钢渣处理及资源化综合利用工艺_郭秀键

0概述
钢渣是炼钢产生的副产物，约为钢产量的9%～
12%。

炼钢根据产钢流程，分转炉流程和电炉流程,转炉流程产生的渣有脱硫渣、转炉钢渣、注余渣等；电炉流程产生的钢渣有电炉渣、注余渣等。

炼钢不同工序产生的渣量也不同，脱硫渣12～15kg/t(铁水)，转炉渣100～110kg/t(钢)，电炉渣120～150kg/t(钢)，注余渣25～30kg/t(钢)。

2010年全球粗钢产量达到14.14亿吨,亚洲粗钢产量为8.11亿吨,其中,中国以6.267亿吨位居全球第一位,占全球钢产量的44.3%。

全球粗钢以转炉钢为主,产量约占2/3,中国约有90%为转炉钢，年产生的钢渣量超过0.63亿吨。

目前钢渣
利用率较低，研究钢渣的资源化综合利用十分必要。

1影响钢渣利用的因素
炼钢过程中为了脱硫、脱磷、脱碳需要,加入的
造渣材料(石灰等)与酸性氧化物反应生成的矿物形成钢渣。

在钢渣产生及处理过程中，有如下因素影响其资源化综合利用。

１．１成分
炼钢是一个间断性的生产工艺，每炉钢冶炼工况都有所差异，同一炉冶炼过程不同时段排出渣的成分有所区别，不同炉或不同工序产出的渣混装在一起,也会导致钢渣成分不稳定,增加下游用户的使用难度。

钢渣成分的稳定要从冶炼及出渣制度、处置方
钢渣处理及资源化综合利用工艺
郭秀键
（中冶赛迪集团公司，重庆市400013）
〔摘
要〕通过对影响钢渣利用的成分、安定性及活性因素的分析,提出了对应的解决措施;通过对钢渣冷
却工艺和利用途径的对比分析,提出采用余热自解工艺冷却钢渣,充分选铁并回收含铁物料及部分可做熔剂的钢渣;尾渣控制合理的粒度,采用不同的深加工工艺,生产钢渣微粉、砌块等建材产品或直接作筑路、回填料,以实现钢渣的资源化综合利用,达到钢渣的“零排放”的目标。

〔关键词〕钢渣；安定性；活性；改质；余热自解；微粉；综合利用
中图分类号：X757
文献标识码：B
文章编号:1004-4345(2012)06-0017-03
Steel Slag Treatment and Resource Comprehensive Utilization Process
GUO Xiu-jian
(CISDI Group Co.,Ltd.,Chongqing,400013,China)
Abstract
The corresponding solutions are introduced by analyzing composition,stability and activity that is affected by
utilization of steel slag;process of waste heat self-dissolution adopted for steel slag cooling is presented by comparing and analyzing the processes of steel slag cooling and utilization approaches,iron will be selected adequately,materials containing iron and steel slag that may be acted as flux will be recovered;and particle of slag tails will be controlled reasonably.The different deep processing processes will be adopted to produce building materials(such as steel slag fine powder and building blocks),or steel slag may be regarded as materials for paving and filling,resource comprehensive utilization and "zero discharge"purpose of steel slag can be achieved.
Keywords steel slag;stability;activity;property changing;waste heat self-dissolution;fine powder;comprehensive utilization
收稿日期：2012-07-05
作者简介：郭秀键(1978—),男,工程师,主要从事固体废物处理与资源化。

有色冶金设计与研究
第33卷2012年第6期
12月
式等方面予以保证。

因此,保持钢渣成分稳定,主要依靠合理的出渣制度和处置方式。

１．２安定性
钢渣含游离氧化钙(f-CaO)、游离氧化镁(MgO)、硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)等,这些组分在一定条件下都具有不稳定性。

在冶炼过程中，一些游离态的CaO和MgO被某些矿物包裹,造成f-CaO数量增加,且其中固溶了一定浓度的FeO，成为死烧石灰块；在钢渣冷却过程中,C3S会在1250℃到1100℃时缓慢分解为C2S和f-CaO,C2S在675℃时β-C2S要相变为γ-C2S，伴随体积膨胀。

游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO)遇水膨胀,尤其f-MgO常温下,在建材制品中完全消解的时间可长达20年之久,因此,含f-CaO、f-MgO的常温钢渣是不稳定的，只有f-CaO、f-MgO消解完或含量很少时,才会稳定。

C21250~1100℃C2S+f-CaO
C2S670℃-C2S+γ-C2S体积膨胀10％
f-CaO+H2O Ca（OH）2体积膨胀98％
f-MgO+H2O Mg（OH）2体积膨胀148％
在上述几种导致钢渣遇水膨胀的物质中,f-CaO 占主导地位,它会导致道路、建材制品或建筑物的开裂而破坏,因此钢渣作建材、道路或工程回填料必须进行稳定化处理。

提高钢渣安定性的措施：1)在熔融状态下加入安定性改质剂,消除f-CaO所造成的不稳定性；2)常压或高压余热自解,降低含f-CaO含量；3)堆场堆存(6个月以上)并定期淋水加速消解；4)与其它材料掺合使用,消除其膨胀带来的影响。

１．３碱度与活性
钢渣主要由CaO、SiO2、Al2O3、F2O3、MgO及少量MnO、FeO、P2O5、金属Fe组成,是一种由多种矿物组成的固熔体,所含的C3S、C2S等为活性矿物,具有水硬胶凝性。

钢渣的化学组成与硅酸盐水泥熟料很相似,但硅、钙含量低[1]。

钢渣的碱度[2]表示为：M=W（CaO）
W（SiO2）+w（P2O5）M<1.8称为低碱度钢渣，1.8≤M≤2.5称为中碱度钢渣，M>2.5称为高碱度钢渣。

当钢渣中碱度M> 1.8时,含有60%～80%的C3S和C2S,具有一定的胶凝性能[3],并且随碱度M的提高,C3S含量也增加,当碱度M达到2.5以上时，钢渣的主要矿物为C3S。

钢渣用作胶凝材料时,要求C3S要尽可能高。

在钢渣的冷却过程中,喷水有助于f-CaO的消解,同时体积膨胀使渣块迅速破裂或粉化,达到粒化和稳定的双重效果。

但用作胶凝材料时,喷水会使钢渣预水化,降低钢渣的水硬活性，尤其是早期活性[4]。

2钢渣冷却方式
钢渣按形态可分为水淬粒状钢渣、块状钢渣和粉状钢渣，形态的差异是因钢渣冷却处理所采用方式不同所致。

钢渣的冷却方式及对比见表1。

有色冶金设计与研究第33卷
表１钢渣冷却方式对比
序号冷却方式原理优点缺点
1热闷法
利用钢渣热能，洒水产生物理力学作用和
f-CaO的水解作用使之碎化,产生的蒸汽深度
消解f-CaO
适合各种热态渣;钢渣活性较高、安定性
较好;蒸汽有组织排放或集中收集
处理周期长,占地面积较大
2热泼法
热态渣泼在池中，洒水使之因温度应力而
碎裂,f-CaO的水解作用使之进一步裂解
排渣速度快,冷却时间短、便于机械化生
产,钢渣活性较高
蒸汽无组织排放；钢渣安定性
较差
5滚筒法
液态钢渣在高速旋转的滚筒内，以水作冷却
介质,急冷固化、破碎
排渣快、占地少,渣粒性能较稳定只能处理液态渣;钢渣活性较差
6风淬法
压缩空气高速切割熔渣,使之急冷、改质、
粒化
排渣快,占地少;粒度均匀(<5mm)且光滑;
可回收余热;活性较高
只能处理液态渣；钢渣安定性
较差
7粒化轮法
熔渣落到高速旋转的粒化轮上破碎粒化,
同时喷水冷却
排渣快,蒸汽有组织排放或收集
只能处理液态渣;设备磨损严重;
钢渣活性较差
3盘泼法
熔渣倒在渣盘中，表面凝固后喷淋大量水
急冷,后翻入水池中继续冷却
快速冷却、处理量大适合处理液态渣;钢渣活性较差
4水淬法
熔渣被压力水分割、击碎而粒化,急冷收缩
产生应力集中而破裂
排渣快、占地少,处理后钢渣粒度小
(～5mm左右)
只能处理液渣;钢渣活性较差
热泼法因投资低、操作简单、生产率高,目前在
钢渣冷却方式中占主要地位。

随着钢渣的综合利用对其稳定性及活性等性能指标要求越来越高,以热闷法为代表的余热自解工艺逐步受到关注，发展较快。

3钢渣综合利用工艺
钢渣的产生量大,不及时处理会占用大量土地,
18··
也会带来环境污染。

钢渣的资源化综合利用，并不能
依靠单一的处理工序、
单一的处理工艺来解决,需要结合钢渣特性,自钢渣产生开始,采取合理的措施,逐
步、
深入地做到钢渣的综合利用,以实现钢渣“零排放”的目标。

钢渣深度处理及资源化综合利用流程，见图1。

３．１钢渣改质处理工艺
将以SiO 2为主要成分,包含Al 2O 3、CaO 、MgO 等调节成分的钢渣安定性改质剂加入熔融钢渣中,SiO 2、Fe 2O 3与f-CaO 生成硅酸钙或铁酸钙,消除其不稳定性,增加了耐磨水泥矿物的含量,可以扩大钢渣的安全使用范围[5]。

钢渣改质过程中根据需要可能要喷入氧气,但应控制其中金属铁的氧化,否则,会降低金属铁回收率。

３．２钢渣余热自解工艺
钢渣的主要利用途径是建材行业，其中以生产胶凝材料为主,因此,钢渣在预处理即冷却过程中应尽可能消除不稳定因素，提高钢渣后续使用的安定性。

钢渣余热自解的原理是:高温钢渣淋水后产生的温度应力使钢渣破碎，后期在蒸汽环境中f-CaO 、f-MgO 继续吸水消解，产生的体积膨胀应力使钢渣在冷却过程中龟裂、粉化,从而减少f-CaO 、f-MgO 残余量,降低钢渣粒度。

钢渣余热自解分常压余热自解和高压余热自解，以热闷法为代表的常压余热自解技术是具有发展前景的钢渣冷却工艺。

钢渣余热自解工艺要达到理想的指标，要采用合理的喷水制度,控制好渣水比、处理时间等关键参数。

３．３钢渣初级分选及回收工艺
钢渣冷却后,粒度不均匀,仍有部分大块渣,且其中含有15%～17%的金属铁。

为了充分回收铁资源，也便于钢渣后续利用，需将其进行破碎并磁选回收金属铁。

根据不同破碎原理，钢渣初加工可分为机械
破碎和自磨破碎两种工艺。

目前大部分钢厂采用1～3级机械破碎和磁选方式,破碎的粒度越细,金属铁回
收率就越高。

将钢渣破碎到100～300mm ，可从中回
收6.4％的金属铁,破碎到80～100mm,可回收7.6％的金属铁，破碎到25～75mm 回收的金属铁量12%
～15%[6]。

磁选得到的＞10mm 废钢及渣钢送炼钢用，＜10mm 的磁选粉送烧结用，部分含P 、S 等杂质低、
CaO 较高的钢渣,可送烧结、
炼铁或炼钢做熔剂用。

钢渣经简单整粒处理后,可用作筑路或工程回填料。

３．４钢渣微粉工艺
钢渣微粉工艺是采用磨机将钢渣研磨成细粉,属于机械激发钢渣活性的处理方式，同时还能提高磨细钢渣粉在混凝土中应用的物理作用。

钢渣是经过高温熔融的产物，冷却后形成C 2S 、C 3S 等岩相结构，与普通硅酸盐水泥熟料岩相结构相近。

钢渣微粉比表面积控制在400～500m 2/kg 较为合理,比表面积低
于400m 2/kg,活性得不到充分激发,当钢渣的比表面
积超过500m 2/kg 时,强度并无明显增长,且继续提高钢渣比表面积的难度增大，所耗费的能量随之增大,经济性不好[7]。

钢渣微粉与矿渣微粉、石膏粉及
其他掺合料混合成钢渣胶凝材，具有耐磨、水化热量小、耐盐酸腐蚀、价格低廉的特点，可作为道路用
水泥、
制品用水泥等。

３．５废杂钢渣砌块工艺
在钢渣产出及后续处理过程中,会产生一些废杂渣,与常规钢渣在成分和性能上会有所区别,不宜一起处理。

这部分杂渣可以单独收集,性能稳定后,与
水泥、
水等按配比进行配料、搅拌,拌合料被送入成型机,根据产品类别设定成型参数,高压振动成型。

生坯送晾晒场初步自然养护或经湿热养护窑养护后,再码垛送至堆场继续养护。

该工艺可生产多品种多规格的砌块,如彩色地砖、园林挡土块、水工产品、多孔砖等。

4结语
总而言之,钢渣的综合利用有如下几点：1)首先在工厂内充分回收金属,并提高回烧结、炼铁或炼钢工序做熔剂的利用比例,其次是厂外利用。

2)影响钢尾渣综合利用的因素有成分、安定性及活性。

3)钢渣钙质处理工艺可利用钢渣显热，在钢渣产出的源头解决钢渣安定性问题，尚处于试验阶段;钢渣余热自解工艺适应性强,可在保持钢渣活性基础上,提高其安定性,有利于钢渣的后续综合利用,具有较好的推
（下转第22页）
钢渣处理及资源化综合利用工艺
第6
期19··
广前景。

4)钢尾渣综合利用的主要途径是生产建材产品，余热自解后的钢渣，充分选铁后,采用钢渣微粉工艺、砌块工艺等多种工艺组合,生产具有各种特色的建材产品,以达到钢渣充分利用的目的。

5)钢渣的资源化综合利用，除采用合理的钢渣处理工艺外,还需与钢渣的产生过程、产品用途相结合。

此外,钢渣的资源化综合利用还需要政策的支持,通过政策鼓励、减免税收等,提高钢铁企业或其下游企业钢渣资源化综合利用的动力。

参考文献
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Iron and steel institute,1994(11):69-80.
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ash composite Portland cement [J].Cement and Concrete Research,1999:983-987.
[4]侯新凯,李虎森,房晓虹.钢渣的冷却和处理方式对水硬活性的影
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[5]徐国涛,王悦,张洪雷.钢渣安定性处理技术与工艺的探讨[J].钢
铁研究,2009,37(2):54-56.
[6]舒型武.钢渣特性及其综合利用技术[J].有色冶金设计与研究,
2007,28(5):31-34.
[7]李永鑫.含钢渣粉掺合料的水泥混凝土组成结构及性能研究[D].
北京:中国建筑材料科学研究院,2003.
２．３电热蒸馏炉工艺产污节点
电热蒸馏炉工艺生产过程产污节点包括电热蒸馏、吸附、筛分和洗涤等7个工序段,其中废气主要
来源于废汞触媒原料库、
筛分、高锰酸钾洗涤等3个工序段，废水主要来源于碱液洗涤塔和高锰酸钾洗涤池，固体废物主要来源于电热蒸馏炉、活性炭吸附、碱液洗涤、四级活性炭吸附和高锰酸钾洗涤等5个工序段。

工艺产污节点具体见表4。

２．４对比分析
燃气、燃煤和电热蒸馏炉工艺产污节点数相差不大,主要集中于蒸馏、冷凝(或冷却)和吸附等工序。

但从整个工艺流程对比分析，电热蒸馏工艺未设预处理和干燥工序，在一定程度上影响了蒸馏炉的蒸馏效率,这在实际生产过程中也得到了验证。

另外,燃煤和电热蒸馏工艺相对燃气蒸馏炉工艺，出现多处洗涤工序,从而增加了用水量。

燃气蒸馏工艺预处理工序
段产生的废碱液和冷凝工序段产生的汞炱均可做到
循环利用,废水处理产生的污泥亦可返回蒸馏炉。

3结论
综上所述，国内再生汞企业采用的冶炼炉型主要为燃气蒸馏炉、电热蒸馏炉和燃煤蒸馏炉等3种,其中采用燃气节能蒸馏炉的企业规模占整个再生汞行业的85%。

通过对3种冶炼炉工艺产污节点的分析，对国内再生汞企业冶炼工艺中各工序污染物产生情况有了大致的了解，燃气蒸馏炉相对燃煤和电热蒸馏炉在蒸馏效率和污染控制等方面均有较大优势。

实践证明，再生汞冶炼企业生产废水均可实现零排放，主要污染类别为废气与固体废物,企业在日常生产中,应加强含汞废气的监测与治理,对含汞固体废物经鉴别后妥善处置。

参考文献
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[3]曾华星,胡奔流,张银玲.我国含汞废物的再生利用[J].有色冶金设
计与研究,2012,33(3):36-37.
表４电热蒸馏炉工艺产污节点
节点位置污染源主要污染物洗涤渣Hg
废汞触媒原料库(N1)含尘废气颗粒物、Hg 更换的洗涤废液高锰酸钾
高锰酸钾洗涤池(N7)尾气微量Hg
四级活性炭吸附(N6)废活性炭Hg
洗涤渣Hg
碱液洗涤塔(N5)
更换的洗涤废液OH -、悬浮物、Hg
筛分(N4)含尘废气颗粒物
活性炭吸附(N3)废活性炭Hg
电热蒸馏炉(N2)去汞废渣重金属元素
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