鋼渣綜合利用途徑及處理工藝的選擇
鋼渣的利用途徑大致可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)， 內(nèi)循環(huán)指鋼渣在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部利用，作為燒結(jié)礦的原料和煉鋼的返回料。鋼渣的外循環(huán)主要是指用于建筑建材行業(yè)。
1 鋼渣的內(nèi)循環(huán)利用
鋼渣返燒結(jié)主要是利用鋼渣中的殘鋼、氧化鐵、氧化鎂、氧化鈣、氧化錳等有益成分，而且可以作為燒結(jié)礦的增強(qiáng)劑，因?yàn)樗旧硎?a target="_blank" style="color: #4284f4; text-decoration: underline;">熟料，且含有一定數(shù)量的鐵酸鈣，對(duì)燒結(jié)礦的強(qiáng)度有一定的改善作用，另外轉(zhuǎn)爐渣中的鈣、鎂均以固溶體形式存在，代替溶劑后，可降低溶劑(石灰石、白云石、菱鎂石)消耗，使燒結(jié)過程碳酸鹽分解熱減少，降低燒結(jié)固體燃料消耗。
鋼渣在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部循環(huán)歷來受到重視和普遍采用，配加轉(zhuǎn)爐渣的燒結(jié)礦可改善高爐的流動(dòng)性，增加鐵的還原產(chǎn)量。但是配礦工藝對(duì)返燒結(jié)有影響，過度使用會(huì)造成Ｐ等有害元素的富集；配加轉(zhuǎn)爐渣的燒結(jié)礦品位、堿度有所降低。研究表明，當(dāng)高爐爐料使用100%自熔性球團(tuán)礦時(shí)，5%轉(zhuǎn)爐渣作為溶劑加入會(huì)引起高爐運(yùn)行不暢，原因是明顯影響球團(tuán)礦的軟熔特性，增大軟熔溫度間隔，使?fàn)t渣粘性有增大趨勢(shì)。另外鋼渣的成分波動(dòng)較大，燒結(jié)配礦時(shí)要求鋼渣各種氧化物成分波動(dòng)≤±2%，粒度要求一般小于3ｍｍ，鋼渣在成分上很難滿足要求，對(duì)鋼渣破碎和篩分的要求也高。
由于這些不利因素存在，尤其是各大鋼鐵公司普遍采用富礦冶煉，推行精料入爐方針，同時(shí)要求煉鋼和煉鋼工序的能耗和材料消耗指標(biāo)不斷降低，致使返回?zé)Y(jié)利用的鋼渣量越來越低。目前馬鋼混勻燒結(jié)礦中只加入1%左右，而且是間斷式配加。
2 鋼渣的外循環(huán)利用
鋼渣的外循環(huán)主要是建筑建材行業(yè)，鋼渣在此行業(yè)中利用受制約的主要因素是鋼渣的體積不穩(wěn)定性，鋼渣不同于高爐渣的地方是鋼渣中存在ｆ ＣａＯ、ｆ ＭｇＯ，它們?cè)诟哂谒嗍炝蠠蓽囟认滦纬?，結(jié)構(gòu)致密，水化很慢，ｆ ＣａＯ遇水后水化形成Ｃａ(ＯＨ)2，體積膨脹98%，ｆ ＭｇＯ遇水后水化形成Ｍｇ(ＯＨ)2，體積膨脹148%，容易在硬化的水泥漿體中發(fā)生膨脹，導(dǎo)致?lián)接袖撛幕炷凉こ獭⒌缆?、建材制品開裂，因此鋼渣在利用之前必須采取有效的處理，使ｆ ＣａＯ、ｆ ＭｇＯ充分消解才能使用。鋼渣在建筑建材行業(yè)有以下幾種利用途徑。
——做水泥生料
鋼渣中ＣａＯ、ＭｇＯ、ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3含量之和能達(dá)到70%，這些成分對(duì)水泥都是有用的，鋼渣做水泥生料主要作用是做水泥的鐵質(zhì)校正劑，目前生料中配加量為3%～5%，工藝比較成熟。水泥工藝中煅燒1ｔ石灰石產(chǎn)生440ｋｇＣＯ2，需500ｋｃａｌ熱量，煅燒1ｔ熟料需230ｋｇ優(yōu)質(zhì)煤。水泥生料配放鋼渣可以節(jié)約石灰石和煤，但其仍需煅燒的特征未從根本上消除對(duì)能源環(huán)保方面的負(fù)作用，而且鋼渣的全鐵含量在15%～28%之間，含鐵量偏低，水泥生產(chǎn)企業(yè)在計(jì)算成本時(shí)，比較傾向于選擇其他含鐵量達(dá)到40%以上的廢渣。
——做鋼渣水泥原料和復(fù)合硅酸鹽水泥的混合材
根據(jù)對(duì)鋼渣的巖相檢定和Ｘ射線檢定，鋼渣之所以具有水硬膠凝性主要是含有水泥熟料中的一些礦物，Ｃ3Ｓ、Ｃ2Ｓ和鐵鋁酸鹽，這些礦物都具有膠凝性，但其含量比水泥熟料少，慢冷的鋼渣晶體發(fā)育較大，比較完整，活性較低，因而水化速度和膠凝能力都比熟料小。
目前的鋼渣水泥品種有無熟料鋼渣礦渣水泥、少熟料鋼渣礦渣水泥、鋼渣沸石水泥、鋼渣礦渣硅酸鹽水泥和鋼渣硅酸鹽水泥，它們都有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，摻量在20%～50%之間。鋼渣水泥具有水化熱低、耐磨、抗凍、耐腐蝕、后期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。但是鋼渣水泥的實(shí)際應(yīng)用情況并不是很好，主要原因是鋼渣的成分波動(dòng)大，常隨煉鋼品種、原料來源和操作管理制度而變化，易引起水泥質(zhì)量的波動(dòng)；做水泥混合材時(shí)，不同方法處理的鋼渣的易磨性不同，普遍比熟料難磨，使水泥磨制的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量降低，增加水泥生產(chǎn)成本。渣鐵沒有很好分離導(dǎo)致渣中金屬鐵含量高，也影響水泥的磨制；另外鋼渣的活性礦物含量低且以Ｃ2Ｓ為主，造成鋼渣水泥的早期強(qiáng)度低，新的水泥標(biāo)準(zhǔn)中取消了7天強(qiáng)度指標(biāo)，增加了3天強(qiáng)度指標(biāo)，致使鋼渣水泥難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
——鋼渣微粉做混凝土摻和料
鋼渣微粉開發(fā)利用研究是近年來繼礦渣微粉大規(guī)模應(yīng)用后而出現(xiàn)的熱門話題，鋼渣生產(chǎn)微粉或者復(fù)合微粉可以消除鋼渣水泥生產(chǎn)中易磨性差異問題，鋼渣通過磨細(xì)到一定細(xì)度，比表面積大于400ｍ2ｋｇ時(shí)，可以最大程度地清除金屬鐵，通過超細(xì)粉磨使物料晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，顆粒表面狀況發(fā)生變化，表面能提高，機(jī)械激發(fā)鋼渣的活性，發(fā)揮水硬膠凝材料的特性?！ ?BR>
鋼渣微粉和礦渣微粉復(fù)合時(shí)有優(yōu)勢(shì)疊加的效果，鋼渣中的Ｃ3Ｓ、Ｃ2Ｓ水化時(shí)形成的氫氧化鈣是礦渣的堿性激發(fā)劑。最新資料表明，礦渣渣粉做混凝土摻合料使用雖然可以提高混凝土強(qiáng)度，改善混凝土拌合物的工作性、耐久性，但由于高爐渣的堿度低(%ＣａＯ+%ＭｇＯ)/(%ＳｉＯ2+%Ａｌ2Ｏ3)，約為0.9～1.2，大摻量時(shí)會(huì)顯著降低混凝土中液相堿度，破壞混凝土中鋼筋的鈍化膜(ｐＨ<12.4易破壞)，引起混凝土中的鋼筋腐蝕，另外高爐渣是以Ｃ3ＡＳ、Ｃ2ＭＳ2為主要成分的玻璃體，?；郀t渣粉的膠凝性來源于礦渣玻璃體結(jié)構(gòu)的解體，只有在Ｃａ(ＯＨ)2作用下才能形成水化產(chǎn)物，鋼渣堿度高(%ＣａＯ+%ＭｇＯ)/(%ＳｉＯ2)，約為1.8～3.0，礦物主要是Ｃ3Ｓ、Ｃ2Ｓ、ＣＦ、Ｃ3ＲＳ2、ＲＯ等，鋼渣中的ｆ ＣａＯ和活性礦物遇水后生成Ｃａ(ＯＨ)2，提高了混凝土體系的液相堿度，可以充當(dāng)?shù)V渣微粉的堿性激發(fā)劑。摻入鋼渣微粉的混凝土具有后期強(qiáng)度高的特性，見表1。因此鋼渣和礦渣復(fù)合粉可以取長補(bǔ)短，性能更加完善。
表1 用磁選后尾渣及風(fēng)碎渣制成微粉與高礦渣微粉的復(fù)合微粉代替20%的52.5Ｒ水泥作摻和料的砼3個(gè)月強(qiáng)度值 混凝土齡 期
基準(zhǔn)純水泥
20%礦渣微粉
20%鋼渣礦渣復(fù)合
20%風(fēng)淬渣礦渣復(fù)
抗壓強(qiáng)度
砼抗壓強(qiáng)度比
微粉砼抗壓強(qiáng)度比
合微粉抗壓強(qiáng)度比
砼標(biāo)號(hào)
ＭＰａ
砼標(biāo)號(hào)
壓比/%
砼標(biāo)號(hào)
抗壓比/%
砼標(biāo)號(hào)
抗壓比/%
7天
Ｃ40
41.2
Ｃ20
71.8
Ｃ30
80.6
Ｃ30
73.8
28天
Ｃ45
47.8
Ｃ40
91.8
Ｃ45
96.7
Ｃ40
93.01
90天
Ｃ55
56.2
Ｃ50
94.1
Ｃ50
97
Ｃ60
107.7
凝土中的鋼渣粉”國家標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)部建筑科學(xué)研究院負(fù)責(zé)起草的“礦物摻合技術(shù)規(guī)范”國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成，鋼渣微粉將成為我國鋼渣高價(jià)值利用的最佳途徑，和礦渣微粉復(fù)合應(yīng)用是混凝土摻合料的最佳方案。
——做道路材料
鋼渣經(jīng)過穩(wěn)定化處理后可以做道路墊層和基層，其強(qiáng)度、抗彎沉性、抗?jié)B性均優(yōu)于天然石材，有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“ＹＢ/Ｔ801 1993工程回填用鋼渣”和“ＹＢ/Ｔ803 1993道路用鋼渣”，但是鋼渣做回填和道路墊層、基層其附加值低，鋼鐵企業(yè)和建筑單位對(duì)此都不太重視。
鋼渣經(jīng)過風(fēng)淬穩(wěn)定化處理后可以代替細(xì)骨料做瀝青混凝土和水泥混凝土路面材料，其防滑性、耐磨性、使用壽命都提高，鋼渣的附加值也大大提高?！ ?BR>
安徽省馬鞍山市1987年建設(shè)的湖南路工程，使用了風(fēng)淬鋼渣砼試驗(yàn)路面，和黃砂砼路面比較，2003年1月7日對(duì)路面鉆芯取樣后檢測強(qiáng)度的結(jié)果如表2所示。
表2 通車使用15年兩種砼工程路面鉆芯取樣抗壓強(qiáng)度對(duì)比表ＭＰａ 砼種類
28天強(qiáng)度
25年后強(qiáng)度
抗 壓
抗 折
抗 壓
風(fēng)淬鋼渣砼路面
47.86
6.23
85.26
黃砂砼路面
43.54
5.56
70.10
鋼渣經(jīng)過穩(wěn)定化處理后可以做地面磚、免燒磚、混凝土預(yù)制件等建材制品，摻量大，能達(dá)到60%以上，強(qiáng)度和耐久性高于黏土磚和粉煤灰磚，能節(jié)省大量的水混和黏土，但鋼渣比重較大，不太適宜做實(shí)心的墻體磚。這類實(shí)用技術(shù)是全國新型墻體材料改革的重點(diǎn)推廣技術(shù)。
綜上所述，鋼渣的循環(huán)利用應(yīng)著重放在建筑和建材行業(yè)，在水泥、混凝土、路面和建材制品中的利用是鋼渣利用的發(fā)展方向。因此鋼鐵企業(yè)內(nèi)液態(tài)鋼渣的處理應(yīng)該圍繞這些利用途徑，進(jìn)行鋼渣處理工藝的選擇。
目前高溫液態(tài)鋼渣處理工藝的比較
目前國內(nèi)外鋼渣資源化處理工藝由于煉鋼設(shè)備、工藝、造渣制度、鋼渣物化性能的多樣性及其利用上的多種途徑呈現(xiàn)多樣化，有冷棄法、悶渣法、熱潑法、盤潑法、水淬法、滾筒法、風(fēng)淬法、?；喎ǖ?。這些工藝都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。具體情況見表3。
表3 鋼渣處理工藝優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例 處理方式
工藝特點(diǎn)及過程
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
應(yīng)用廠家
熱悶法
利用高溫液態(tài)渣的顯熱灑水產(chǎn)生物理力學(xué)作用和游離氧化鈣的水解作用使渣碎化
工藝簡單，適于處理高堿度鋼渣、鋼渣活性較高、安定性較好，并能處理固態(tài)渣
粒度不均勻、后續(xù)破碎加工量大、處理周期長
鞍鋼、首鋼、漣鋼、寶鋼
熱潑法
在爐渣高于可淬溫度時(shí)，以有限的水向爐渣噴灑，使渣產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于渣本身的極限應(yīng)力，產(chǎn)生碎裂，游離氧化鈣的水化作用使渣進(jìn)一步裂解
排渣速度快，冷卻時(shí)間短、便于機(jī)械化生產(chǎn)，處理能力大；鋼渣活性較高、生產(chǎn)率高
設(shè)備損耗大，占地面積大，破碎加工粉塵大，蒸汽量大；鋼渣加工量大。對(duì)環(huán)境和節(jié)能兩方面都不利。鋼渣安定性差
唐鋼、武鋼二煉鋼
盤潑法
是將熱熔渣倒在渣罐中，運(yùn)至渣盤邊，用吊車將罐中的渣均勻倒在渣盤中，待表面凝固即噴淋大量水急冷，再傾翻到渣車中噴水冷卻，最后翻入水池中冷卻
快速冷卻、占地少、處理量大、粉塵少、鋼渣活性較高
渣盤易變形、工藝復(fù)雜、運(yùn)行和投資費(fèi)用大。鋼渣安定性差
新日鐵、寶鋼
水淬法
高溫液態(tài)渣在流出、下降過程中被壓力水分割、擊碎，再加上高溫熔渣遇水急冷收縮產(chǎn)生應(yīng)力集中而破裂，同時(shí)進(jìn)行了熱交換，使熔渣在水幕中?；?
排渣快、流程簡單、占地少、投資少，處理后鋼渣粒度小(5ｍｍ左右)，性能穩(wěn)定
熔渣水淬時(shí)操作不當(dāng)，易發(fā)生爆炸，鋼渣粒度均勻性差。只能處理液渣
濟(jì)鋼、齊齊哈爾車輛廠、美國伯利恒鋼鐵公司
滾筒法
高溫液態(tài)鋼渣在高速旋轉(zhuǎn)的滾筒內(nèi)，以水作冷卻介質(zhì)，急冷固化、破碎
排渣快、占地面積較小，污染小，渣粒性能穩(wěn)定
鋼渣粒度大，不均勻( >9.5ｍｍ達(dá)18%)，活性差，設(shè)備較復(fù)雜，且故障率高，設(shè)備投資大。只能處理液態(tài)渣
寶鋼二煉鋼
風(fēng)淬法
用壓縮空氣作冷卻介質(zhì)，使液態(tài)鋼渣急冷、改質(zhì)、?；?
安全高效，排渣快、工藝成熟，占地面積較小。污染小，渣粒性能穩(wěn)定，粒度均勻且光滑( >5ｍｍ沒有)，投資少
只能處理液態(tài)渣
日本鋼管公司福山廠、臺(tái)灣中鋼集團(tuán)、重鋼
粒化輪法
將液態(tài)鋼渣落到高速旋轉(zhuǎn)的?；喩希谷墼扑樵?，噴水冷卻
排渣快、適宜于流動(dòng)性好的高爐渣
設(shè)備磨損大，壽命短，處理量大則水量小時(shí)易發(fā)生爆炸，處理率低。粒度不均勻( >9.5ｍｍ達(dá)29%)
沙鋼
從表3可知，從液態(tài)鋼渣流動(dòng)性的角度考慮，滾筒法、風(fēng)淬法、水淬法和?；喎ㄖ荒芴幚砹鲃?dòng)性好的鋼渣，盤潑法、熱潑法和熱悶法可以處理流動(dòng)性差的渣；從工藝繁雜程度、裝置投資角度看，風(fēng)淬法、熱悶法較簡單，投資少、設(shè)備磨損小；從節(jié)能和環(huán)境保護(hù)角度考慮，風(fēng)淬法、熱悶法、滾筒法可行；從處理后鋼渣粒度的均勻程度考慮，風(fēng)淬法得到的鋼渣粒度最小而且均勻；從處理后鋼渣的安定性和活性考慮，風(fēng)淬法和熱悶法較好；因此，處理流動(dòng)性好的鋼渣的最佳工藝是風(fēng)淬法，處理流動(dòng)性差的鋼渣的最佳工藝是熱悶法。
熱悶法是將熱融鋼渣冷卻至800～300℃裝入熱悶裝置中噴霧遇熱渣產(chǎn)生飽和蒸汽，與鋼渣中游離氧化鈣ｆ ＣａＯ、游離氧化鎂ｆ ＭｇＯ發(fā)生反應(yīng)，使鋼渣自解粉化，達(dá)到鋼渣破碎的目的，同時(shí)消除了鋼渣的不穩(wěn)定因素，使鋼渣在建筑建材上的應(yīng)用安全可靠，磁選后尾渣的利用率可為100%。該工藝不用大量的水浸泡保證了鋼渣中水硬性礦物Ｃ3Ｓ、Ｃ2Ｓ的活性不下降，同時(shí)熱悶法對(duì)噴濺渣、流動(dòng)性差的鋼渣都能進(jìn)行處理。
提高鋼鐵企業(yè)鋼渣利用率的主要途徑是在建筑建材行業(yè)多途徑利用，應(yīng)大力開發(fā)和完善鋼渣在建筑建材行業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)，圍繞此主要利用途徑反向選擇鋼渣處理工藝。從鋼鐵企業(yè)的鋼渣整體情況和提高鋼渣的處理率來看，認(rèn)為風(fēng)淬法和熱悶法聯(lián)合應(yīng)用是非常穩(wěn)妥的最佳選擇，風(fēng)淬法處理流動(dòng)性較好的液態(tài)鋼渣，使60%左右的鋼渣處理后粒度適宜，加工量小、活性大、安定性好，其余流動(dòng)性較差的液態(tài)鋼渣和固態(tài)渣采用熱悶法處理，使之活性大、安定性好，這樣就為鋼鐵企業(yè)的比較難以利用的二次資源—鋼渣的100%利用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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