价金属回收、烧结方面的应用；最后，从企业外部非循环利用的角度出发分析介绍钢渣在建筑材料、筑路施工、农业肥料、陶瓷产品、海域及水污染治理等领域的综合利用现状。通过分析，笔者认为建立更加详细的钢渣分类系统、升级粉磨工艺及设备是
2、钢渣综合利用的前提。钢渣是由冶炼材料、冶炼过程中掉落的炉体材料、修补炉体的补炉料及各种金属等混合形成的高温固溶体山,其产量为粗钢产量的15%20%。近些年随着钢铁产量不断提高，钢渣作为冶炼工艺的衍生物，其产量也不断递增，因其未得到及时的消纳利用，造成了钢渣的大量堆弃，这不仅导致土地的占用和资源的浪费，其所含的重金属元素还会污染空气、土壤和河流2。迄今为止，人类已开发出了近40种有关钢渣综合利用的方法，但目前尚未找到大规模资源化利用钢渣资源的有效途径,缺乏更加先进的实现机械化的工业处理线，“钢渣零排放”仍是世界钢铁行业的难题。1国内钢渣处理工艺现状目前国内钢渣主要的六种处理工艺及其优缺点对比如表
3、1所示。其中热泼法、滚筒法、热闷法是国内处理钢渣的主要方法4,5,6。将以上6种钢渣处理方法的工艺可行性、运行费用、钢渣分离率等参数进行比较，如表1所示。对比各钢渣处理方法的优缺点，仅从钢渣稳定性角度来看，风淬法、水淬法、滚筒法、热烟法都符合钢渣利用稳定性要求,其中，风淬和热病处理工艺的投资相对较低,所以这两种也是国内目前普遍使用的方法。另外，大多数处理渣的状态都是液态,针对固态的处理方法只有热泼和热炳两种，已经造成堆积的固体钢渣的处理还有待研究。2企业内部循环利用目前，国内钢渣的利用还是以回收铁粉、用作烧结剂等企业内部循环利用的方式为主，可以分为富集回收有价金属和烧结配料两方面。2.1 富集
4、回收有价金属通常钢渣中含有20%左右的铁氧化物，其中金属铁大约占10%,并夹杂有锦、铁等有价金属，所以采用对钢渣破碎、筛分、磁选等方式，将钢渣中的金属成分富集回收，投入高炉、转炉参与冶炼，以达到降低冶炼成本的目的8。目前国内大部分中小型钢铁企业利用钢渣的方式是以磁选铁粉为主，经过破碎磁选处理后，回收得到的含铁料可返回冶炼工艺中循环利用，虽然处理工艺较为成熟,但是消纳量有限，钢渣的利用率较低。钢渣中金属的回收率，特别是铁的磁选回收率受破碎粒度的影响，粒度越精细回收率相对越高，所以对破碎粉磨设备的要求越来越高。目前的破碎设备主要为颗式破碎机、惯性圆锥破碎机和棒磨机等9O日本钢铁企业每年回收含铁量超
5、过95%的铁粉达18万t左右。我国莱芜钢铁集团有限公司、鞍山钢铁集团公司、宝钢集团有限公司等钢铁企业也通过四破四选、三破五选五筛分等工艺回收钢渣中的金属铁10。表1不同钢渣处理工艺对比处理工艺水淬3频3视处理周期短（约6Vmin）短（约2Vmin）长（24h）短（约35min）较长长（1012h）处理渣状态液态液态均可液念液态均可渣粒度mm550-5005-10520渣均匀性好好差好差钢渣稳定性好好差好差好钢潼分离好好差好差好可靠性S?差好差好好占地面积小较大大小於公环境污染蛆较大大小土小投资较低高低高高较低运行更用低低低较高高低渣处理率7%40-605010030-50100100铁等有价金
6、属的回收，既能减少原料消耗、降低经济成本，实现二次资源再利用，又能够去除钢渣中的重金属元素，有利于钢渣的进一步无污染综合利用。钢渣综合利用的前提为对钢渣进行预处理，为提高有价金属的回收率，需要不断地提升粉磨工艺设备，改善钢渣的难磨性。除此之外，将钢渣内部非磁性氧化物转变为磁性氧化物的氧化处理钢渣的新处理方法，也为提高有价金属磁选的回收率提供了新方向。2.2 用作烧结配料钢渣中存在40%50%的氧化钙、6%10%的氧化镁等，It钢渣经过粉磨处理后可以代替0.70.75t石灰石作烧结配料使用。钢渣用作烧结配料在许多中大型钢铁企业内部循环利用，已经取得了良好的经济效益和社会效益11。但钢渣用作烧结配
7、料时对配料比例和钢渣粒度有要求,处理不当会造成P等有害元素的富集，导致铁水中P元素含量上升，进而影响炼钢过程的脱磷效果和成本12。在烧结过程中可采取控制钢渣配加量、混料均匀化、优化原料结构、降低燃料用量、合理控制烧结矿碱度、增加风量和负压、改性脱磷处理等操作来提高烧结成品率。此外，钢铁冶炼主要是以铁元素为核心的物理、化学反应过程，随着铁矿石等生产原料的不断加入，以及钢渣用于烧结配料反复循环利用后，铁元素以外的副产品逐渐累积，会降低烧结矿的含铁品位，对高炉冶炼造成不利影响，影响钢渣的利用率。因此若钢渣仅作为烧结配料应用时不能满足钢渣大量应用的需求，还需寻找大规模综合利用钢渣的有效方法，实现钢渣“
8、变废为宝”是研究的主要方向。3钢渣综合利用一一企业外部非循环利用企业外部非循环利用指的是将钢渣用于除冶金工艺以外的其他领域，通常需要对钢渣进行一定的处理，不同的应用领域处理方式不同，且为非循环利用。3.1 钢渣应用在筑路施工领域经研究发现，钢渣的物理性能与天然碎石相近，这也就为其在筑路领域中的应用提供了一定的可行性。但是钢渣中含有的的游离氧化钙遇水后反应生成氢氧化钙，使钢渣体积膨胀98%;温度降低时，钢渣中的C3S和C2S还会发生相变造成体积的膨胀13,14。体积膨胀会导致道路、建材制品的开裂，成为制约钢渣利用的最大难题。张妍等15J通过碳酸化的处理方式,使钢渣中的硅酸盐、Ca(OH)2、f-
9、CaO和f-MgO等物质与CO2进行反应，生成以方解石(CaXMgI-XCo3)为主的碳酸盐，可有效改善钢渣体积膨胀问题。在CO2含量为99.9%、压力为0.2MPa、水固比为0.1、钢渣比表面积为483.58m2kg的条件下，碳酸化反应20min后，钢渣粉中的f-CaO和f-MgO含量均降到3%以下，压蒸膨胀率降低到0.29%,小于0.5%,符合国家标准。许博等16通过乙酸浸泡和掺入微硅粉两种处理方式来降低钢渣的体积膨胀率。其中乙酸浸泡处理对钢渣体积膨胀的抑制效果明显，膨胀率降低幅度达76%以上，能够满足在大多数工程中的应用。掺入微硅粉处理在掺量超过4.8%时，体积膨胀率小于0.4%,效果较
10、好，继续增大掺量则经济效益不大。除此之外，也有很多掺加其他矿物材料抑制钢渣膨胀性的方法,例如掺加粉煤灰、高炉水渣、矿渣微粉等，但是在掺入量达5%时，上述三种物料无论单独掺加还是两者结合都不如单掺硅粉抑制钢渣膨胀效果好。钢渣在筑路领域的应用，与钢渣的凝胶性、掺料比、游离氧化物含量等有关，除此之外还与生产地域是否缺乏天然砂石原料有关，在经济预算符合预期的情况下，钢渣完全可以代替天然砂石用于土基、路面底基层、垫层、沟槽回填等。目前绝大多数钢渣的放射性与活度小于工业废渣放射性物质限制标准，其力学性能、化学指标在一定程度上也满足公路路面基层施工技术细则JTG-TF202015等相关技术准则，因此能够满足
11、堆弃钢渣的大量利用。3.2 钢渣应用在建筑材料领域钢渣中硅酸三钙(3CaOSiO2)硅酸二钙(2CaOSiO2)铝酸三钙(3CaoA12O3)铁铝酸四钙(4CaOA12O3Fe2O3)等矿相具有水硬凝胶性，遇水发生反应生成的C-S-H凝胶具有一定的强度，因此可以应用在建筑行业用于生产水泥、混凝土等材料。3.2.1 水泥原料新型建材有限公司将日钢钢渣进行了充分粉磨细化，具有良好的颗粒分布和填充密实作用，但也带来了钢渣微粉水泥胶凝材料严重缓凝且早期强度过低的问题。柳东等17针对该问题对钢渣微粉进行特性分析，得到导致该问题的原因是在碱性溶液作用下，P元素会随着钢渣中玻璃体的解聚逐渐释放，难溶性磷酸盐
12、转变为可溶性磷酸盐，与Ca2+结合形成羟基磷灰石，阻碍硅酸盐水泥熟料的正常水化，且这种变化在12h内最明显。解决方法：钢渣微粉代替硅酸盐水泥时的适宜量为15%,适宜掺加4%的CaO可以有效缩短其缓凝时间，增加水泥致密性；掺加适量Na2SO4对钢渣微粉-水泥凝胶材料水化物进行化学活化，可提高胶凝材料早期强度，过量时则会引起水泥石结构膨胀，导致后期强度降低。3.2.2 混凝土王琪等18以陈化钢渣骨料代替天然骨料，制备全钢渣透水性混凝土。研究结果表明：钢渣骨料的粒径在4.759.5mm范围内，所制备的透水混凝土强度和透水性较好。透水性混凝土多孔式结构可在一定程度上抑制其体积膨胀性，得到的透水混凝土具
13、有良好的力学性能和物理性能。我国海绵城市的建设为钢渣的利用提供了新的可行性途径，将产生良好的社会效益、绿色效益与经济效益。拌合物的工作性能对透水混凝土有很大影响，目前尚未有一致的准确测量方法的手段，未来需开展此方面的深入研究。陈华等19为解决宝钢集团有限公司2万t/a的特殊钢渣的处理利用问题，将其作为掺合料制备发泡混凝土。特殊钢渣即为经过预处理的钢渣，其游离氧化钙的含量极低，其中的Pb、Ni、Cr等重金属含量超标，不能直接使用，且具有难磨、凝胶性差的特点。首先采取特殊钢渣就地集中处理模式，通过水洗球磨、水摇床分选回收金属资源，其次将提取金属后剩余的钢渣微粉与粉煤灰混合作为矿物掺合料代替部分水泥
14、，用以制作发泡混凝土，最终得到制备发泡混凝土所用水泥、钢渣微粉、粉煤灰、发泡剂的最佳掺和比约为12：5：2：K钢渣中的C3S在制备发泡混凝土过程中迅速水化，C2S和Ca3A16Si2O16也在后期发生缓慢水化，生成C-S-H凝胶剂有助于提高发泡混凝土的力学性能，同时能有效固化重金属。特殊钢渣较一般废弃钢渣来说，可以起到提升发泡混凝土力学性能的凝胶活性作用、惰性充填作用、抑制重金属浸出的化学固化和物理包裹作用，使钢渣在应用于发泡混凝土方面更具有安全性。钢渣中含有C3S、C2S等矿相，其水化性能比水泥熟料中矿相水化性能低，所以钢渣需要进一步的加工处理，比如掺加一定量的掺合料和适量石膏，经混合、球磨
15、后，可生产钢渣水泥；或者粉磨到一定比表面积的微粉，可以用作水泥熟料或者混凝土掺合料。钢渣在此领域不仅适用范围广，而且需求量大，能够消纳大量钢渣。但是掺和物的选择及对后续性能的影响，尚未有详细的描述、检测手段，需要进一步研究。3.3 钢渣应用在农业领域3.3.1 硅钙肥原料法国、德国、波兰等许多欧洲国家在利用钢渣制作农业肥料方面研究了很多年，近年来我国对钢渣制作农业肥料的研究也取得了一定成果20。宁东峰等21通过比较不同成品钢渣对水稻生长、生产和害虫防御的作用，研究钢渣中硅的释放规律。研究发现：加入钢渣能够在水稻缺乏相应硅元素时，提高水稻叶片内的含硅量并促进水稻的生长、生产和对病虫的妨害。但是由于钢渣成分复杂，不同处理方式、不同原产地的钢渣中有效硅含量不同，水淬渣的含硅量明显高于自然空气缓冷情况下的含硅量，当钢渣中可被植物吸收的有效性含硅量大于15%时，被称为高品质硅肥原料。在日本，丸园伸洋等22提出了一种模拟水田条件的填柱试验方法，该柱由含有孔隙水和土壤肥料的耕作层，以及一层地表水组成。利用炼钢渣中含有的Cao和Si02,通过脱盐处理和二氧化硅施肥的方法洗去过量的Na,用于恢复日本东北部海岸附
