高炉炉渣资源化利用研究与现状

高炉炉渣资源化利用研究与现状摘要：钢铁生产行业在高速发展的同时，高炉炼铁工艺产生的高炉渣不断累积。

由于缺乏有效的资源化利用方式，高炉矿渣就地堆积，占用了大量土地资源，并对周边的土壤及水体环境造成了污染。

有效利用高炉矿渣等二次资源，减少高炉矿渣对环境的污染，达到高炉矿渣的减量化、无害化、资源化处理，并进一步提高高炉矿渣基产品的附加值，是我国钢铁行业可持续发展的有力保障，对于建立环境友好型、资源节约型社会具有促进意义。

关键词：高炉矿渣；制备方法；陶瓷纤维；资源化高炉矿渣是在高炉炼铁过程中，铁矿石中含有的SiO},A1}03等杂质与熔剂中的CaO,Mg0等反应生成硅酸盐熔融物，经水淬处理得到含有较多孔隙且无定形、不规则的副产物[y0作为我国国民经济一大支柱的钢铁生产行业，在全行业高速发展的同时，其主要的冶炼工艺—高炉炼铁工艺产生的高炉矿渣不断累积。

由于缺乏有效的资源化利用方式，高炉矿渣就地堆积，占用了大量的土地资源，并对周边的土壤及水体环境造成了污染。

就普通的炼铁工艺而言，每冶炼It铁矿石会产生0.5一0.9t的矿渣，如不能合理地处理大储存量的高炉矿渣，不仅会造成环境污染，浪费大量能源，且会给我国经济建设带来巨大的压力，不利于钢铁行业的可持续发展。

近年来，国内的高炉矿渣主要应用于建筑材料和混凝土掺合料，其附加值较低，大量高炉矿渣等二次资源被浪费。

因此，如何对高炉矿渣更好的资源化利用，是当今钢铁行业面临的又一主要问题[0据不完全统计，我国矿业固体废弃物累计超过70亿t,占地6万多h时。

高效的开发和利用工业二次资源，变废为宝、化害为利，实现工业的可持续发展显得尤为重要[[3]1高炉矿渣的组成及性质高炉矿渣L要成分包括30%一如%的Ca0,1%一15}}0的MgO,27%一35%的SiO},5%一10%的A1}03等。

矿渣中还含有少量的Fe}03,FeO,Na}O,K}0等成分，一般情况下，这些成分含量较低，对矿渣质量的影响较小。

从成分上看，其化学成分与天然矿石类似，属硅酸盐材料。

高炉炼铁的副产物经急冷处理后，得到多孔无定型状的亚稳态化合物。

由于炉渣在水淬过程中，反应在很短时间内完成，一部分没完全释放的热能转化成为化学能并以化学键的形式储存于物质中，因而所得到的高炉矿渣具有潜在的化学活性，在水泥熟料或其他激发剂的作用下可表现出较好的活性[}s}0根据高炉矿渣的成分可将高炉矿渣分为酸性高炉矿渣和碱性高炉矿渣，简单来说，在与其他组分反应过程中，能吸收氧离子的称为酸性高炉矿渣;反之，能提供氧离子的则称为碱性高炉矿渣。

酸性高炉矿渣中的结晶矿物相主要有斜长石、黄长石;碱性高炉矿渣中的结晶矿物相主要有尖晶石、硅钙石等。

2高炉矿渣的应用2.1高炉矿渣在建材领域的应用目前，高炉矿渣主要应用于建材领域:以高炉矿渣为原料制备高炉矿渣微粉，进一步根据最终产品的特性采用特定的处理工艺制备成石膏、混凝土掺合料、泡沫砖和水泥基础混合材料等。

20世纪70年代以来，美国、英国等国家进行了矿渣微粉的系统研究，各自制定了矿渣微粉的国家标准，并在本国的建筑工程中大力推广和应用。

我国第一个地方性矿渣微粉标准于1998年问世。

2000年国家标准的正式实施标志着我国的矿渣微粉制备技术进入了普遍的应用阶段。

除此之外，以高炉矿渣为原料，采用热熔一调质一制纤的工艺可生产矿渣棉材料。

矿渣棉具有隔声、保温、隔热、耐腐蚀等特点，可广泛应用于建筑和工业设备、管道的隔热和保温等方面[[4]n2.2高炉矿渣在污水处理领域的应用在生铁冶炼过程中，其产生的副产物经急冷水淬得到高炉矿渣，一方面高炉矿渣本身具有疏松且多孔的结构，因而具有较大的比表面积；另一方面，高炉矿渣含有大量的玻璃状结构，多以四配位体SiO44-为主体结构单元，其中，部分Si4+由于被Al3+所取代，生成AlO45-，聚合程度较低，具有很强的潜在活性[6]。

高炉矿渣在特定的激发剂的作用下能发生水化反应生成水化硅酸钙及C-S-H凝胶，凝胶中含有较多的网状结构，能够有效地固封重金属离子，且具有良好的耐久性[7]。

何哲祥[8]等人在炉渣基固化/稳定化金属土壤的基础上，以高炉矿渣为主要原料，分别掺入不同比例的石灰石粉和激发剂，研制了矿渣基重金属废水净化材料。

试验待处理废水中Cr3+、Cd2+、Pb2+和Zn2+的浓度分别为10mg/L、10mg/L、20mg/L和50mg/L，以各重金属去除率为评价指标。

结果表明，在高炉矿渣、石灰石粉和激发剂的质量比为55：35：10，材料总添加量为6g/L 时，废水中Cr3+、Cd2+、Pb2+和Zn2+的去除率分别达99.50%、99.60%、99.70%和97.76%，达到了国家排放标准。

2.3高炉矿渣在农业领域的应用近年来，随着对硅肥在农产品种植方面的深入研究，硅肥在农产品生产过程中的应用越来越受到人们的重视。

土壤中的硅元素是农作物可吸收利用的主要硅源，土壤中的硅元素主要来自矿物成分的二氧化硅或硅酸盐的溶解，且溶解态和固定形态的硅元素处于一个动态平衡的过程中。

硅肥有利于提高农作物的光合作用，增加茎秆的强度，提高抗倒伏能力，能预防农作物根系的腐烂和早衰。

利用高炉矿渣制备硅肥不仅能改善耕作土地的理化性质，有利于农作物产量的提高，还能大面积减少高炉矿渣的堆放占地，有助于农业生产的可持续发展，更是工业固体废弃物资源化利用的表现。

杨丹[9]等人采用室内模拟的方法，研究了高炉矿渣、粉煤灰等作为硅肥施用对水稻农作物种植区土壤供硅能力的影响。

研究结果表明：施用硅肥可改善酸性土壤的供硅能力，提高水稻对硅元素及其他养分的吸收率；矿渣基硅肥对土壤供硅能力的改善效果随施用量的增加而提高，且高炉矿渣的效果优于粉煤灰。

2.4高炉矿渣资源化利用新方向2.4.1高炉矿渣制备微晶玻璃微晶玻璃又称陶瓷玻璃，是指将普通玻璃体于晶化温度下进行熔融处理，在晶核剂的作用下，玻璃体内均匀析出大量晶体，控制晶粒长大过程，可得到数量多而晶粒细小的多相复合体，这种多相复合体即为微晶玻璃。

1959年苏联研究人员首次以矿渣废弃物为原料在实验室成功制备了矿渣微晶玻璃，经过漫长的发展历史，人们对矿渣微晶玻璃的研究从未间断，尤其是在资源日益消耗，环保意识逐渐提高的今天，将矿渣资源化利用，实现矿产资源的优化配置和矿山工业的可持续发展成为当今一大热题。

陈禾[10]等人通过熔融法和烧结法制备矿渣微晶玻璃，通过对比两种制备微晶玻璃的方法，重点阐述了基础玻璃的组成和晶核剂对制备矿渣微晶玻璃的主体晶相与性能的影响。

马晓建[11]等人通过合理的热处理工艺，严格控制熔融液体流场平均温度，晶化出合格的微晶玻璃，为矿渣制备微晶玻璃提供了一条有效的途径。

2.4.2高炉矿渣制备耐磨地坪材料地坪材料是指建筑物内部和周围地表的铺筑层，由于其承受着建筑物的荷载，因此要具有一定水平的强度及刚度，并具备防水、防潮、耐磨、保暖等特性。

目前市面上以环氧树脂地坪和PVC工业地坪为主要的应用耐磨地坪，但以PVC为代表的地坪材料的耐腐蚀性能、耐磨性能较差；以环氧树脂为代表的地坪材料的耐疲劳性能与耐冲击性能较差，因而难以满足某些条件较苛刻的应用场所。

欧阳觅路[12]等人以高炉矿渣为原料，通过破碎研磨制备成矿渣粉，并添加超细矿渣微粉、改性S95级矿渣微粉以及超细矿渣微粉等制备新型耐磨地坪材料，研究表明，该新型地坪材料具有耐磨性好，强度高，收缩率小、抗腐蚀性能好等特点，提供了一条高炉矿渣资源化利用的新途径。

2.4.3高炉矿渣制备多孔陶瓷材料多孔陶瓷是一种具有三维网络骨架结构的陶瓷体，陶瓷体内部分布着大量的彼此相通的开孔及闭孔。

陶瓷体具有耐腐蚀、耐高温等特性，在较高的气孔率下依然保持较高强度的特点，在隔热材料、吸声材料、过滤分离材料等领域都有较好的应用。

目前，市面上制备多孔陶瓷主要以Si3N4、Al2O3、莫来石等为原料，但由于这些原料的价格较高，且制备过程中要求的烧结温度较高，导致多孔陶瓷制品的生产成本较高，因而限制了多孔陶瓷在某些成本控制要求较高领域的工程应用。

因此，以工业固体废弃物为原料制备多孔陶瓷可有效降低成本，有助于多孔陶瓷在低成本领域的应用[13、14]。

姚帅锋[15]等人以脱硫高炉矿渣粉末为主要原料，以石墨为造孔剂制备多孔陶瓷材料，其研究结果表明：随着烧结温度的升高，多孔陶瓷的莫来石含量、抗弯强度和体积密度逐步增大，石英和刚玉的含量、开孔率、吸水率和对水的渗透通量逐渐减小。

随着石墨添加量的增加，体积密度和抗弯强度逐步降低，开孔率、吸水率和对水的渗透通量相应增加。

添加20wt%石墨、1450℃烧结的多孔陶瓷，抗弯强度为9MPa。

显气孔率为48.28%，大气压下，对水的渗透通量达714L/m2·h。

2.4.4高炉矿渣制备陶瓷纤维材料陶瓷纤维的主要成分是碳化硅、氧化铝或多铝硅酸盐，是一种集传统绝热材料、耐火材料优良性于一体的纤维状轻质耐火材料，是继碳纤维、玻璃纤维之后应用较为广泛的无机材料。

陶瓷纤维按其化学成分可分为氧化物和非氧化物陶瓷纤维两大类；按微观结构形态可分为结晶质纤维和玻璃态纤维[16]。

由于高炉矿渣的主要成分与氧化铝陶瓷的主要成分类似，因此可采用高炉矿渣为原料，经破碎研磨后制得矿渣微粉；以水玻璃作为黏结剂和分散剂，通过机械搅拌―真空抽滤的工艺制备陶瓷纤维材料。

崔元山[17]等人分别以高铝纤维、硅酸铝纤维和氧化铝纤维为基础纤维，以水玻璃为分散剂和黏结剂，通过机械搅拌制成均匀浆料；在模具中真空吸滤成形、烘干；高温烧成过滤材料，测试三种滤材的过滤阻力和抗弯强度后得出结论：高铝纤维和氧化铝纤维滤材的性能较好；把高铝纤维和氧化铝纤维按不同比例混合，以相同的工艺制备过滤材料，通过对滤材的性能分析，确定导航高铝纤维和氧化铝纤维的比例为1：9时，经800℃烧结成型，可得到过滤材料，其过滤阻力为41Pa/m/min，抗弯强度为6.9MPa、孔隙率为78%，是一种过滤效率较好的纤维过滤材料。

3高炉矿渣资源化利用的现状3.1矿渣总储量巨大，且逐年攀升我国是钢铁生产大国，每年由于钢铁生产而产生的矿渣达数亿吨。

据统计，我国黑色金属矿山每年排放的工业矿渣约为6.2亿t，有色金属矿山每年排放的工业矿渣约为1.15亿t。

全国有大型尾矿库400余座，矿渣储存总量超过50亿t，且每年以3亿t的数量增加。

由于缺少有效的资源化方式，矿渣储量逐年递增。

作为一种可利用资源，矿渣堆积本身就是一种资源浪费，同时也造成了大量土地资源浪费，给自然环境带来了不可避免的负担，也不利于钢铁工业生产的可持续发展。

3.2矿渣资源化技术利用率不高，附加值较低在英国、德国等一些工业与经济发达国家，高炉矿渣的利用率高达96%以上，甚至有些国家可以达到完全回收利用，几乎不存在高炉矿渣的堆积。