钢铁工业固体废弃物资源化途径

钢铁工业固体废弃物资源化途径
①
陈泉源,柳欢欢
(东华大学环境科学与工程学院,上海200051)
摘　要:介绍了采矿废石、选矿尾矿和冶金废渣资源化技术现状及发展方向。

探讨了利用固体废物中非金属矿物作为环境材料,特殊含钍、稀土、钛高炉渣综合利用,以及钢铁渣作水泥、混凝土活性掺合料等方面存在的问题及解决途径,认为微细粒高效分选技术对提高工业固体废物资源化技术水平十分重要。

关键词:固体废弃物;采矿废石;选矿尾矿;冶金废渣;资源化;环境材料;综合利用中图分类号:TF09
文献标识码:A
文章编号:0253-6099(2007)03-0049-08
Co mprehensi ve Utili zati on of Soli d Wastes D ischarged
fro m I ron and Steel I ndustry
CHE N Quan 2yuan,L I U Huang 2huang
(School of Environm en tal S cience and Engineering,D onghua U niversity,Shanghai 200051,Ch ina )
Abstract:Current investigati ons and the app licati on potentials of the res ourcing technol ogy t o utilize m ining gangue,m ineral p r ocessing tailings and metallurgical slag were revie wed .The technical p r oble m s and the possible s oluti ons in u 2sing non 2metal m inerals in the s olid wastes as envir onmental materials,the comp rehensive recovery of s pecial blast fur 2nace slag containing Th,Ti and rare earths,the app licati on of steel slag as active adm ixtures f or ce ment concretes,have been discussed .It is concluded that the efficient separati on of ultrafine particles p lays a crucial r ole in i m p r oving utiliza 2ti on effectiveness of s olid wastes as a secondary res ource and worth receiving more attenti on .
Key words:s olid wastes;m ining gangue;m ineral p r ocessing tailings;metallurgical slag;res ourcing;envir onmental material;comp rehensive utilizati on
从矿山开采、选矿、冶炼到金属加工都排放固体废弃物,如采矿废石、选矿尾矿、冶炼炉渣、粉尘污泥等,
统称为冶金固体废弃物。

我国2005年钢铁产量超过
4×108
t,占世界总产量的50%左右,产生高炉矿渣
1.55×108
t,钢渣7000万t 。

矿山废石、选矿尾矿数倍于此。

我国水淬钢铁渣完全利用,但重矿渣及一些特殊的高炉渣,如包钢、攀钢的高炉渣,以及大量的有色金属冶炼炉渣,几乎未得到利用或合理利用。

钢渣综合利用率仅为45%,而矿山废石、选矿尾矿综合利用率不足5%。

有的冶金企业渣场堆高达数十米,不仅占用大量土地,而且严重污染环境。

尾矿库占地更多,管理费用高,约占矿产品成本10%～30%,且污染风险大,尾矿坝倒塌事故时有发生。

冶金工业固体废物流入湖泊、江河、海洋造成的危害极大。

众所周知,水泥工业对固体废弃物吸纳有着量大、适应性强的得天独厚的优势。

我国是世界上的建材大
国,水泥产量是世界总产量的50%,2005年我国水泥产量已超过8.6×108
t,大约消耗石灰石资源6×108
t 以上,同时排放近5×108
t 的CO 2。

钢铁工业固体废物主要含Ca O 、Si O 2、A12O 3、Fe O 、MnO 等成分,含有水硬活性矿物及玻璃相。

从可持续发展和降低水泥生产成本的角度来讲,少熟料、大掺量冶金工业废渣水泥,一直是生产环保型胶凝材料重要的技术路线。

与硅酸盐水泥相比,每使用1t 掺合料可节煤25kg,节电30k W ・h,节约CaCO 30.84t,少排放CO 20.72t 。

钢铁
渣水泥和钢铁渣用作水泥或混凝土掺合料,还能改善水泥和混凝土耐久性能,提高建筑工程质量。

我国对冶金工业固体废物研究较多,钢铁渣在建筑材料的应用已有几十年的历史,积累了宝贵的经验[1]。

本文介
绍了矿山废石、选矿尾矿和冶金废渣资源化技术现状
及发展方向。

①收稿日期:2007201211
作者简介:陈泉源(1962-),湖北应城人,博士,教授,主要从事物质分离和污染控制教学和研究工作。

第27卷第3期2007年06月
矿　冶　工　程
M I N I NG AND M ETALL URG I CAL ENG I NEER I NG
Vol .27№3
June 2007
1　采矿废石及选矿尾矿应用
1.1　充填骨料及环境材料
金属矿在开采过程中,剥离围岩产生的废石量与矿体结构、开采方法和边界品位等因素有关。

剥离废石主要为硅酸盐和碳酸盐矿物,可作回填采空场用料。

废石回填整平,覆盖一定厚度的新土,可复垦造田,或植被绿化,以恢复生态平衡。

废石粉碎作为井下胶结充填的骨料,既减少了地面废石堆积和对环境的污染,而且与使用河砂相比,成本有所降低。

选矿排出的尾矿浓缩到浓度为65%～80%,与水泥混合(水泥∶尾矿1∶3～1∶5),或与粉煤灰混合,作为胶结充填料[2],回填于井下采空场,也获得了较好的环境效益和经济效益,降低充填成本30%,延长了尾矿库服务年限。

选矿尾矿及其改性产物,可吸附重金属、多环芳烃、碳氢化合物、氮、磷等物质。

利用尾矿生产环境功能材料,如治理大气污染的吸附剂、吸收剂和催化剂,治理水污染的沉淀剂、中和剂、吸附剂、氧化还原剂、催化剂、过滤材料、杀菌消毒材料,固体废弃物填埋场防渗材料等[3～6]。

通过应用基础研究,如矿物结晶溶解、酸碱反应、氧化还原、离子交换、沉淀转化、催化机理的研究,特别是矿物成分、结构与净化性能的关系,矿物结构缺陷对矿物表面活性、化学活性影响规律等方面的研究,可在原子尺度预测控制污染物与矿物表面之间的交互作用,拓展矿物环境功能材料应用范围,提高尾矿综合利用水平[7]。

1.2　免烧砖
尾矿制作建筑砌块、免烧砖,可替代黏土烧结砖,不仅各项性能指标达到了国家规定的建筑用砖标准,价格比黏土烧结砖低,而且有效地利用废弃物,节约土地资源,减少了环境污染。

利用尾矿(质量分数) (35%)和粉煤灰(60%),添加Na OH(5%),制备地面砖,平均抗压强度达到52.8MPa,具有优异的耐酸、碱侵蚀性能[8]。

利用尾矿(含钾长石15.5%、斜长石34.0%、石英38%、黑云母5%、高岭石4.8%、其它矿物2%)为主要原料,制备矿物聚合物地面砖,7～28d 抗压强度达19.4～24.9MPa[8]。

1.3　胶凝材料
选矿尾矿Si O
2含量高,且Fe
2
O3含量较高,代替
粘土配烧水泥熟料,产量一般可提高20%～30%,能耗及成本显著降低。

根据火山灰成岩原理,运用地球化学、岩石矿物学理论进行胶凝材料分子设计,可将尾矿、粉煤灰以及冶金废渣等聚合生成类天然岩石的绿色胶凝材料,即所谓的凝石。

在某些场合,凝石可替代水泥。

这为解决基础产业的资源危机、能源短缺以及环境污染问题提供了一个思路[9～10],是一个重要的发展方向。

2　高炉渣应用
高炉渣的产出量与精矿品位、焦炭和助熔剂的质量以及高炉冶炼工艺有关,一般每吨生铁产渣量为300～900kg。

高炉渣主要化学成分是Si O2、A l2O3、Ca O等,三者占90%以上(见表1)。

有些高炉渣还含有微量的Ti O
2
、V
2
O5、Na2O、Ba O、P2O2、Cr2O3等。

表1　高炉渣主要化学成分(质量分数)/%
厂家Ca O Si O2A l2O3Mg O Fe2O3MnO Ti O2S
首钢41.5332.629.908.89 4.210.290.840.7
邯钢45.5437.8311.02 3.52 3.470.290.30.88
唐钢38.1333.8411.6810.61 2.20.260.21 1.12
本钢40.5337.508.089.56 1.000.160.150.66
鞍钢42.5540.557.63 6.16 1.370.080.87
马钢37.9733.9211.118.03 2.150.23 1.10.93
包钢38.232.047.967.63 1.02 1.750.82
宝钢39.5734.3215.06 5.950.94 1.760.70
攀钢23.1025.3011.209.00 2.400.9623.500.82高炉渣中的碱性氧化物之和与酸性氧化物之和的比值,称为高炉渣的碱度。

由于碱度比较直观地反映了炉渣中主要的碱性氧化物与酸性氧化物含量的比例关系,对于高炉冶炼和在建材领域的应用,都是很重要的参数。

按照高炉渣的碱度可以把渣分为如下3类:①碱性渣,碱度大于1;②中性渣,碱度等于1;③酸性渣,碱度小于1。

碱性慢冷矿渣主要矿物为钙铝黄
长石、镁黄长石、钙长石、硅酸二钙(C
2
S)、钙镁橄榄
石、镁蔷薇石及镁方柱石等。

除C
2
S具有水硬性外,其它矿物常温下水硬活性很差。

酸性慢冷高炉渣中的矿物主要为黄长石、假硅灰石、辉石和斜长石等。

高炉矿渣的胶凝活性不仅取决于化学成分,而物相组成更重要,玻璃体胶凝活性高于晶体。

通常把高炉渣加工成水淬渣、矿渣碎石、膨胀矿渣和膨胀矿渣珠等形式加以利用,故常将其分为粒状渣、浮石状渣、纤维状渣和块状渣。

2.1　重矿渣及膨胀矿渣
高炉熔渣倒入热泼坑内,浇水冷却得到的矿渣,强度相当于中等天然石料,破碎后可作混凝土骨料。

高炉熔渣在渣坑或渣场自然冷却或淋水冷却,经过破碎、磁选和筛分,得到矿渣碎石,可用于混凝土骨料和填充地基,路基材料。

高炉渣碎石作骨料配制混凝土,不仅具有与普通混凝土相似的力学性能,而且还具有良好的保温隔热、耐热、抗渗和耐久性能,被广泛应用于各种建筑工程。

高炉重矿渣具有足够的强度,弹性模量
05矿　冶　工　程第27卷
较大,处理软土地基,稳定性好,提高持力层的承载力,加速地基的排水固结,较之深层搅拌法、灌注桩等方法,可以大大降低地基处理费用,同时缩短地基工期。

轻度、高强、节能的多功能新型墙体材料取代粘土材料是发展方向。

高炉渣、石灰、粉煤灰等材料加水成型,可制成免烧砖和砌块,如采用炉渣作骨料,预筛碾压(颗粒控制在5～10mm),胶骨比在1∶0.5～1∶2范围内,水泥掺入量为10%,砌块强度抗压强度不低于3.5MPa。

胶骨比为1∶1,水泥掺入量为8%时可满足强度要求。

高炉渣掺入量为70%～80%,石灰、石膏分别占胶结料总量的10%～15%和2%～5%较为合适。

高炉重矿渣代替石灰石提供Ca O,代替粘土提供Si O2和A l2O3,作水泥生料有很大优越性,可减少煅烧时矿物的分解反应,降低能耗。

另外,矿渣中含有水泥熟料矿物,在水泥熟料矿物的形成过程中起到晶种的作用,改善了生料的易烧性,增加了台时产量,还提高了水泥的安定性[11～12]。

膨胀矿渣是适量冷却水急冷高炉熔渣形成的多孔轻质矿渣。

制备方法有喷射法、喷雾器堑沟法、滚筒法等。

如热熔矿渣经喷水急冷,在高速旋转的滚筒击碎冷却、膨胀,即膨胀渣;,带叶片的滚筒旋转把它抛出,在空中冷却形成渣粒,落入膨珠池成为膨珠。

膨胀渣和膨珠可用作轻质骨料,也可作水泥混合材。

2.2　水淬高炉渣
水淬处理是我国高炉渣加工的主要方法,分为水冲渣法、水泡渣法和拉萨法。

水淬时,随同蒸汽产生有毒气体和矿渣棉污染环境,故水淬池上方须安装收气罩。

水淬急冷阻止结晶,因而形成大量的无定形体或玻璃体,具有较高的潜在胶凝活性。

冷却速度越快,玻璃体含量越高。

我国炼铁厂排放的快冷渣玻璃体含量在80%左右。

水淬渣磨细后,水化时在水泥熟料及石灰、石膏等激发剂作用下,玻璃体网络结构解体,生成水化硅酸钙和水化铝硅酸钙等水化产物,水化产物的聚合导致凝结硬化产生胶凝作用。

未完全水化矿渣颗粒,在水泥浆体中起集料作用。

我国六大通用水泥中有一种是矿渣硅酸盐水泥,矿渣掺量为20%～80%,普通硅酸盐水泥中也可以掺6%～15%的矿渣,而这2种水泥是我国生产和使用量最大的。

我国约80%的水泥中掺有高炉水淬渣,节省了大量的水泥熟料,增加了水泥产量,降低水泥生产成本,提高水泥企业的经济效益。

除此之外,还减少土地资源和矿产资源的消耗,减少废气排放,具有良好的社会效益。

目前我国85%高炉渣用于生产矿渣硅酸盐水泥。

由于高炉水淬渣的掺入,水泥的某些性能得到改善,如后期强度高、耐热性能好、抗侵蚀性增强、安定性提高。

高炉水淬渣的掺入也对水泥产生不利的影响,如早期强度降低、凝结时间延长等。

矿渣细度提高,便于其胶凝活性在碱性介质中得到充分发挥。

矿渣作为水泥混合材,往往与水泥熟料共同粉磨,而矿渣的可磨性比水泥熟料差,使矿渣颗粒比水泥熟料颗粒粗,潜在的胶凝活性发挥不够,导致掺矿渣混合材料的水泥早期强度很低,并容易产生泌水现象。

粉磨时间延长,成本增加,因此,必须根据实际应用的需要,控制颗粒的大小,发展趋势是高炉渣和水泥熟料分别粉磨[13]。

为了寻求最佳细度和粉磨的工艺参数,进行可磨性试验十分重要。

国内外现有的粉磨设备有高压辊磨、立磨、管磨、卧辊磨、气流磨、振动磨、盘式磨、雷蒙磨、冲击式粉碎机等。

研究开发有自主产权的高炉渣细磨设备及助磨剂,与现有水泥细磨工艺配套,生产矿渣水泥值得重视[14～15]。

矿渣微粉还可以用作混凝土活性掺合料,不仅能取代等量的水泥,不需减少粉煤灰掺量,具有良好的经济效益,而且可提高混凝土的技术性能[16],是国际公
认的生产高性能混凝土的主要组分之一。

现在,高炉渣微粉作为混凝土的独立组分,在美国、欧洲、日本都得到了广泛的应用,超细矿渣粉售价超过了水泥,具有良好的经济效益。

矿渣微粉延缓了水泥水化初期水化产物的相互搭接,在混凝土中配加细粒高炉渣做掺合料,可以填充水泥颗粒间的空隙,提高混凝土的密实度[17],改善混凝土的过渡层结构[18],可提高混凝土强度,改善混凝土的耐久性,如抗冻性、抗渗性、抗侵蚀性、抗碱骨料反应等,使混凝土具有良好的施工性能,如粘聚性、保水性、可泵性等。

增加高炉渣粉末对普通水泥的置换比例,可使碱骨料反应所引起的膨胀量降低。

这主要是因为高炉渣的置换,使水泥中的碱性氧化物量稀释,同时将其固定在炉渣的水化物之中缘故[19～21]。

掺入高炉渣粉的混凝土与普通水泥混凝土相比,阻止氯离子渗透的能力强,具有良好的抗盐类腐蚀性。

因为普通水泥发生水化反应时生成Ca(OH)
2
,
占水泥硬化体体积的25%,氯离子导致Ca(OH)
2
溶解,增加孔隙使其渗透到内部。

而高炉渣水化时与Ca(OH)2结合,生成非水溶性硅酸盐水化物,在硬化组织发生致密化的同时,高炉渣的水化物与氯离子进行化学反应形成盐类,因此有效地抑制了氯离子的侵
入[22]。

高炉矿渣结合熟料水化析出的Ca(OH)
2
,对混凝土安定性有明显的改进作用。

矿渣微粉取代水泥的比例理论上讲最大值可达90%。

取代比例较高时,高炉渣微粉混凝土的早期强
15
第3期陈泉源等:钢铁工业固体废弃物资源化途径
度会明显降低,但后期得到补偿,补偿期取决于高炉渣微粉掺加比例。

对于容易发生碱骨料反应的混凝土,规定高炉渣置换率应在40%以上。

高炉渣粉末对普通水泥的置换率越高,早期水化反应的速度就越慢,可以降低硬化时的水化热,施工时应在考虑部件尺寸和工期的基础上,选择高炉渣置换率和化学激发高炉矿渣活性方法[23]。

宝钢、首钢、武钢高炉渣微粉配制砼的试验中,分别用比表面积为4000,5000,6000c m2/g 的高炉渣微粉,取代40%水泥,在高效减水剂掺量为1%～2%条件下,高炉渣微粉砼的3d强度较基准砼低,7d及以后龄期,高炉渣微粉砼的强度明显高于基准砼,高炉渣微粉砼的抗折强度与普通砼无异。

掺高炉渣微粉砼的耐久性能较好,其抗碳化性能尤为突出。

掺高炉渣微粉砼经25次冻融循环,强度损失率24.8%,满足砼有关标准,即强度损失不超过25%、质量损失不超过5%的要求。

掺量为30%～40%时强度和抗冻性能好,外加剂可提高掺渣砼的抗冻性能。

我国宝钢、鞍钢、武钢、唐钢等已建成年产60～80万t的粒化高炉矿渣微粉生产线,应加大支持高炉渣微粉在高性能混凝土中应用的研究开发力度。

2.3　高炉渣制品
,熔化后用高速离心法或喷吹法制成的矿物纤维材料,用作隔热保温材料,加工成保温板、保温毡、保温筒、保温带等,可在700℃时使用[24]。

矿渣棉制品还具有质轻、耐氧化性能好、电绝缘性能好、不腐蚀金属等优点。

用矿渣生产玻璃长纤维,具有良好的耐碱性,作为增强材料应用于混凝土工程。

在炉料中加入氟磷灰石作为稳定剂,适当控制熔融高炉渣的冷却速度,可浇注铸石制品。

用含钛高炉渣制作的微晶铸石,比普通铸石有更高的热稳定性和抗冲击性,具有较好的耐蚀性和耐磨性,可代替铸铁、钢和橡胶作为某些设备的耐磨、耐蚀内衬。

含钛高炉水淬渣和陶土配料作釉面砖素坯,可以生产符合国家标准的釉面砖,烧成温度低,节约能源,延长窑炉寿命。

用高炉渣和陶土的混合物制成的瓷砖、地砖,性能达到了同类产品要求的指标。

微晶玻璃具有机械强度高、耐磨损、耐腐蚀、电绝缘性优良、介电常数稳定、膨胀系数可调、热稳定性好等特点,除广泛应用于光学、电子、宇航、生物等领域作为结构材料和功能材料外,还可大量应用于工业和民用建筑作为装饰材料或防护材料。

以高炉渣为原料,采用熔融法可制备结构均匀致密、性能良好的矿渣微晶玻璃,主晶相为普通辉石(CaSi O
3
)和透辉石[Ca Mg
(Si O
3)
2
]。

高炉渣用量以不超过45%(质量分数)为
宜,否则会提高玻璃的稳定性,使其难以晶化,提高玻
璃的核化、晶化温度[25～26]。

高炉矿渣微晶玻璃具有配
方简单、熔化温度低、成本低的优点。

2.4　特殊高炉渣
包头钢铁公司以我国特有的白云鄂博大型铁、稀
土、铌多金属共生复合矿为主要原料,由于铁精矿
Th O2含量大于0.02%,Fe2O3含量1.5%左右,每冶
炼1t生铁排放500kg左右放射性含稀土高炉渣。

包
钢自1959年投产以来,为储存这些特殊高炉渣,建立
了2个渣场,占地面积4平方公里以上,现已累计堆积
4000多万t,而且每年新增200～250万t。

1985年前
排放的老高炉渣,Th O
2
含量0.08%～0.1%,堆存量
1500万t;1985年后产生的新高炉渣,Th O2含量
0.04%～0.064%。

近年来,尽管包钢选矿、冶炼技术
进步和白云鄂博铁精矿所占比例减少(外购精矿比例
增加),但包钢高炉渣中的钍含量仍在0.03%以上。

包钢高炉渣放射性与高炉渣中二氧化钍含量正相关,
新渣γ辐射剂量率平均为5.4×10-7Gy/h;老渣γ辐
射剂量率平均为8.2×10-7Gy/h。

老渣总比放活度为
(2.5～4.3)×104Bq/kg,新渣总比放活度为(1.4～
3.1)×104Bq/kg,均高于我国建筑材料用工业废渣放
射性物质限制标准。

为了利用放射性高炉渣,包钢作
了大量的试验研究和生产探索,每年加工高炉水淬渣
20万t,销往包头附近的水泥厂用作水泥的活性混合
材。

但由于渣中含有放射性元素钍,为了放射性不超
标,高炉渣掺量不能大于30%,因而,高炉渣的使用量
仅占每年新增渣量8%左右。

采用高炉渣、粉煤灰、水
泥、石灰、石膏制作空心砌块,胶骨比在1∶0.5～1∶2范
围内,水泥掺入量为10%,砌块强度满足要求(抗压强
度不低于3.5MPa),也是由于钍的放射性,高炉渣掺
量和砌块使用受到限制。

包钢高炉水淬渣具有一定的
胶凝活性,但资源化作建筑材料,需要解决如何经济地
降低渣中放射性元素钍含量和综合回收利用稀土这个
技术难题。

攀钢每年排放300万t含钛高炉渣,高钛高炉渣
性质独特,即使淬冷,仍生成无水硬活性的钙钛矿
(Ca O・Ti O
2
),致使进入玻璃体的Ca O量较少,玻璃体
中硅氧四面体聚合度较高,水硬活性较低,不能用作水
泥活性混合材。

攀钢含钛高炉渣钛资源的利用率还不
足3%,至今已累计排放5000多万t。

搞好这些固体
废物的综合利用无疑会带来可观的社会效益、经济效
益和环境效益,寻求新的方法仍然是含钛高炉渣综合
利用研究的主要方向。

同包钢放射性含稀土高炉渣类
似,含钛高炉渣综合利用需要解决有价金属提取这个
技术难题,而关键在于微细粒的高效分选技术的突破。

25矿　冶　工　程第27卷
3　钢渣应用
按炼钢方法,钢渣分为3类:①平炉钢渣;②转炉钢渣;③电炉钢渣。

其中,平炉炼钢渣又分初期渣和末期渣;电炉钢渣还可分为氧化渣和还原渣。

我国80%左右钢渣是转炉渣。

钢渣是由钙、铁、硅、镁、铝、锰、磷等氧化物所组成,有时还含有钒和钛等氧化物,其中钙、铁、硅氧化物占绝大部分(见表2)。

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炉次,排出的钢渣是不同的。

以氧化钙为例,一般平炉熔化时的前期渣中含量20%左右,精炼和出钢时的渣中含量达40%以上,转炉渣中的含量常在50%左右,电炉钢渣中约含40%～50%。

钢渣含水与闷渣方式和冷却条件关系密切,通常含水在3%～10%左右,容重在1.32～2.26t/m3。

表2　钢渣主要化学成分(质量分数)/%
厂家Ca O Si O2A l2O3Mg O Fe O MnO Fe2O3P2O5F2CaO 首钢44.015.86 3.8810.47.3 1.11 1.310.8
武钢42.1613.46 3.46 6.13 1.3920.65 3.16
唐钢40.313.38 2.549.0514.06 1.4 1.880.84
本钢41.1415.99 3.09.227.34 1.11 1.340.8
鞍钢45.3712.15 3.297.9818.40 1.8 2.310.95
马钢43.1515.55 3.84 3.4219.22 2.31 4.08 3.56
宝钢 4.0298.51 1.939.218.91 4.090.4
钢渣矿物组成通常与炼钢的方式、炉料、冷却过程等有关,与钢渣的化学成分,特别是碱度M(M=ω(Ca O)
ω(Si O
2)+ω(P
2
O5)
)相关。

M=0.9～1.4时称为橄
榄石(Ca O・FeO・Si O
2
)渣;M=1.4～1.6为镁蔷薇辉
石(3Ca O・Mg O・2Si O
2
)渣;M=1.6～2.4时为硅酸
二钙(C
2
S)渣;M>2.4为硅酸三钙(C3S)渣。

转炉钢渣碱度高,电炉氧化钢渣碱度低。

一般用钢渣的碱度作为衡量钢渣活性的指标,钢渣的碱度越高,活性越大。

碱度在1.6以上的钢渣,是一种在化学成分上与水泥熟料相似,具有一定水化活性,但又在不同程度上存在风化膨胀不稳定的矿物集合体[27～28]。

钢渣在冶金、建筑、农业等领域综合利用途径很多,可归纳为:①回收钢渣中的废钢铁;②用作冶炼熔剂;③利用钢渣生产水泥;④用于铺路和充填;⑤用作农肥、水质净化材料,以及生产微晶玻璃、陶瓷原料。

发达国家钢渣的有效利用率达到98%以上,如美国的钢渣,50%用于道路和土木工程,用于烧结炼铁及水泥生产的比例分别为30%和20%。

3.1　回收渣钢和铁精粉
钢渣含TFe25%左右,废钢占5%～15%。

美国每年从钢渣中回收近350万t废钢;日本磁力选矿公司,每年处理200万t钢渣,从中回收18万t含Fe 95%以上的铁粉,可用作炼钢或炼铁的原料。

我国已有不少厂家建立了钢渣处理的生产线,通过破碎、磁选,回收渣钢。

太钢每回收1t钢渣中废钢,扣除成本后可获得100～300元的效益;包钢钢渣粒化水淬,磁选回收残钢,回收率可达80%以上,未水淬的钢渣用重锤破碎,手选大块渣钢,然后湿式球磨2磁选获得渣精粉回炉冶炼,尾渣用于建筑材料。

宝钢成功开发了钢渣处理工艺及设备成套技术,将1500～1600℃液态钢渣在特殊结构的滚筒内急冷,破碎后磁选分离。

破碎到300～100mm,铁回收率6.4%,破碎到100～80mm,铁回收率7.6%,破碎到75～25mm,铁回收率达15%。

鞍钢采用自磨及磁选工艺回收钢渣中的废钢,破碎粒度50mm,精粉铁品位不低于85%,产率达8%,铁回收率27%～30%。

3.2　作炼铁烧结矿原料和冶炼熔剂
烧结料中配入钢渣,可显著改善料层的透气性,提高烧结矿的质量,改善烧结矿强度,粒度均匀,粉末减少,可以改善烧结矿的宏观结构和微观结构,烧结矿气孔大小分布均匀,气孔周围的粘结相不易碎裂。

由于Ca O,Mg O以氧化物形式存在,节省了碳酸盐的分解所需热量,每使用1kg钢渣作烧结熔剂,节约焦粉0.087～0.15kg。

由于钢渣软化温度低,生成液相促进扩散,使粘结相增多,且分布均匀,有利于烧结造球,提高烧结速度和烧结机生产率。

当烧结料中配入3%～8%的钢渣时,烧结生产率可提高3%～8%;当烧结温度为900℃时,还原率提高3%～7%,风化率降低4%～10%,烧结矿转鼓强度提高3%～5%。

需要指出的是,钢渣中P
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O5含量高,作烧结熔剂会使烧结矿含磷量增加,高炉不具备脱磷能力,从而加重炼钢脱磷负担。

考虑磷富集问题,钢渣配入烧结矿的比例不大于12%。

宝钢烧结矿中年配加钢渣量超过15万t。

美国、德国、日本分别把大约30%、24%和19%钢渣配入烧结料利用。

转炉钢渣含TFe(15%～20%)、Ca O(40%～50%)和Mg O(6%～12%),代替石灰石作炼铁、炼钢熔剂和化铁炉熔剂,1t钢渣相当于700～750kg的石灰石,并提供铁、锰等有益成分,减少萤石等熔剂消耗,降低焦比,改善炉况,降低成本,还可调节炉渣的流动性,有利于提高炉龄,降低耐火材料的消耗。

以平炉末期渣为主要原料研制的复合脱硫剂,在铁水温度1220～1320℃时,脱硫率为50%,与用石灰石或萤石脱硫效率差不多,但用复合脱硫剂可以利用钢渣资源,并回收金属铁,脱硫速度快。

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第3期陈泉源等:钢铁工业固体废弃物资源化途径。