6钢铁冶金渣的资源化

硅酸盐分解：硅酸二钙晶型转变、体积膨胀所导致的重矿渣自 动碎裂或粉化的现象。
自由能
括号内的温度为过冷极限
（670） （705） β
γ
（1452）
α′ 830 粉散开始
α 1447
温度，℃
图6.2 硅酸二钙晶型随温度变化曲线
ρ↓，V↑，已凝固重矿渣中产生内应力。 内应力>重矿渣本身的结合力时，重矿渣开裂、酥碎，甚至粉化。
化学活性。常用来生产水泥。
用水淬渣活性率（Mc）
Mc
Al2O3 SiO2
水淬渣的化学活性表示
Mc>0.25为活性矿渣 Mc<0.25为低活性矿渣
水淬渣质量系数（k）
k
CaO MgO Al2O3 SiO2 MnO
k>1.9为高活性矿渣 k=1.6～1.9是中活性矿渣 k <1.6为低活性矿渣。
（2）膨胀矿渣珠
硅酸盐 64.2 22 水泥
5.5 1.40 1.5
1.34 0.30
花岗岩 2.15 69.92 14.78 0.97 0.13
1.67
0.39
含
P2O50.24
玄武岩 8.91 48.78 15.85 6.05 0.29
6.34
1.39
含
P2O50.47
S
0.2～ 1.5 <1
0.3～ 3 含
F7～ 8
炼钢厂
宝钢 马钢 上钢 邯钢
表6-5 我国几个大型钢铁企业转炉钢渣的化学成分，%
CaO
MgO
SiO2
A12O3
FeO
Fe2O3
MnO
P2O5
40～49 45～50 45～51 42～54
4～7 4～5 5～12 3～8
13～17 10～11 8～10 12～20
1～3 1～4 0.6～1 2～6
11～22 10～18 5～20 4～18
矿渣碎石混凝土的抗压强度随矿渣容重的增加而增高。矿渣混凝土的 使用在我国已有五十多年历史，在许多重大建筑工程中都采用了矿渣混 凝土，实际效果良好。
（2）重矿渣在地基工程中的应用
重矿渣用于处理软弱地基。由于矿渣的块体强度一般都超过 50MPa，相当或超过一般质量的天然岩石，因此组成矿渣垫层的颗粒 强度完全能够满足地基的要求。一些大型设备基础的混凝土，如高炉 基础、轧钢机基础、桩基础等，都可用矿渣碎石作骨料。
含硅原料 含铁原料
粘土 石灰石
水渣
烘干机
粉磨机
渣粉
混合磨
矿渣硅酸盐水泥
粉碎机
煅烧窑
熟料
粉磨机
硅酸盐水泥
石膏
（2）生产矿渣砖
水渣、石灰
搅拌
轮碾
成型
蒸养
矿渣砖
一般要求石灰中氧化 钙含量在60%以上， 氧化镁应少于10%。
矿渣砖具有良好的物理力学性能，但容重较大，一般为2120～ 2160kg/ m3。适用于上下水或水中建筑，不适用于高于250℃的环境中 使用。
4～10 7～10 5～10 2.5～
13
5～6 0.5～
2.5 1.5～
2.5 1～2
1～1.4 3～5 2～3 0.2～
1.3
f-CaO
2～9.5 5～11 4～10 2～10
转炉钢渣的矿物组成取决于它的化学成分。当钢渣的碱度R为0.78～1.8
时 ， 主 要 矿 物 为 CMS（ 镁 橄 榄 石 ） 、 C3MS2（ 镁 蔷 薇 辉 石 ） 。 碱 度 为 1.8～2.5时，主要矿物为C2S（硅酸二钙）及RO相（二价金属氧化物固熔 体）。碱度为2.5以上时，主要矿物为C3S（硅酸三钙）、C2S及RO相。不 同碱度转炉钢渣的矿物组成如表6-6所示。
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，也可以作为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粘土陶粒、粉煤灰陶粒等相比较，具有工 艺简单，不用燃料，成本低廉等优点。
三、矿渣碎石的利用
矿渣碎石的用途很广，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代替天然碎石。
高碱度钢渣（R>2.5）
碱度
CaO
SiO2 P2O5
水淬粒状钢渣 按钢渣的形态 块状钢渣
粉状钢渣
二、钢渣的组成
不同的原料、不同的炼钢方法、不同的生产阶段、不同的钢种生产以 及不同的炉次等，所排出的钢种的组成与产生量是不同的。
（1）转炉钢渣 转炉钢渣是钢渣的主要部分，在我国，约占钢渣总量的65%。目前， 生产1吨转炉钢约产生130～240kg钢渣。表6-5所示为我国几个大型钢铁企 业转炉钢渣的化学成分。
由于铁精矿品位及冶炼生铁的种类不同，高炉渣的化学成分波动 较 大 。 一 般 ， 生 产 过 程 主 要 控 制 分 析 SiO2、Al2O3、CaO、MgO、 FeO、MnO、S七项指标，对一些特殊的高炉渣还需分析TiO2、V2O5 、Na2O、BaO、P2O5、Cr2O3、Ni2O3 等 。 在 冶 炼 炉 料 固 定 和 冶 炼 正 常时，高炉渣的化学成分变化不大，对综合利用有利。
CaO H 2O Ca(OH )2 V
因此，作混凝土骨料使用时，必须认真分析检验重矿渣分解的可能性。
6.1.2高炉渣的资源化途径
高炉渣80%冲成水淬矿渣，大部分用作水泥混合材料和无 熟料水泥的原料，少部分用来生产矿渣砖、瓦等。其余用作道 路路渣、铁路道渣及混凝土骨料，少量用于生产矿渣棉、膨胀 矿渣珠等。
6.2钢渣的资源化
钢渣是炼钢过程排出的废渣。钢渣是炼钢过程中的必然副产物，其 排出量约为粗钢产量的15%～20%。
一、钢渣的分类
按炼钢所用炉型
平炉渣：初期渣、精炼渣、出钢渣和浇钢余渣 转炉渣： 电炉渣：氧化渣和还原渣
按熔渣性质
碱性渣： 酸性渣
低碱度钢渣（R<1.8） 按碱度（R） 中碱度钢渣（R=1.8～2.5）
碱性率M O
CaO MgO SiO2 Al2O3
我国高炉渣大部分接近中性矿渣（Mo=0.99～1.08），高碱性及酸性高 炉渣数量较少。
二、高炉矿渣的化学组成
高炉渣含有15种以上化学成分，但主要是CaO、MgO、Al2O3、 SiO2四种，它们约占高炉渣总重量的95%。
CaO和MgO主要来自助熔剂，SiO2和Al2O3主要来自铁精矿中的 脉石和焦炭中的灰分。
二、膨胀矿渣的利用
膨胀矿渣主要是用作混凝土轻骨料，也可作防火隔热材料，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、 预制墙板及其它轻质混凝土制品。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。
（3）矿渣碎石在道路工程中的应用
矿渣碎石具有缓慢的水硬性，这个特点在修筑公路时可以利用。 矿渣碎石含有许多小气孔，对光线的漫反射性能好，摩擦系数大，用 它作集料铺成的沥青路面既明亮，制动距离又短。矿渣碎石还比普通 碎石具有更高的耐热性能，更适用于喷气式飞机的跑道上。
（4）矿渣碎石在铁路道碴上的应用
用矿渣碎石作铁路道碴称为矿渣道碴。我国铁道线上采用矿渣道 碴的历史较久，目前矿渣道碴在我国钢铁企业专用铁路线上已广泛得 到应用。鞍山钢铁公司从1953年开始就在专用铁路线上大量使用矿渣 道碴，现已广泛应用于木轨枕、预应力钢筋混凝土轨枕和钢轨枕等各 种线路，使用过程中没有发现任何弊病。在国家一级铁路干线上的试 用也已初见成效。
1～ 0.1～ 0.07～
13
wenku.baidu.com
1
0.89
高钛渣 23～ 20～ 9～ 2～ <1
46
35
15
10
20～ 29
锰铁渣 28～ 21～ 11～ 2～ 5～ 0.05～
47 37 24
8
23
0.31
含氟渣 35～ 22～ 6～8 3～ 0.1～ 0.07～
45 29
7.8 0.8
0.08
V2O5
0.1～ 0.6
硫化物分解：重矿渣中当含有FeS与MnS等硫化物时，便 会在水解作用下生成相应氢氧化物，体积相应增大38%和 24%，导致块渣开裂和粉化的现象。
FeS H 2O Fe(OH )2 V 38% MnS H 2O Mn(OH )2 V 24%
石灰分解：若重矿渣中夹有石灰颗粒，遇水消解，也能 产生体胀，导致重矿渣碎裂。
6.1.1高炉渣的组成和性质
一、高炉渣的分类
水渣：高炉熔渣在大量冷却水作用下形成的海 绵状浮石类物质。 按冷却方式的不同 重矿渣：高炉熔渣经慢冷作用形成的类石料矿渣。
膨珠：高炉熔渣在半急冷作用并通过成珠设备击 碎、抛甩到空气中，再受空气冷却形成的矿渣。
1400～1600℃高温的熔融体 渣罐
接渣槽 高压水管
高炉渣属于硅酸盐材料，它的组成与天然岩石和硅酸盐水泥相似 ，表6.1所示为我国大部分钢铁厂高炉渣的化学成分与天然岩石和硅酸 盐水泥化学成分比较。
表6.1 我国高炉渣与天然岩石、硅酸盐水泥化学成分比较（质量%）
名称
CaO SiO2 Al2 O3
普通渣 38～ 26～ 6～
49
42
17
Mg MnO FeO TiO2 O
膨珠系半急冷作用形成。除孔洞外，其它部分是玻璃体。 孔洞：孔径大的350～400μm，小的80～100μm。隔热、保 温、质轻、吸水率低、抗压强度和弹性模量高等优点，因而 是一种很好的建筑用轻骨料，也可作为防火隔热材料。 玻璃体：膨珠呈现由灰白到黑的颜色，颜色越浅，玻璃体 含量越高，灰白色膨珠，玻璃体含量达95%。生产水泥的原 料。
流渣槽
滚筒
膨珠
按冶炼生铁的种类
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。
按高炉渣的碱性率 （以Mo表示）
碱性矿渣：碱性率Mo>1的矿渣 中性矿渣，碱性率Mo=1的矿渣； 酸性矿渣，碱性率Mo<1的矿渣
（1）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。
配制矿渣混凝土的方法与普通混凝土相似，但用水量稍高，其增加 的用水量，一般按重矿渣重量的1%～2%计算。一般用矿渣碎石配制的 混凝土与天然骨料配制的混凝土强度相同时，其混凝土容重减轻20%。
酸性高炉矿渣由于其冷却的速度不同，形成的矿物也不一样。 当快速冷却时全部凝结成玻璃体。在缓慢冷却时（特别是弱酸性的 高炉渣）往往出现结晶的矿物相，如黄长石、假硅灰石、辉石和斜 长石等。
中性高炉矿渣：
四、高炉渣的性质
（1）水淬渣
急冷过程中，熔渣的绝大部分化合物来不及形成稳定化合物，
而以玻璃体状态将热能转化成化学能封存其内，从而构成了潜在的
三、高炉渣的矿物组成
高炉渣中的各种氧化物成分以各种形式的硅酸盐矿物形式存在 。
碱 性 高 炉 渣 主 要 矿 物 ： 钙 铝 黄 长 石 （ 2 CaO·Al2O3·SiO2） 、 钙 镁黄长石（2CaO·MgO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）以及假硅 灰石（CaO·SiO2）、钙长石（CaO·Al2O3·2SiO2）、钙镁橄榄石（ CaO·MgO·SiO2）、 镁 蔷 薇 辉 石 （ 3 CaO·MgO·2SiO2） 以 及 镁 方 柱 石（2CaO·MgO·2SiO2）等。
6 钢铁冶金渣的资源化
钢铁冶金渣：钢铁冶金工业所产生的固体废物。
主要包括：高炉渣 钢渣 铁合金渣 尘泥等。
6.1高炉渣的资源化
铁矿石+焦碳+石灰石
高炉烟气 炼铁高炉 熔融炉渣
铁水 冷却
生铁 高炉渣
采用贫铁矿炼铁时，每吨生铁产出1.0～1.2t高炉矿渣； 用富铁矿炼铁时，每吨生铁只产出0.25t高炉矿渣。
(3)重矿渣 重矿渣是高温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。 重矿渣的物理性质与天然碎石相近，其块渣容重大多在
1900kg/m3以上，其抗压强度、稳定性、耐磨性、抗冻性、抗冲击能 力（韧性）均符合工程要求，可以代替碎石用于各种建筑工程中。
重矿渣系缓慢冷却形成的结晶相，绝大多数矿物不具备活性 ，但是重矿渣中的多晶型硅酸二钙，硫化物和石灰，会出现晶型变 化和发生化学反应。当其含量较高时，会导致矿渣结构破坏，这种 现象称为重矿渣分解。
一、水渣
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，是优良的水泥原料。 因此，它主要用来生产水泥和矿渣砖、瓦等。
（1）生产水泥：我国约有3/4的水泥中掺有粒状高炉渣。 目前我国利用高炉渣生产的水泥
矿渣硅酸盐水泥：水泥熟料+ 20%～70%高炉水渣+ 3%～5% 石膏 普通硅酸盐水泥：水泥熟料+ 不超过15%高炉水渣+ 3%～5% 石膏 石膏矿渣水泥：少量水泥熟料+ 80%高炉水渣+ 15% 石膏 钢渣矿渣水泥：45%左右的钢渣+40%的高炉水渣+适量的石膏