高炉渣的综合利用。
再生金属冶金学课程论文
高炉渣的综合利用
摘要
高炉渣是高炉炼铁过程中排出的固体废弃物，随着弃置量增大，产生的问题也日趋严重。通过分析我国高炉渣的现状及特点，阐述了对其综合利用的重要意义，回顾了高炉渣综合利用的研究进展。系统地介绍了高炉渣在制备混凝土材料、矿渣砖、墙体材料和新型矿棉、微晶玻璃等材料的应用情况。阐述了二次资源综合利用的社会效益、经济效益和环境效益。从资源有效利用和产业化的角度，指出了未来高炉渣的技术开发与综合利用的发展方向。
关键词: 高炉渣；利用途径；综合利用；矿棉；微晶玻璃；
前言
高炉渣是冶金行业产生数量最多的一种副产品，其处理过程中不仅消耗大量的能源，同时也排出大量的有害物质。因此，开展高炉渣回收利用方面的研究十分必要。国内外的生产企业十分注重高炉渣再利用技术的研究，近年来从能源节约和资源综合利用来看，提高炉渣的利用率和再利用价值，寻求高炉渣资源化利用新途径和利用高炉渣开发高附加值产品已成为国内外研究的热点。积极探索利用量大、附加值高的高炉渣利用新途径以促进经济社会与环境协调发展。
本文阐述了高炉矿渣的分类及主要成分，本着综合利用的原则，详细介绍了各种高炉矿渣的综合利用途径及工艺。积极探索利用量大、附加值高的高炉渣利用新途径以促进经济社会与环境协调发展。
研究背景
我国工业发展长期以来侧重于资源密集型产业，由此造成的大量工业固体废弃物处理问题也随着经济发展而不断突出。工业废物数量庞大，种类繁多，成分复杂，不仅占用大量土地，而且污染环境经过日晒、风吹雨淋，造成二次污染[1]。工业固体废弃物资源的回收再利用产业，是国内外循环经济发展的一个重要链条，发达国家已将其视为继现有三大产业之后的又一个重要产业支柱，又称“第
四产业”。根据西方发达国家的实践经经验，应用先进技术进行工业固体废弃物资源二次利用，不仅能够创造大量社会财富，而且可以间接促进资源综合利用技术的发展，因此又被称为“黄金产业”[2]。目前，我国固体废弃物综合利用产业蓬勃发展，已成为新世纪以来的“朝阳产业”[3]，然而由于起步较晚，我国在此领域中的发展程度仍较发达国家仍有一定距离。
1. 高炉渣的生产现状
高炉渣是钢铁冶金工业生产中排放量最大的一种固体废弃物，其排放量与入炉矿石的品味及冶炼制度有直接关系。以目前我国钢铁冶金工艺水平，每冶炼1吨生铁，高炉渣产生量在300-350kg 之间[4]。以我国年产生铁9亿吨计算，每年的高炉渣产生量高达3亿吨左右，在所有工业废渣排放量份额中所占比例接近1/3。我国高炉渣总体利用率较低，与发达国家相比仍有较大的差距。高炉渣化学成分由于所炼生铁种类及入炉炉料品位波动而存在一定变动。高炉渣所包含的不同氧化物的含量及种类直接影响着高炉渣的质量，并在一定程度上决定着高炉渣潜在活性的发挥[5]。我国主要类型高炉渣的化学组成如表1.1所示[6]。
表1.1我国主要类型高炉渣的化学组成/wt%
名称 2SiO CaO MgO 32O Al 32O Fe MnO
S 52O V F 2TiO 普通渣 26-42 38-49 1-13 6-17 0.15-2 0.1-1 0.2-1.5
- - -
高钛渣 20-35 23-46 2-10 9-15 -
<1 <1 0.1-0.6 - 20-29
锰铁渣 21-37 28-47 2-8 11-24
0.1-0.
7
5-23 0.3-3 - - - 含氟渣 22-29 35-45 3-7.8 6-8
0.15-0
.2 0.1-0.8 - - 7-8 - 2. 高炉渣的分类
由于炼铁原料品种和成分的变化以及操作等工艺因素的影响，高炉矿渣的组成和性质也不同。高炉矿渣的分类主要有以下方法：
2.1 按照冶炼生铁的品种分类
高炉矿渣按冶炼生铁的品种可分为：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。
2.2 按矿渣的碱度分类
高炉矿渣的化学成分中的碱性氧化物之和与酸性氧化物之和的比值称为高炉矿渣的碱度或碱性率(以0M 表示)，
即
碱性率
0M =( CaO MgO )(2SiO +32O Al )
按照高炉矿渣的碱性率0M 可把矿渣分为如下3类：碱性矿渣，碱性率0M >1的矿渣；中性矿渣，碱性率0M =1的矿渣；酸性矿渣，碱性率0M <1的矿渣。
这是高炉矿渣最常用的一种分类方法。碱性率比较直观地反映了重矿渣中碱性氧化物和酸性氧化物含量的关系。
2.3 按处理方式分类
（1）气冷渣
气冷渣又名热泼渣、重矿渣。在高炉前从地坪至炉台高度砌筑隔墙，构成泼渣坑，熔渣出炉后经过渣沟流入坑内，铺展成厚约15cm 的薄层，喷水冷却，凝固后掘出，经破碎、筛分，制成碎石和渣砂以代替天然砂石，可作为混凝土骨料。
（2）粒化渣
粒化渣又名水淬渣、水渣。熔渣用大量水淬冷后，可制成以玻璃体为主的细粒水渣。它具有潜在的水硬胶凝性能，是优质水泥原料。中国每年有80%以上的高炉熔渣制成粒化渣。
（3）膨胀矿渣及膨珠
每吨熔渣用水1t 左右处理，可膨胀成多孔体，经过破碎、筛分后成为膨胀矿渣，可作混凝土的轻骨料。生产膨胀矿渣有池式法、喷雾堑坑法、离心机法、流槽法、翻转流槽法等工艺，许多国家都生产膨胀矿渣。膨珠又名渣球。1953
年加拿大研究成生产膨珠的工艺。膨珠是优质的混凝土轻骨料，比用膨胀矿渣可节省水泥20%，还可作水泥混合材料、道路材料、保温材料、湿碾或湿磨矿渣以及稳定地基、改良土壤的材料等。膨珠粒度比热泼渣、膨胀矿渣小，一般无须再次破碎加工。膨珠生产具有设备简单、冷却迅速、场地周转快等优点。
3. 高炉渣的危害和利用现状
对高炉渣处理处置不当，会严重危害人体健康。一方面，高炉渣是各种原料物的终态，而人们对这类污染物却往往产生一种稳定、污染慢的错觉；另一方面，在自然条件影响下，高炉渣中的一些有害成分会转入大气、水体和土壤，参与生态系统的物质循环，具有潜在的、长期的危害性。高炉渣对环境的危害主要表现在以下方面：
(1)侵占土地。高炉渣不加利用时，需占地堆放，堆积量越大，占地越多。据估算，每堆积1万t炉渣占地约需1亩（666.6m2）。
(2)污染土壤。高炉渣堆放和没有采取适当防渗措施的填埋，经过风化、雨雪淋溶、地表径流的侵蚀，其中的有害成分很容易产生高温和有毒液体并渗入土壤，杀灭土壤中的微生物，破坏微生物与周围环境构成的生态系统，甚至导致草木不生。其有害成分若渗流入水体，则可能进一步危害人的健康。
(3)污染水体。高炉渣中的有害成分若随天然降水或地表径流进入河流、湖泊，或随风飘迁落入水体，则使地面水受到污染；若随渗沥水进入土壤，则使地下水受到污染；若直接排入河流、湖泊或海洋，则会造成更大的水体污染，不仅减少水体面积，而且还妨害水生生物的生存和水资源利用。
(4)污染大气。高炉渣中的以细粒状存在的废渣，在大风吹动下会随风飘逸，扩散到远处；运输过程中会产生有害的气体和粉尘；一些有机固体废物在适宜的温度和湿度下会被微生物分解，释放出有害气体。
我国高炉渣的回收利用率比较低，而且综合利用的经济效益也不高。相比之下，德国高炉渣回收利用率已经达到99%，日本的回收利用率己达97%，而我国高炉渣的回收利用率相对较低[7]。20世纪70年代以来，欧、美、日等工业发达国家（如英、美、德、日等国）已经把当年产生的高炉渣基本用完，而且也己经将历年来堆存的陈化高炉渣用尽，基本达到了产生使用的基本平衡。在我国，即使目前研究高炉渣回收利用建设的项目在最近几年全部投产，也不能全部利用完所有的高炉渣。这从一个方面反映出我国高炉渣综合利用的复杂性、紧迫性和必要性，也从一个方面反映出我国高炉渣综合利用的紧迫性、复杂性和必要性。
按照科学发展观和走新型工业化道路的要求，实现钢铁渣“零排放”是钢铁企业的责任和一项紧迫的任务。因此，如何合理、有效地利用高炉渣资源，是近几年来国内外钢铁行业、建材工业等行业面临的重要课题之一。
4. 高炉渣的传统利用途径
4.1高炉渣在农业中的利用
硅肥已经被国际土壤学界认定为继氮、磷、钾之后第四大元素肥料。硅肥是
SiO）和氧化钙（CaO）为主，而且是水稻等作一种矿物质肥料以二氧化硅（
2
物生长不可缺少的营养元素之一。
生产硅肥的主要原材料是高炉水渣，因其主要化学成分中含硅、钙量都非常丰富，所以生产硅肥的原料十分充足。施用硅肥对于作物主要有一下作用：
①改善作物的营养作用②提高作物的光合作用；③增强作物抵抗病虫害的能力；④改善作物的抗倒伏能力；⑤有效预防作物的烂根病；⑥改善作物的品质,提高作物的成品率。
（2）高炉渣在铁路中的利用[8]高炉重高炉渣具有良好的坚固性、抗冲击性及抗冻性。高炉重高炉渣不仅可以作铁路道渣使用，而且还可以适当的吸收行车时产生的振动和噪声，同时高炉重高炉渣承受重复荷载的能力很强。鞍山钢铁公司从年开始在铁路专用线上使用重高炉渣，目前钢铁公司几乎都使用高炉重高炉渣作其专用铁路的道渣。
4.2生产矿渣水泥
水渣具有潜在的水硬胶凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激发剂作用下，可显示出水硬胶凝性能，是优质的水泥原料。水渣既可以作为水泥混合料使用，也可以制成无熟料水泥[9]。
①矿渣硅酸盐水泥，是用硅酸盐水泥熟料与粒化高炉矿渣再加入3%~5%的石膏混合磨细或者分别磨后再加以混合均匀而制成的。矿渣硅酸盐水泥简称为矿渣水泥。在磨制矿渣水泥时，高炉矿渣的掺入量对水泥的抗压强度影响不大，而对抗拉强度的影响更小，所以，其掺入量可以占到水泥重量的20%~85%这样对于提高水泥质量，降低水泥生产成本是十分有利的。
矿渣水泥与普通水泥相比有如下特点：第一，具有较强的抗溶出性和抗硫酸盐侵蚀性能，故能用于水上工程、海港及地下工程等，但在酸性水及含镁盐的水中，矿渣水泥的抗侵蚀性较普通水泥差。第二，水化热较低，适合于浇筑大体积混凝土。第三，耐热性较强，使用在高温车间及高炉基础等容易受热的地方比普通水泥好。第四，早期强度低，而后期强度增长率高，所以在施工时应注意早期养护。此外，在循环受干湿或冻融作用条件下，其抗冻性不如硅酸盐水泥，所以不适宜用在水位时常变动的水工混凝土建筑中[10]。
②石膏矿渣水泥，是将干燥的水渣和石膏、硅酸盐水泥熟料或石灰按照一定的比例混合磨细或者分别磨细后再混合均匀所得到的一种水硬性胶凝材料。
在配制石膏矿渣水泥时，高炉水渣是主要的原料，一般配入量可高达80%左右。石膏在石膏矿渣水泥中是属于硫酸盐激发剂。它的作用在于提供化时所需要的硫酸钙成分，激发矿渣中的活性。一般石膏的加入量以15%为宜。
少量硅酸盐水泥熟料或石灰，系属于碱性激发剂，对矿渣起碱性活化作用，能促进铝酸钙和硅酸钙的水化。在一般情况下，如用石灰作碱性激发剂，其掺入量宜在3%以下，最高不得超过5%，如用普通水泥熟料代替石灰，掺入量在5%以下，最大不超过8%。
这种石膏矿渣水泥成本较低，具有较好的抗硫酸盐侵蚀和抗渗透性，适用于混凝土的水工建筑物和各种预制砌块。
4.3生产矿渣砖和湿碾矿渣混凝土制品
（1）矿渣砖，用水渣加入一定量的水泥等胶凝材料，经过搅拌、成型和蒸汽养护而成的砖叫做矿渣砖。
（2）湿碾矿渣混凝土，是以水渣为主要原料制成的一种混凝土。它的制造方法是将水渣和激发剂（水泥、石灰和石膏）放在轮碾机上加水碾磨制成砂浆后，与粗骨料拌和而成[11]。
4.4矿渣碎石的用途
矿渣碎石的作用很广，用量也很大，主要用于公路、机场、地基工程、铁路道碴、混凝土骨料和沥青路面等。配制矿渣碎石混凝土矿渣碎石配制的混凝土具有与普通混凝土相近的物理力学性能，而且还有良好的保温、隔热、耐热、抗渗
和耐久性能。矿渣碎石混凝土的应用范围较为广泛，可以作预制、现浇和泵送混凝土的骨料。
4.5膨胀矿渣及膨珠的用途
膨胀矿渣主要用作混凝土轻骨料，也用作防火隔热材料，用膨胀矿渣制成的轻质混凝土，不仅可以用于建筑物的围护结构，而且可以用于承重结构。膨珠可以用于轻混凝土制品及结构，如用于制作砌块、楼板、预制墙板及其他轻质混凝土制品。由于膨珠内孔隙封闭，吸水少，混凝土干燥时产生的收缩就很小，这是膨胀页岩或天然浮石等轻骨料所不及的。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，也可用作公路路基材料和混凝土细骨料使用。生产膨胀矿渣和膨珠与生产黏土陶粒、粉煤灰陶粒等相比，具有工艺简单，不用燃料，成本低廉等优点[12]。
5. 高炉渣的新利用方法
高炉矿渣还可以用来生产一些用量不大而产品价值高，又有特殊性能的高炉渣产品。如矿渣棉及其制品、热铸矿渣、矿渣铸石及微晶玻璃、硅钙渣肥等。现仅简介矿渣棉和微晶玻璃的生产方法。
5.1生产矿渣棉
矿渣棉是以矿渣为主要原料，在熔化炉中熔化后获得熔融物再加以精制而得到一种白色棉状矿物纤维。它具有保温、隔音、绝冷等性能。
生产矿渣棉的方法有喷吹法和离心法两种。原料在熔炉中熔化后流出，即用蒸汽或压缩空气喷吹成矿渣棉的方法叫做喷吹法。原料在熔炉中熔化后落在回转的圆盘上，用离心力制成矿渣棉的方法叫做离心法。
矿渣棉可用作保温材料、吸音材料和防火材料等，由它加工的成品有保温板、保温毡、保温筒、保温带、吸音板、窄毡条、吸音带、耐火板及耐热纤维等。矿渣棉广泛用于冶金、机械、建筑、化工和交通等部门。
用途：（1）工业上主要用于工业热力管网、发电设备、工业炉窑、船舶隔舱等的保温隔热材料。
（2）建筑中常用于建筑物的外保温围护结构、建筑物内部分隔墙的隔声填充材料及建筑物室内的吊顶吸声材料[13-15]。
5.2生产微晶玻璃
微晶玻璃是近几十年来发展起来的一种用途很广的新型无机材料。微晶玻璃的原料极为丰富，除采用岩石外，还可采用高炉矿渣。
矿渣微晶玻璃产品比高碳钢硬，比铝轻，其机械性能比普通玻璃好，耐磨性不亚于铸石，热稳定性好，电绝缘性能与高频瓷接近。矿渣微晶玻璃用于冶金、化工、煤炭、机械等工业部门的各种容器设备的防腐层和金属表面的耐磨层以及制造溜槽、管材等，使用效果很好[16-20]。
6 总结与展望
对于高炉生产厂家来说，每吨矿渣棉制品价格从2000元到上万元不等，相比于每吨百元左右、1400℃以上的高温未被利用的高炉水渣产品来说，附加值更高。电炉法矿渣棉与冲天炉法矿渣棉和岩棉相比，生产成本大幅降低，产品价格上有竞争优势。如果生产的矿渣棉质量能满足建筑业要求，则具有极大的市场容量。对于有高炉的钢铁企业来说，无论从商业价值，还是从市场来看，高炉熔渣直接制矿渣棉都是一种高炉渣循环利用的极佳途径。
经过多年的发展，关于微晶玻璃材料的配方设计、热处理工艺研究及应用等方面都取得了很大的进展。但我国微晶玻璃制造工艺及设备的专利申请总量仅占世界专利申请总量的32%［9］，与国外微晶玻璃的发展研究有一定差距。随着现代建筑装饰行业的迅速发展，微晶玻璃所具有的优异性能、低价格、低能耗，明显优于传统的天然大理石等材料，具有较大的潜力成为天然石材的理想替代品和21世纪理想的装饰材料。
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