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(2014-05-06 14:14:15) 钢渣特性及其综合利用技术简介
1、钢渣及其特性
1.1
钢渣的来源
钢渣就是炼钢过程排出的熔渣,
主要是金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蚀的炉衬料和补炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而特意加入的造渣材料,
如石灰石、白云石、铁矿石、硅石等。按炼钢工艺钢渣可分为：转炉渣和电炉渣；按冶炼过程一般可分为初期渣、精炼渣、出钢渣及浇铸渣；按形成形态可区分为水淬粒状钢渣、块状钢渣和粉状钢渣。
1.2
钢渣的性质
钢渣的性质随化学成分的变化而变化,
由于化学成分及冷却条件不同造成钢渣外观形态、颜色差异很大。碱度较低的钢渣呈灰色, 碱度较高的钢渣呈褐灰色、灰白色。钢渣块松散不粘结,
质地坚硬密实, 孔隙较少。钢渣中的含铁量较高,
其密度为3.1g/cm3~3.6g/cm3,, 较难磨。易磨指数为：标准砂为1,
钢渣为0.7。 钢渣的抗压性能好,
压碎值为20.4%~30.8%。转炉渣占钢渣的绝大部分,我国主要钢厂转炉钢渣的化学成分见下表。
1.3
钢渣的矿物组成
钢渣的主要矿物组成为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、钙镁橄榄石(CMS)、钙镁蔷薇辉石(C3MS2)、铁酸二钙(C2F)、RO(R代表镁、铁、锰的氧化物所形成的固熔体)、游离石灰(FCaO)等。钢渣的矿物组成决定了钢渣具有一定的胶凝性,
主要源于其中一些活性胶凝矿物的水化, 如CaO含量较高时,
常生成C3S、C2S及铁铝酸盐。钢渣中游离的CaO、MgO含量较高, 因而稳定性差。此外,
钢渣中铁和锰的含量也比较高, 由于铁、锰离子具有极化能力, 对氧有很大的亲和力,
因此氧离子能脱离正硅酸钙(锰)四面体破坏正硅酸盐结构, 使四面体互相连接起来, 生成巨大而复杂的硅氧团,
从而降低其易磨性。
2、钢渣综合利用技术
2.1 回收废钢
钢渣中一般含有10%左右的金属Fe,
通过破碎磁选筛分工艺可以回收其中的金属铁, 一般钢渣破碎的粒度越细, 回收的金属Fe越多, 将钢渣破碎到300mm~100mm,
可从中回收6.4%的金属Fe, 破碎到100mm~80mm, 可回收7.6%的金属Fe, 破碎到75mm~25mm,
回收的金属Fe可达15%。
国外较早开展从钢渣中回收废钢铁,
美国1970~1972年从钢渣中回收近350万吨废钢, 日本磁力选矿公司每年处理200万吨钢渣,
从中回收18万吨含Fe95%以上的粒Fe。我国己有不少钢厂建立了钢渣回收铁处理生产线,
如鞍钢采用无介质自磨及磁选的方法回收钢渣中的废钢量达8.0%,
武钢回收废钢中的金属铁达8.5%。
2.2 作烧结熔剂
烧结矿中配加钢渣代替熔剂, 不仅可回收钢渣中的残钢、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化锰等有益成分,
而且可以提高烧结矿的产量。烧结矿中适量配入钢渣后, 能使结块率提高, 粉化率降低,
成品率增加。再加上水淬钢渣疏松、粒度均匀、料层透气性好, 也有利于烧结造球及提高烧结速度。此外, 由于钢渣中Fe和FeO的氧化放热,
节省了烧结矿中钙、镁碳酸盐分解所需要的热量, 使烧结矿燃料消耗降低。高炉使用配入钢渣的烧结矿, 由于强度高, 粒度组成有所改善,
尽管铁品位略有降低,炼铁渣量略有增加, 但高炉操作顺行,
焦比有所降低。我国首钢、马钢、重钢、太钢、济钢、湘钢、武钢、唐钢等均利用钢渣做烧结矿熔剂, 首钢烧结厂配加钢渣4%,
每吨烧结矿石灰消耗量减少约30kg，烧结机利用系数可提高1%。邯钢烧结厂配加钢渣6%, 经长期的实践,
其主要的优点有：1）烧结矿强度提高。钢渣中因含有一定数量的MgO, 在烧结矿中容易熔化, 因而改善了烧结矿的粘结性能和液晶状态,
有利于烧结矿强度的提高, 粉化率降低在2%以内。2）烧结矿还原性能显著提高。配加钢渣的烧结矿, 随配料碱度的提高,
其还原性较未配钢渣的烧结矿显著提高。当碱度为1.4时, 配加钢渣其还原率高达75%, 不配加时仅有65%。3）配入6%的钢渣后,
烧结矿的FeO可升高2%。钢渣中因含有大量的金属铁和低价氧化铁, 在烧结过程中, 不仅可使其FeO含量升高,
而且还因其发生氧化放热反应, 使烧结矿的配碳量降低约0.5%~1%。
烧结中配加钢渣值得注意的是磷富集问题。按照宝钢的统计数据, 烧结矿中钢渣配比增加10kg/t,
烧结矿磷含量将增加约0.0038%,
而相应铁水中磷含量将增加0.0076%。为了降低磷的富集,比较可行的措施是控制烧结矿中钢渣的配入比例,也可以在烧结矿生产过程中停止配加钢渣,
待磷降下来后再恢复配料。另外, 钢渣的粒度过大对烧结矿质量会带来不利影响。如钢渣平均粒度过大, 较粗的钢渣在烧结混合料中产生偏析,
造成烧结矿的碱度波动, 给高炉生产带来不利影响。为此应该增强钢渣的破碎和筛分能力,
保证粒度均匀性。
2.3
作高炉熔剂
美国有50%以上的钢渣用作高炉的替代熔剂。早在1974年,
美国内陆钢公司和西德森钢厂分别有40%和41%的钢渣直接返回高炉。实践证明钢渣做高炉熔剂的主要优点有：1）回收利用了渣中大量的金属铁,
减少了烧结矿和石灰石用量。2）可使高炉的脱硫能力提高3%~4%。钢渣中因含有较多的Mn和MnO, 能使高炉的流动性和稳定性变好,
提高料柱的透气性。这一点俄罗斯车里斯钢铁厂、美国内陆钢公司、太钢等厂的实践均已得到证实。3）经济效益好。国内马钢、太钢、广钢等高炉大量应用转炉钢渣做熔剂,
均取得了良好的经济效益。利用1吨钢渣的平均纯利润在50元以上, 加上回收废钢的价值,
其经济效益将更高。高炉冶炼配加的钢渣量主要取决于钢渣中有害成分磷的含量以及高炉需要加入的石灰石用量。
2.4
作炼钢添加料
转炉炼钢使用含磷较低的高碱度返回钢渣并配合使用白云石, 可以使炼钢成渣早,
减少初期渣对炉衬的侵蚀, 有利于提高炉龄, 降低耐火材料消耗, 同时可替代部分萤石。在生产中使用少量钢渣返回转炉冶炼,
可以取得很好的技术经济效果。宝钢在国内率先开发了转炉脱磷脱碳的双联法工艺,即在转炉内进行铁水脱磷处理, 出半钢后再进行脱碳处理,
可以稳定地生产磷含量低于0.008%的超低磷钢。 在双联法工艺中, 由于脱磷负荷主要由脱磷炉分担, 因此脱碳炉的钢渣磷比较低,
因而可以返回转炉利用。目前, 宝钢己经成功进行了铸余渣及脱碳炉的钢渣返回转炉利用的试验, 结果表明, 通过适当的工艺,
合理地将钢渣返回转炉利用,可以有效地促进转炉冶炼过程的前期化渣, 降低副原料的消耗, 达到增加效益的目的,
而且钢渣的返回利用不会对钢水质量发生负面影响。
2.5
生产钢渣微粉
钢渣微粉是钢渣经过加工、筛选、干燥后磨细并掺加适量的外加剂加工混合而成的产品。目前配制高标号混凝土主要采用降低水胶比、添加高效减水剂和超细粉体的方法,
与普通混凝土相比水泥用量偏多,
对混凝土的耐久性有不利影响。中高碱度的钢渣因含有C2S和C3S等胶凝性矿物,
不仅可直接磨粉生产钢渣水泥, 而且也可作为活性混合材在水泥生产中作为添加剂应用。研究表明,
在混凝土拌和过程中掺加适量的钢渣微细粉取代部分水泥, 可以提高其结构的致密度和力学强度,
我国宝冶钢渣公司已在道路、场坪、制品等多方面广泛应用, 经过多年实践验证,
钢渣微粉性能稳定可靠。而且掺钢渣微粉可使混凝土抗冻性能大幅提高, 当钢渣微粉掺量为10%（质量分数）时,
其抗折强度比普通基准混凝土提高约30%, 脆度系数降低30%, 耐磨性能提高13%以上。
2.6
钢渣作道路工程或回填材料
钢渣碎石的硬度和颗粒形状都很适合道路材料的要求, 其性能好、强度高、自然级配好,
是良好的筑路回填材料。钢渣在铁路和公路路基、工程回填、修筑堤坝、填海造地等工程中使用, 国内外己有相当广泛的实践,
欧美各国钢渣约有60%用于道路工程。
钢渣作为回填材料近年来得到越来越广泛的应用,
作为2008年奥运会三大主要比赛场馆之一的北京国家体育馆在工程施工过程中就大量使用了钢渣作为回填材料国家体育馆地下室埋深约8米,抗浮水位负1米,
需要在工程结构内部增加大量配重以抵抗地下水的浮力。该工程在建设过程中尝试采用钢渣代替传统材料进行回填,
回填的钢渣全部来源于首钢炼钢过程中废弃多年的炼钢剩余渣。经过加工处理后的钢渣按照试验配比与少量水泥及其他辅料配制而成,
其密度、含水率、放射性等各项技术指标均符合国家规范要求。国家体育馆建设工程使用大量钢渣作为回填材料的施工经验,
为钢渣作为回填材料进行地基处理提供了宝贵的经验。
2.7 钢渣作沥青混凝土骨料
武汉钢铁集团公司根据钢渣属于碱性集料、具有多孔的物理特征, 通过特殊方式破碎,
经过试验和优化与沥青的配比设计, 研制出劈裂强度比高、残留稳定度大、抗车碾等物理性能好的钢渣沥青混凝土, 试验使用结果表明,
钢渣沥青混凝土具有良好的热稳定性、水稳定性和抗滑性能, 对提高我国沥青路面的耐久性和降低工程造价具有极为重要的意义。此外,
武钢将钢渣制作成为用于沥青混凝土的骨料, 以代替石质骨料, 提高了钢渣再生利用的经济价值, 可节省自然资源(石材),
为钢渣制备优质沥青混凝土耐磨集料开辟了道路。武汉钢铁集团公司利用该成果生产的钢渣耐磨集料已在武黄高速公路大修工程、仙桃汉江公路大桥桥面铺装以及武汉钢铁集团冶金渣有限公司的厂内道路加铺改造工程中得到了广泛的应用,
后期跟踪观测的试验也证明了钢渣沥青路面性能优异, 抗滑性能及抗水损害能力远远优于普通沥青路面。
2.8 钢渣作农用肥料
钢渣中的钙、硅、磷等在冶炼过程中经过高温锻烧, 其溶解度大大改善, 容易被植物吸收,
可用作具有速效又有后劲的复合矿质肥料。目前, 我国用钢渣生产的磷肥品种有钢渣磷肥和钙镁磷肥。衡量用作磷肥的钢渣质量,
取决于有效P2O5含量, 因此, 在钢冶炼过程, 提高有效P2O5的含量是提高钢渣磷肥质量的关键。
马鞍山钢铁厂生产出的钢渣磷肥应用于农作物表明, 钢渣磷肥不仅在酸性土壤施用效果好,
在缺磷的碱性土壤上施用也可获得增产；不仅在水田施用效果好, 在旱田肥效也起作用,另外, 钢渣粉可直接作为肥料施用,
武钢曾用钢渣粉在湖北个县大面积作肥效实验。结果表明钢渣可使每亩水稻增产20kg~72kg,
每亩棉花增产籽棉23kg~45kg。
2.9 钢渣作废水处理吸附剂
国外20世纪90年代中期分别研究了钢渣作为吸附剂对废水中镍、铅、铜等的吸附行为,
曾报道过钢渣作为吸附剂去除废水中硝酸盐和磷酸盐以及钢渣处理废水中铜离子、镍离子、铬离子、铅离子等。国内也曾有钢渣对铜、铅、铬、锌、砷等重金属离子和有机物吸附特征以及钢渣改性吸附性能的报道。但是至今为止,
钢渣作为废水处理吸附剂的工业化开发与应用尚未见诸报道。根据广西大学马少健教授的研究实践,
认为钢渣用作工业水处理吸附剂的核心问题是解决钢渣的造粒问题。钢渣直接冷却后, 大小块度极不均匀, 最大块度可达一米以上,
而且钢渣中因含有少量的铁导致钢渣脆性下降, 韧性加强, 因此利用常规破碎技术, 产品粒度不均匀, 有不少会过磨, 粒度难于控制,
很难生产出疏松多孔的产品, 而且粉磨会破坏原有的孔隙, 从而导致吸附效果下降。钢渣在炼钢过程中处于熔融状态(液态),
具有液体的一些特点, 有流动性, 液体分子间引力较小, 切割容易, 可无限分割, 遇水急剧冷却凝固, 如果处理方法得当,
在熔融状态下的粒化加工处理比固态下加工容易得多。 另外, 钢渣在液态下更容易控制加工粒度, 使生产出的产品颗粒大小适宜, 粒度均匀。
再次, 如果往液态熔液中添加改性剂和孔隙强化材料, 因液态钢渣具有流动性, 较易混合均匀。因此,
钢渣吸附剂的开发关键在于如何能在液态下对其进行直接造粒。广西大学资源与环境学院潘利文以液态钢渣为模拟对象,
研究液态钢渣的离心粒化设备水淬法处理技术, 在钢渣刚出炉处于熔融状态（即液态）下对钢渣进行造粒,
取得了一定的成果。
2.10 钢渣制备微晶玻璃等陶瓷产品
微晶玻璃由于其具有机械强度高、耐磨损、耐腐蚀、电绝缘性优良、介电常数稳定、膨胀系数可调、热稳定和耐高温等特点,
除广泛应用于光学、电子、宇航、生物等高新技术领域作为结构材料和功能材料外,
还可大量应用于工业和民用建筑作为装饰材料或防护材料。由于生成微晶玻璃的化学组成有很宽的选择范围, 而钢渣的基本化学组成就是硅酸盐成分,
其成分一般都在微晶玻璃形成范围内, 能满足制备微晶玻璃化学组分的要求。利用钢渣制备性能优良的微晶玻璃对于提高钢渣的利用率和附加值,
减轻环境污染具有重要的意义。国外很早就有有关钢渣制备微晶玻璃的报道, 如美国报道利用钢渣制造富CaO的微晶玻璃,
具有比普通玻璃高两倍的耐磨性及较好的耐化学腐蚀性。西欧报道用钢渣制造出透明玻璃和彩色玻璃陶瓷,
用作墙面装饰块及地面瓷砖等。我国这方面研究较晚, 但已经取得了较大的进展,
据报道湖南大学肖汉宁、武汉理工大程金树、华中科大杨家宽等人分别利用钢渣成功研制出性能优良的建筑微晶玻璃。
3、钢渣利用存在的问题及展望
尽管钢渣的应用较广泛, 钢渣资源化技术的开发及应用取得了一定的成绩, 但是, 总体而言,
我国钢渣的利用率还不高, 钢渣稳定可靠地应用还存在许多制约因素。例如钢渣作冶金原料时, 由于钢渣成分波动大,
给生产控制带来一定的困难；钢渣作建筑材料时, 由于钢渣的膨胀性, 不能完全代替水泥；钢渣磷肥由于应用成本太高,
难以推广；钢渣作废水处理吸附剂尚难投入实际工业应用；钢渣制备微晶玻璃还停留在实验室研究阶段。但随着技术的发展和社会的进步,
钢渣将有更广阔的发展和应用前景。根据我国国情和目前钢渣的利用情况,笔者认为, 为进一步搞好钢渣的综合利用,
应进一步加强几个方面的研究：1）加强对钢渣物性的深入了解, 进一步弄清钢渣特性,
为钢渣的开发应用提供理论依据。2）加强钢渣处理技术的研究。由于钢渣品位低,
作烧结熔剂时增加钢渣的用量必然降低烧结矿的品位, 影响炼铁生产。因此, 对钢渣处理技术应进行开发, 提高钢渣的品位,
充分利用钢渣中铁、钙、镁、锰等有益成分,
进一步推广钢渣作冶炼（烧结、高炉、炼钢）熔剂的应用技术。3）进一步开展钢渣作筑路和回填材料的研究及推广应用工作。钢渣作道路垫层、基层材料,
其强度和抗渗性均优于天然石材钢渣作回填材料, 可节约天然石材的用量,
值得大力推广。4）开发高性能钢渣微粉。钢渣微粉是具有广阔发展前景的绿色建筑材料,
钢渣微粉生产的难点是钢渣中的硅酸二钙和硅酸三钙矿物结晶完整, 晶粒粗大致密, 粉磨的细度难以达到要求, 需要用特殊的磨粉工艺和设备,
因此, 进一步开发钢渣粉磨设备, 开发出更多的钢渣微粉产品显得尤其迫切。(舒型武)
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