德国冶金渣及其综合利用情况

Iron and Steel Slags in German and Its Com prehen sive Use
ZHAO Q ing 2lin, ZHOU M ing 2ka i, W E I M ao
( Key Laboratory for Silicate Materials Science and Engineering of M inistry of Education, School of Materials Science and Engineering, W uhan University of Technology, W uhan 430070, China)
如何有效的对工业废渣进行综合利用一直是摆在我国科技工作者面前的一项艰巨任务 。我国在工业废 渣处理方面也取得了不少的成绩和经验 , 但在某些方面还待进一步完善 , 特别是在钢渣的综合利用方面 。 目前德国仅约 10%的钢渣由于质量原因而暂不作循环利用之列而堆弃于堆场 ,另有约 5 %的钢渣可循环利 用但鉴于其它原因暂存放在堆场 。这表明德国在冶金渣处理方面已有充足的经验 。冶金渣的循环利用在德 [ 1 ～7 ] 已形成了系列完善的处理系统 , 并且有相应的已严格贯彻实施的政策法规 。在此希望通过较详细报道 ( ) 德国冶金渣 特别是高炉炉渣和钢渣 的特性及其利用情况 ,从而对我国的冶金渣处理有所启迪和借鉴 。
Abstract: Ger m an has many things about iron and steel slags ( also called slag of iron and steel m etallurgy, including blast furnace slag, steel slag and slags from secondary m etallurgy) treatm ent from which we can learn. This paper, through a thorough investigation and research of the comp rehensive use of iron and steel slags in German in real p ractice, has given a detailed introduction of the m ain categories of iron and steel slags, treat m ent ways, the different p roperties under different techniques, the discharging and comp rehensive use, so as to throw some light on China’s comp rehensive treatm ent of iron and steel slags and the workers in this field, w ith a hope for imp roving iron and steel slags p roperty and a breakthrough and developm ent in its comp rehensive use. Key words: Ger m an; iron and steel slags; comp rehensive use
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第 6期
赵青林等 : 德国冶金渣及其综合利用情况
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却的方式 。通过该法得到的渣可称之为粒化钢渣 。但该法需要投入较高的后期处理费用 ,目前在德国暂还 未大面积推广 ,只在部分钢铁厂试用 (如 ThyssenKrupp Stahl AG) 。采用该法时 ,其化学反应式为 : O2 + 4FeO →2Fe2 O3 +能量 2 f - CaO + Si O2 → 2CaO ・SiO2 2 f - CaO + Fe2 O3 →2CaO ・Fe2 O3 另一类钢渣 ,即电炉钢渣的化学组分也同样与原材料 ,特别是石灰和辅助添加料的选取有关 。通过设定 熔化过程中的适宜工艺参数 ,可赢得具有高体积安定性的钢渣 。和上述的转炉钢渣一样 ,热处理阶段也影响 着电炉渣的结构 、 孔隙率 、 强度及粒径大小 。为了达到应用所需的高体积安定性要求 ,同样可采用露天存放 。 当构筑物所处环境需按水工工程用石来要求时 ,可通过慢冷来获取大颗粒的电炉钢渣 ,该法在德国已获得了 巨大的成功 。 对于铁合金渣及不锈钢渣而言 ,其实质上类似于电炉钢渣 。对该种渣也不可忽视影响体积安定性的游 离氧化钙和氧化镁的含量 。与此相应对于冶金矿质混合料 ,即通过分级和再加工获取的各种冶金渣的混合 物 ,其体积安定性常常仅通过长期的露天存放而得到保障 。
基金项目 : 德意志学术交流中心 (DAAD ) 、 中国留学基金委及武汉理工大学校基金 (No. XJJ2005005) 作者简介 : 赵青林 ( 1972 2) ,女 ,博士 ,副研究员 . 现主要研究方向为水泥混凝土结构材料及道路工程材料 . E 2 mail: zhaoqinglin@163. com
1. 2 钢渣
对于转炉钢渣 ,其化学组成本质上取决于在按 L inz2 Donaw itz法 (即纯氧顶吹法 ) 生产钢过程中所使用的 原材料 , 如生铁 、 石灰和其它添加物 。相应过程条件的选择决定了渣的温度和组成 。 为成功获得水工工程所需的粗粒径 , 可使转炉钢渣在渣床上超慢冷却 , 从而获取到 100 ～500mm 的粒 度 。该法仅有效于高体积安定性的钢渣 ,否则会因游离氧化钙和游离氧化镁而造成的后期缓慢体积膨胀 ,从 而使得通过高费用获取的块状转炉钢渣重新粉化 。 一般情况下 ,为改善转炉钢渣的安定性在德国通常采用自然存放 。若经过主要反应至出渣后渣的安定 性不能达到工程要求控制的游离氧化钙和氧化镁的含量 ,并且不进行露天自然存放的情况下 ,可在出炉与钢 [ 12 ～15 ] 分离后采用一种有针对性的特殊渣处理方法 ,以便达到应用所需的安定性 。该法是将石英砂加入至液 态渣中 。为使添加物均匀分布及充分透彻的混合 ,常采用载体 。当采用氧气做为载体时 ,可在铁及铁化合物 氧化时释放热 ,该热对于添加物的完全熔融具有重要的意义 。随后转炉钢渣的冷却亦采用在渣床上空气冷
1 德国冶金渣的种类
德国冶金渣的主要种类为高炉炉渣 ( hochofenschlacke, 简称 HO 2Schlacke ) , 钢渣 ( stahlw erksschlacke, 简 [ 8, 9 ] 称 S W S)及铁合金渣 ( sekund r m etallurgische schlacke,简称 SEKS)等 。
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综合评述
硅 酸 盐 通 报
第 25 卷
高炉炉渣是在大约 1500 ℃ 下由铁矿及焦炭 、 石灰石或白云石于高炉中反应时在去氧过程中形成的矿物 熔渣 。随 着 时 代 的 发 展 许 多 加 工 方 法 随 之 优 化 。当 今 应 用 较 多 的 有 慢 冷 晶 态 高 炉 块 渣 ( hochofenstü ckschlacke,简称 HOS)和水淬急冷非晶态矿渣 ( hü ttensand,简称 HS) 。 钢渣同样是一种矿物熔渣 , 它于 1650 ℃下在生铁 、 废钢和造渣剂 ( CaO , CaF2 ) 加工成钢的过程中形成 的 ,故由铁的氧化物 ,其他金属氧化物以及用于形成炉渣的生石灰或者煅烧白云石构成 。根据钢的生产方式 不同 ,目前德国钢渣主要为纯氧顶吹转炉钢渣 ( linz2donaw itz2schlacke, 该转炉钢渣是通过林茨 ・ 多纳维茨法 [ 10 ] ) ( 生产钢时得到的 ,约占德国钢渣总量的 75% ,简称 LDS 及电炉钢渣 elektroofenschlacke,约占钢渣总量的 25% ,简称 EOS) 。粒化钢渣 (LDG2granulat,简称 LDG) 是为了降低转炉钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁 的含量 ,通过一种特殊方法处置 LDS后得到的粒状钢渣 。其他类型的钢渣如西门子 ・ 马丁钢渣 ( siemens2 martin 2schlacke,采用西门子 ・ 马丁法生产钢时得到的渣 ) 和托马斯钢渣 ( thom as2schlacke, 采用托马斯法生 产 )等目前在德国早已不再产生 ,因为该类型生产工艺在德国已被淘汰 。但目前在德国还有部分当时未利 用的西门子 2 马丁钢渣堆存于堆场 。 其他类型的冶金渣 ,如为了获取不同质量的钢而在钢的再加工过程中出现的铁合金渣 ( SEKS) ; 高合金 化生产不锈钢过程中产生的不锈钢渣 ( edelstahlschlacke, 简称 EDS) ; 由高炉块渣 、 钢渣及生产钢的其他专 门矿物材料组成的冶金矿物混合料 ( hü ttenm ineralstoffgem isch, 简称 HM G M ) 等亦属于冶金渣的范围 , 但不如 高炉炉渣和钢渣量大 。 1. 1 高炉炉渣 对于高炉炉渣 ,原材料选择是影响炉渣化学组成的主要因素 。相应工艺条件的调整影响着温度 、 相关冶 金反应条件及化学组成 。出炉后可采用种类繁多的途径来进行不同的后期处理 ,目前主要有 : ( 1 ) 液态渣可 在粒化设备中淬冷为粒状 ( 0 ～5mm ) ,即矿渣 。不同工艺条件的选择可影响到玻璃相含量及用于水泥生产 时所需的重要潜在水化活性 。矿渣与波特兰水泥熟料和石膏通过有目的调整相应配合比可生产波特兰矿渣 水泥或者高炉水泥 。同时平行于传统的生产矿渣水泥的方式 ,德国亦采用分开粉磨的方式来生产这种水泥 , 即在该过程中矿渣和波特兰水泥熟料 /石膏被分开粉磨 ,然后再以不同的要求配合比进行均匀混合 。 ( 2 ) 液 态高炉渣可在空气中于渣床上慢冷形成晶态的高炉块渣 。通过倾注成一个薄层可获得具有特定的技术特性 的渣 。这种空气慢冷的高炉块渣的形成和火山岩如玄武岩和花岗岩的形成类似 , 故该渣因此亦被描述为 “ 熔岩 ” 。该气冷高炉炉渣在机械加工设备中加工成合适级配的矿物混合料或者单一级配的粒料 。这种加 工好的气冷高炉炉渣称为高炉块渣 。 ( 3 )在德早期曾通过空气或水蒸汽使液态渣在相应的设备中喷雾成细 的玻璃纤维 (矿渣棉 ) ,再加工成不同类型应用于绝缘材料 。但这种产品思路在德国由于经济的原因早已不 再采用 。在德国亦曾利用过渣冷凝过程中释放出的气体或者有目的在液态渣中导入气体 ,该气体随着与火 山熔岩形成相似的中等冷却速度而进入渣结构中 ,从而该渣有着部分玻璃相部分晶相的大孔隙结构 ,这就是 [ 11 ] 所谓的矿渣浮石 。通过继续加工成集料可用于混凝土中 。但该产品于 1993 年在德国亦已停止生产 。
第 25 卷 第 6 期 硅 酸 盐 通 报 Vol. 25 No. 6 2006 年 12 月 BULLETI N OF THE CH I N ESE CERAM IC SOC IETY December, 2006
德国冶金渣及其综合利用情况
赵青林 , 周明凯 , 魏 茂
(武汉理工大学材料科学与工程学院硅酸盐材料教育部重点实验室 ,武汉 430070)
摘要 : 德国在冶金渣 (亦称为钢铁冶炼炉渣 , 主要包括高炉炉渣 、 钢渣及铁合金渣 ) 处理方面有不少可以借鉴的地 方 。本文通过深入实际对德国冶金渣综合利用情况的调查研究 ,详细报道了德国冶金渣的主要种类 、 处理方式 、 不 同工艺下各冶金渣的特性 、 排放及综合利用情况 , 以期对我国的冶金渣工作者在冶金渣综合治理方面有所启迪 , 并希望我国在冶金渣性能改善及综合利用方面能有新的突破和进展 。 关键词 : 德国 ; 冶金渣 ; 综合利用