第3章钢铁冶金固体二次资源的利用

3 钢铁冶金固体二次资源的利用3.1高炉渣高炉渣是高炉冶炼生铁时排出的废渣。

高炉炼铁时，从高炉加入铁矿石、燃料以及助熔剂等，当炉内温度达到1300~1500℃时，物料熔化成液相，浮在铁水上的熔渣，通过排渣口排出成为高炉渣。

我国一般每炼1t 生铁产生0.3~0.9t 高炉渣，西方发达国家平均水平为0.22~0.37t 。

高炉渣是黑色金属冶炼中产生数量最多的固体二次资源。

3.1.1高炉渣的组成及性质 3.1.1.1化学成分和矿物组成按冶炼生铁种类不同，高炉渣可分为炼钢生铁渣、铸造生铁渣、特种生铁渣和炼合金钢生铁渣。

高炉渣的主要化学成分是CaO 、MgO 、Al 2O 3、SiO 2，多数高炉渣中这四种成分占渣总重的95%以上；此外，还含有少量的MnO 、Fe 2O 3、K 2O 、Na 2O 和S ，特种生铁渣中含有TiO 2和V 2O 5等。

SiO 2和Al 2O 3来自矿石中的脉石和焦炭中的灰分，CaO 和MgO 主要来自助熔剂。

我国钢铁厂的高炉渣化学成分见表3-1。

表3-1 我国高炉渣的化学成分(%)高炉渣的矿物组成与其化学成分和冷却方式有关。

快速冷却的高炉渣绝大部分化合物来不及形成稳定的矿物，阻止了矿物结晶，因而形成大量的无定形玻璃体（非晶质），具有较高的活性，在激发剂的作用下，其活性被激发，具有水化硬化作用并且产生强度。

慢速冷却的高炉渣通常具有晶质结构，所形成的矿物种类随高炉渣的化学成分不同而有所变化。

碱性高炉渣的主要矿物是钙铝黄长石和钙镁黄长石，其次是硅酸二钙、假硅灰石、钙长石、钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石和镁方柱石；酸性高炉渣中主要成分有黄长石、假硅灰石、辉石和斜长石等；高钛高炉渣的主要矿物是钙钛矿、安诺石、钛辉石、巴依石和尖晶石；锰铁高炉渣中主要矿物为锰橄榄石。

3.1.1.2物理化学性质 （1）碱度高炉渣的碱度M o 是指矿渣中的碱性氧化物与酸性氧化物的质量含量比，通常用表示为：通常按碱度的大小对高炉渣进行分类，M o ＞1为碱性渣，M o ＜1为酸性渣，M o =1为中性渣，我国高炉渣大部分接近中性渣，其M o =0.99~1.08。

（2）各种成品渣的特性高炉渣由液态渣处理成固态渣的方法不同，其成品渣的特性各异。

我国常用的处理方法有：水淬法（也称急冷法）、半急冷法和热泼法（慢冷法），相应的成品渣分为水淬渣、膨珠CaO% + MgO% SiO 2% + Al 2O 3%M o =和重矿渣。

1）水淬渣水淬渣是指高炉熔渣在大量冷却水作用下急速冷却成的砂状玻璃体物质。

在急速冷却过程中，熔渣中的大部分化合物来不及形成结晶物质，而以玻璃体状态将热能转化成化学能封存其内，从而具有潜在的化学活性，在激发剂的作用下，能起水化硬化作用而产生强度，水淬渣是生产水泥和混凝土的优质原料。

2）膨珠高炉熔渣在适量水的冲击和机械的配合作用下，被甩到空气中使水蒸发成蒸汽并在内部形成空隙，再经冷却形成珠状矿渣叫做膨珠，也称之为膨胀矿渣珠。

膨珠外观呈球形或椭球形，粒度大小与生产工艺和设备密切相关，大部分粒径集中在2.5~5mm之间，约占膨珠重量的67%~76%，10mm以上和2.5mm以下的颗粒较少；颜色灰白，棕色或深灰色，表面具有釉化玻璃质光泽；主要物相为玻璃体，含量为90~95%；珠内有微孔，孔径大的350~400μm，小的80~100μm，微孔互不相通，吸水率低；自然级配的膨珠具有一定的强度，表3-2列出了膨珠的物理性质。

膨珠由半急冷作用形成，除具有水淬渣相似的化学活性外，由于膨珠内存气体，还具有隔热保温、质轻、吸水率低和弹性模量高等特点，并且具有一定的抗压强度，因此，是一种很好的建筑轻骨料和生产水泥的原料，也可作为防火隔热材料。

表3-2 膨珠的物理性能3）重矿渣高炉熔渣在空气中自然冷却或淋少量水慢速冷却而形成的致密块渣，称为重矿渣。

在慢速冷却过程中，熔渣中的各种成分有足够的时间结晶形成各种矿物，其主要矿物成分为黄长石，其次是假硅灰石、硅酸二钙和辉石，并含有少量玻璃体和硫化物。

矿渣碎石的体积密度约2.97~3g/cm3，比石灰岩体积密度大，一般矿渣碎石的块体密度多数在1900kg/m3以上，抗压强度大于49Mpa，与天然碎石相近，在稳定性、耐磨性、抗冻性和抗冲击能力方面通常符合工程要求，可代替碎石用于多种建筑工程中。

少数重矿渣在缓慢冷却过程中或在堆积期间，会因硅酸盐分解、铁锰分解或石灰分解等原因发生自行粉化或碎裂。

3.1.2高炉渣的利用3.1.2.1水淬渣的利用（1）生产矿渣水泥水淬渣具有潜在的水硬胶凝性，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。

高炉渣用作水泥掺入料，能改进水泥性能、扩大品种、调节标号等。

矿渣硅酸盐水泥具有较低的水化热，耐热性能好，在酸性介质中的稳定性优于硅酸盐水泥，但抗冻性能不如硅酸盐水泥，适宜在大体积建筑物和抗硫酸盐的工程中应用。

（2）生产湿碾矿渣混凝土湿碾矿渣混凝土是以水淬渣为主要原料，加入激发剂在轮碾机加水碾磨制成砂浆后，与粗骨料拌和而成。

激发剂有碱性激发剂和硫酸盐激发剂两类。

不同标号矿渣混凝土的配比见表3-3。

表3-3 湿碾矿渣混凝土配合比表注：表中配合比以湿碾矿浆为100计。

湿碾矿渣混凝土和普通混凝土相比，它的早期强度低一些，而后期强度增长很快。

测试结果表明：湿碾矿渣混凝土7d 强度为28d 的30~50%，而普通混凝土为50~70%，湿碾矿渣混凝土一年强度增加一倍，而普通混凝土增加很少；湿碾矿渣混凝土抗拉强度比普通混凝土高，抗折与抗压强度的比值在0.17~0.25之间，其它性能如弹性模量，钢筋黏结力和疲劳性等与普通混凝土相似；具有良好的抗水渗透性和耐热性。

（3）生产矿渣砖矿渣砖是以水淬渣为主要原料，并加入激发剂石灰或水泥等而制成。

激发剂可以单独使用，也可以复合使用。

使用生石灰作激发剂时，添加量为10~15%，应磨细后加入，如果石灰颗粒过大(大于900孔/cm 2筛)，在砖坯内消化时因体积膨胀产生很大的内应力，将引起矿渣砖破裂。

矿渣砖的生产工艺流程如图3-1所示，物理性能见表3-4。

图3-1 矿渣砖生产工艺流程 表3-4 矿渣砖物理性能由于膨珠具有质轻、保温、隔热等特点，是一种很好的建筑轻骨料，主要用于制作轻质混凝土制品和结构，如砌块、楼板、预制墙板等。

采用膨珠可配制C10~C30的混凝土，可以节约20%左右的水泥。

膨珠混凝土的特点是：1）重量轻。

由于膨珠内孔隙封闭，内含气体，质量轻，作骨料制成的混凝土容重为1400~2000kg/m 3，比普通混凝土轻1/4。

2）弹性模量高。

膨珠混凝土的弹性模量比浮石混凝土和陶粒混凝土等高，这是由于膨珠是一种玻璃质高强度的轻骨料，收缩性小，吸水率低的缘故。

3）保温性能好。

膨珠混凝土的导热系数为0.407~0.528W/(m·K)，比同等容重的其它轻骨料混凝土低。

4）后期强度高。

膨珠混凝土三个月强度为28d 强度的150%，这是由于膨珠骨料自身具有潜在活性，在水泥激发剂作用下发生水化硬化，从而提高了混凝土的强度。

此外，膨珠也可以代替水淬渣作水泥掺合料和防火隔热材料等。

3.1.2.3重矿渣的利用水渣石灰成品重矿渣的力学性能与天然碎石相近，稳定性达到工程要求的重矿渣，经破碎和分级，可代替天然碎石，主要用作混凝土骨料和道渣等。

（1）配制矿渣碎石混凝土用重矿渣碎石配制的混凝土与普通混凝土的物理力学性能相近，并具有良好的保温、隔热、耐热和耐久性能。

目前，矿渣混凝土已在C50号及C50号以下的混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土以及防水工程中广泛应用。

用矿渣碎石配制的混凝土与天然碎石配制的混凝土强度相同时，前者的容量减轻20%。

矿渣碎石混凝土的抗压强度随矿渣容重的增加而增大，配制不同标号混凝土所需矿渣碎石的松散容重和压碎指标见表3-5。

关于矿渣碎石混凝土的配料比设计，可以按《普通混凝土配合比设计技术规程》进行。

表3-5 矿渣碎石的松散密度和压碎指标重矿渣碎石用于修筑公路、机场道路，是重矿渣利用的另一重要途径。

矿渣碎石具有缓慢的水硬性，对修筑道路是有利的；矿渣碎石对光线反射性能好，摩擦系数大，具有良好的耐磨性，适用于多种沥青道路的修建。

表3-6示出了不同路面材料修筑的路面防滑效果，可以看出用矿渣碎石修筑的路面防滑效果最好。

矿渣碎石还具有比天然碎石更高的耐热性能，更适用于作机场跑道材料。

据报导，美国和德国等有70%的高炉重矿渣用于道路和机场的建设。

在国内，也采用了重矿渣铺路，使用效果表明，重矿渣碎石路面具有良好的路面强度，耐久性、耐磨性和防滑性能。

此外，重矿渣碎石具有良好的抗冲击性、抗冻性和坚固性，具有一定的减震降噪作用，还可以代替碎石作铁路道渣。

表3-6 各种路面防滑比较材料摩擦系数路面材料汽车制动距离(65km/h)砖石0.4 砖石、天然碎石沥青路面36m 天然碎石0.5 天然碎石混凝土路面34m矿渣碎石0.6 矿渣碎石沥青路面28~29m（3）重矿渣在地基工程中的应用重矿渣的块体强度一般都超过50Mpa，接近或超过一般天然岩石的强度，因此，用重矿渣加固软地基是行之有效的方法。

在日本，一般采用粒度为20mm以下的重矿渣或水淬渣加少量石灰作地基加固材料。

在国内，用重矿渣处理地基也已经有几十年历史，已成功应用于重型厂房桩柱的基础，大型设备的基础以及挡土墙等地基基础的回填。

应用表明，重矿渣处理软地基具有安全可靠，技术合理和价格低廉等优点。

3.1.2.4高炉渣的其它应用以高炉渣为主要原料，经过进一步加工处理，可制成一些价值较高，且具有特殊性能与用途的无机非金属材料，从而拓展了高炉渣利用的途径。

（1）生产矿渣棉矿渣棉是以高炉渣为主要原料，经熔化，高速离心法或喷吹法制成的一种白色棉丝状矿物纤维材料，生产流程如图3-2所示，其化学成分和物理性能见表3-7和3-8。

矿渣棉具有质轻、保温、隔热、隔声、防震性能，可制成多种规格的板、毡、管壳等制品，广泛应用于冶金、机械、建筑、化工和交通等部门。

图3-2 喷吹法生产矿棉渣的工艺流程表3-7 矿渣棉的化学成分微晶玻璃是一种用途很广的新型无机材料，生产微晶玻璃的原料极为丰富，除采用岩石外，还可以采用高炉渣作原料。

在固定式或回转式炉中，将高炉渣与硅石和结晶促进剂一起熔化成液体，然后用吹、压等一般玻璃成型方法成型，并在730~830℃下保温3h ，再升温到1000℃~1100℃保温3h 使其结晶，冷却后即为矿渣微晶玻璃。

加热与冷却速度小于5℃/min ，结晶促进剂为氟化物、磷酸盐和铬、锰、铁、锌等多种金属氧化物，用量为5~10%。

矿渣微晶玻璃比高碳钢硬，比铝轻，机械性能比普通玻璃好，耐磨性不亚于铸石，电绝缘性能与高频瓷接近，热稳定性好。

矿渣微晶玻璃的性能见表3-9。