国内外钢渣循环利用技术研究进展(2015.11)

国内外钢渣循环利用技术研究进展一、概述钢铁生产过程中都会产生高炉渣（矿渣）和钢渣。

高炉渣是高炉生产铁水时产出的一种废渣，出炉状态也是温度高达1400℃以上的液体，化学成分中CaO含量约30%-40%，SiO2含量约30%-40%，反应形成的矿物主要是低钙硅酸钙。

目前，高炉渣已经得到很好的资源化利用。

钢渣是转炉炼钢产生的一种废渣，出炉状态温度高达1400℃以上的液体，化学成分CaO含量约40%-60%，SiO2含量约13%-20%。

主要矿物相是硅酸三钙、硅酸二钙、钙铁橄榄石、游离氧化钙、游离氧化镁等。

冷却处理后的钢渣中含有大量的结晶粗大、结构致密的游离氧化钙和游离氧化镁，这些游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）遇水后会在很长时间内持续水化并发生体积膨胀，导致钢渣利用时的长期安定性极差，严重制约了钢渣的安全利用。

目前，我国钢渣的主要应用方向是生产钢渣粉、钢铁渣复合粉。

2014年我国粗钢产量8.2亿吨，按照钢渣的产量是粗钢产量的10%-15%核算，2014年我国钢渣产量约为0.82-1.2亿吨。

目前约有70%的钢渣处于堆存和填埋状态。

如果能循环利用这些钢渣，不仅能回收大量的有价金属，而且能减轻环境负担。

二、我国钢渣循环利用现状1、钢渣一次处理工艺利用现状常规的钢渣一次处理方法主要有热焖分解法、机械破碎法。

其中，热焖分解法包括热焖法、热泼法及浅盘法，这类处理工艺的原理是在高温条件下利用钢渣中的氧化钙、氧化镁等碱性氧化物与水反应形成氢氧化物，由体积的膨胀破碎来达到粒化钢渣的目的。

机械破碎法，顾名思义，是通过机械外力作用对流动状态的钢渣进行冲击，使其破碎。

机械破碎法包括水淬法、风淬法、滚筒法及钢渣风淬粒化法。

冶金工业信息标准研究院冶金咨询中心统计国内129家大中型钢铁企业的钢渣一次处理数据，见图1。

图1 钢渣一次处理法的分类统计由图可知，采用热焖法的有59家，占比达到45.73%；采用热泼法的改进处理工艺“热泼焖渣法”的共有51家，比例达到39.53%；居第三位的是宝钢工程的滚筒钢渣处理法，占比为7.75%。

值得一提的是，宝钢滚筒钢渣处理法虽然在国内占有率较低，但因其具有处理速度快、环保效果好等优点，已在韩国浦项制铁、印度JSW、中国台湾中龙和巴西CSP钢厂得到应用。

2、钢渣二次处理工艺利用现状二次处理工艺包括水洗精铁粉工艺技术、精铁球磨制提纯工艺、渣钢铁回收工艺（含破碎、磁选及筛分技术）及高纯大块渣钢铁加工提纯工艺等。

较早期的钢渣二次处理工艺主要为简单的破碎和筛分，目前都已升级为多级破碎、多级筛分和多级磁选，如梅钢为3破7选5筛分、太钢为2破3选5筛分等，都是为了能充分回收钢渣中的金属以及使尾渣得到充分利用。

但是随着处理工序的增加，设备投资、厂房投资以及日常维护人工都要成倍增加，因此，破碎、筛分及磁选还应该根据一次钢渣处理的情况来调整。

钢渣的细碎设备如惯性圆锥破碎机，制粉设备如柔性立式磨机、圆锥磨、卧式磨和辊压磨等应用比较广泛。

机械法处理后的钢渣粒度都比较细小，因此其在二次处理时则可以减少破碎、筛分和磁选的设备投资。

从整体来看，国内钢渣二次处理工序各有特色，需要结合钢渣一次处理工序的整体价值优势来判断其优劣。

3、尾渣利用现状目前，我国正在研究钢渣尾渣应用的领域有钢渣尾渣制备改性黏结剂、新型渣罐保护剂、钢渣填料-潜流湿地、焦煤中配入钢渣、酸改性钢渣处理、改性钢渣除藻、转炉钢渣制备陶瓷等。

钢渣尾渣的应用也是多样化。

以热泼法为代表的杭钢，其钢渣处理企业哈斯科2014年的钢渣粉产量为19.5万吨，尾渣产量为31.5万吨，其中钢渣用作沥青100吨、路基料4.7万吨、配重砂1.3万吨，尾渣用于水泥混凝土20万吨，大块尾渣堆存5.5万吨。

以热焖法为代表的鞍钢矿渣公司，自2014年9月辊压机终粉磨钢渣粉生产线投产以来，先后进行了生产不同比表面积450-600m2/kg的钢渣粉工艺参数的优化，实现了台时产量达80t以上的平稳生产。

用钢渣粉和矿渣粉进行钢铁渣粉生产，并将其成功应用在鞍钢的大型技改工程、冷轧厂高强连退工程和炼钢三工区改造工程等项目中，使用效果良好，均达到设计标准C30混凝土的强度要求。

钢铁渣粉的使用比例占混凝土胶凝材料的15%-30%；同时将钢渣粉和矿渣粉应用在人工鱼礁工业化试验中，钢渣粉和矿渣粉的使用比例达到90%以上。

钢渣粉及钢铁渣粉在水泥生产的应用中，可以配置高标号42.5级钢渣硅酸盐水泥。

4、“少渣冶炼”工艺应用目前，国内转炉炼钢兴起了“少渣冶炼”工艺，它是第一炉留渣，第二炉脱磷期将含有二氧化硅、五氧化二磷等杂质的炉渣倒掉一部分，达到在脱碳期加少量原料重新造渣，冶炼终点留渣并固化，进行循环冶炼的一种工艺，能使渣中f-CaO达到充分利用。

目前，国内实现此工艺最有代表性的企业是首钢迁钢，其全品种系列中采用“少渣冶炼”工艺的比例将近50%。

对比普通转炉冶炼工艺和“少渣冶炼”工艺的钢渣成分可以发现，采用普通冶炼的钢渣中f-CaO的含量达到5.7%；采用“少渣冶炼”工艺的钢渣中f-CaO的含量仅为2.1%。

由此可见，采用“少渣冶炼”工艺对钢渣循环利用有促进作用。

5、钢渣利用途径早先，国内钢渣主要用于加工生产钢渣水泥。

但是，随着建筑工程对高强度水泥的需求，钢渣矿渣水泥中钢渣的掺量逐渐减少。

目前大多数钢渣矿渣水泥厂在生产中已不配加钢渣，而改产矿渣复合水泥。

随着钢渣产量的增多，以及钢渣矿渣水泥中钢渣掺量的降低，开发钢渣新的大宗利用途径已势在必行。

图2列举了钢渣的利用途径及相对价值。

图2 钢渣利用途径及相对价值目前，国内外钢渣主要用作建筑石子或建筑物基础用集料等，这属于钢渣低附加值利用范畴。

而将钢渣与水泥熟料、矿渣、石膏等混磨后制备钢渣矿渣水泥，或是将钢渣单独粉磨、将钢渣与矿渣共磨后制备混凝土掺合料，已成为钢渣高附加值利用的主要途径。

三、钢渣高附加值利用的重要途径生产复合粉是实现钢渣高附加值利用的重要途径。

1、高活性复合掺合料已成为实现混凝土高性能的关键组分高性能混凝土已经成为现代混凝土技术的发展趋势，混凝土耐久性问题日益受到重视。

由于传统硅酸盐水泥水化时，形成了大量的强度较低、稳定性较差的水化硅酸钙和Ca(OH)2（Ca/Si=1.6-1.9），从根本上不利于混凝土性能的改善。

通过在混凝土原料中掺入活性掺合料，可使水化产物中的高碱性水化硅酸钙转化为低碱性水化硅酸钙，并可大量减少和消除Ca(OH)2的不良影响。

同时，还可以降低混凝土温升，优化混凝土内部结构，改善混凝土的耐久性。

矿渣被认为是高活性的混凝土掺和料。

目前，采用较多的是在混凝土中掺配单一的矿物掺合料。

由于单掺矿物掺合料时，往往只是利用了这种物料的某一种性能，而使混凝土综合性能提高有限。

在将钢渣和矿渣复合制备掺合料时，使二者作用效果相互促进产生明显的“超叠加效应”。

这不但能够使混凝土具有较好的工作性能，而且由于钢渣中高钙物质的引入，使钢筋表面的钝化膜不易被破坏，改善了混凝土的耐久性能。

同时由于钢渣的价格低廉还在很大程度上降低了混凝土的制备成本。

因此，目前钢渣矿渣双掺制备混凝土复合掺合料，已成为钢渣高附加值利用的主要方向。

2、钢渣矿渣复合掺合料生产与应用中冶集团建筑研究总院等单位从20世纪90年代，就开始研究粒化高炉矿渣粉的性能及生产工艺，为起草《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》国家标准提供了依据。

同时还进行了钢渣粉及钢铁渣双掺粉的性能及生产工艺研究。

目前湖南涟源、武汉、北京、杭州等地均建有钢渣粉生产厂，制订了相应的企业标准，进行生产和应用。

其中，涟钢钢渣开发公司新建15万t超细粉生产线，采用70%高炉渣和30%钢渣制备复合粉，不但可用于生产水泥，而且也可用于水泥混凝土的制备。

莱芜钢铁公司10万t钢渣粉生产线自2003年10月投产以来，按照《用于水泥中的钢渣》YB/T022和GB/18046-2000的标准生产钢渣微粉，比表面积在400m2/kg-550m2/kg，7天活性指数为100%，28天111%。

所产钢渣粉在混凝土中的掺量可在10%-35%的范围内依据用户需求波动。

济钢年产10万t钢渣粉生产线自2006年3月份投产以来，也取得了较好的生产效果。

应用结果表明，单独掺加钢渣粉时，混凝土强度略低于单独掺矿渣粉的强度，但钢渣和矿渣复合之后作为掺合料。

按照10%钢渣+20%矿渣加入水泥中的强度，比单纯加入30%矿渣作为掺合料的强度效果还好。

当用钢渣粉单独代替水泥量低于15%时，对混凝土强度影响不明显，但如果钢渣粉含量大于30%时，混凝土性能显著恶化。

目前，济钢生产的钢渣微粉作为水泥混合材或混凝土掺合料使用时，各厂家掺加量大都控制在l5%左右。

由首钢总公司环保部生产的钢渣矿渣复合粉，在用于首建集团生活小区学生公寓楼施工时，工程选用抗压强度试验以C30为基准。

应用结果表明，掺加钢渣矿渣磨细粉比例为3∶2，替代50%水泥配制C30混凝土时，7天强度达到设计强度等级的77%，28天强度达到设计强度要求的130%，各项指标达到工程要求的标准。

大量的研究和生产实践结果表明，若能在钢渣和矿渣复合粉中加入适宜、适量的水泥强度增长剂，则不但可以进一步提高钢渣粉在复合粉中的比例，而且还可在保证混凝土性能不恶化的基础上，提高复合粉对水泥的替代量，从而进一步降低混凝土的制备成本。

3、钢渣矿渣复合掺合料应用实践2001-2002年，在福建省福宁高速公路A19标段中的马头大桥、崎后大桥、下白石大桥应用掺钢渣矿渣复合粉的混凝土。

2000年开始武汉市有11家混凝土搅拌站均使用掺钢渣矿渣复合粉的混凝土，建设桥梁、电杆、排水管等水泥制品中。

秦山核电站的钢筋混凝土储罐，其混凝土中掺入钢渣矿渣复合粉。

北京市一些混凝土公司从2004年开始使用钢渣矿渣复合粉作混凝土掺合料。

结果表明，掺入钢渣矿渣复合粉对提高混凝土后期强度、降低水化热、减少坍落度损失、改善混凝土和易性、防止混凝土早期收缩裂缝均有显著效果，是混凝土矿物掺合材料的最佳产品之一。

相对于将钢渣粉用于生产钢渣水泥、钢渣矿渣水泥，将钢渣粉与矿渣粉复掺后，用于制备水泥混凝土具有较好的经济、性能和市场优势。

在将钢渣粉与矿渣粉按3∶7比例混合后，等量取代10%-30%的水泥，不但可显著改善混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能，而且还可在很大程度上降低混凝土的制备成本。

将钢渣矿渣复合粉用作混凝土掺合料的推广应用，属于国家鼓励的政策范畴，是钢铁工业发展循环经济、走可持续发展之路的重要内容，也是实现钢渣高附加值大宗利用的最有效途径之一。

四、国外钢渣利用情况介绍钢渣利用日德美走在前列。

国外钢渣利用的研究开展的比较早，世界著名的几个产钢大国钢渣的主要利用途径是选铁、做水泥原料、筑路材料、市政工程材料、肥料、土壤调节剂，一部分钢渣返高炉、烧结作熔剂等，各国钢渣的综合利用发展并不平衡。