鋼渣處理工藝與國內(nèi)外鋼渣利用技術(shù) - 張朝暉-

1、第25卷第7期2013年7月鋼鐵研究學(xué)報J o u r n a l o f I r o n a n d S t e e l R e s e a r c h V o l .25,N o .7J u l y2013作者簡介:張朝暉(1967,男,博士,教授;E -m a i l :305201096q q.c o m ;收稿日期:2013-03-18鋼渣處理工藝與國內(nèi)外鋼渣利用技術(shù)張朝暉,廖杰龍,巨建濤,黨要均(西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院,陜西西安710055摘要:介紹了鋼渣的組成成分,簡述了目前國內(nèi)鋼渣的主要處理工藝,對其中最為主流的熱潑法、滾筒法、熱悶法等鋼渣處理工藝的工作原理及其優(yōu)缺點進行

2、簡要評述。并在介紹鋼渣特性的基礎(chǔ)上,著重綜述了鋼渣在鋼鐵冶煉、建材生產(chǎn)、環(huán)境工程、農(nóng)業(yè)等方面的綜合利用途徑。從鋼渣綜合利用的現(xiàn)狀出發(fā),總結(jié)了制約鋼渣應(yīng)用的問題,提出針對具體問題所需提高的鋼渣再利用技術(shù)與理念,展望了鋼渣利用的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞:鋼渣;燒結(jié)材料;游離氧化鈣;混凝土文獻標志碼:A 文章編號:1001-0963(201307-0001-04T r e a t m e n t P r o c e s s a n d U t i l i z a t i o n T e c h n o l o g y o f S t e e l S l a g i n C h i n a a n d A b

3、 r o a d Z HA N G Z h a o -h u i ,L I A O J i e -l o n g ,J U J i a n -t a o ,D A N G Y a o -ju n (S c h o o l o f M e t a l l u r g i c a l E n g i n e e r i n g ,X i a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ,X i a n 710055,S h a a n x i ,C h i n a A b s t r a c

4、 t :T h e c o m p o s i t i o n o f t h e s t e e l s l a g w a s i n t r o d u c e d ,t h e c u r r e n t d o m e s t i c s t e e l s l a g t r e a t m e n t p r o c e s s w a s a l s o d e s c r i b e d ,a n d t h e w o r k i n g p r i n c i p l e a n d t h e r e l a t i v e m e r i t s o f s t e

5、e l s l a g t r e a t m e n t p r o c e s s ,s u c h a s h e a t o v e r m e t h o d ,r o l l e r m e t h o d a n d h o t s t u f f y m e t h o d ,w e r e r e v i e w e d .T h e c o n s t i t u t i o n o f s l a g w a s i n t r o d u c e d a n d t h e a p -p r o a c h e s t o c o m p r e h e n s i v

6、 e u t i l i z i n g w e r e d e s c r i b e d i n a s p e c t s o f s t e e l s m e l t i n g ,m a n u f a c t u r e o f a r c h i t e c t u r a l m a t e -r i a l s ,e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g a n d a g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n ,e t c .T h e r e s t r i c t i o

7、n o f t h e a p p l i c a t i o n o f s t e e l s l a g w a s s u m m a r i z e d f r o m t h e p r e s e n t s i t u a t i o n o f t h e c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o n o f s t e e l s l a g .T h e s p e c i f i c p r o b l e m s a -b o u t t h e s t e e l s l a g r e u s i n g t e

8、c h n o l o g y a n d c o n c e p t w e r e p r e s e n t ,a n d t h e f u t u r e d e v e l o p m e n t t r e n d o f t h e u s e o f s t e e l s l a g w a s d i s c u s s e d .K e y w o r d s :s t e e l s l a g ;s i n t e r e d m a t e r i a l s ;f r e e l i m e ;c o n c r e t e 鋼渣是冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣,其產(chǎn)生率

9、為粗鋼產(chǎn)量的8%15%,2012年全世界排鋼渣量約1.8億t。中國的鋼渣產(chǎn)生量隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展而迅速遞增,因此,鋼鐵企業(yè)廢渣的處理和資源化利用問題也越來越受到重視。國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃中指出,鋼渣的綜合利用率應(yīng)達86%以上,基本實現(xiàn)“零排放”。然而,中國目前綜合利用的現(xiàn)狀與該規(guī)劃相差甚遠,尤其是素有“劣質(zhì)水泥熟料”之稱的轉(zhuǎn)爐鋼渣的利用率僅為10%20%1。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的鋼渣不能及時處理,致使大量鋼渣占用土地,污染環(huán)境。然而鋼渣并非不可用固體廢棄物,其中含有大量的渣鋼、氧化鈣、鐵以及氧化鎂等可利用組分。所以,為使鋼鐵企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟和環(huán)境效益,選擇合適的處理工藝和利用途徑來開發(fā)鋼渣的再利

10、用價值是十分必要和迫切的2-3。1鋼渣的組成鋼渣的主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣、R O (鎂、鐵、錳的氧化物,即F e O 、M g O 、M n O 形成的固熔體、游離石灰(f -C a O 等。鋼渣的礦物組成不盡相同,其影響因素在于鋼DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.2013.07.008渣本身的化學(xué)成分及堿度。2目前國內(nèi)鋼渣主要處理工藝目前國內(nèi)鋼渣主要處理工藝有:熱潑法、風(fēng)淬法、滾筒法、?；喎ā釔灧?。其中熱潑法、滾筒法、熱悶法最為常用,在此對其工作原理和優(yōu)缺點進行簡單介紹。2.1熱潑法2.1.1渣線熱潑法將

11、鋼渣傾翻,噴水冷卻34天后使鋼渣大部分自解破碎,運至磁選線處理。此工藝的優(yōu)點在于對渣的物理狀態(tài)無特殊要求、操作簡單、處理量大。其缺點為占地面積大、澆水時間長、耗水量大,處理后渣鐵分離不好、回收的渣鋼含鐵品位低、污染環(huán)境、鋼渣穩(wěn)定性不好、不利于尾渣的綜合利用。2.1.2渣跨內(nèi)箱式熱潑法該工藝的翻渣場地為三面砌筑并鑲有鋼坯的儲渣槽,鋼渣罐直接從煉鋼車間吊運至渣跨內(nèi),翻入槽式箱中,然后澆水冷卻。此工藝的優(yōu)點在于占地面積比渣線熱潑小、對渣的物理狀態(tài)無特殊要求、處理量大、操作簡單、建設(shè)費用比熱悶裝置少。其缺點為澆水時間24h以上、耗水量大、污染渣跨和煉鋼作業(yè)區(qū)、廠房內(nèi)蒸汽大、影響作業(yè)安全。鋼渣穩(wěn)定性不好

12、、不利于尾渣綜合利用。2.2滾筒法高溫液態(tài)鋼渣從溜槽流淌下降時,被高壓空氣擊碎,噴至周圍的鋼擋板后落入下面水池中。此工藝的優(yōu)點在于流程短、設(shè)備體積小、占地少、鋼渣穩(wěn)定性好、渣呈顆粒狀、渣鐵分離好、渣中f-C a O含量小于4%(質(zhì)量分數(shù),下同、便于尾渣在建材行業(yè)的應(yīng)用。其缺點為對渣的流動性要求較高、必須是液態(tài)稀渣、渣處理率較低、仍有大量的干渣排放、處理時操作不當易產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。2.3熱悶法待熔渣溫度自然冷卻至300800時,將熱態(tài)鋼渣傾翻至熱悶罐中,蓋上罐蓋密封,待其均熱半小時后對鋼渣進行間歇式噴水。急冷產(chǎn)生的熱應(yīng)力使鋼渣龜裂破碎,同時大量的飽和蒸汽滲入渣中與f-C a O、f-M g O發(fā)生

13、水化反應(yīng)使鋼渣局部體積增大從而令其自解粉化。此工藝的優(yōu)點在于渣平均溫度大于300均適用,處理時間短(1012h,粉化率高(粒徑20m m 以下者達85%,渣鐵分離好,渣性能穩(wěn)定,f-C a O、f-M g O含量小于2%,可用于建材和道路基層材料。其缺點為需要建固定的封閉式內(nèi)嵌鋼坯的熱悶箱及天車廠房、建設(shè)投入大、操作程序要求較嚴格、冬季廠房內(nèi)會產(chǎn)生少量蒸汽4。3轉(zhuǎn)爐鋼渣綜合利用現(xiàn)狀3.1國外鋼渣利用概況3.1.1日本鋼渣綜合利用情況日本目前的鋼渣有效利用率已達到95%以上。轉(zhuǎn)爐渣和電爐渣的利用方向分為外銷、自使用、填埋5。3.1.2德國鋼渣綜合利用情況德國目前的鋼渣有效利用率達98%以上,其主

14、要利用方向為土建、農(nóng)肥以及配入燒結(jié)和高爐進行再利用。目前,德國已將轉(zhuǎn)爐渣用于加固萊茵河港口和謬司河岸。3.1.3其他國家鋼渣綜合利用情況美國目前的鋼渣有效利用率達98%,其主要利用方向(燒結(jié)和高爐再利用、筑路的鋼渣用量占總鋼渣利用量的65%以上。美國的8條主要鐵路均用鋼渣作鐵道渣。美國研究機構(gòu)對氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐渣性能進行研究,開發(fā)出利用鋼渣去除土壤含水層中有機物與無機物的使用途徑6。瑞典通過向熔融鋼渣中加入碳、硅和鋁質(zhì)材料對鋼渣進行成分重構(gòu),在回收渣中渣鋼后將鋼渣用于水泥生產(chǎn)。加拿大將處理后的鋼渣用于道路建設(shè)。阿拉伯地區(qū)利用電弧爐鋼渣(分級作為混凝土摻合料配制出屬性更好的混凝土7。3.2國內(nèi)鋼渣利

15、用概況3.2.1鋼渣用于冶金原料1回收廢鋼鐵鋼渣中含有較大數(shù)量的鐵,平均質(zhì)量分數(shù)約為25%,其中金屬鐵約占10%8。磁選后,可回收各粒級的廢鋼,其中大部分含鐵品位高的鋼渣作為煉鋼、煉鐵原料。2鋼渣用作燒結(jié)材料由于轉(zhuǎn)爐鋼渣中含40%50%的C a O,用其代替部分石灰石作燒結(jié)配料,不僅可回收利用鋼渣中殘鋼、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化錳、稀有元素(V、N b等等,而且可使轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和結(jié)塊率提高并有利于燒結(jié)造球及提高燒結(jié)速度9。鋼渣中F e、·2·鋼鐵研究學(xué)報第25卷F e O在氧化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量可降低燒結(jié)礦燃料消耗10。3鋼渣用作高爐熔劑轉(zhuǎn)爐鋼渣中含有40%50%的C a

16、 O、6% 10%的M g O,將其回收作為高爐助溶劑可代替石灰石、白云石,從而節(jié)省礦石資源。另外,由于石灰石(C a C O3、白云石C a M g(C O32分解為C a O、M g O的過程需耗能,而鋼渣中的C a、M g等均以氧化物形式存在,從而節(jié)省大量熱能10。4鋼渣用作煉鋼返回渣料鋼渣返回轉(zhuǎn)爐冶煉可降低原料消耗,減少總渣量。對于冶煉本身還可促進化渣,縮短冶煉時間。3.2.2鋼渣用于道路工程1鋼渣生產(chǎn)水泥及混凝土摻合料鋼渣中含有具有水硬膠凝性的硅酸三鈣(C3S、硅酸二鈣(C2S及鐵鋁酸鹽等活性礦物,符合水泥特性。因此可以用作生產(chǎn)無熟料水泥、少熟料水泥的原料以及水泥摻合料10。鋼渣水泥

17、具有耐磨、抗折強度高、耐腐蝕、抗凍等優(yōu)良特性。2鋼渣代替碎石和細骨料鋼渣碎石具有強度高、表面粗糙、耐磨和耐久性好、容重大、穩(wěn)定性好、與瀝青結(jié)合牢固等優(yōu)點,相對于普通碎石還具有耐低溫開裂的特性,因而可廣泛用于道路工程回填。鋼渣作為鐵路道渣,具有不干擾鐵路系統(tǒng)電訊工作、導(dǎo)電性好等特點。由于鋼渣具有良好的滲水和排水性,其中的膠凝成分可使其板結(jié)成大塊。鋼渣同樣適于沼澤、海灘筑路造地11-13。3.2.3新型建筑材料工程應(yīng)用1新型混凝土通過磨細加工,使工業(yè)廢渣的活性提高并作為一種混凝土用摻合料進入混凝土的第6組分礦物細摻料14。細磨加工不僅使渣粉顆粒減小,增大其比表面積,使渣粉中的f-C a O進一步水

18、化以提高渣粉穩(wěn)定性,還伴隨著鋼渣晶格結(jié)構(gòu)及表面物化性能變化,使粉磨能量轉(zhuǎn)化為渣粉的內(nèi)能和表面能,提升鋼渣膠凝性。利用鋼渣微粉與高爐礦粉相互間的激發(fā)性,加以適當?shù)募ぐl(fā)劑可配制出高性能的混凝土膠凝材料。同時,根據(jù)不同的使用要求,還可配制出道路混凝土(抗拉強度高,耐磨、抗折、抗?jié)B性好、海工混凝土(良好的滲水、排水性,海洋生物附著率高等系列產(chǎn)品。2碳化鋼渣制建筑材料造成鋼渣穩(wěn)定性不好的主要因素是游離氧化鈣和游離氧化鎂,它們都可以和C O2進行反應(yīng),且鋼渣在富C O2環(huán)境下,會在短時間內(nèi)迅速硬化。利用這種性質(zhì),可利用鋼渣制成鋼渣磚,再次用到不同的建筑中,其重要意義在于碳化養(yǎng)護材料的物理化學(xué)性能得到了重大

19、改進。與此同時,有效控制了C O2的排放,改善溫室效應(yīng)15。3.2.4鋼渣制微晶玻璃花崗巖、微晶玻璃礦渣微晶玻璃自20世紀60年代研發(fā)出來以后,在許多國家形成了規(guī)?；a(chǎn)。程金樹等16以還原性鋼渣為主要原料研制出了外形美觀的微晶玻璃花崗巖。陳惠君等17以粉煤灰和鋼渣為主要原料,研制出以鈣、鐵灰石為主晶相的微晶玻璃。3.2.5鋼渣在環(huán)境工程方面的應(yīng)用鋼渣較高的堿性和較大的比表面積可用于處理廢水。研究表明,鋼渣具有化學(xué)沉淀和吸附作用。在鋼渣處理含鉻廢水研究中,鉻的去除率達到99%18。鋼渣處理含鋅廢水的研究中,鋅的去除率達98%以上,處理后的廢水達到G B897888污水綜合排放標準。鋼渣處理含汞

20、廢水的研究中,汞的去除率達到90.6%。其研究結(jié)果為解決海洋汞污染提供了一種有效途徑19。鋼渣還可用于處理含磷廢水及含其他重金屬廢水。3.2.6鋼渣在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用鋼渣作為堿性渣可以用于酸性土壤中,其中的C a O、M g O可改良土壤土質(zhì)。含磷高的鋼渣也可用于缺磷堿性土壤中并增強農(nóng)作物的抗病蟲害能力。硅是水稻生長需求量最大的元素,S i O2含量高于15%的鋼渣可作硅肥20。3.2.7其他用途鋼渣還可生產(chǎn)免燒磚、鑄造砂、水泥膨脹劑、制流態(tài)砂硬化劑等21-24。4展望雖然鋼渣的應(yīng)用方向廣泛,鋼渣資源化應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)也取得了一定的進展。但總體而言,中國鋼渣的利用率仍然較低,這源于鋼渣應(yīng)用的眾多制約

21、因素。根據(jù)中國目前鋼渣的利用情況,應(yīng)對以下幾個方面進行更為深化的研究:1對鋼渣成分和性能進行深入了解,為鋼渣的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。2加強鋼渣處理技術(shù)的研究,以解決鋼渣內(nèi)所·3·第7期張朝暉等:鋼渣處理工藝與國內(nèi)外鋼渣利用技術(shù)含的游離氧化鈣(f-C a O和氧化鎂(M g O遇水后易膨脹的問題,還有由于鋼渣中的C a、S i、A l三大元素相對偏低,所形成的硅酸鹽總量與水泥熟料相差過大(近45%的問題25。3通過推廣鋼渣作冶煉(燒結(jié)、高爐、煉鋼熔劑的應(yīng)用技術(shù),充分利用其中所含的鐵、鈣、鎂、錳等成分的同時,還可以節(jié)省大量能源。加強鋼渣作回填和筑路材料的研究。4由于鋼渣中的硅酸

22、二鈣和硅酸三鈣礦物結(jié)晶完整,晶粒粗大致密,粉磨的細度難以達到要求。所以,制造高性能鋼渣微粉的難點在于開發(fā)針對鋼渣的特殊磨粉工藝和設(shè)備。鋼渣是一種“放錯了地方的資源”10。鋼渣的綜合利用不但可以消除環(huán)境污染,還能夠變廢為寶創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益,是可持續(xù)發(fā)展的有效途徑,對國家、對社會都具有十分重要的意義。參考文獻:1郭家林,趙俊學(xué),黃敏鋼.鋼渣綜合利用技術(shù)綜述及建議J.中國冶金,2009,19(2:35.2杜傳明.轉(zhuǎn)爐鋼渣資源利用的新方法J.山東冶金,2012,34(2:51.3姚艷玲,周俊.冶金爐渣的研究及綜合利用思路J.制造業(yè)自動化,2010,33(1:111.4章瑞平.本鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣處理工藝方案

23、的選擇J.本鋼技術(shù),2011(1:8.5張春雷.國內(nèi)外鋼渣再利用技術(shù)發(fā)展動態(tài)及對鞍鋼開發(fā)鋼渣產(chǎn)品的探討J.鞍鋼技術(shù),2003(4:7.6C h a aW,K i m bJ,C h o i bH.E v a l u a t i o no fS t e e lS l a gf o rO r-g a n i ca n dI n o r g a n i cR e m o v a l si nS o i lA q u i f e rT r e a t m e n tJ.W a t e rR e s e a r c h,2006,40:1034.7A b u-E i s h a h aAS,E l-D i

24、 e b bMSB.P e r f o r m a n c eo fC o n c r e t eM i x t u r e sM a d eW i t hE l e c t r i cA r cF u r n a c e(E A FS t e e lS l a gA g g r e g a t eP r o d u c e di nt h eA r a b i a nG u l fR e g i o nJ.C o n s t r u c-t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,2012,34:246.8朱桂林.鋼鐵渣研究開發(fā)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向J

25、.廢鋼鐵,2001,1(2:1.9許斌,劍鳴,國華,等.燒結(jié)配加轉(zhuǎn)爐鋼渣的研究J.燒結(jié)球團,2000,25(5:21.10黃勇剛,狄煥芬,祝春水.鋼渣綜合利用的途徑J.工業(yè)安全與環(huán)保,2005,31(1:44.11S o r l i n iS,S a n z e n iA,R o n d iL.R e u s eo fS t e e lS l a gi nB i t u m i-n o u sP a v i n gM i x t u r e sJ.J o u r n a lo fH a z a r d o u sM a t e r i a l s, 2012(209/210:84.12WUS

26、h a o-p e n g,X U EY o n g-j i e,Y EQ u n-s h a n,e ta l.U t i l i z a-t i o no fS t e e lS l a ga sA g g r e g a t e sf o rS t o n eM a s t i cA s p h a l t(S MAM i x t u r e sJ.B u i l d i n ga n dE n v i r o n m e n t,2006,42:2580.13L I UC h u n-l i n,Z HAK u n-p e n g,C H E ND e-p e n g.P o s s i b i l i t yo fC o n c r e t eP r e p a r e dW i t