我国钢渣资源化利用的研究进展

钢渣有一个陈化过程，这一过程是钢渣处 理与应用的关键，它在后期主要表现为膨胀与 粉化。
1.3 钢渣膨胀的机理 1. 3. 1 游离氧化钙的水化
游离氧化钙的水化是钢渣膨胀的重要原
因，对此国内外一致公认。钢渣中含有相当量 的游离氧化钙。氧化钙水化生成氢氧化钙，体 积产生膨胀，从而引起浆体体积膨胀。但是冯 涛[1]等人认为钢渣膨胀的产生不仅与游离氧化 钙水化生成氢氧化钙有关，而且与氢氧化钙自 身变化有关，在游离氧化钙水化初期，生成的 多为无定型或者小晶体的氢氧化钙。无定型或 者小晶体的氢氧化钙再结晶并长大，其体积继 续增大，从而引起浆体体积的持续膨胀。
朱跃刚[16 ]将武钢磨细钢渣粉掺入水泥中可 以制备高强度的普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐 水泥和钢渣矿渣水泥。与纯硅酸盐水泥相比， 掺10%与15%钢渣粉制 成的普通硅酸盐 强度不 降低，有时还略有提高，水泥强度等级达到 52. 5R。固定矿渣粉掺量15%或30%，钢渣粉掺 量 为10 ～3 0%时， 复合 硅酸 盐水 泥强 度等 级可 以 分别达到52.5R、42. 5R和42. 5。同时掺加30% 钢 渣粉 和30 %矿渣 粉的 钢渣 矿渣 水泥 强度 标号 高 于425# ，相当于IS O标准的42.5强度等级。单 独 掺 加3 5%钢 渣 粉 的水 泥 可 以达 到 42 .5R 的 强 4期 2007年8月
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NO. 4 August 2007
钢渣碎石具有比重大，强度高（一般大 于180MP a ） ，磨损率 小（均小 于25%）， 耐 腐蚀、与沥青结合率高等特点，因而广泛用 于铁路、公路、工程回填。近年来出现了钢 渣、粉煤灰和石灰配制料在道路基层中的应 用，钢渣、矿粉细集料在混凝土面层的应用， 钢渣、微粉和水泥掺和料在城市道路混凝土中 的应用，钢渣沥青混凝土路面在高速公路上的 应用，整体情况比较理想，强度、回弹模量等 指标都能达到道路工程的有关标准。钢渣用于 建筑用地桩也是最近出现的新的用途，值得关 注。
2.1 钢渣返回冶金再用
钢渣返回冶金再用，包括返回烧结，返回 高炉和返回炼钢。由于钢渣作冶炼熔剂可以回 收钢渣中的Ca、Mg、Mn 的氧化物和稀有元 素等成分，能大量节约石灰石、萤石的等造渣 用量，降低焦化，提高利用系数，降低成本， 世界几个产钢大国一直坚持钢渣返回做熔剂， 而且占钢渣资源化利用的比重很大。烧结矿中 配加钢渣代替熔剂，不仅回收利用了钢渣中残 钢、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化锰等有益 成分，而且成了烧结矿的增强剂，提高了烧结 矿的质量和产量。但是烧结中配加钢渣需要注 意富磷问题。宝钢钢渣返回烧结的应用开始于 1996年，目前使用量稳定在15万t / a的高水平。 钢渣代替石灰石做高炉或化铁炉的熔剂，既可 以利用渣中有益成分，节省熔剂等消耗，又可 改善高炉渣或化铁炉渣的流动性，增加铁的产 量 ； 转 炉 炼钢 时 ， 每 吨 钢 可 使 用 高 碱度 钢 渣 2 5 公斤左右。 2.2 钢渣作水泥
钢渣作水泥基材料掺合料，一般加入石膏 或其他碱性激发剂。据研究，利用烧石膏作为 激发剂，提高钢渣水泥早期强度明显[1 1]。水化 2 8d 时， 钢 渣水 泥 中有 害粗 大 孔数 量减 少 ，使 微 细孔分布更趋合理，孔结构性能改善，使其抗 渗性、抗侵蚀性提高。利用机械方法提高钢渣 的细度，增大钢渣中矿物与水的接触面积，提 高矿物与水的作用力，使其钢渣结构结晶度下 降而减少晶体的结合键，从而使水分子容易进 入矿物内部，加速水化反应。当钢渣比表面积 达到400m2/ kg时，具有非常高的活性，可作为 一 种高 活 性掺 合料 来 使用 [12 ]。武 钢磨 细 钢渣 粉 的比表面积为（450±50）m2/ kg。对钢渣作水 泥掺合料进行研究得出：掺较细钢渣的水泥抗 压强度较大，因而较大的比表面积增加了水化 速度。在混凝土中掺加磨细钢渣粉具有良好的 后期安定性[13 ]。磨细钢渣粉由于粉磨到了一定 细度，游离的Ca O和MgO被活化，在水泥水化 早期就参与反应，不会造成混凝土的破坏。通 过机械粉磨，并在一定激发剂作用下，能充分 发挥钢渣的活性 。 [14，15]
1.2 钢渣的化学性质
钢 渣的 主 要化 学 成 分有 ： Ca O 、S iO 2、 F e O、A l 2O3、MgO 等，成分组 成基本稳定 。 钢渣的主要矿物组成为橄榄石（F eO·S iO2）, 硅 酸 二 钙 （ 2 C a O · S iO 2） ， 硅 酸 三 钙 （3Ca O·SiO2）， 铁酸二钙（2C aO·F e2O3） 和f- CaO等。
冯涛[1]等人则从游离氧化钙微观结构与水 化活性中发现，钢渣中的游离氧化钙生成温度 高，在高温环境中的停留时间长，在高温下离 子的扩散速度加大，则制离子含量较高，且其 中的杂质离子大多数为二价铁离子。钢渣中的 游离氧化钙晶粒大，晶格畸变程度大，水化活 性差。在宏观上稳定期长，水泥浆体中游离氧 化钙水化完全所需的时间长。
2. 3. 1 钢渣用于地基回填 和软土地基 加固
钢渣做地基回填料主要控制钢渣在地基的 膨胀性能。钢渣的膨胀性能是长期的，主要与 钢渣的物理化学性质有关。堆放一年以上的钢 渣大部分已经完成膨胀过程，块度在2 00mm 以下，可以作为回填材料，回填经过8个月后 基本稳定。在回填工程中地基下沉量一般是很 大的，采用钢渣作为地基回填材料，减少了地 基的下沉值，对工程是有利的。近年来国内钢 渣作为回填材料已经大规模应用。钢渣桩加固 软地基是在软地基中用机械成孔后填入钢渣形 成单独的桩柱。当钢渣挤入软土时，压密了桩 间土；然后钢渣又与软土发生棵物理和化学反 应，钢渣进行吸水、发热、体积膨胀，钢渣周 围的水分被吸附到桩体中来，直到毛细吸力达 到平衡为止；与此同时，桩周围的软土受到脱 水和挤密作用。这个过程一般需要3- 4周才能结 束。钢渣入土水化后经过凝结、硬化，产生强 度，提高了地基加固的复合效果，加固了软土 地基。上述技术曾用于宝钢三期工程和上海浦 东国际机场的建设。
1. 钢渣的基本性质 1.1钢渣的物理性质
钢渣呈黑色，外观像结块的水泥熟 料，其中夹带部分铁粒，硬度大，密度为 1700- 2000k g/ c m3.钢渣组 成来源于铁水与 废 钢中所含铝硅锰等元素氧化后形成的氧化物； 金属料带入的泥砂；加入的造渣剂，如石灰、 萤石等；作氧化剂或冷却剂使用的铁矿石、烧 结矿、氧化铁皮等；被侵蚀的炉衬材料和炉材 料；脱氧用合金的脱氧产物和熔渣的脱硫产物 等。
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(F eO+ MnO)分为两种。K m>1的属于方镁石固 熔体，要引起膨胀； Km <1的属于方特矿 固熔 体， 这 种R O相 不会 引 起膨 胀。 近 藤连 一 [7]认 为 当R O中 固熔 体M n O达 到 一定 程度 后可 以抑 制 其 膨胀。
2. 3. 2 耐磨路面材料 在车轮的反复磨耗作用下，混凝土路面防 滑性能逐渐失效，从而埋下安全隐患。为了使 路面具备一定的抗滑性能，可以用钢渣作为混 凝土路面的集料，使路面从建成起就具有高抗 滑性能；或者作为制备钢渣混凝土砂浆，用于 恢复路面使用性能。
2. 3. 3 沥青混凝土集料 国内外研究表明，一些钢渣的力学性能较 碎石好，不仅耐磨，颗粒形状和自然级配好， 而且与沥青有良好的粘附性，沥青包裹后能防 止钢渣膨胀，其比热值高，很适合作为沥青混 合料集料用于铺筑路面，但是对于同等用量的 钢渣和碎石，钢渣比碎石要吸附更多的沥青。 丁庆军等[17 ]对武钢钢渣（洛杉机磨耗值为 1 4.6%） 做沥 青 混凝 土 集料 的 应用 进行 了 研究 ， 认为武钢钢渣是一种可用于高等级公路的优良 集料，各项性能指标均能达到规范要求，且具 有较好的体积稳定性和较高的力学性能，可以 应用于高等级公路的面层，其最佳用油量为 5.2 4%。 2.4 作农肥和酸性土壤改良剂 钢渣含Ca、Mg、Si、P 等元素，可根据不 同元素的含量作不同的应用，我国钢渣在农业 改 良 的 应 用 始于 2 0 世纪 5 0 年代 末 、 6 0年 代 初 。 1 95 8 年至 1 96 0 年 ，中 国 科 学 院 东 北林 业 土 壤 研 究所对全国各地主要炼钢厂的平炉炼钢渣进行 了分析研究，将加工式分化的粉化用于各种不 同 的 土 壤 中进 行 田 间 肥 度 试验 。 1 96 5 年至 1 97 3 年中科院南京土壤研究所对含磷较多的平炉钢 渣加工粉化用于水稻、黄豆作物试验。1984 年- 1985年中科院开展了钢渣的农用试验研究， 使钢渣农用试验在用量、用法、粒度、土种、 肥 度 及 作 物 品 种 、性 状 、 抗 性 和 肥 种 对 比 等1 0 个方面，取得了可喜进展。目前我国用钢渣生 产的磷肥品种有钢渣磷肥和钙镁磷肥。 2.5 钢渣用于废水处理 废水污染是一个极其严重的环境问题，废 水、废渣等通过水、土壤、空气，尤其是事物 链，对人类的生存和身心健康产生严重危害。近 年来，有人把钢渣用于治理废水，达到“以废治 废”的目的。李灿华[18]用钢渣和水渣制备了聚 硅硫酸铁的混凝剂，产品具有净水剂用量少、无 毒副作用、混凝效果好、去浊率高的优点，能广 泛用于净化钢铁企业生产废水和造纸、印染等重 污染行业的生产废水以及生活污水。 吸附法作为一种重要的化学物理方法在废 水处理中已有应用，利用钢渣废水处理吸附
1. 3. 2 杂质的影响 对于转炉钢渣含较多的f- CaO，碱度低， R O相主要是以F e O为基体的F e2O3固熔体（方 解石），MgO主要存在于钙镁橄榄石和镁蔷薇 辉石中；碱度较高的钢渣，MgO主要与F eO、 MnO固熔体形成以MgO为基体的RO相；电炉 还原渣中以F eO为基体的方解石几乎不存在， 但碱度比较高，渣中MgO为纯方镁石晶体[2]。 钢渣中含有大量的F eO，F eO会被氧化、水 化而引起膨胀，F .M.Lea [3]曾提到粗玄岩混凝 土由于低铁的氧化而破坏甚至破坏矾土水泥中 F eO也会氧化。甚至文献[4]认为对氧化钙的水 化活性影响最大的杂质离子是F e 2+。但唐明述 [5]研 究认 为R O相 不会 膨 胀， 在 高温 高压 下 也不 能促其水化，但是这一问题引起人们的广泛争 论，叶贡欣[6]认为RO相 可以根据K m = MgO/