典型固体废物的处理与利用高炉渣、钢渣和赤泥工业废物的利用

典型工业固体废物的处理与利用
铁矿石+焦碳+石灰石
高炉渣
高炉烟气
炼铁高炉
铁水
熔融炉渣
冷却
生铁 高炉渣
采用贫铁矿炼铁时，每吨生铁产出1.0～1.2t高炉矿渣； 用富铁矿炼铁时，每吨生铁只产出0.25t高炉矿渣。
一、高炉渣的组成和性质
1.高炉渣的分类
水渣：高炉熔渣在大量冷却水作用下形成的海 绵状浮石类物质。 按冷却方式的不同 重矿渣：高炉熔渣经慢冷作用形成的类石料矿渣。
目前，每生产1吨平炉钢约产生钢渣170～210kg，其中初期渣约占 60%，精炼渣占10%，出钢渣占30%。
平炉钢渣矿物组成与转炉钢渣组成规律基本相似，CaO含量低、碱度 小的初期钢渣，矿物组成以橄榄石、蔷薇辉石为主；CaO含量高、碱度大 的末期渣，矿物组成主要是C3S、C2S及RO相。
（3）电炉钢渣
三、高炉渣的矿物组成
高炉渣中的各种氧化物成分以各种形式的硅酸盐矿物形 式存在。
碱性高炉渣主要矿物：钙铝黄长石（2CaO·Al2O3·SiO2） 、钙镁黄长石（2CaO·MgO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2 ） 以 及 假 硅 灰 石 （ CaO·SiO2）、 钙 长 石 （ CaO·Al2O3·2SiO2 ）、 钙 镁 橄 榄 石 （ CaO·MgO·SiO2）、 镁 蔷 薇 辉 石 （ 3CaO·MgO·2SiO2）以及镁方柱石（2CaO·MgO·2SiO2）等。
电炉炼钢是以废钢为原料，主要生产特殊钢。电炉生产周期也长 ，分氧化期和还原期，并分期出渣，所出渣分别称氧化渣和还原渣。 下表为成都钢铁厂和上钢电炉渣的化学成分，其特征是氧化渣中氧化 钙含量低，氧化亚铁含量高，而还原渣则相反。电炉钢渣矿物组成规 律与平炉渣相似。目前，每生产1吨电炉钢约产生150～200kg的钢渣， 其中氧化渣约占55%。
CaO和MgO主要来自助熔剂，SiO2和Al2O3主要来自铁精矿中的脉 石和焦炭中的灰分。
由于铁精矿品位及冶炼生铁的种类不同，高炉渣的化学成分波动较 大 。 一 般 ， 生 产 过 程 主 要 控 制 分 析 SiO2、Al2O3、CaO、MgO、FeO、 MnO、S七项指标，对一些特殊的高炉渣还需分析TiO2、V2O5、Na2O、 BaO、P2O5、Cr2O3、Ni2O3等。在冶炼炉料固定和冶炼正常时，高炉渣 的化学成分变化不大，对综合利用有利。
按高炉渣的碱性率 （以Mo表示）
碱性矿渣：碱性率Mo>1的矿渣 中性矿渣，碱性率Mo=1的矿渣； 酸性矿渣，碱性率Mo<1的矿渣
碱性率 M O
CaO MgO SiO2 Al 2O3
我国高炉渣大部分接近中性矿渣（Mo=0.99～1.08），高碱性及酸性高 炉渣数量较少。
二、高炉矿渣的化学组成
高炉渣含有15种以上化学成分， 但主要是CaO、MgO、Al2O3、 SiO2四种，它们约占高炉渣总重量的95%。
四、高炉渣的性质
（1）水淬渣
急冷过程中，熔渣的绝大部分化合物来不及形成稳定化合物，
而以玻璃体状态将热能转化成化学能封存其内，从而构成了潜在的
化学活性。常用来生产水泥。
用水淬渣活性率（Mc）
Mc
Al2O3 SiO2
水淬渣的化学活性表示
Mc>0.25为活性矿渣 Mc<0.25为低活性矿渣
水淬渣质量系数（k）
场、地基工程、铁路道碴、混凝土骨料和沥青路面等代替天
然碎石。
（1）配制矿渣碎石混凝土
（2）重矿渣在地基工程中的应用 （3）矿渣碎石在道路工程中的应用 矿渣碎石还比普通碎石具有更高的耐热性能，更适用于喷 气式飞机的跑道上。 （4）矿渣碎石在铁路道碴上的应用
用矿渣碎石作铁路道碴称为矿渣道碴。我国铁道线上 采用矿渣道碴的历史较久。
钢渣的资源化
钢渣是炼钢过程排出的废渣。钢渣是炼钢过程中的必然 副产物，其排出量约为粗钢产量的15%～20%。 一、钢渣的分类
平炉渣：初期渣、精炼渣、出钢渣和浇钢余渣 按炼钢所用炉型 转炉渣：
电炉渣：氧化渣和还原渣
按熔渣性质
碱性渣： 酸性渣
低碱度钢渣（R<1.8） 按碱度（R） 中碱度钢渣（R=1.8～2.5）
1.24
5～10 20～25 20～30 5～10
7～15
（2）平炉钢渣
平炉炼钢周期比转炉长，分氧化期、精炼期与出钢期，并且每期终了 都要出渣。氧化期排出的渣称初期渣，精炼期排出的渣称精炼渣，出钢后 排出的渣称出钢渣，精炼渣与出钢渣又合称为末期渣。下表所示为马鞍山 钢铁公司平炉渣化学成分。
表 马鞍山钢铁公司平炉渣化学成分，%
（5）稳定性 钢渣含游离氧化钙(f-CaO)、MgO、C3S、C2S等，这些组分 在一定条件下都具有不稳定性。碱度高的熔渣在缓冷时，C3S会在1250℃ 到1100℃时缓慢分解为C2S和f-CaO；C2S在675℃时β-C2S要相变为γ-C2S， 并且发生体积膨胀，膨胀率达10％。
4～10 7～10 5～10 2.5～
13
5～6 0.5～
2.5 1.5～
2.5 1～2
1～1.4 3～5 2～3 0.2～
1.3
f-CaO
2～9.5 5～11 4～10 2～10
转炉钢渣的矿物组成取决于它的化学成分。当钢渣的碱度R为0.78～1.8
时 ， 主 要 矿 物 为 CMS（ 镁 橄 榄 石 ） 、 C3MS2（ 镁 蔷 薇 辉 石 ） 。 碱 度 为 1.8～2.5时，主要矿物为C2S（硅酸二钙）及RO相（二价金属氧化物固熔 体）。碱度为2.5以上时，主要矿物为C3S（硅酸三钙）、C2S及RO相。不 同碱度转炉钢渣的矿物组成如表所示。
渣种
CaO
MgO
SiO2
FeO
Fe3O4
MnO
A12O3
P2O5
初期渣 精炼渣 出钢渣
18～30 42～55 50～60
5～8 6～12 4～7
9～34 10～20 10～18
27～31 10～20 6～10
4～5 5～11 4～6
2～3 1～2 1～2
1～2 2～5 2～3
6～11 3～8 3～7
(3)重矿渣 重矿渣是高温熔渣在空气中自然冷却或淋少量水慢速 冷却而形成的致密块渣。 重矿渣的物理性质与天然碎石相近，其块渣容重大多 在1900kg/m3以上，其抗压强度、稳定性、耐磨性、抗冻 性、抗冲击能力（韧性）均符合工程要求，可以代替碎石 用于各种建筑工程中。
五、高炉渣的资源化途径 高炉渣80%冲成水淬矿渣。
炼钢厂
宝钢 马钢 上钢 邯钢
表 我国几个大型钢铁企业转炉钢渣的化学成分，%
CaO
MgO
SiO2
A12O3
FeO
Fe2O3
MnO
P2O5
40～49 45～50 45～51 42～54
4～7 4～5 5～12 3～8
13～17 10～11 8～10 12～20
1～3 1～4 0.6～1 2～6
11～22 10～18 5～20 4～18
一、水渣 水渣具有潜在的水硬胶凝性能，是优良的水泥原
料。因此，它主要用来生产水泥和矿渣砖、瓦等。
（1）生产水泥：我国约有3/4的水泥中掺有粒状高炉渣。 目前我国利用高炉渣生产的水泥
矿渣硅酸盐水泥：水泥熟料+ 20%～70%高炉水渣+ 3%～5% 石膏 普通硅酸盐水泥：水泥熟料+ 不超过15%高炉水渣+ 3%～5% 石膏 石膏矿渣水泥：少量水泥熟料+ 80%高炉水渣+ 15% 石膏 钢渣矿渣水泥：45%左右的钢渣+40%的高炉水渣+适量的石膏
膨珠：高炉熔渣在半急冷作用并通过成珠设备击 碎、抛甩到空气中，再受空气冷却形成的矿渣。
1400～1600℃高温的熔融体 渣罐
接渣槽 高压水管
流渣槽
滚筒
膨珠
按冶炼生铁的种类
铸造生铁矿渣：冶炼铸造生铁时排出的矿渣
炼钢生铁矿渣：冶炼供炼钢用生铁时排出的矿渣 特种生铁矿渣：用含有其他金属的铁矿石熔炼 生铁时排出的矿渣。
（4）活性 C3S、C2S等为活性矿物，具有水硬胶凝性。当钢渣中成分比 值（碱度）R大于1.8时，便含有60%～80%的C3S和C2S，并且碱度值的提高 ，C3S含量也增加，当碱度达到2.5以上时，钢渣的主要矿物为C3S。用碱度 高于2.5的钢渣加10%的石膏研磨制成的水泥，强度可达325号。因此，C3S 和C2S含量高的高碱度钢渣，可作水泥生产原料和制造建材制品。
高炉渣属于硅酸盐材料，它的组成与天然岩石和硅酸盐水泥相似， 下表所示为我国大部分钢铁厂高炉渣的化学成分与天然岩石和硅酸盐水 泥化学成分比较。
名称 普通渣 高钛渣 锰铁渣 含氟渣
硅酸盐 水泥
花岗岩 玄武岩
我国高炉渣与天然岩石、硅酸盐水泥化学成分比较（质量%）
CaO SiO2 Al2 O3
38～ 26～ 6～
V2O5
0.1～ 0.6
64.2 22 5.5 1.40 1.5
1.34 0.30
2.15 69.92 14.78 0.97 0.13
1.67
0.39
含
P2O50.24
8.91 48.78 15.85 6.05 0.29
6.34
1.39
含 P2O50.47
S
0.2～ 1.5 <1
0.3～ 3 含
F7～ 8
表 不同碱度转炉钢渣的矿物组成，%
碱度
C3S
C2S
CMS
C3MS2
C2AS
CaCO3
RO
4.24
50～60
1～5
15～20
3.07
35～45 5～10
15～20
2.73
30～35 20～30
3～5
2.62
20～30 10～20
15～20
2.56
15～25 20～25
40～50
2.11
少量
20～30
5～10 15～20
二、膨胀矿渣
膨胀矿渣主要是用作混凝土轻骨料，也可作防火隔 热材料。
膨珠可以用于轻混凝土制品及结构，如用于制作砌 块、楼板、预制墙板及其它轻质混凝土制品。
直径小于3mm的膨珠与水渣的用途相同，可供水泥 厂作矿渣水泥的掺合料用，也可以作为公路路基材料和 混凝土细骨料使用。
三、重矿渣
矿渣碎石的用途很广，用量也很大，主要用于公路、机
表 电炉钢渣化学成分，%
单位
渣种
CaO
MgO
SiO2
FeO
A12O3
MnO
P
成钢 上钢
氧化渣 还原渣
29～33 44～55
12～14 8～13
15～17 11～20
19～22 0.5～1.5
3～4 10～18
4～5
0.2～0.4
三、钢渣的性质
钢渣是一种由多种矿物组成的固熔体，其性质与其化学成分有密切的关系。
49
42
17
Mg MnO FeO TiO2 O
1～ 0.1～ 0.07～
13
1
0.89
23～ 20～ 9～ 2～ <1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ46
35
15
10
20～ 29
28～ 21～ 11～ 2～ 5～ 0.05～
47 37 24
8
23
0.31
35～ 22～ 6～8 3～ 0.1～ 0.07～
45 29
7.8 0.8
0.08
含硅原料 含铁原料
粘土 石灰石
水渣
烘干机
粉磨机
渣粉
混合磨
矿渣硅酸盐水泥
粉碎机
煅烧窑
熟料
粉磨机
硅酸盐水泥
石膏
（2）生产矿渣砖
水渣、石灰 搅拌
轮碾
成型
蒸养
矿渣砖
一般要求石灰中
氧化钙含量在 60%以上，氧化 镁应少于10%。
矿渣砖具有良好的物理力学性能，但容重较大，一般为 2120～2160kg/ m3。适用于上下水或水中建筑，不适用于 高于250℃的环境中使用。
k
CaO MgO Al2O3 SiO2 MnO
k>1.9为高活性矿渣 k=1.6～1.9是中活性矿渣 k <1.6为低活性矿渣。
（2）膨胀矿渣珠
膨珠系半急冷作用形成。除孔洞外，其它部分是玻璃体。 孔洞：孔径大的350～400μm，小的80～100μm。隔热、保 温、质轻、吸水率低、抗压强度和弹性模量高等优点，因而 是一种很好的建筑用轻骨料，也可作为防火隔热材料。 玻璃体：膨珠呈现由灰白到黑的颜色，颜色越浅，玻璃体 含量越高，灰白色膨珠，玻璃体含量达95%。生产水泥的原 料。
高碱度钢渣（R>2.5）
碱度
CaO
SiO2 P2O5
水淬粒状钢渣 按钢渣的形态 块状钢渣
粉状钢渣
二、钢渣的组成
不同的原料、不同的炼钢方法、不同的生产阶段、不同的钢种生产以 及不同的炉次等，所排出的钢种的组成与产生量是不同的。
（1）转炉钢渣 转炉钢渣是钢渣的主要部分，在我国，约占钢渣总量的65%。目前， 生产1吨转炉钢约产生130～240kg钢渣。表所示为我国几个大型钢铁企业 转炉钢渣的化学成分。
（1）密度 由于钢渣含铁较高，因此比高炉渣密度高，一般在3.1～ 3.6g/cm3。
（2）容重 钢渣容重不仅受其密度影响，还与粒度有关。通过80目标准筛 的渣粉，平炉渣为2.17～2.20g/cm3，电炉渣为1.62 g/cm3左右，转炉渣为1.74 g/cm3左右。
（3）易磨性 由于钢渣致密，因此较耐磨。易磨指数：标准砂为1，钢渣 为0.96，而高炉渣仅为0.7，钢渣比高炉渣要耐磨。