转炉炼钢钢渣处理概况

1文献综述
1.1转炉炼钢钢渣处理概况
1.1.1钢渣来源
刚刚钢渣特指在炼钢过程时排出的熔渣，主要是指在吹炼过程中金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蚀的炉衬料和补炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而特意加入的造渣材料，如石灰石、白云石、铁矿石、硅石等。

一般渣量是钢产量的8%~15%[1]。

钢渣的主要化学成分有：CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、f-CaO，对于一些特殊的冶炼钢种，其钢渣中还含有V2O5、TiO2等。

钢渣中Fe的氧化物以FeO和Fe2O3形式存在，而以FeO为主，总量在25%以下。

如表2-1为常见各种钢渣的成分[2]。

表1-1钢渣的化学成分（%）
钢渣的矿物组成与钢渣的化学成分有关，特别是取决于钢渣的碱度（CaO与SiO2的比）。

在我国主要以转炉炼钢为主，因此大部分钢渣为转炉炼钢渣。

矿物按下式反应：
2（CaO·RO·SiO2）+CaO→3CaO·RO·2 SiO2+RO
3（CaO·RO·SiO2）+CaO→2（2CaO·SiO2）+RO
2CaO·SiO2）+CaO→3CaO·SiO2
其中RO代表二价金属（一般为Mg2+、Fe2+、Mn2+）氧化物的连续固熔体。

在炼钢初期，碱度比较低，钢渣的矿物组成主要是钙镁橄榄（CaO·MgO·SiO2），其中的镁可被锰和铁所代替。

当碱度提高时，橄榄石吸收氧化钙变成蔷薇辉石（3CaO·RO·2SiO2），同时放出RO相（CaO·MnO·FeO的固熔体）。

再进一步增加石灰含量，则生成硅酸二钙（2CaO·SiO2）和硅酸三钙（3CaO·SiO2）。

在吹炼末期，氧化物增加的速度很快，这个时候，硅酸三钙（3CaO·SiO2）会随温度变化分解成硅酸二钙（2CaO·SiO2）和氧化钙（CaO），还会生成一部分铁酸二钙（2CaO·Fe2O3）。

钢渣中还含有铁酸钙（2CaO·FeO和CaO·FeO）和f-CaO。

钢渣的情况取决于钢铁生产的技术使用，包括转炉、电炉和精炼炉等。

这些钢渣中基本上含有约20~25%的铁元素[3]。

由于钢渣的化学成分变化很大，因此其矿物组成也有很大差异[4]。

钢渣中常见的矿物组成包括：橄榄石、镁硅钙石、C3S（3CaO·SiO2）、C2S（2CaO·SiO2）、C4AF（4CaO·Al2O3·Fe2O3）、C2F（2CaO·Fe2O3）、RO相（CaO FeO-MnO-MgO）和f-CaO（自由氧化钙）等[5]。

1.1.2钢渣的性质
钢渣是由钙、铁、硅、镁、锰、磷等氧化物构成的，其中钙、铁、硅、镁的氧化物占绝大部分[6]。

根据冶炼钢种及冶炼工艺的不同排出的钢渣的成分也不同，钢渣的性质随化学成分的变化而变化，由于化学成分及冷却条件不同造成钢渣外观形态、颜色差异很大。

碱度较低的钢渣呈灰色，碱度较高的钢渣呈褐灰色、灰白色。

钢渣的外观像结块的水泥熟料，钢渣块松散不粘结，质地坚硬密实，孔隙较少。

钢渣中的含铁量较高，其密度为3.1g/cm3~3.6g/cm3，较难磨。

易磨指数为：标准砂为1，钢渣为0.7，钢渣的抗压性能好，压碎值为20.4%~30.8%。

不同炼钢工艺所得钢渣的化学成分如表2-2所示。

其中转炉炼钢渣占钢渣的绝大部分，我国主要钢厂转炉钢渣的化学成分见表2-3。

表1-2钢渣的主要化学成分，%
表1-3转炉炼钢渣的主要化学成分
1.1.3钢渣的利用
目前钢渣可以应用到其他很多领域[7-9]，包括水泥生产、道路建设和其他的民用工程、化肥生产、掩埋垃圾、土壤改良、水净化以及生产金属铁和铁精矿等[10-13]。

1.处理方法及利用方式[14-15]
钢渣的综合利用技术有两个环节，包括钢渣处理和钢渣利用。

其中钢渣处理主要包括冷弃法、闷渣法、热泼法、盘泼法、风碎粒化法、水淬法等。

（1）冷弃法
钢渣倒入渣罐（盘）缓冷后（有的打水强制冷却）直接运至渣场抛弃。

该工艺投资大、设备多、占地广，不利于钢渣的深加工，有时因排渣不畅而影响炼钢，所以新建的炼钢厂采用此法不多。

（2）热泼法
钢渣倒入渣罐后，运到钢渣热泼车间，用吊车将渣罐的液态渣分层泼到渣床
上（渣坑内），喷淋适量的水，使高温渣急冷碎裂并加速冷却，然后进行磁选或运至弃渣场破碎、筛选。

热泼工艺排渣速度快，与目前炼钢工艺的高节奏相适应，但该法钢渣粉化效果差，渣铁分离不彻底，需用大型装载挖掘机械，设备耗损严重，占地面积大，且破碎、筛分、磁选时产生大量粉尘。

污染环境[16]。

（3）水淬法
目前使用较多的水淬处理钢渣有露天水淬和盘泼水淬这两种方法。

露天水淬法一般会选取很大的露天场地，将钢渣运送到露天场地，并由专人喷水到含有大量余热的钢渣上，钢渣自身会发生脆裂，这种方法比自然冷却较快。

盘泼法（ISC）起源于日本。

该工艺有利于钢渣中粒状残钢的回收。

经遴选后的钢渣金属铁含量低，而且稳定性和活性均较好，有良好的综合利用价值。

（4）熔渣水淬粒化法
工艺比较成熟的熔渣水淬粒化法有华科法（HK）、嘉恒法和滚筒法。

HK法已在本钢、柳钢投入使用。

嘉恒法在首钢和沙钢已投产使用。

前者是通过旋转的滚筒提升脱水，后者是通过提升脱水器提升脱水。

滚筒法是宝钢在引进俄罗斯专利基础上改进而成。

并在宣钢、宝钢已应用。

与前两者不同的是，滚筒法是通过装在滚筒内钢球挤压及水淬冷却实现钢渣粒化的。

熔渣水淬粒化法投资少。

占地少，节约水，钢渣处理过程中无粉尘产生。

（5）热闷法
这种处理方式就是将钢渣运送至钢渣处理现场，倒入焖渣罐中，这时钢渣的表面温度不得少于3000℃，配以适当的喷水工艺，产生微压蒸汽，利用钢渣自身余热和f-CaO的水解作用使钢渣粉化，使渣与铁分离。

粉化过程约8~12h。

这种处理方法机械化程度高，工艺简单，设备磨损小，劳动强度低，无二次污染，还解决了粉尘污染问题，比较突出的问题就是不能直接处理温度较高的钢渣。

由于这种钢渣处理方法效果很好，所以国内大多数钢厂都在使用这种处理技术。

（6）水淬—池闷法
该法充分利用了水淬法的无粉尘和池闷法的简易高效特点，最大限度地克服了两种钢渣处理方式的缺点。

该工艺特点是在水淬工艺旁建闷渣池，水淬工艺无法处理的熔态渣倒入闷渣池打水热闷。

由于这种工艺是同时采用了两种钢渣处理方法，固投资大幅度增加，生产线相对较长，操作难度增加，运行维护费用高。

目前，首钢在应用该工艺[17-19]。

钢渣的利用方式可分为无害化处理和综合利用两大类。

无害化处理对钢渣的利用率很低，其典型的利用方式为热泼渣，将热态钢渣喷水，冷却后，磁选分离夹带的渣钢，残渣用于铺路或建筑回填。

若对钢渣进行综合利用则利用率较高，
一般是先回收渣中有价元素（如铁、钒、钛等），然后根据尾渣的粒度不同，用作烧结矿熔剂（CaO含量较高的钢渣）、筑路材料或用作水泥、混凝土掺合料和建筑材料等很多领域[20]。

常见的利用方式包括如下几种：
（1）回收渣中废钢
钢渣中存在较高的Fe元素，包括金属铁块和含铁氧化物，其回收具有重要价值[21]。

太钢“以渣治渣、变废为宝”的实践经验已经得到重视并加以推广。

首钢、鞍钢为开发渣山，先后建起了钢渣破碎磁选生产线，不仅使回收废钢量增加，而且提高了钢渣综合利用的经济效益，为我国开发渣山提供了成功的经验。

虽然目前取得一些有目共睹的成效，但是存在的问题也不得不引起有关部门的重视，如：①缺乏必要的破碎磁选及机械设备，一些地方靠人工捡拣，而增加了劳动强度。

②由于依赖手工劳动，金属回收不干净，存在资源浪费问题。

③在开发渣山过程中也存在回收废钢未能和钢渣的综合利用结合起来，甚至出现劳动重复现象[22]。

因此对于从渣中回收废钢仍存在相当的问题亟待解决。

（2）做烧结熔剂、高炉熔剂[23-25]
烧结矿中适量配入钢渣后，能使结块率提高，粉化率降低，成品率增加。

高炉使用配入钢渣的烧结矿，由于强度高，粒度组成有所改善，尽管铁品位略有降低，炼铁渣量略有增加，但高炉操作顺行，焦比有降低。

我国首钢、马钢、重钢、太钢、济钢、湘钢、武钢、唐钢等均利用钢渣做烧结矿熔剂。

经长期的实践，其主要的优点有：（l）烧结矿强度提高。

（2）烧结矿还原性能显著提高。

（3）配入6%的钢渣后，烧结矿的FeO可升高2%。

钢渣中因含有大量的金属铁和低价氧化铁，在烧结过程中，不仅可使其FeO含量升高，而且还因其发生氧化放热反应，使烧结矿的配碳量降低约0.5%~1%。

（4）经济效益高。

美国有50%以上的钢渣用作高炉的替代熔剂。

早在1974年，美国内陆钢公司和西德森钢厂分别有40%和41%的钢渣直接返回高炉[22，26]。

高炉冶炼配加的钢渣量主要取决于钢渣中有害成分磷的含量以及高炉需要加入的石灰石用量，国内马钢、太钢、广钢等高炉大量应用转炉钢渣做熔剂，均取得了良好的经济效益[27]。

表2-4为太钢1200 m3高炉使用钢渣后的熔剂耗量和
铁水磷含量的情况。

由此看出，钢渣加入后．石灰石和萤石耗量均大幅下降，焦比也随之降低，铁水磷含量则升高了约0.02％[2]。

表1-4太钢1200m3高炉使用炉渣情况
（3）返回炼钢
转炉炼钢使用部分转炉钢渣返回转炉冶炼，既能提高炉龄，促进化渣，缩短冶炼时间，又可降低副原料消耗，并减少转炉总的渣量。

宝钢在国内率先开发了转炉脱磷脱碳的双联法工艺，即在转炉内进行铁水脱磷处理，出半钢后再进行脱碳处理，可以稳定地生产磷质量分数低于0.008 %的超低磷钢，在双联法工艺中，由于脱磷负荷主要由脱磷炉分担，因此脱碳炉的钢渣磷比较低，因而可以返回转炉利用。

按照宝钢进行的铸余渣及脱碳炉的钢渣返回转炉利用的试验，结果表明，通过适当的工艺，合理地将钢渣返回转炉利用，可以有效地促进转炉冶炼过程的前期化渣，降低副原料的消耗，达到降本增效的目的，而且钢渣的返回利用不会对钢水质量发生负面影响。

预计推广使用后，每年可利用钢渣5万t 左右[28]。

（4）做道路基础材料及回填料
钢渣碎石具有比重大、强度高（一般> 18MPa）、表面粗糙、稳定性好、不滑移、磨损率小（均< 25 %）、耐蚀、与沥青结合牢固，不会膨胀等优良性能，因而广泛用于铁路、公路、工程回填、修筑堤坝、填海造地等工程方面[29]。

作为道路用集料，钢渣具有良好的物理特性；作为路用混合料，钢渣沥青混合料同样具有优良的路用性能，完全可以适用于中国的公路建设事业，并且日益成为钢渣处理的一个重要的突破口。

将钢渣制作成为用于沥青混凝土的骨料、远远优于普通沥青路面。

钢渣沥青混凝土路用性实验结果见表2-5。

表1-5钢渣沥青混凝土路用性实验结果
钢渣在铁路和公路路基、工程回填、修筑堤坝、填海造地等工程中使用，国内外己有相当广泛的实践，欧美各国钢渣约有60 %用于道路工程。

作为2008 年奥运会三大主要比赛场馆之一的北京国家体育馆在工程施工过程中就大量使用了钢渣作为回填材料。

经过加工处理后的钢渣按照试验配比与少量水泥及其它辅料配制而成，其密度、含水率、放射性等各项技术指标均符合国家规范要求。

国家体育馆建设工程使用大量钢渣作为回填材料的施工经验，为钢渣作为回填材料进行地基处理提供了宝贵的经验[2]。

（6）在农业生产的应用
转炉钢渣中含有大量的有益于植物生长的元素如Ca、Si、Mg、P等，适合用于生产农业肥料的。

在国外，利用转炉钢渣作为农业肥料的国家很多。

其主要用于生产各种肥料[30-31]、土壤改良剂等。

最常见的钢渣肥料是磷肥，当采用中高磷铁水炼钢时，在不加萤石造渣条件下所得到的转炉钢渣可以用于制备钢渣磷肥。

采用钢铁渣作为改良剂，由于其中含有一定量的可溶性的镁和磷，因而可以取得比施用石灰来进行改良酸性土壤更好的效果[32-33]。

与其他综合利用技术相比，钢渣农业应用研究有以下特点：
（l）试验周期长，如果缺乏连续性，则无法得出科学的结论；
（2）如果钢渣在农业上应用成本太高，农民用不起，结果将造成其利用率低。

因此，应当尽量提高产品的附加值，降低钢渣的农业应用成本。

（7）在环境工程方面的应用
钢渣再粉碎后具有较大的比表面积，并含有与盐酸亲和力较强的Ca和Fe，对废水中的酸有吸附和化学沉淀作用。

郑礼胜等[34]进行了用钢渣处理含As废水
的研究，使As的去除率达98%以上。

王士龙等人[35]进行了用钢渣处理含锌Ni 废水的研究，使Ni去除率在99 %以上，处理效果非常理想。

钢渣还可用于处理含磷、含铬废水及含其他重金属废水。

钢渣基于其各种特性和与其他各产业的联系，其利用价值在很多领域都得以体现，除了上述提及的常见的利用方式以外，钢渣还在陶瓷等其他材料制品、吸附剂等的制造上发挥作用。

虽然目前国内的钢渣再资源化依然处于起步阶段，但相信随着生产水平的不断提高，以及国民对资源利用的关注，我国的钢渣处理也会更进一步，达到世界先进水平，使得钢渣不再是钢铁生产的废弃物，而成为可以利用的有价值的副产品。

实现“变废为宝”。

矿渣微晶玻璃自上世纪60 年代问世以来，在许多国家得到了迅速发展，形成了规模化生产。

程金树等[36]研究了以还原性钢渣为主要原料，添加其他辅助材料，利用表面成核析晶的烧结法研制出了色泽美观、花纹清晰的微晶玻璃花岗岩。

张元志[37]利用钢渣、粉煤灰研制微晶玻璃，利用率达到75 % ，性能良好。

2.国内外钢渣利用状况
科技的飞速发展带来的是世界各国严重的资源不足和能源缺乏。

随着工业化的快速增长，全球可利用的土地面临巨大压力，不仅对住房和工业的使用如此，同时工业和采矿工艺产生的大量废弃物需要足够的土地来堆积掩埋。

废弃物的问题已经达到一个阶段，其存放所占用的土地以远远超过其工业生产所用。

然而，这些废弃物也是空气、水等污染的主要来源[38]。

表2-6为各主要产钢国家的钢渣利用情况[38]。

目前的钢铁生产中，每生产1 t粗钢都会排放约130 kg的钢渣、40 kg含铁粉渣及其它废料。

全世界每年排放钢渣量约1—1.5亿t。

国际上很多国家在钢渣处理上起步很早，有的通过制定相关的法律来严格对钢渣的处理进行监督和管理，取得了很大的成果。

联合国（CEE）组织对美、日、俄、德、法等20多个国家的钢渣利用情况作了调查。

统计表明，这20多个国家的钢渣50 %左右用于道路工程，其中德国、日本和美国将钢渣用于烧结、炼铁、化铁炉及水泥生产的比例分别为31 %、25 %及50 %[38]。

表1-6主要产钢国家钢渣利用情况单位：万t
日本钢渣处理与利用得到政府和地方政府及学术的技术援助，从而渣的综合利用取得积极的进展。

其在1985年，转炉炼钢渣利用率在81 %，主要用于填海和土建工程，其中20 %在钢铁厂内循环使用。

日本许多钢厂都是用蒸汽陈化方式处理钢渣。

处理后的钢渣作上层路基材料，这种材料的配比为75 %转炉炼钢渣、20 %高炉缓冷渣、5 %高炉水渣[39]。

1992年住友金属公司高炉、烧结生产利用钢渣量达其公司钢渣产量的21 %。

Kardemir公司将转炉炼钢渣用于高炉添加料、转炉添加料以及烧结料使用，得到了很好的效果[40-41]。

经过日本钢铁联盟渣资源化委员会的努力，至1996年底，日本的钢渣有效利用率己达95 %[38]。

近些年日本更是将钢渣再资源化利用作为重点，如表2-7所列。

由于高碱度钢渣中含有大量和水泥相类似的C3S、C2S 及铁铝酸盐等活性矿物，具有水硬胶凝性，把它与一定量的高炉水渣、烧石膏、煅水泥熟料及少量激发剂配合球磨，可生产钢渣矿渣水泥[42-43]。

此外，目前日本在钢渣热熔剂中添加了一种添加剂，基本上解决了钢渣膨胀问题。

经过处理的钢渣作为筑路材料、水泥原料、混凝土骨料等建筑材料和符合JIS（日本工业规范）标准的各种工业产品。

其研究使用钢渣生产铁酸盐水泥，主要性能和硅酸盐水泥一样[44]。

在欧洲，每年约产生1200万吨钢渣，在过去30年的调查中发现，有65 %的钢渣在不同领域得到了利用，但仍有35 %未得到处理[45]。

德国、芬兰等国在
钢渣的综合利用及工艺技术、设备开发上取得了可喜的成果。

据报道，德国钢渣利用率达95 %以上，德国的钢渣开发部门认为，钢渣作为铺路材料有很好的工程特性，承载力大、坚固性好、耐冰冻体积稳定性强、耐磨性好、耐浪花拍打和潮流的冲击，尤其是混合炉渣（钢渣、高炉渣和高炉水渣）铺路，其承载力比普通材料铺路更高，这样，沥青层的厚度也可以减少2 cm巩降低造价。

1998年浦项钢铁公司年产钢渣量为150万t，其中25 ％厂内循环利用，37 ％填埋，38 ％外售。

浦项钢渣分为转炉炼钢渣、脱硫渣和钢包渣。

三类钢渣经过破碎和磁性分离后，分成磁性渣和非磁性渣，非磁性渣含有许多钙和硅，可代替生产烧结矿用的石灰石和蛇纹石，使烧结床透气性改善。

此外，美国钢渣有效利用率超过98 %，其中烧结和高炉再利用率超过56 %，筑路用量达38 %；瑞典利用向熔融钢渣中加入碳、硅和铝质材料，达到回收金属的目的，并将钢渣用于水泥生产；加拿大多法斯科公司把处理过的钢渣用于道路建设，其中建筑材料利用量达35.1 % [38]。

我国对钢渣的利用起步较晚，20世纪后期对钢渣的综合利用研究的积极性大才提高，但技术发展不够平衡，较国外发达国家还有不小差距。

2000年我国粗钢产量为1.26亿吨，2008年已达到5.4亿吨，而炼钢生产中，每生产1吨钢要排出约0.12 t钢渣[46]，这就意味着我国将有大量的钢渣亟待解决。

目前国内积存钢渣已有上亿吨以上，且每年仍以数百万吨的排渣量递增，据统计，目前我国钢铁渣的综合利用率仅为50 %，而我国钢渣的综合利用率仅为10 %，其主要原因是钢渣的处理工艺和设备落后，致使钢渣的体积稳定性不良，达不到应用领域的要求，钢渣质硬、块大、不易破碎，目前钢渣综合利用率低，利用较难。

如果堆放这些废渣将造成环境污染，而且因新建或扩建渣场需要大量征地和投资，给社会和企业均带来很大负担[47]。

作为钢铁生产过程及其资源综合利用中需要处理的一种重要的大量固体废弃物，钢渣的最佳出路就是在钢铁生产环节中循环利用，将钢渣用做烧结配料生产技术是国家“十五”冶金环保重点推广及开发技术，钢渣的综合利用是钢铁企业的重要课题，而综合回收钢渣中的金属以及合理利用剩余尾渣是钢渣综合利用的关键点[48]。

为此国家制定了很多相关的政策，鼓励钢铁企业积极对钢渣进行再资源化的研究。