钢渣磨料的应用现状_张新杰.pdf

总第 328 期2023 年第 4 期HEBEI METALLUGYTotal No 3282023，Number 4钢渣磨料的应用现状张新杰，邢宏伟，裴晶晶(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063009)摘要:钢渣是钢铁生产过程中产生的固体废弃物。我国作为钢铁生产大国，随着钢材生产量的增加，钢渣年排放量日渐提高。目前钢渣资源综合利用率较低，与发达国家存在一定的差距，尤其是在道路回填及制备钢渣水泥等大量消耗钢渣方面的差距尤为突出。我国未被利用的钢渣主要以露天堆存的方式进行处理，不仅占用大量土地资源，还给水资源、土壤和大气环境带来非常严重的不利影响。本文详细介绍了钢渣的主要成分及物理性质;在钢渣的理化性质基础上，论述了国内外钢渣在建筑材料、冶炼原料、金属提取、陶瓷制造、道路施工和农业生产等各方面的综合利用途径;介绍了华北理工大学课题组气淬法制备钢渣磨料的工艺流程;详述了转炉滚筒钢渣、热闷罐钢渣、慢冷钢渣和水淬钢渣等钢渣经处理后制备的钢渣磨料的使用现状。最后从钢渣实际综合利用出发，针对钢渣作为非金属磨料使用以提高钢渣资源综合利用附加值的可行性进行了探讨，为钢渣资源化综合利用的研究提供参考。关键词:钢渣;钢渣磨料;资源化;高附加值中图分类号:X756文献标志码:A文章编号:1006 5008(2023)04 0074 05doidoi:10 13630/j cnki 13 1172 2023 0417APPLICATION STATUS OF STEEL SLAG ABAPPLICATION STATUS OF STEEL SLAG AB ASIVESASIVESZhang Xinjie，Xing Hongwei，Pei Jingjing(School of Metallurgy and Energy，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，Hebei)AbstractAbstract:Steel slag is a solid waste generated during the production of steel Chinas annual emission of steelslag is increasing with the expansion of steel production，and the biggest problem is that the comprehensiveutilization rate of steel slag resources is low，and there is a certain gap with developed countries In particu-lar，the gap between road backfilling and the preparation of steel slag cement and other large quantities ofsteel slag is particularly prominent Chinas unused steel slag is mainly treated in the form of open storage，which not only occupies a large amount of land resources，but also has a very serious impact on water re-sources and atmospheric environment The main components and physical properties of steel slag are intro-duced in detail;based on the physical and chemical properties of steel slag，the comprehensive utilization ofdomestic and foreign steel slag in building materials，smelting raw materials，metal extraction，ceramic man-ufacturing，road construction and agricultural production is discussed The process flow of gas quenching toprepare steel slag abrasives by the research group of North China University of Science and Technology wasintroduced The use status of steel slag abrasives prepared after treatment of steel slag such as converter drumsteel slag，hot stuffy tank steel slag，slow cooling steel slag and water quenched steel slag is detailed Final-ly，starting from the actual comprehensive utilization of steel slag，the feasibility of using steel slag as a non metallic abrasive to improve the added value of comprehensive utilization of steel slag resources is dis-cussed，which provides a certain reference for the research on the comprehensive utilization of steel slag re-sourcesKey wordsKey words:steel slag;steel slag abrasives;recycling;high added value收稿日期:2022 12 02作者简介:张新杰(1989 )，女，硕士，主要研究方向为冶金节能与资源综合利用，E mail:787257539 qq com0引言根据世界钢铁协会的统计数据，即使在新冠疫情的影响下，2020 年 9 月全球粗钢产量同比增加47河北冶金2023 年第 4 期2 9%，而中国粗钢产量最大，占总产量的 50%以上，数据显示美国、日本等发达国家钢渣综合利用率已达到 100%，俄罗斯的钢渣利用率也超过 40%，而我国作为全球钢铁生产大国之一，每年钢渣产出量约有 1 亿 t，钢渣的堆存总量已达到了 2 亿多吨，但钢渣综合利用率极低，仅为 30%左右，与发达国家之间的差距较大1 3。近年来，我国政府也出台了一系列环境保护法律法规来推进钢铁固废综合利用，促 进 钢 铁 行 业 的 低 碳 绿 色、可 持 续 发 展。2020 年实施的 中央预算内投资生态文明建设专项资金支持 中明确指出，对满足相应条件的包括冶金工程渣在内的固废资源综合利用项目，进行适当的补贴投资;2020 年修订的中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法 中明确提出了固体废弃物污染环境防治过程要坚持减量化、资源化和无害化等原则;2019 年我国发改委出台的关于推进大宗固体废弃物综合利用产业聚集发展的通知 提出要积极推动钢渣尾渣的深化研究、分级分类利用、优质利用和规模化使用等措施，推广耗渣大、能耗低的高附加值产品，全面实现钢渣的“零排放”4。由此可见，提高钢铁企业废渣的资源化处置能力和高附加值利用已成为国内钢铁行业亟待解决的主要问题。1钢渣1 1钢渣主要成分钢渣作为钢铁工序的副产品，主要是由金属氧化物、炉衬耐火材料、冶炼造渣材料以及各种金属炉料中带入的杂质等组成5，6。钢渣的组成成分因冶炼工艺的不同而存在一定差异，根据熔炼方式的不同，可将钢渣分为转炉渣、精炼渣、电炉渣、电渣重熔渣等。钢渣的主要化学成分是氧化钙、氧化铁、二氧化硅和一些含氧化镁等的氧化物，不同钢渣的主要化学成分如表 1 所示。除此之外，钢渣的主要化学成分还受原矿的性质、钢种类型以及冶金工艺流程中各种其他因素的影响，不同钢厂钢渣的化学成分也有所不同，但一般是以硅、铝、铁、钙、镁、钾和钠等元素的金属氧化物为主要成分，我国部分钢铁企业的钢渣化学组成7，8 如表 2 所示。表 1不同钢渣的主要化学成分(质量分数)Tab 1Main chemical composition of different steel slagswt%组分SiO2Al2O3CaOFeOMgOMnOCaF2P2O5转炉渣14 186 933 4210 232 88 121 2电炉渣10 223 640 528 156 127 1005 1 5精炼渣16 185 750 55100 10058 11电渣重熔渣3070表 2部分钢铁公司的钢渣化学成分(质量分数)Tab 2Chemical composition of steel slag in some steel companieswt%组分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO2Of CaO首钢14 7040622674800762008102马钢0 16269252441301361467628鞍钢12 50198232941721141012076宝钢10 9236418203985701002167武钢13 73627251045403839791511 2钢渣综合利用现状在钢铁生产过程产生的大量固体废弃物中，产量最高的是高炉渣，其次是转炉钢渣9。在我国，每年钢渣总产量约为 1 亿 t，但其利用率仅为 30%左右。目前，除了传统的垃圾填埋或堆积的处理方式外，国内外研究人员还成功地将钢渣应用在建筑材料、冶炼原料、金属提取、陶瓷制造、道路路面施工和农业化肥生产等诸多领域。在建筑材料方面，Ameri10 等人研究钢渣作为骨料替代物对冷拌再生沥青路面机械性能的影响，结果表明钢渣的使用可以提高混合料稳定性、抗拉强度等性能。Lcbc11 评估了钢渣为骨料和钢渣粉掺合料生产的混凝土抗氯离子侵蚀的耐久性，与常规混凝土相比，钢渣骨料与钢渣粉配制的混凝土具有较低的氯离子渗透深度，用钢渣骨料配制的混凝土吸水率更小，抗压抗拉强度更高。Haijun12 等人采用湿磨技术对钢渣进行精制，随着 3 m 粒度钢渣掺量的增加，初凝时间和终凝时间延长，湿磨钢渣水泥试件的黏度显著增加，抗压强度明显提高，孔隙率降低，有利于水泥浆体孔结构的力学性57总第 328 期HEBEI METALLUGY能和致密性的提高。王超13 等用气淬钢渣微珠代替了部分细骨料配制混凝土，结果表明 3 d、7 d 抗压强度改变并不明显，而 28 d 抗压强度下明显提高;在金属提取方面，Owais14，15 等人通过湿法萃取磨矿的方法从炼钢渣中高效回收钙，与机械混合相比，该工艺钙的产量提高了35%70%。Jinrong16 等人研究了一种协同利用工艺，该工艺可有效处理钒钛磁铁矿冶炼过程中产生的酸性废水和含钒钢渣这两种废弃物，与此同时回收了钒、钛、铁等资源。李东明17 等人通过钒铁合金冶炼工艺关键技术将湿基钒酸铁脱水烘干后获得钒平均含量达到30 73%的高铁钒铁合金，有效提高了钒的回收率;在陶瓷制造方面，Wu18 等人以钢渣和高岭土为主要原料，以聚氨酯海绵为模板，通过研究钢渣粒度、料浆固含量以及聚羧酸减水剂添加量对陶瓷性能的影响，制备出高孔隙率、低容重的多孔陶瓷，为多孔陶瓷的主要原料找到了替代品，同时也解决了钢渣的回收问题。Chukwudi19 等人以高岭石黏土和钢渣为主要原料研究了陶瓷砖的烧结特性，试验数据显示:掺量在 20%60%之间的钢渣，制备的陶瓷砖特性良好。Zong20 等人将不锈钢渣和 SiO2、MgO 等物质用作烧结原材料制备出了高附加值陶瓷制品。此外，王一竹21 等人使用热重分析法，通过测定 C 钢渣和 S 钢渣在 100 1 000 的热稳定性，发现两种钢渣在 1 000 以内基本稳定。热重试验前后，两种钢渣的主要组成都发生了改变，其微观结构较稳定。与太阳能光热发电站中普遍使用的蓄热材料的加热特性进行对比，发现两种钢渣密度较大、传导性传热率高、比热容高。Chamtuet 22 使用钢渣作为水系统中砷的低成本吸附剂，去除机理为CaCO3的共沉淀和吸附。并且，钢渣处理污水具有较好的吸附性、易与固液混合物分散、吸附精简、价格低廉等优势。以上研究表明，钢渣的原料制备、冶炼工艺、处理方式等都会影响钢渣的化学成分、性质、结构和粒度，最终影响钢渣的资源化利用。而钢渣本身具有良好的物理性能，包括硬度、耐磨性、耐腐蚀性、粘附性、粗糙度及韧性等，与其他常用非金属磨料性能相似，因此将钢渣用作非金属磨料使用是提高钢渣综合利用附加值的一个重要方向。2钢渣磨料2 1磨料的性质及分类磨料是一类锐利、坚硬的材料，其化学成分相对稳定且具备耐高温的特性，磨料主要用以磨削较柔软物体材料的表面，其在加工速度、切削深度以及工件表面粗糙程度的磨削方面取得了卓越的成就。磨料的目数、种类以及硬度等特性参数对研磨效果能够产生很大的影响。不同工件材质选择适当的磨料才能达到最佳的使用效果以及提高工件的使用寿命，而不同工件材质的表面特性、磨料性能参数、工艺参数之间都存在着相应的关联，确定最佳的磨料和工件表面间的匹配性才能够获得最优的加工效果和最低的加工成本23。磨料种类极多，根据磨料主要材质的不同可以分为金属磨料和非金属磨料两大类24。金属磨料主要有钢砂、钢丸、钢丝切丸以及棱角钢砂等。非金属磨料则主要有黄砂(河砂)、石英砂、铜矿渣、玻璃等。其中，非金属磨料按照材料、来源和制造方法可以分为天然产物和合成物。天然产物主要有硅砂、橄榄石砂、十字石砂和石榴石，合成物主要包括硅酸钙渣、硅酸铁渣、硅酸铝渣和氧化铝熔渣等;按照初始颗粒形状将非金属磨料分为圆形丸粒和具有棱角的砂粒，但大多非金属磨料均为砂粒25。根据硬度的不同，可将磨料分为超硬磨料和普通磨料两大类，普通的非金属磨料结构大多是玻璃体，其表面光滑、结构紧密;超硬的非金属抛光磨料主要有金刚石、氧化铝、氧化铬、氧化铁和氧化镁等。2 2钢渣磨料的制备工艺钢渣本身具有结构疏松、不易粘结、质地坚硬紧密、空隙小、含铁量高、抗压耐热性能及耐磨性能良好等特性。目前，国内外对钢渣可磨性进行深入研究的文献其实并不多，国内一些学者通过分析钢渣的化学成分、颗粒分布以及硬度和压碎值等相关数据提出了钢渣做磨料的可行性，并通过实验验证钢渣磨料与非金属磨料的性质相近，在喷砂除锈效果上也相对较好。因此，从钢渣的主要来源、粒径大小、游离 SiO2的含量、坚硬程度及棱角和除锈效果的分析来看，钢渣磨料用作非金属磨料使用具有良好的经济效益和广阔的发展前景。华北理工大学以钢渣为原料，经直流电弧炉重熔后，利用高压高速气流将液态熔渣破碎成高性能钢渣颗粒。气淬法制备钢渣磨料的工艺流程如图 1所示，主要包括加热、喷吹冷却、筛分等工序。具体工艺流程:向电弧炉中加入焦炭，通电引燃电弧炉升高炉温，然后由进渣口多批次、少批量地加入钢渣。当钢渣加热至可流动的熔融状态，停止加热，将高温熔渣缓慢的由出渣口经过渣槽垂直向下流出。此时，用高压气体喷射流经喷嘴的液态熔渣，67河北冶金2023 年第 4 期使其破碎成细小颗粒。最后，冷却后的不同粒径的球状钢渣磨粒放入磨料收集器，经过筛分得到不同粒径等级的分散球形钢渣磨料。图 1气淬法制备钢渣磨料的工艺流程Fig1Process flow of preparing steel slag abrasives by gas quenching气淬法制备钢渣磨料工艺简单，钢渣磨料不需要破碎可直接利用，其主要的化学成分有 SiO2、CaO、MgO、Al2O3、MnO 和 P2O5等氧化物。钢渣磨料呈球状，其强度高、耐磨、耐高温和化学稳定性等性能与传统磨料性能相似。开发钢渣作为磨料使用为钢渣资源化利用提供了新的应用方向。2 3钢渣磨料的应用现状钢渣种类繁多、成分复杂，本身特性与天然石材特性十分相似，都具有多菱角、硬度高以及耐磨性能良好等性质。近年来，随着对国内外有关钢渣制备磨料等工艺技术的深入研究和发展，已经取得了一系列的科技研究成果，这些技术都充分发挥了钢铁废渣的优点，实现了对钢渣的二次资源化利用，满足了我国倡导的科技发展和循环经济的理念宗旨，是典型的节能减排和绿色健康技术。Zong26 等人针对风淬渣粉难磨的问题提出了过程组分改性方案，结果显示，风淬前向钢渣中加入一定量的改性剂(粉煤灰)，粉煤灰与钢渣在高温条件下发生反应生成一些新的矿物相和可磨性较好的玻璃体可以有效地改善钢渣的易磨性。沈蓓红27 等人从钢渣的理化特点、环保性能等角度，分析了上海宝山钢铁公司中滚筒钢渣作为非金属磨料使用的优势以及存在的问题，研究发现 BSSF 钢渣用作非金属氧化物磨料具有硬度高、热循环效率高，且游离结晶硅含量低的优点，因此在铜矿砂深加工附加值利用背景下具有可替代性。唐欧靖28 发现滚筒钢渣加工处理之后与非金属磨料性能相近，符合除锈磨料要求，但不适用涂装要求较高领域。蒋兴浩29 等人对宝钢 C 类型滚筒渣进行细磨后可作为混凝土掺合料以及喷砂除锈型砂使用，这也反映了钢渣坚固耐磨的独特优势，可以替代自然资源使用。杨刚30 等人根据钢渣非金属磨料与铜矿砂的循环利用指标进行对比试验，发现滚筒渣制成的特种型砂循环利用次数远大于铜矿砂。蒋亮31 等人通过利用氧化改质控制了钢渣中非磁性铁的氧化物向强磁性镁铁尖晶石的转化，使得改性后的钢渣粒径由最初的 100 m 量级达到10 m 量级，大大提高了钢渣的易磨性，进而制备出高品质的钢渣微珠。Kambhand32 等人分析发现铁矿渣用作喷砂除锈磨料具有硬度大、耐磨性能好等优势，而铜矿渣用作喷砂磨料时，各种喷吹工艺参数对喷吹效果的影响及其优选办法也大不相同，为提高工业的生产效率和铜矿渣的消耗量提供了有利依据。赵三银33，34 等人通过开展钢渣粉磨特性的试验研究，发现热闷罐钢渣的易磨性优于慢冷钢渣和水淬钢渣，同时在钢渣粉磨动力学的实验研究中发现，水淬钢渣的易磨性低于慢冷钢渣。华北理工大学气淬钢渣微珠是利用高压气体射流液态钢渣，经过冷却后得到不同粒径的钢渣磨料，通过研究气淬钢渣的磨削性能及其对工件表面的影响规律，为气淬钢渣磨料作为非金属磨料应用在研磨领域提供依据。3讨论(1)转炉滚筒钢渣密度和硬度两项指标能达到非金属磨料的技术要求，因此可作为除锈磨料，但其水溶性氯化物含量高于非金属磨料的技术标准要求，在对油漆涂装要求较高的除锈领域并不适用。(2)慢冷钢渣和水淬钢渣结构致密，难以磨细。在实际工业化制备过程中需要采用球磨机设备并辅以相关的助磨技术完成。(3)经气淬处理后的钢渣呈粒状或花朵状，有少量不稳定的游离钙质，可以通过改变熔渣的相组成，提高熔渣的可磨性，不易破碎的硬渣还可用作喷砂磨料使用。4结语通过对钢渣及钢渣磨料在各个领域应用现状的分析可以看出，我国钢渣的利用方式逐渐向多元化、综合化及规范化的方向发展，但尚未有更加经济合理、大规模的工业处理方式。目前未及时利用的钢渣占用大面积的土地来堆积存放，导致土地资源的严重浪费，给土壤、水资源、大气环境及人类生存带来极大危害。气淬法制备钢渣磨料工艺简单，利用粒状的钢渣不经粉碎，直接筛分获得不同粒径的钢渣磨料，节省了加工成本。从钢渣健全性和可77总第 328 期HEBEI METALLUGY磨性入手，突破了钢渣利用的又一瓶颈，为直接利用钢渣提供了一条新的途径，对钢铁工业节能和固废资源的高效利用具有十分重要的意义。参考文献 1王吉凤，付恒毅，闫晓彤，等 钢渣综合利用研究现状J 中国有色冶金，2021，50(6):77 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