钢渣综合利用的研究现状及发展趋势

钢渣综合利用的研究现状及发展趋势
*
庞才良1
杨雪晴1
宋杰光2
刘荣进3
(1.萍乡学院江西省工业陶瓷重点实验室，江西萍乡337055；2.萍乡学院萍乡市海绵城市工程技术研究中心，江西萍乡337055；3.桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室，广西桂林541004)
摘要：随着工业固废资源化技术的深入研究，在众多工业固废中，钢渣成为最为重要的工业固废资源化研究目标之一。

针对工业固废中的钢渣进行综述，在综述中分析阐述了钢渣的基本特性和我国钢渣主要综合利用的研究现状，并根据国内外对钢渣的利用现状，总结出对未来钢渣综合利用的发展趋势。

关键词：钢渣；综合利用；研究现状；发展趋势
Research status and development trend of comprehensive utilization of steel slag
PANG Cai-liang YANG Xue-qing SONG Jie-guang LIU Rong-jin
Abstract:With the in-depth research of industrial solid waste recycling technology,steel slag has become one of the most important research objectives of industrial solid waste recycling.This paper reviews the current situation of steel slag utilization,expounds the basic characteristics and the main ways of comprehensive utilization of steel slag in China.According to the current situation of steel slag utilization,it summarizes the development trend of
comprehensive utilization of steel slag in the future.
Key Words:steel slag,utilization,research status,development trend
随着我国钢铁行业的飞速发展，钢铁产量在不断
上升，钢渣的排放量也随之增多。

钢渣是钢铁冶炼过程中产生的一种工业固体废弃物，其排放量约为粗钢产量的15wt%~20wt%[1]。

据世界钢铁协会发布数据，我国2018年粗钢产量为9.28亿t ，意味着当年钢渣排放量高达1.39亿t ，而我国钢渣的综合利用率仅为22%左右，发达国家美国、日本和德国等在钢渣综合利用率方面几乎接近100%[2]。

大量未经处理的钢渣堆积成山，这不仅占用田地，污染环境，给企业带来经济负担，同时严重影响了我们生活。

如钢渣堆场粉尘遇风飞扬，对周围居民的庄稼和生活质量的负面影响是无法估量的。

目前国内对钢渣的处理技术主要有：水淬法、热泼法、粒化轮法、风淬法、滚筒法及热闷法等[3]。

其中热闷法是将钢渣降温至500℃~600℃左右后，倒入热闷坑中打水翻渣，水受热后气化成水蒸气，盖上热闷盖利用钢渣余热，对钢渣进行蒸压热解。

高温的钢渣在水冷作用下收缩而碎裂、粉化，利于钢渣中铁单质的回收利用，同时经过蒸压后的钢渣，其f-CaO 和f-MgO 得到较大程度的消解，钢渣的体积稳定性好，为磁选后地大规模利用钢渣奠定了基础。

因此，热闷法处理钢渣受到国内众多钢铁企业的应用推广。

而如
*基金项目：江西省教育厅科技项目(GJJ191159)，萍乡市科技支撑计划项目(PXST2018-13)，萍乡学院科技基金项目(2019D0201)
中图分类号：TU522.09
文献标识码：A
文章编号：1001-6945（2020）003-0077-04
本栏编辑：冯凯
何利用磁选后的尾渣深加工生产高附加值产品直接
关系到钢渣的综合利用率。

在我国，钢渣的资源化利
用面临着较多的难题，我们应不断努力探索和开发钢
渣综合利用的有效途径。

推广先进的钢渣处理工艺
技术对钢铁行业绿色健康发展有着重要的意义，同时
也具有深远的社会环境意义。

1钢渣的特性
钢渣的主要化学成分含量受到原矿的种类、钢种
及冶炼工艺等因数的影响而存在较大差异，但都以
硅、铝、铁、钙、镁和钾钠等氧化物为主要组成。

表1
为国内部分钢铁企业的钢渣化学成分组成。

这与水
泥熟料中的化学组成含量十分相似[3]，但其CaO百分含量偏低、Fe2O3百分含量偏高。

通过SEM和XRD等测试手段对钢渣矿物成分分析，钢渣的主要矿物成分
为：C2S、C3S、RO相(MgO、FeO、MnO等二价金属氧化物固溶体)、f-CaO、f-MgO、铁铝酸盐、镁铁橄榄石及单质铁等[2]。

1.1易磨性
钢渣的密度约为3.2g/cm3~3.9g/cm3之间。

从外观上看，钢渣多孔且松散的钢渣，但由于钢渣中铁的氧化物含量高，同时存在金属铁单质，因而显得坚硬耐磨。

引起钢渣易磨性较差的另一因数是：钢渣中矿物组成C2S、RO、C3S相均在1600℃高温下形成，结晶粗大完整、缺陷比较少，难以粉磨。

以标准砂的易磨指数为1作为基准，钢渣的易磨指数仅为0.7[3]。

由于钢渣不易粉磨使得通过机械活化提高钢渣的胶凝性的经济成本加大，限制了钢渣的综合利用率。

蒋亮等人[6]通过氧化改质控制钢渣中非磁性铁的氧化物向强磁性镁铁尖晶石转变，从而使钢渣的易磨性得到较大改善，改性后钢渣粒度由原先的100μm量级转变为10μm量级。

如能开发改善钢渣易磨性有效途径，进而制备高品质钢渣微粉，利于提高钢渣在胶凝材料方面的应用。

1.2胶凝性
钢渣的化学组成与矿物组成与水泥熟料极为相似，又被称为过烧的水泥熟料。

冶炼钢铁时，钢渣和钢水一起经历了熔融状态，其有效的胶凝活性组分
C2S和C3S晶粒粗大，难以发生水化反应，同时钢渣中磷、硫等微量元素氧化物的存在抑制水化反应的进行。

非胶凝活性组分RO相含量高，约为钢渣质量分数的20%~30%之间，因此钢渣整体胶凝活性低。

钢渣微粉复掺于水泥时，钢渣微粉主要起到填料的作用，早期强度较低，限制了钢渣的在此领域的大规模应用[7]。

1.3安定性
钢渣中结晶过大的f-CaO、f-MgO和RO相是影响钢渣体积稳定性的三大因素[8]，f-CaO和f-MgO水化缓慢，在富水环境下水化产生的Ca(OH)2和Mg(OH)2体积会膨胀1.98~2.48倍，引起安全隐患。

目前国内研究者主要是通过减少钢渣掺量，或通过陈化、蒸压和碳化等预处理方式改善其安定性问题。

2钢渣的综合利用研究现状
2.1在建筑建材方面的应用
钢渣在建筑材料方面的应用是我国钢渣综合利用的主要途径，主要集中在回填材料、道路材料、水泥熟料的辅助材料、生产建筑制品等[9-10]。

由于钢渣含有金属铁及铁的氧化物含量高，其耐磨性好、抗压强度高、水化活性低及抗冻性好等。

经过筛分，可将钢渣作为骨料代替砂石用量生产沥青混凝土或作为道路材料中的水稳层使用。

西安建筑科技大学徐帅[11]选用粒径为4.75mm~9.5mm的钢渣作为沥青集料制备出透水系数为60.61ml/s的透水沥青混凝土。

由于钢渣包含粗大的f-MgO和f-CaO等有害矿物成分，存在体积安定性隐患，在使用钢渣作为集料时，需对其进行体积稳定化预处理。

钢渣中化学组成铁的含量较高，武汉理工大学吴少鹏等人[12]将钢渣替代氧化铁作为铁质校正原料烧成水泥熟料，同时减低了生料的烧成温度，生产出的PC42.5水泥各项性能要求均满足国家标准。

除此之外，常均等人[13]通过蒸压-碳酸化、水化-碳化耦合作用等方式改善了钢渣的体积安定性不良问题，并成功制备出钢渣建筑制品，钢渣由废品变成了产品。

2.2在钢铁冶炼原料方面的应用
经过磁选出来的钢渣含有大量的铁单质及磁性铁的氧化物，可直接返回高炉中再冶炼成钢，熔炼大大节约石灰的用量，缩短钢渣成渣时间，改善熔融态渣的流动性。

美国、日本和德国等发达国家用钢渣作
表1国内部分钢铁企业的钢渣化学成分组成/%[3-5]
综合利用
为烧结料返回高炉再利用，效果可观，占到钢渣综合利用的24%~75%之间[2]。

宝钢集团从1996年开始尝试利用钢渣替代熔剂[14]，回收钢渣中的有效成分，经济效益可观。

2.3在有价金属提取方面的应用
钢渣中除含有大量的铁金属元素外，还有铬、钒、锰等多种有价金属成分，其中不锈钢渣富含重金属元素铬，从中分离提取铬元素利于实现钢渣资源化再利用及环境保护，同时能缓解我国对铬元素的需求。

季益龙等人[15]通过添加NaOH作为焙烧剂以三相焙烧后再水淬的方法提取不锈钢渣中的铬，提取率达96.0%，提取重金属铬后的不锈钢渣铬金浸出率极低，对环境无潜在危险。

2.4在微晶玻璃方面的应用
微晶玻璃是由CaO-SiO2-Al2O3组成的三元体系，从成分上来看钢渣中刚好含有这三个组分，通过向钢渣中添加适当的调节组分使其与微晶玻璃成分含量相同，可制备出性能优异的微晶玻璃。

梅书霞等人[16]以熔融态炉渣为主要原料，通过调节其组分，经不同热处理温度制备出以霞石和萤石为主晶相的微晶玻璃，其性能优于其他一般的微晶玻璃，抗折强度最高达126.2MPa，显微硬度最高达585.68MPa。

2.5在陶瓷材料方面的应用
Zhao等人将钢渣与石英、滑石粉、黏土、长石等为主要原料，通过优化传统陶瓷生产工艺以钢渣为主要原料来制备辉石类矿物为主要晶相的新型陶瓷[17]，含40wt.%钢渣的陶瓷在烧结温度为1210℃时，其抗弯强度可达143MPa。

赵立新[18]利用钢渣具备熟料性，利于降低陶瓷的烧结温度等特性，通过添加铁氧体制备出成本低、性能优越的钢渣陶瓷，拓宽了钢渣的利用途径。

2.6在农业肥料方面的应用
钢渣中的化学组成CaO、SiO2和MgO与无机肥料原料在成分组成上相同，同时还包含诸如FeO、MnO 和P2O5等有效成分，因此钢渣被作为化肥生产原料广泛用于农业领域。

另外，钢渣的碱性能改善土壤存在的酸性问题。

在发达国家，如德国、美国、法国、日本等国家采用转炉炉渣生产硅肥、磷肥料与微量营养素肥料[19]。

2.7在环保方面的应用
钢渣具有的熟料性和多孔结构，对水中金属离子有吸附能力强，并且密度偏大的钢渣易发生沉淀，很容易从水中分离出来。

因此，钢渣在工业废水处理的应用具有广阔的前，近年来受到广泛关注。

Kim[20]研究了钢渣对铜的去除机理，结果表明：随着溶液初始
pH值的增加，钢渣的吸附能力显著提高，当溶液pH值大于3时，钢渣对铜离子的整体去除效果好，除去率不小于12%。

Zuo等人[21]研究电EAF渣和AOD渣的矿物学成分对其除磷性能和使用寿命的关系，PEG修饰的AOD渣和NaOH修饰的EAF渣在前84和60个孔隙体积内均达到了100%的去磷效果，并且其使用寿命得到延长。

3钢渣综合利用研究发展趋势
我国科研工作者对钢渣综合利用进行了大量的研究，并在建筑材料、钢铁冶炼等不同领域一定程度上实现钢渣的资源化利用，但与发达国家的水平相差仍较大。

近年，我国随着人们对环保要求的提高，钢渣再利用难的问题更加突出，多地钢铁企业钢渣乱堆乱放的现象被环保巡视组批评并提出整改意见[22]。

在新的形势要求下进一步开发高效资源化利用钢渣的新技术，在冶金评价的基础上建立了钢渣综合利用的评价系统，这对提高钢渣的综合利用率十分必要。

结合前人的研究基础及国内外钢渣的综合利用现状，未来钢渣利用工作可以从以下几方面着手。

3.1开发钢渣体积稳定化工艺技术
钢渣成分变化大和体积安定性的不良等因数制约了钢渣在建筑材料方面的大规模应用。

开发一种或多种钢渣体积稳定化技术，拓宽钢渣利用途径，消除钢渣使用过程中的安全隐患问题对钢渣综合利用率的提高尤为关键。

3.2开发新型节能超细钢渣微粉粉磨设备
钢渣的易磨性差，使用传统的粉磨设备制造钢渣微粉时需要消耗的能量达，效率低下经济成本高，限制了钢渣的利用。

钢渣微粉的超细化是一种提高钢渣的使用性能有效的措施，利于提高钢渣附加值。

目前急需开发一种新型可行的节能超细钢渣粉磨工艺从而实现钢渣的大规模资源化利用。

3.3建立钢渣分级逐步利用体系
冶炼原料、熔炼工艺、钢渣处理、磁选等都会影响钢渣的化学组成、性能、结构和晶粒尺寸，最终影响钢渣的利用。

分级逐步利用的核心思想是充分研究钢渣的物理化学特性，根据理化的特点对钢渣进行分类并逐步回收利用钢渣，使其在不同的处理阶段得到最合理的利用。

3.4开发回收钢渣余热新技术
钢渣的显热作为钢渣处理环节中的重要资源在国外已经受到重视并得以利用，我国钢渣显热回收还处在研究阶段，未见大规模应用报道。

开发回收钢渣余热新技术，实现钢渣余热再利用，降低企业生产成本，是我国钢铁企业实现绿色节能、可持续发展的关键。

3.5政策导向
一方面政府应贯彻“谁污染谁纳税”的原则，健全相关法律法规，增加钢铁冶金渣排放的成本，迫使钢铁企业减少废渣的排放量。

另一方面政府应通过减免税收、资金鼓励、政策支持等方式引导钢铁企业和科研院所合作共同开发和推广冶金渣资源化利用新技术。

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收稿日期：2020-2-24
综合利用。