高爐渣的綜合利用

1、高爐渣的綜合利用摘要高爐渣是高爐煉鐵過程中排出的固體廢棄物，隨著棄置量增大，產(chǎn)生的問題也日趨嚴(yán)重。 通過分析我國高爐渣的現(xiàn)狀及特點，闡述了對其綜合利用的重要意義，回顧了高爐渣綜合 利用的研究進展。系統(tǒng)地介紹了高爐渣在制備混凝土材料、礦渣磚、墻體材料和新型礦棉、 微晶玻璃等材料的應(yīng)用情況。闡述了二次資源綜合利用的社會效益、 經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。 從資源有效利用和產(chǎn)業(yè)化的角度，指出了未來高爐渣的技術(shù)開發(fā)與綜合利用的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：高爐渣；利用途徑；綜合利用；礦棉；微晶玻璃；前言高爐渣是冶金行業(yè)產(chǎn)生數(shù)量最多的一種副產(chǎn)品，其處理過程中不僅消耗大量的能源，同時 也排出大量的有害物質(zhì)。因此，開展高爐渣回

2、收利用方面的研究十分必要。國內(nèi)外的生產(chǎn) 企業(yè)十分注重高爐渣再利用技術(shù)的研究，近年來從能源節(jié)約和資源綜合利用來看，提高爐 法的利用率和再利用價值，尋求高爐渣資源化利用新途徑和利用高爐渣開發(fā)高附加值產(chǎn)品 已成為國內(nèi)外研究的熱點。積極探索利用量大、附加值高的高爐渣利用新途徑以促進經(jīng)濟 社會與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。本文闡述了高爐礦渣的分類及主要成分，本著綜合利用的原則，詳細(xì)介紹了各種高爐礦渣 的綜合利用途徑及工藝。積極探索利用量大、附加值高的高爐渣利用新途徑以促進經(jīng)濟社 會與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。研究背景我國工業(yè)發(fā)展長期以來側(cè)重于資源密集型產(chǎn)業(yè)，由此造成的大量工業(yè)固體廢棄物處理問題 也隨著經(jīng)濟發(fā)展而不斷突出。工業(yè)廢物

3、數(shù)量龐大，種類繁多，成分復(fù)雜，不僅占用大量土 地，而且污染環(huán)境經(jīng)過日曬、風(fēng)吹雨淋，造成二次污染 1。工業(yè)固體廢棄物資源的回收再 利用產(chǎn)業(yè)，是國內(nèi)外循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的一個重要鏈條，發(fā)達國家已將其視為繼現(xiàn)有三大產(chǎn)業(yè) 之后的又一個重要產(chǎn)業(yè)支柱，又稱“第四產(chǎn)業(yè)”。根據(jù)西方發(fā)達國家的實踐經(jīng)經(jīng)驗，應(yīng)用 先進技術(shù)進行工業(yè)固體廢棄物資源二次利用，不僅能夠創(chuàng)造大量社會財富，而且可以間接 促進資源綜合利用技術(shù)的發(fā)展，因此又被稱為“黃金產(chǎn)業(yè)”2。目前，我國固體廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，已成為新世紀(jì)以來的“朝陽產(chǎn)業(yè)”3,然而由于起步較晚，我國在此領(lǐng)域中的發(fā)展程度仍較發(fā)達國家仍有一定距離。1 .高爐渣的生產(chǎn)現(xiàn)狀高爐渣是鋼

4、鐵冶金工業(yè)生產(chǎn)中排放量最大的一種固體廢棄物，其排放量與入爐礦石的品味及冶煉制度有直接關(guān)系。以目前我國鋼鐵冶金工藝水平，每冶煉 1噸生鐵，高爐渣產(chǎn)生量 在300-350kg之間4。以我國年產(chǎn)生鐵9億噸計算，每年的高爐渣產(chǎn)生量高達 3億噸左右, 在所有工業(yè)廢渣排放量份額中所占比例接近1/3。我國高爐渣總體利用率較低，與發(fā)達國家相比仍有較大的差距。高爐渣化學(xué)成分由于所煉生鐵種類及入爐爐料品位波動而存在一定 變動。高爐渣所包含的不同氧化物的含量及種類直接影響著高爐渣的質(zhì)量，并在一定程度 上決定著高爐渣潛在活性的發(fā)揮5。我國主要類型高爐渣的化學(xué)組成如表 1.1所示6。表1.1我國主要類型高爐渣的化學(xué)組成

5、 /wt%名稱SF普通渣 26-4238-491-136-170.15-20.1-10.2-1.5高鈦渣20-3523-462-109-15-<1<10.1-0.6-20-29鎰鐵渣21-3728-472-811-240.1-0.75-230.3-3-含氟渣22-2935-453-7.86-80.15-0.20.1-0.8-7-8-2 .高爐渣的分類由于煉鐵原料品種和成分的變化以及操作等工藝因素的影響，高爐礦渣的組成和性質(zhì)也不 同。高爐礦渣的分類主要有以下方法：2.1 按照冶煉生鐵的品種分類高爐礦渣按冶煉生鐵的品種可分為：鑄造生鐵礦渣，冶煉鑄造生鐵時排出的礦渣；煉鋼生 鐵礦渣，冶煉

6、供煉鋼用生鐵時排出的礦渣；特種生鐵礦渣，用含有其他金屬的鐵礦石熔煉 生鐵時排出的礦渣。2.2 按礦渣的堿度分類高爐礦渣的化學(xué)成分中的堿性氧化物之和與酸性氧化物之和的比值稱為高爐礦渣的堿度或堿性率(以Mo表示)，即堿性率 Mo=(CaO MgO )(SQ+AI2O3)按照高爐礦渣的堿性率 Mo可把礦渣分為如下3類：堿性礦渣，堿性率 Mo>1的礦渣；中性礦渣，堿性率Mo=1的礦渣；酸性礦渣，堿性率 Mo<1的礦渣。這是高爐礦渣最常用的一種分類方法。堿性率比較直觀地反映了重礦渣中堿性氧化物和酸 性氧化物含量的關(guān)系。2.3 按處理方式分類(1)氣冷渣氣冷渣又名熱潑渣、重礦渣。在高爐前從地坪

7、至爐臺高度砌筑隔墻，構(gòu)成潑渣坑，熔渣出 爐后經(jīng)過渣溝流入坑內(nèi)，鋪展成厚約 15cm的薄層，噴水冷卻，凝固后掘出，經(jīng)破碎、篩 分，制成碎石和渣砂以代替天然砂石，可作為混凝土骨料。(2)粒化渣?；置阍?、水渣。熔渣用大量水淬冷后，可制成以玻璃體為主的細(xì)粒水渣。它具 有潛在的水硬膠凝性能，是優(yōu)質(zhì)水泥原料。中國每年有80%以上的高爐熔渣制成粒化渣。(3)膨脹礦渣及膨珠每噸熔渣用水1t左右處理，可膨脹成多孔體，經(jīng)過破碎、篩分后成為膨脹礦渣，可作混凝 土的輕骨料。生產(chǎn)膨脹礦渣有池式法、噴霧塹坑法、離心機法、流槽法、翻轉(zhuǎn)流槽法等工 藝，許多國家都生產(chǎn)膨脹礦渣。膨珠又名渣球。1953年加拿大研究成生產(chǎn)膨

8、珠的工藝。膨珠是優(yōu)質(zhì)的混凝土輕骨料，比用膨脹礦渣可節(jié)省水泥 20%,還可作水泥混合材料、道路材 料、保溫材料、濕碾或濕磨礦渣以及穩(wěn)定地基、改良土壤的材料等。膨珠粒度比熱潑渣、 膨脹礦渣小，一般無須再次破碎加工。膨珠生產(chǎn)具有設(shè)備簡單、冷卻迅速、場地周轉(zhuǎn)快等 優(yōu)點。3 .高爐渣的危害和利用現(xiàn)狀對高爐渣處理處置不當(dāng)，會嚴(yán)重危害人體健康。一方面，高爐渣是各種原料物的終態(tài)，而 人們對這類污染物卻往往產(chǎn)生一種穩(wěn)定、污染慢的錯覺；另一方面，在自然條件影響下， 高爐渣中的一些有害成分會轉(zhuǎn)入大氣、水體和土壤，參與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，具有潛在 的、長期的危害性。高爐渣對環(huán)境的危害主要表現(xiàn)在以下方面：侵占土地。高爐

9、渣不加利用時，需占地堆放，堆積量越大，占地越多。據(jù)估算，每堆積 1萬t爐渣占地約需1畝（666.6m2）。（2）污染土壤。高爐渣堆放和沒有采取適當(dāng)防滲措施的填埋，經(jīng)過風(fēng)化、雨雪淋溶、地表徑 流的侵蝕，其中的有害成分很容易產(chǎn)生高溫和有毒液體并滲入土壤，殺滅土壤中的微生物,破壞微生物與周圍環(huán)境構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)，甚至導(dǎo)致草木不生。其有害成分若滲流入水體， 則可能進一步危害人的健康。（3）污染水體。高爐渣中的有害成分若隨天然降水或地表徑流進入河流、湖泊，或隨風(fēng)飄遷 落入水體，則使地面水受到污染；若隨滲瀝水進入土壤，則使地下水受到污染；若直接排 入河流、湖泊或海洋，則會造成更大的水體污染，不僅減少水體面積

10、，而且還妨害水生生 物的生存和水資源利用。（4）污染大氣。高爐渣中的以細(xì)粒狀存在的廢渣，在大風(fēng)吹動下會隨風(fēng)飄逸，擴散到遠(yuǎn)處； 運輸過程中會產(chǎn)生有害的氣體和粉塵；一些有機固體廢物在適宜的溫度和濕度下會被微生 物分解，釋放出有害氣體。我國高爐渣的回收利用率比較低，而且綜合利用的經(jīng)濟效益也不高。相比之下，德國高爐 法回收利用率已經(jīng)達到99%,日本的回收利用率己達97%,而我國高爐渣的回收利用率相 對較低7。20世紀(jì)70年代以來，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達國家（如英、美、德、日等國）已 經(jīng)把當(dāng)年產(chǎn)生的高爐渣基本用完，而且也己經(jīng)將歷年來堆存的陳化高爐渣用盡，基本達到 了產(chǎn)生使用的基本平衡。在我國，即使目前研究

11、高爐渣回收利用建設(shè)的項目在最近幾年全 部投產(chǎn)，也不能全部利用完所有的高爐渣。這從一個方面反映出我國高爐渣綜合利用的復(fù) 雜性、緊迫性和必要性，也從一個方面反映出我國高爐渣綜合利用的緊迫性、復(fù)雜性和必 要性。按照科學(xué)發(fā)展觀和走新型工業(yè)化道路的要求，實現(xiàn)鋼鐵渣“零排放”是鋼鐵企業(yè)的責(zé)任和一項緊迫的任務(wù)。因此，如何合理、有效地利用高爐渣資源，是近幾年來國 內(nèi)外鋼鐵行業(yè)、建材工業(yè)等行業(yè)面臨的重要課題之一。4 .高爐渣的傳統(tǒng)利用途徑4.1 高爐渣在農(nóng)業(yè)中的利用硅肥已經(jīng)被國際土壤學(xué)界認(rèn)定為繼氮、磷、鉀之后第四大元素肥料。硅肥是一種礦物質(zhì)肥料以二氧化硅（SiO2）和氧化鈣（CaO）為主，而且是水稻等作物生長不

12、可缺少的營養(yǎng)元素之一。生產(chǎn)硅肥的主要原材料是高爐水渣，因其主要化學(xué)成分中含硅、鈣量都非常豐富，所以生 產(chǎn)硅肥的原料十分充足。施用硅肥對于作物主要有一下作用：改善作物的營養(yǎng)作用提高作物的光合作用；增強作物抵抗病蟲害的能力；改善作 物的抗倒伏能力；有效預(yù)防作物的爛根?。桓纳谱魑锏钠焚|(zhì) ，提高作物的成品率。（2）高爐渣在鐵路中的利用網(wǎng)高爐重高爐渣具有良好的堅固性、抗沖擊性及抗凍性。高爐 重高爐渣不僅可以作鐵路道渣使用，而且還可以適當(dāng)?shù)奈招熊嚂r產(chǎn)生的振動和噪聲，同 時高爐重高爐渣承受重復(fù)荷載的能力很強。鞍山鋼鐵公司從年開始在鐵路專用線上使用重 高爐渣，目前鋼鐵公司幾乎都使用高爐重高爐渣作具專用鐵路的

13、道渣。4.2 生產(chǎn)礦渣水泥水渣具有潛在的水硬膠凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激發(fā)劑作用下，可顯示出水硬 膠凝性能，是優(yōu)質(zhì)的水泥原料。水渣既可以作為水泥混合料使用，也可以制成無熟料水泥 9 0礦渣硅酸鹽水泥，是用硅酸鹽水泥熟料與?；郀t礦渣再加入 3%5%的石膏混合磨細(xì)或 者分別磨后再加以混合均勻而制成的。礦渣硅酸鹽水泥簡稱為礦渣水泥。在磨制礦渣水泥 時，高爐礦渣的摻入量對水泥的抗壓強度影響不大，而對抗拉強度的影響更小，所以，其 摻入量可以占到水泥重量的20%85%這樣對于提高水泥質(zhì)量，降低水泥生產(chǎn)成本是十分有 利的。礦渣水泥與普通水泥相比有如下特點：第一，具有較強的抗溶出性和抗硫酸鹽侵蝕性能

14、， 故能用于水上工程、海港及地下工程等，但在酸性水及含鎂鹽的水中，礦渣水泥的抗侵蝕 性較普通水泥差。第二，水化熱較低，適合于澆筑大體積混凝土。第三，耐熱性較強，使 用在高溫車間及高爐基礎(chǔ)等容易受熱的地方比普通水泥好。第四，早期強度低，而后期強 度增長率高，所以在施工時應(yīng)注意早期養(yǎng)護。止匕外，在循環(huán)受干濕或凍融作用條件下，其 抗凍性不如硅酸鹽水泥，所以不適宜用在水位時常變動的水工混凝土建筑中10。石膏礦渣水泥，是將干燥的水渣和石膏、硅酸鹽水泥熟料或石灰按照一定的比例混合磨 細(xì)或者分別磨細(xì)后再混合均勻所得到的一種水硬性膠凝材料。在配制石膏礦渣水泥時，高爐水渣是主要的原料，一般配入量可高達80%左右

15、。石膏在石膏礦渣水泥中是屬于硫酸鹽激發(fā)劑。它的作用在于提供化時所需要的硫酸鈣成分，激發(fā)礦 法中的活性。一般石膏的加入量以15%為宜。少量硅酸鹽水泥熟料或石灰，系屬于堿性激發(fā)劑，對礦渣起堿性活化作用，能促進鋁酸鈣和硅酸鈣的水化。在一般情況下，如用石灰作堿性激發(fā)劑，具摻入量宜在3%以下，最高不得超過5%,如用普通水泥熟料代替石灰，摻入量在 5%以下，最大不超過8%。這種石膏礦渣水泥成本較低，具有較好的抗硫酸鹽侵蝕和抗?jié)B透性，適用于混凝土的水工 建筑物和各種預(yù)制砌塊。4.3 生產(chǎn)礦渣磚和濕碾礦渣混凝土制品(1)礦渣磚，用水渣加入一定量的水泥等膠凝材料，經(jīng)過攪拌、成型和蒸汽養(yǎng)護而成的磚 叫做礦渣磚。(

16、2)濕碾礦渣混凝土，是以水渣為主要原料制成的一種混凝土。 它的制造方法是將水渣和 激發(fā)劑(水泥、石灰和石膏)放在輪碾機上加水碾磨制成砂漿后，與粗骨料拌和而成11。4.4 礦渣碎石的用途礦渣碎石的作用很廣，用量也很大，主要用于公路、機場、地基工程、鐵路道磴、混凝土 骨料和瀝青路面等。配制礦渣碎石混凝土礦渣碎石配制的混凝土具有與普通混凝土相近的 物理力學(xué)性能，而且還有良好的保溫、隔熱、耐熱、抗?jié)B和耐久性能。礦渣碎石混凝土的 應(yīng)用范圍較為廣泛，可以作預(yù)制、現(xiàn)澆和泵送混凝土的骨料。4.5 膨脹礦渣及膨珠的用途膨脹礦渣主要用作混凝土輕骨料，也用作防火隔熱材料，用膨脹礦渣制成的輕質(zhì)混凝土， 不僅可以用于建

17、筑物的圍護結(jié)構(gòu)，而且可以用于承重結(jié)構(gòu)。膨珠可以用于輕混凝土制品及 結(jié)構(gòu)，如用于制作砌塊、樓板、預(yù)制墻板及其他輕質(zhì)混凝土制品。由于膨珠內(nèi)孔隙封閉， 吸水少，混凝土干燥時產(chǎn)生的收縮就很小，這是膨脹頁巖或天然浮石等輕骨料所不及的。直徑小于3mm的膨珠與水渣的用途相同，可供水泥廠作礦渣水泥的摻合料用， 也可用作公 路路基材料和混凝土細(xì)骨料使用。生產(chǎn)膨脹礦渣和膨珠與生產(chǎn)黏土陶粒、粉煤灰陶粒等相 比，具有工藝簡單，不用燃料，成本低廉等優(yōu)點12o5 .高爐渣的新利用方法高爐礦渣還可以用來生產(chǎn)一些用量不大而產(chǎn)品價值高，又有特殊性能的高爐渣產(chǎn)品。如礦 渣棉及其制品、熱鑄礦渣、礦渣鑄石及微晶玻璃、硅鈣渣肥等。現(xiàn)僅

18、簡介礦渣棉和微晶玻 璃的生產(chǎn)方法。5.1 生產(chǎn)礦渣棉礦渣棉是以礦渣為主要原料，在熔化爐中熔化后獲得熔融物再加以精制而得到一種白色棉 狀礦物纖維。它具有保溫、隔音、絕冷等性能。生產(chǎn)礦渣棉的方法有噴吹法和離心法兩種。原料在熔爐中熔化后流出，即用蒸汽或壓縮空 氣噴吹成礦渣棉的方法叫做噴吹法。原料在熔爐中熔化后落在回轉(zhuǎn)的圓盤上，用離心力制 成礦渣棉的方法叫做離心法。礦渣棉可用作保溫材料、吸音材料和防火材料等，由它加工的成品有保溫板、保溫氈、保 溫筒、保溫帶、吸音板、窄氈條、吸音帶、耐火板及耐熱纖維等。礦渣棉廣泛用于冶金、 機械、建筑、化工和交通等部門。用途：(1)工業(yè)上主要用于工業(yè)熱力管網(wǎng)、發(fā)電設(shè)備、

19、工業(yè)爐窯、船舶隔艙等的保溫隔熱 材料。(2)建筑中常用于建筑物的外保溫圍護結(jié)構(gòu)、建筑物內(nèi)部分隔墻的隔聲填充材料及建筑物室內(nèi)的吊頂吸聲材料13-15。5.2 生產(chǎn)微晶玻璃微晶玻璃是近幾十年來發(fā)展起來的一種用途很廣的新型無機材料。微晶玻璃的原料極為豐富，除采用巖石外，還可采用高爐礦渣。礦渣微晶玻璃產(chǎn)品比高碳鋼硬，比鋁輕，其機械性能比普通玻璃好，耐磨性不亞于鑄石， 熱穩(wěn)定性好，電絕緣性能與高頻瓷接近。礦渣微晶玻璃用于冶金、化工、煤炭、機械等工 業(yè)部門的各種容器設(shè)備的防腐層和金屬表面的耐磨層以及制造溜槽、管材等，使用效果很 好16-20。6總結(jié)與展望對于高爐生產(chǎn)廠家來說，每噸礦渣棉制品價格從2000元

20、到上萬元不等，相比于每噸百元左 右、1400c以上的高溫未被利用的高爐水渣產(chǎn)品來說，附加值更高。電爐法礦渣棉與沖天 爐法礦渣棉和巖棉相比，生產(chǎn)成本大幅降低，產(chǎn)品價格上有競爭優(yōu)勢。如果生產(chǎn)的礦渣棉 質(zhì)量能滿足建筑業(yè)要求，則具有極大的市場容量。對于有高爐的鋼鐵企業(yè)來說，無論從商 業(yè)價值，還是從市場來看，高爐熔渣直接制礦渣棉都是一種高爐渣循環(huán)利用的極佳途徑。經(jīng)過多年的發(fā)展，關(guān)于微晶玻璃材料的配方設(shè)計、熱處理工藝研究及應(yīng)用等方面都取得了 很大的進展。但我國微晶玻璃制造工藝及設(shè)備的專利申請總量僅占世界專利申請總量的 32%，與國外微晶玻璃的發(fā)展研究有一定差距。隨著現(xiàn)代建筑裝飾行業(yè)的迅速發(fā)展，微 晶玻璃所

21、具有的優(yōu)異性能、低價格、低能耗，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的天然大理石等材料，具有較 大的潛力成為天然石材的理想替代品和 21世紀(jì)理想的裝飾材料。參考文獻1高樹婷，張慧勤.我國工業(yè)固體廢棄物污染控制初探J.環(huán)境科學(xué)研究，1994,7 (1): 43-47.2徐丹華，馬振珠，梅一飛.工業(yè)固體廢棄物資源產(chǎn)業(yè)化發(fā)展路徑探討J.中國建材科技,2008 (2) : 56-60.3陳妍.“十二五”資源綜合利用指導(dǎo)意見N.國際商報，2012, 2 (9) : 3.4胡俊鴿.國內(nèi)外高爐爐渣綜合利用技術(shù)的發(fā)展及對鞍鋼的建議J.鞍鋼技術(shù)，2003, 3:8-11.5焦禮靜.礦渣微粉在水泥和混凝土中增強效應(yīng)的研究D .西安：西安建筑科技大學(xué)，2003.6楊國清，劉康懷.固體廢棄物處理工程M .北京：科學(xué)出版社，2000.蔣偉峰.高爐