转炉渣的性能及其应用

转炉渣的性能及其应用

【摘要】综述了转炉钢渣的性能和所采取的主要处理方法及国内外研究现状。阐述转炉钢渣的结构理论、性能及相关的应用情况，为转炉钢渣的研究和应用提供较全面的理论和工艺参考。

【关键词】转炉钢渣性能应用

转炉渣是转炉炼钢生产的副产品，它浓聚了炉料被氧化后所形成的氧物及硫化物，主要包括被侵蚀的炉衬及炉衬材料；金属炉料带入的杂质，如泥沙等；为调整钢渣性质所加入的造渣材料及助熔剂，如石灰石、铁矿石、萤石等[1]。在炼钢工艺中，每吨钢产生的转炉渣为80~120kg，转炉钢渣作为冶金工业的主要废弃物，每年排放量非常大。

一般来说，钢渣可利用的资源包括液渣显热、单质铁和尾渣矿物。现有的熔融渣处理工艺中钢渣冷却过程主要以水冷为主，产生的蒸汽量大、压力低、品质低，难以将产生的蒸汽加以利用，因此现有的各种钢渣处理工艺都没能实现液渣显热的回收利用，主要是考虑单质铁和尾渣矿物的综合利用。

1.国内外研究概况

目前，国内外大部分钢铁企业都是将热态钢渣进行各种不同的冷却处理后进行破碎-筛分-磁选加工，提取其中的金属后再加以利用。

上世纪初期，国外开始研究钢渣的利用价值，至今一些主要钢铁生产国冶金渣基本上已经实现了全部利用，如美国冶金渣利用率已经超过了98%，德国和日本95%以上，而我国同国外钢铁工业发达国家相比，在钢渣综合利用方面还存在较大差距。据相关文献资料报道，目前我国钢渣利用率仅36%，随着近年来国内钢铁产量的大幅度增加，钢渣综合利用率呈相对下降趋势[3]。

2.转炉渣的处理工艺

由于炼钢造渣制度、钢渣物化性能的多样性及其利用上的多种途径，决定了钢渣处理工艺上的多样化。各种钢渣处理方式比较如表1所示。

表1 各种钢渣处理方式的性能对比

综合来说，国内外应用的钢渣处理工艺主要以热泼和热焖为主，热泼法不受钢渣流动性限制，热焖法工艺简单，易于实现。

3.转炉渣的结构理论、性能及其应用

3.1熔渣的结构理论

高温熔体的结构十分复杂，由于现在还受到研究方法和实验手段的限制，所以至今难由实验直接确定液态渣的结构，从经验和理论方面提出了两种主要的理论：分子结构假说和离子结构理论。

（1）分子结构假说

分子结构假说是关于熔渣结构的最早理论，它把熔渣看成是各种分子状质点组成的理想溶液。这些分子有的是自由氧化物，如CaO、MgO、FeO、MnO、SiO2、Al2O3、FeS等；有的是复合氧化物，如2CaO·SiO2、CaO·SiO2、2FeO·SiO2、3CaO·P2O5等。分子假说认为，只有自由氧化物才有化学反应能力，参加化学反应。但是，这种表示法并不意味着熔渣是由各种分子组成，而仅表明该种组分在熔渣内组成元素间的质量关系。

（2）离子结构理论

离子结构理论是Herasymenko在1938年首先提出的。离子理论认为，熔渣是由带电质点（原子或原子团），即离子所组成，但并不否定其内有氧化物或复合化合物的出现，可是它们不是分子，而是带电荷的离子群聚团。组成熔渣的基本离子是简单离子：Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、O2-、S2-等和两个以上原子或简

单离子结合而成的复合阴离子或称络离子：

-

4

4

SiO、-1

2

FeO、-3

4

PO等[1]。

3.2转炉渣性能

（1）物理性能

一般比重为3.2~3.6，堆比重为1.77~2.12，含水0.2~2%，抗压强度1690~3000公斤/厘米3，冲压强度约15次；熔点1320℃。钢渣通常含水在3%~8%，容重1.32~2.26t/m3，抗压强度在1150kg/cm3左右[4]。转炉熔渣具有很高的温度（1450～1650℃)，属于高品位的余热资源，钢渣热焓约为1670MJ/t渣，相变潜热209kJ/kg，具有很高的回收价值。

（2）化学成分

随着钢品种、原料、冶炼工艺及堆放期限的不同，钢渣的化学成分波动较大[3~6]。转炉钢渣的化学组成一般如表2所示，有的钢渣还含有V2O5、TiO2等。此外，冶炼不同钢种、转炉炼钢的不同冶炼阶段的钢渣化学成分也不同，分别见表3、表4。

表2 转炉钢渣化学组成

表3 转炉冶炼不同钢种时炉渣的化学成分

表4 转炉不同冶炼阶段的钢渣化学成分

（3）矿物组成转炉钢渣的矿物组成，在碱度较高(CaO/SiO2>3)的钢渣中，以硅酸三钙(C3S)为主，其次是硅酸二钙(C2S)，RO相、铁酸二钙(C2F)、游离石灰(fCaO)等。在碱度较低(CaO/SiO2=1.5~3)的渣中，以硅酸二钙为主，其次是RO相、铁酸二钙、硅酸三钙、游离石灰等。图1~6为某厂转炉块渣与风淬渣矿相结构比较[2]。

图1 块渣中的金属铁（×200）

图2 块渣中的磷酸钙（×200）

图3 块渣中的硅酸二钙（×200）

图4 风淬渣中的金属铁（×200）

图5 风淬渣中的硅酸二钙（×200）

图6 风淬渣中的铁酸钙（×200）

在转炉块渣试样中，从图1、图2可以看到较多的银白色亮斑，呈三角形、四边形，这说明块渣中的金属铁较多。图2中有较多的板条状、针状灰白色矿物，这是磷酸钙或铁酸钙。图3中有一些灰黑色的硅酸二钙。

在风淬渣试样中，除了含有与块渣相同的矿物外，还可以看到图4中银白色亮斑明显减少，这是因为渣在风淬过程中金属铁被氧化，使得风淬渣中金属铁含量明显减少。图5中有较多的长条状灰黑色矿物，这是柱状的硅酸二钙；图6中有较多的灰白色包边结构，旁边的灰白色为铁酸镁，中间的黑色矿物为氧化镁。

（4）钢渣的特性钢渣的特性包括粉化性和水硬胶凝性[4]。

转炉渣的粉化主要是由于f-CaO(固溶体CaO)水化所引起的。一般采用存放的方法，将钢渣堆放半年至一年以上，使游离石灰自然消解，也有采用蒸汽处理或热闷处理加速游离石灰消解的办法。

转炉钢渣的水硬胶凝性。转炉钢渣含有C2S、C3S等水硬性矿物，其中C3S具有较高的早期与后期强度，C2S早期强度较低，但后期强度较高。

3.3 转炉渣的应用

目前转炉渣的应用主要包括从钢渣中提取出来的含渣废钢的应用和提取废钢后钢渣的综合应用[3~6]。尾渣中的f-CaO是影响钢渣利用的重要因素，直接关系到钢渣利用的稳定性。

（1）用作冶炼熔剂

1）作为烧结熔剂。钢渣含有丰富的CaO、FeO、SiO2、MgO和MnO等，配入烧结，可以节约不少熔剂材料和铁矿、锰矿以及焦碳。

2）作为高炉熔剂。太钢曾利用钢渣作高炉熔剂，实现了钢渣循环利用。

3）回收废钢铁。钢渣中含有相当数量的铁，平均含量约为25%左右，其中金属铁约占10%左右。选出废钢后的钢渣还可以利用，能创造更高的经济效益。

4）返回炼钢作为熔剂。转炉渣碱度高，硫、磷含量处于未饱和状态，具有较强的脱硫、脱磷能力，又由于它是经过重熔的，熔化温度较低，所以将这种渣代替石灰石等熔剂，加入炼钢炉后，吸热少、熔化快，能很好地促进炉内料成渣。

5）用钢渣代替化铁炉熔剂。在化铁过程中用钢渣代替熔剂，使铁水和炉渣温度提高20~400℃，炉况顺行，使渣带铁损失减少50%，还能回收钢渣中2%~8%的铁粒，铁水中硫含量降低15%~20%。

6）钢渣粉作为流态砂硬化剂。用钢渣粉作硬化剂制成的砂型符合生产要求，并能生产大型和精密铸件，消除了铸件的“缩沉”现象，钢渣成本只有一般硬化剂的1/3。

7）细钢渣作为铸造砂。经过风碎粒度小于0.5mm的钢渣可代替铸造砂使用。这种砂具有流动性好、填充率高、可减少粘结剂以及不同硬化剂等特点。

（2）用于筑路和建筑材料

1）生产水泥。由于钢渣中含有硅酸三钙、硅酸三钙、铁铝酸盐等活性矿物，具有水硬胶凝性，因而可用于生产水泥。

2）碎石和细骨料。钢渣的材料性能好、强度高、级配好，用钢渣代替碎石和细骨料，在国内外的铁路、公路路基、填海等工程中均有了广泛的实践。

3）由于钢渣的耐磨性好，所以被广泛应用于道路工程，尤其是用于沥青混凝土路面。

（3）用于农业生产

由于钢渣中含有较多的五氧化二磷及某些对农作物有利的微量元素，所以可用来生产磷肥。用钢渣代替蛇蚊石生产钙镁磷肥，可使成本降低50%左右。

4.结束语

综上所述，虽然目前转炉钢渣的回收工艺还不完善，普遍存在液渣显热没有回收利用、耗费大量的水资源与钢渣粒度、活性、稳定性等问题还尚待解决，但转炉钢渣比其它冶金渣具有更重大的研究和实