钢渣的综合利用

钢渣是冶金生产过程中一个很重要和含量占主要的产物。在以前的钢铁生产中都将其作为废物而直接遗弃。虽然其为钢铁生产中的废弃物，但因其含有许多有用矿物和许多微量元素以及其特别的物理机械性能，因此其用途也较广泛。类似以前生产的直接丢弃将造成资源的严重浪费。研究钢渣的综合利用意义重大。不仅保护环境，合理利用资源，还能节约成本。

钢渣的概述

钢渣主要由钙、 铁、 硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成。主要的矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等。有的地区因矿石含钛和钒，钢渣中也稍含有这些成分。钢渣中各种成分的含量因炼钢炉型、钢种以及每炉钢冶炼阶段的不同，有较大的差异。

钢渣为熟料，是重熔相，熔化温度低。重新熔化时，液相形成早，流动性好。钢渣作为二次资源综合利用有两个主要途径，一个是作为冶炼溶剂在本厂循环利用，不但可以代替石灰石，且可以从中回收大量的金属铁和其他有用元素；另一个是作为制造筑路材料、建筑材料或农业肥料的原材料

钢渣在温度 1500～1700℃下形成，高温下呈液态，缓慢冷却后呈块状，一般为深灰、深褐色。有时因所含游离钙、镁氧化物与水或湿气反应转化为氢氧化物，致使渣块体积膨胀而碎裂；有时因所含大量硅酸二钙在冷却过程中(约为675℃时)由β型转变为 γ型而碎裂。如以适量水处理液体钢渣，能淬冷成粒。

钢渣来源

(1)钢铁料中的Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物；

(2) 冶炼过程中加入的造渣材料；

(3) 冶炼过程中被侵蚀的炉衬耐火材料；

(4)固体料带入的泥沙。

排渣目的

(1)去除钢中的有害元素P、S；

(2)炼钢熔渣覆盖在钢液表面，保护钢液不过度氧化、不吸收有害气体、保温、减少有益元素烧损；

(3)吸收上浮的夹杂物及反应产物；

(4)保证碳氧反应顺利进行；

(5)可以减少炉衬蚀损。

基于上文所述钢渣所拥有的物化性质及其形成与来源，国内外有很多对钢渣综合利用或处理的方法。

处理方法

20世纪初期即开始研究钢渣的利用，但由于它的成分波动较大，迟迟未能实际应用。70年代初，美国首先把每年排放的1700万吨钢渣全部利用起来。目前，德意志联邦共和国，钢渣绝大部分已得到利用。英国、法国的钢渣利用率为60%左右,日本为50%左右,中国为10%左右。

世界许多国家处理钢渣的通行方法是热泼法，即将液体钢渣泼入专门的处理场,渣层厚度在30厘米以下,喷淋适量的水促其冷却，然后进行破碎、筛分、磁选，以回收其中金属，渣块则进行综合利用。美国伯利恒钢铁公司和中国一些钢厂都采用水力冲渣法使电炉渣、平炉前期渣实现粒化。冲水水压为2.5～8千克力/厘米2,渣和水之比为1比10以上。此法工艺简单,得到的钢渣粒度大多在1厘米以下,便于利用。但用水量大，须解决水的处理和循环利用问题。1974年以来，日本的新日本钢铁公司采用浅盘(ISC盘)水淬法(见图)处理转炉渣。处理方法是将液体钢渣泼入浅盘，渣层厚度约10厘米，喷水使渣冷却到500℃左右,固化后将渣倾倒在运渣车上,再度喷水使渣冷却到200℃左右，然后倒入泡渣池，冷却至常温。经过处理的渣，颗粒大多在10厘米以下。此法节省处理场地，操作较水力冲渣法安全，周转快，节省投资和设备，对环境的污染程度较轻。

利用途径

钢渣的利用途径大致可分为内循环和外循环， 内循环指钢渣在钢铁企业内部利用，作为烧结料的原料和炼钢的返回料。钢渣的外循环主要是指用于建筑建材行业。

1 钢渣的内循环利用

钢渣返烧结主要是利用钢渣中的残钢、氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化锰等有益成分，而且可以作为烧结矿的增强剂，因为它本身是熟料，且含有一定数量的铁酸钙，对烧结矿的强度有一定的改善作用，另外转炉渣中的钙、镁均以固溶体形式存在，代替溶剂后，可降低溶剂(石灰石、白云石、菱镁石)消耗，使烧结过程碳酸盐分解热减少，降低烧结固体燃料消耗。

钢渣在钢铁企业内部循环历来受到重视和普遍采用，配加转炉渣的烧结矿可改善高炉的流动性，增加铁的还原产量。但是配矿工艺对返烧结有影响，过度使用会造成Ｐ等有害元素的富集；配加转炉渣的烧结矿品位、碱度有所降低。研究表明，当高炉炉料使用100%自熔性球团矿时，5%转炉渣作为溶剂加入会引起高炉运行不畅，原因是明显影响球团矿的软熔特性，增大软熔温度间隔，使炉渣粘性有增大趋势。另外钢渣的成分波动较大，烧结配矿时要求钢渣各种氧化物成分波动≤±2%，粒度要求一般小于3ｍｍ，钢渣在成分上很难满足要求，对钢渣破碎和筛分的要求也高。

由于这些不利因素存在，尤其是各大钢铁公司普遍采用富矿冶炼，推行精料入炉方针，同时要求炼钢和炼钢工序的能耗和材料消耗指标不断降低，致使返回烧结利用的钢渣量越来越低。目前马钢混匀烧结矿中只加入1%左右，而且是间断式配加。

2 钢渣的外循环利用

钢渣的外循环主要是建筑建材行业，钢渣在此行业中利用受制约的主要因素是钢渣的体积不稳定性。

钢渣的用途因成分而异。美国每年以排渣量的2/3作为炼铁熔剂,直接加入高炉或加入烧结矿，在钢铁厂内部循环使用。钢渣的成分中，除硅无用和磷有害外，钙、铁、镁和锰

（共占钢渣总量的80%）都得到利用。但硫、磷含量较高的钢渣作为熔剂，会使高炉炼铁的利用系数降低，焦比增加。法国、德意志联邦共和国、加拿大等国都把这类钢渣用作铁路道碴和道路材料。做法是先将加工后的钢渣存放3～6个月，待体积稳定以后使用。这类钢渣广泛用于道路路基的垫层、结构层，尤宜用作沥青拌合料的骨料铺筑路面层。钢渣筑路，具有强度高，耐磨性和防滑性好,耐久性好,维护费用低等优点。西欧各国用高磷钢渣作肥料有悠久的历史。钢渣中的钙、硅、锰以及微量元素均有肥效，可作为渣肥施于酸性土壤。各类钢渣均可作为填坑、填海造地材料。中国目前生产少量钢渣水泥，多用转炉钢渣掺50%左右高炉粒化渣，10%左右石膏，磨制无熟料钢渣水泥，或以15%左右水泥熟料代替钢渣磨制少熟料水泥。中国有些地方利用电炉钢渣生产白钢渣水泥。日本、德意志联邦共和国利用钢渣作为水泥生料，焙烧铁酸盐水泥，可节约能源。此外，钢渣还可制造砖、瓦、碳化建筑材料等。

下面具体介绍钢渣处理的各个方向及其处理技术。

（1）生产水泥

钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的硅酸二钙和硅酸三钙。高碱度转炉钢渣中两者含量在50％以上，中、低碱度的钢渣中主要为硅酸二钙。钢渣的生成温度在1 560℃以上。而硅酸盐水泥熟料的烧成温度在1 400℃左右。钢渣的生成温度高。结晶致密，晶粒较大。水化速度缓慢。因此可以将钢渣称为过烧硅酸盐水泥熟料。以钢渣为主要成分。加入一定量的其他掺合料和适量石膏，经磨细而制成的水硬性胶凝材料．称为钢渣水泥。生产钢渣水泥的掺合料可用矿渣、沸石、粉煤灰等。为了提高水泥的强度，有时还可加入重量不超过20％的硅酸盐水泥熟料。高碱度钢渣含有大量C3S，GS等活性物质，有很好的水硬性，把它与一定量的高炉水渣、烧石膏、煅水泥熟料及少量激发剂配合球磨，可生产钢渣矿渣水泥。钢渣可作混凝土掺合料，将足够的钢渣分散到水泥基料中，可起到改善混凝土导电

性的作用。普通水泥基复合材料在干燥条件下是1种高电阻率的非导电材料，而钢渣中含有较多的铁氧化物以及未氧化的Fe，因此，是1种导电性能良好的材料。导电混凝土的导电性和潜在的机敏眭，使其具有非常广泛的用途。

（2）钢渣用于路基垫层

钢渣在路基上能否得到广泛使用, 决定于钢渣是否符合道路工程的各项使用要求, 钢渣在路基垫层中应用, 其粒度应控制在60mm 以下, 自然堆放或稍加喷淋3 个月以上其粒度基本符合要求 , 钢渣中游离CaO随着钢渣龄期的增长而明显减少, 3 个月后基本稳定在< 5. 5%的水平, 其粉化率亦不断下降, 稳定性提高。影响钢渣作路基垫层使用的另一个要求是钢渣的力学强度。

（3）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Fe。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100～300mm，可从中回收6．4％的金属Fe，破碎到80～lOOmm，可回收7．6％的金属Fe，破碎到25—75ram，回收的金属Fe量达15％。国内外从很早就开始从钢渣中回收废钢铁。

（4）作烧结熔剂

烧结矿中配加钢渣代替熔剂，不仅回收利用了钢渣中的残钢、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化锰等有益成分，而且可以提高了烧结矿的产量。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。

（5）作高炉溶剂

早在二十世纪四十年代，国外就开始用钢渣作高炉溶剂。钢渣做高炉熔剂的主要优点有：回收利用了渣中大量的金属铁。利用1t 钢渣，可大量节省烧结矿用量和石灰石用量。可提高高炉的脱硫能力。钢渣使高炉的流动性和稳定性变好，提高料柱的透气性。即使炉料顺行又提高了炉渣的脱硫能力。高炉配用钢渣量，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。经济效益提高。

（6）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士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，我国宝冶钢渣公司己在道路、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l0％(质量分数)时，其抗折强度比普通基准混凝士提高约30％，脆度系数降低30％，耐磨性能提高13％以上。

（7）农业方面的应用

钢渣中含有P，Si，Ca，Mg等有利用价值的元素，可以起到不同程度的肥效作用，因此可以用作生产钢渣磷肥、钢渣硅肥、酸性土壤改良剂以及钙镁磷肥等。钢渣磷肥是由含磷生铁用托马斯法炼钢时所生成的碱性炉渣经轧碎、磨细而得，主要有效成分是磷酸四钙和硅酸钙的固溶体，并含有镁、铁、锰等元素，适用于酸性土壤，可作基肥。钢渣硅肥中含有较多的可被植物吸收的活性硅，施用具有极好的效果，主要用于水稻、小麦、玉米等喜硅作物，尤以水稻对硅最敏感。钢渣中含有较高的CaO和MgO，因而具有很好的改良酸性土壤和补充钙镁营养元素的作用。钢渣中除含有硅、磷等有效成分可直接用作农肥外，还可利用其中高含量的氧化钙和氧化镁，将其作为助剂与矿石一起制备成钙镁磷肥，对农作物的增产具有明显的效果。

（8）钢渣用作土壤改良剂

我国钢渣在农业改良土壤方面的应用始于20世纪50年代末60年代初。钢渣中钙、镁元素含量较高，呈碱性，可用来改良酸性土壤。传统上多采用石灰来调节酸性土壤的pH值和改善土壤结构，但长期施用石灰也存在一定的副作用，它会引起镁、钾、钙等元素的失衡，从而降低镁的活度和植物有效性。而采用钢渣作为酸性土壤改良剂．钢渣中含的CaO能在很长时期内缓慢中和土壤，且由于钢渣本身含有可溶性的镁和磷，可以取得比石灰改良酸性土壤更好的效果。

钢渣的综合利用符合国家国民经济可持续发展的需要, 虽然近几年来已在钢渣资源化技术的开发及应用上取得了一定的成绩, 但最明显的缺陷是钢渣的利用率与发达国家相比还相差甚远, 特别是新领域的开拓和新技术的开发还有很大的距离,因此我国在此方面的研究仍任重而道远。传统的钢渣综合利用途径虽然技术成熟，但许多仍存在着资源并未充分利用或造成较大污染等问题。所以研究新的利用途径和方法意义重大。

钢渣利用的新途径

（1）钢渣热态成型为陶瓷产品新技术

国外已经在研究用水淬渣制造高附加值陶瓷产品。例如: 美国的Agarwal G 等人利用钢铁炉渣制造富CaO 的微晶玻璃, 具有比普通玻璃高2 倍的耐磨性及较好的耐化学腐蚀性。西欧的Goktas AA 用废钢铁炉渣制造出透明玻璃和彩色玻璃陶瓷, 拟用作墙面装饰块及地面瓷砖。从以上文献可以看出, 利用钢铁炉渣来制造结构性能稳定的陶瓷建筑制件是完全可行的。但是现有研究大部分是将水淬后的钢渣加入添加料后重熔, 需消耗大量的能量。早在1979 年美国 Harada G 等人利用熔融钢渣与铝业红泥作用来改善钢渣的结构稳定性, 使钢渣能满足作为路基或碎石的替代品。他们认为熔融钢渣与红泥在高温下能发生热化学反应, 产生不膨胀、不破碎的成分, 从而使冷却后的钢渣结构稳定。如果在出炉的高温熔融钢渣中加入一定的调节料, 混合均匀后浇注到铸型中, 直接得到任意形状的建筑制件。这样既消除了钢渣水淬工艺带来的污水等环境污染问题, 又节省了大量的热能, 而且简化了钢渣资源化的流程, 由熔融钢渣直接获得高附加值的陶瓷产品。该钢渣热态资源化利用新技术投资小, 非常适合我国的中小规模钢铁企业。

（2）高炉渣和钢渣可建设人工藻场

一是高炉渣和钢渣碳酸固化体及附生其上的大型海藻均可吸收氮、磷等营养盐，起到净化水质、减轻海水富营养化的作用，预防赤潮爆发。二是高炉渣和钢渣碳酸固化体不仅能向海水提供铁、硅等营养元素，而且能使海水中营养元素的浓度比更接近于海洋中浮游植物生长的最适比例，促进浮游植物生长繁殖，提高海洋初级生产力。三是高炉渣比天然海砂更适合多种底栖生物繁衍生息，通过促进底栖生物固定营养盐、分解有机物，使海底底质得到净化。四是钢渣对铜、铬、镍、铅等重金属离子具有良好的去除能力，可起到净

化海水的作用。五是生长迅速的大型海藻具有极高的初级生产力，为初级消费者提供了丰富的食物，同时也吸引了大量以藻食动物为食的捕食者。藻场还为海洋生物提供了附着基质、繁殖场所和逃避敌害的场所。为了实现高炉渣和钢渣资源的最优化利用和海洋生态环境的有效改善，应加强对高炉渣和钢渣用作覆砂材料、人工藻礁材料的基础和应用技术研究，积极推广利用高炉渣和钢渣在近海海域构建人工藻场。

结语

钢渣是“放错了地方的资源”。钢渣的综合利用无论对于钢铁厂本身，还是对国家、对社会都具有十分重要的意义。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，一些影响因素使得钢渣不能稳定可靠地应用。因此，还应进一步加强对钢渣物性的深入了解，加强钢渣在废水处理方面的吸附原理的研究，开发高性能钢渣水泥，解决其膨胀性，大力推广钢渣处理和综合利用的新成果，提高钢渣的利用率和附加值，对减轻环境污染具有重要的意义。而对于身为冶金专业的我们来说，我们理所当然应该以此为己任。好好学习专业知识，刻苦钻研。努力提高自身知识的同时，时刻关注钢铁行业的发展趋势，努力为解决冶金行业的生产缺陷。提升行业的发展潜力。

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