我国钢渣特性与主要处理方法及资源化利用现状.pdf

冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.132收稿日期：2023-10-19作者简介：庄剑恒(1983)，男，高级工程师。Email：我国钢渣特性与主要处理方法及资源化利用现状庄剑恒1，朴星君2，王冠1（1.湛江中冶环保运营管理有限公司 广东 湛江 524000；2.中冶节能环保有限责任公司 北京 100088）摘要：我国钢铁产量已超过世界总产量的 50%，钢渣作为钢铁行业主要固废，仅 2022 年的年产量就高达 1.53 亿 t，目前钢渣的综合利用率不足 30%，远低于发达国家利用水平，急需对其进行有效处理和处置。目前针对钢渣利用的介绍较多，缺乏综合钢渣特性的全面系统介绍。鉴于此，本文详细介绍了钢渣物化特性，钢渣主要处理方法以及钢渣的资源化利用方式，为我国钢渣处理提供更加全面和的参考。关键词：钢渣；特性；处理方法；利用途径中图分类号：TF70文献标识码：B文章编号：1003-0514(2024)01-0032-05Research progress of wastewater treatment in metallurgical industryZhuang Jianheng1，Piao Xingjun2，Wang Guan1（1.Zhanjiang Environmental Protection Operation Management Co.，Ltd.，Zhanjiang 524000，China；2.Energy Conservation and Environment Protection Co.，Ltd.，Beijing 100088，China）Abstract：Chinas steel production has exceeded 50%of the worlds total production.As the main solid waste in the steel industry,steel slag has an annual output of 153 million tons in 2022 alone.Currently,the comprehensive utilization rate of steel slag is less than 30%,far lower than the utilization level of developed countries,and it is urgent to effectively treat and dispose of it.At present,there are many introductions on the utilization of steel slag,lacking a comprehensive and systematic introduction to the characteristics of steel slag.In view of this,this article provides a detailed introduction to the physicochemical characteristics of steel slag,the main treatment methods of steel slag,and the resource utilization methods of steel slag,providing a more comprehensive and reference for steel slag treatment in China.Key words：steel slag；characteristics；processing methods；utilization methods1引言我国钢铁产量已连续多年超世界总产量 50%以上，我国 2022 年全国粗钢产量同比下降 1.7%，仍为 10.18 亿 t。钢渣作为钢铁冶炼的主要副产品，其产量为粗钢产量的 10%15%，我国已连续多年钢渣年产生量超 1 亿 t。目前我国钢渣资源化利用率仍然不足 30%，导致钢渣堆存严重，如不能得到有效处理和处置，势必会给环境安全和人类健康造成越来越严重的危害1。钢渣主要为转炉渣，是炼钢工艺过程中产生的一种工业副产品，钢渣的组成及物化特性主要有钢渣生产原料和生产工艺决定，也是影响钢渣性能的关键因素，所以开展钢渣典型特性分析研究是有针对性实施钢渣处理和处置的重要的理论基础2-3。钢渣预处理技术是进行钢渣资源化利用的前置关键技术，目前广泛应用的钢渣预处理技术主要bz2401正文.indd 32bz2401正文.indd 322024/2/26 15:17:362024/2/26 15:17:36问题探讨332024,Vol.62,No.1有热闷处理法、热泼处理法、风淬处理法、滚筒处理法、陈化处理法等，目前在众多钢渣处理方法当中以中冶建筑研究总院研发的辊压热闷技术使用最为广泛，经过有压热闷后的钢渣安定性得到了较大提高，并且充分利用钢渣的余热4。钢渣资源化利用途径较多，主要为内部循环利用和外部利用5。内部循环利用主要是作为烧结矿固溶剂和作高炉或化铁炉溶剂等使用；外部利用主要是作为水泥原料、混凝土原料、道路材料、水体和土壤修复材料等。目前钢渣的规模化利用还是主要集中在建筑、道路等土木工程当中6。目前钢渣处理及处置的论述较多，但综合钢渣特性、钢渣处理及利用的介绍相对尚少，基于此，本文详细介绍了钢渣物化特性、钢渣主要处理方法以及钢渣的资源化利用途径，为我国钢渣处理提供更加全面和系统的参考。2钢渣物化特性钢渣的关键的物化特性包括物理性质、组成成分、物相与微观结构、体积稳定性等均属于钢渣本身的固有性质，是钢渣处理和资源化利用的重要基础。2.1钢渣的物理性质钢渣外观形态由于钢渣成分不同而存在很大的差异：从颜色上判断，钢渣碱度低时一般呈黑色，随着碱度的提高分别呈现出灰色，褐灰色，逐渐变浅至灰白色。钢渣自身质地坚硬、密实，其内部孔隙率低，另外由于含有一定量的金属铁粒及含铁矿相导致其易磨性较差7。2.2钢渣组成成分钢渣的主要化学成分含量是根据钢种、炉型的不同而不同，其化学成分也有所差别，主要化学成分与水泥熟料化学成分较为相似，主要组成为CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3、MnO 和 P2O5等，另外还含有少量的其他硫化物和氧化物，如 CaS、FeS、TiO2和 V2O5等8-9。表 1 为国内主要大型钢铁企业的转炉钢渣化学成分组成，从表中可以看出钢渣组成以CaO、SiO2和 FeO 等为主，受原料和生产工艺的影响，各个钢铁企业钢渣的主要成分及碱度也存在较大差异10。表 1转炉钢渣的化学组成和碱度10钢渣CaOSiO2Al2O3MgOFeOMnOP2O5Sf-CaO碱度马钢43.1515.553.843.4219.222.314.080.354.582.20太钢52.3513.222.816.2913.201.061.300.175.533.60本钢50.4416.362.5613.2211.502.660.560.341.572.98鞍钢45.378.843.297.9821.382.310.720.266.954.75武钢58.2216.243.872.287.904.481.170.352.183.34首钢52.6612.263.049.1210.424.590.620.236.244.09柳钢48.1010.152.164.6713.360.911.000.141.954.312.3钢渣物相及微观机构钢渣的物相组成与微观结构对其工作性能和力学性能均有密切关系。黄世烁等11对未经过处理的原钢渣进行 X 射线衍射分析发现，钢渣的主要物相是硅酸二钙（C2S），其次为铁酸钙（C2F），还有少量四氧化三铁（Fe3O4）和固溶相（RO）。由于炼钢过程中原材料成分及加入量的差别，不同钢铁企业排出的钢渣成分存在一定的差距，但钢渣的矿物组成差异不大，图 1 为某钢厂转炉钢渣的 XRD 图12。为对钢渣组成物相进行微观形貌表征，黄毅等人采用扫描电子显微镜（SEM）可对钢渣微观形貌图 1转炉钢渣的 XRD 物相12bz2401正文.indd 33bz2401正文.indd 332024/2/26 15:17:362024/2/26 15:17:36冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.134进行有效表征，某钢铁厂的转炉钢渣微观形貌和成分微观结构表征如图 1 所示，其中 A 为铁酸钙相、B 为硅酸钙相、C 为完全固溶体相、D 为游离氧化钙相。另外不同类型或成分的钢渣，其微观形貌也存在显著差别13。3.1热闷处理法热闷处理法是利用高温液态渣的显热洒水产生物理力学作用和游离氧化钙的水解作用使渣碎化17。该方法的优点是工艺简单，适于处理高碱度钢渣、钢渣活性较高、安定性较好，并能处理固态渣；该方法的缺点是：粒度不均匀、后续破碎加工量大、处理周期长。该方法已在鞍钢、首钢、涟钢、宝钢等多家钢厂进行应用，目前由中冶建筑研究总院研发的有压热闷技术已由第三代热闷发展到第四代智能化有压热闷。3.2热泼处理法热泼处理法是在炉渣高于可淬温度时，以有限的水向炉渣喷洒，使渣产生的温度应力大于渣本身的极限应力，产生碎裂，利用游离氧化钙的水化作用使渣进一步裂解的方法18。该方法的优点是排渣速度快，冷却时间短、便于机械化生产，处理能力大，钢渣活性较高、生产率高；缺点是设备损耗大，占地面积大，破碎加工粉尘大，蒸汽量大；钢渣加工量大。对环境和节能两方面都不利。钢渣安定性差；技术已应用于鞍钢、武钢。3.3风淬处理法风淬处理法是利用压缩空气作冷却介质，使液态钢渣急冷、改质、粒化的方法19。该方法的优点是安全高效，排渣快、工艺成熟，占地面积较小。污染小，渣粒性能稳定，粒度均匀且光滑(5 mm 没有)，投资少；但只能处理液态渣；该技术已应用于日本钢管公司福山厂、台湾中钢集团、马钢。3.4滚筒钢渣处理法滚筒钢渣处理工艺流程包括钢渣的收集和储存、钢渣的预处理、钢渣的熔化处理、钢渣的分离和回收、钢渣的资源化利用等多个步骤,通过合理运用这些工艺步骤，可以有效地将钢渣进行处理和利用，减少对环境的污染，实现资源的循环利用20。同时，在钢渣处理过程中，还需要采取一系列的环保措施，确保工艺过程的环境友好性和安全性。滚筒钢渣处理工艺的应用将对钢铁行业的可持续发展起到重要作用。3.5蒸汽陈化法针对冷态钢渣进行处理，日本住友金属工业公司研发了钢渣的陈化处理法。为了提高钢渣陈化图 2钢渣微观结构表征132.4钢渣的体积稳定性由于钢渣的生成温度为 1 600 1 700，由于碱度高，钢渣中的 CaO 将有部分以 f-CaO 的形式存在。由于 f-CaO 遇水膨胀，这也是造成钢渣后续建材化利用难题的主要因素14。钢渣中的 f-CaO呈聚集状态，造成了 f-CaO 水化后生成的 Ca(OH)2晶体的局部集中15-16。并且 f-CaO 在水化过程中，在初期形成的多是无定性或小晶体的 Ca(OH)2，在后期的水化过程中并没有新的 Ca(OH)2晶核产生，只是随着 f-CaO 的缓慢水化，初期形成的 Ca(OH)2晶体不断长大，对周围的水化产物不断产生挤压作用，导致集中分布的 Ca(OH)2晶体周围结构非常致密，远离集中分布 Ca(OH)2的部分结构相对疏松一些，从而在浆体内部产生局部膨胀压力，产生裂纹，造成钢渣体积安定性差。当钢渣运用在水泥或混凝土中很容易造成建筑材料的开裂，为建筑安全埋下隐患。因此钢渣的体积不稳定性也限制着钢渣在建材行业的高价值利用，因此，钢渣的体积稳定性是影响钢渣高效利用的关键因素。3钢渣处理方法目前钢渣处理方法应用较为广泛的处理方法有热闷处理法、热泼处理法，风淬处理法、滚筒处理法和陈化法等。bz2401正文.indd 34bz2401正文.indd 342024/2/26 15:17:372024/2/26 15:17:37问题探讨352024,Vol.62,No.1效率，将钢渣置于封闭容器中，饱和蒸汽温度升高，加压蒸汽陈化水化反应速度比敞开式堆场蒸汽陈化速度提高 24 倍，在 0.5 MPa 下稳态陈化时间仅为2 h21。该技术的优点是地面积小，可以完全自动化，使劳动强度大大降低，同时钢渣稳定性高，粒度较小且均匀，缺点是能耗大，只适用于冷态钢渣的处理。4钢渣资源化利用途径我国钢渣资源化利用途径主要用于水泥掺合料、混凝土掺合料、道路材料及填充材料以及水环境治理及土壤改良等。4.1水泥掺合料目前我国炼钢工艺主要以转炉炼钢为主，转炉钢渣主要成分为 CaO、SiO2、A12O3、Fe2O,、FeO、MgO和 P2O 等。钢渣化学成分与水泥熟料相似，其中CaO 和 SiO2含量较少，Fe 氧化物含量较多，这也决定了其在水泥行业和建筑行业资源化利用的主流方向22。钢渣与常用胶凝材料如硅酸盐水泥熟料的主要化学成分对比，钢渣中的酸性氧化物 SiO2和Al2O3含量低于硅酸盐水泥熟料，钢渣中的 CaO 含量也较低，导致钢渣中的硅酸盐矿物含量低于水泥熟料，导致钢渣作为水泥胶凝材料添加，添加量有限制。表 2硅酸盐水泥熟料、钢渣化学成分对比类别CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOFeP2O5硅酸盐水泥熟料62682024472.56.512微量钢渣3055820163931372014在水泥行业中钢渣宜作为掺合料使用，不但能节约自然矿产资源，减少钢渣对环境的影响，还可降低水泥的生产成本。钢渣粒度对其活性有较大的影响，钢渣被磨至较小粒度可充分提高其活性指数，相关研究表明，将钢渣粒度粉磨至较小粒度可成功生产出不同类型的硅酸水泥。4.2混凝土掺合料钢渣水泥制备的混凝土具有较好的物理力学性能，具有后期强度较高、抗冻性较好、稳定性及耐磨等特点。当钢渣在混凝土中掺量适宜时，混凝土的耐久性会有一定程度的改善和提高23。在混凝土行业中钢渣主要作为掺合料进行应用，有时也用作骨料。钢渣机械强度较高、水合物的溶解度和孔隙率较低，拥有较低的水化热，优异的耐久性和更强的集料-基体界面。相关研究表明，钢渣作为混凝土骨料所制备的混凝土抗压强度有明显提升，另外抗冻性以及对氯离子的抑制作用均有显著增强。掺钢渣粉能改善混凝土的和易性，使混凝土的坍落度有所增大，但混凝土的抗离析能力下降。这与钢渣粉的表面特性在水泥浆体之间形成光滑的移动表面有很大关系。当混凝土中的水泥被部分钢渣粉取代时，钢渣混凝土凝结时间一般延长15 110 h，温度接近 30 时几乎不延长。影响凝结时间和程度，取决于钢渣混凝土的早期强度、所掺钢渣粉比例、水胶比以及水泥的性能24-25。4.3道路材料及填充材料钢渣具有的较为显著的物理化学性能、经济性和环保性决定了其可作为沥青材料和路面基层材料的理想集料26。实践证明，钢渣由于本身存在游离氧化钙等碱性物质，与沥青的粘附性能好，所制备的材料较传统沥青具有更大的优越性。由于钢渣本身游离氧化钙和游离氧化镁的存在使其存在不可控的膨胀特性。继而不能作为道路材料直接应用，需要对其进行陈化处理等预处理。4.4水环境治理和土壤改良材料钢渣的结构和成分可以用于废水污染治理，通过“以废治废”，实现良好的环境效益。经测试，钢渣经粉碎后具有较大的比表面积(0.32 m2/g)，因而具有良好的过滤性能。钢渣中含有 f-CaO、f-MgO和铁，对水中的污染物具有吸附和沉淀作用。因此对废水中的杂质颗粒、溶解性有机物和镍、铬、砷等离子具有良好的去除作用，其中在污水处理领域取得了显著效果，另外钢渣本身呈碱性并且含有植物所需的P等有益元素，可以有效改良土壤治理27-28。bz2401正文.indd 35bz2401正文.indd 352024/2/26 15:17:372024/2/26 15:17:372024,Vol.62,No.136冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.1365结论与展望针对目前钢渣年产量连续破亿吨，综合利用率低、堆存量大、环境危害严重等问题，需要更多学者及行业人员对钢渣特性及利用进行详细了解。本文全面系统分析了钢渣物化特性，钢渣本身坚硬、密实、内部孔隙率低、易磨性较差。钢渣的主要组成为 CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3、MnO 和 P2O5等，主要物相有硅酸二钙、硅酸三钙、橄榄石等物质。钢渣中含有 f-CaO，遇水膨胀，造成钢渣的安定性较差，限制了其在建筑行业中的应用。目前钢渣处理方法应用较为广泛的处理方法有热闷处理法、热泼处理法，风淬处理法、滚筒处理法和陈化法等。我国钢渣资源化利用途径主要用于水泥掺合料、混凝土掺合料、道路材料及填充材料以及水环境治理及土壤改良等。本文通过全面介绍钢渣的物化特性、钢渣主要处理方法以及钢渣的资源化利用方式，为我国钢渣处理和资源化利用提供更加全面的参考。参考文献1 吴跃东，彭犇，吴龙，等.国内外钢渣处理与资源化利用技术发展现状综述 J.环境工程，2021，39（1）：61-165.2 张朝，陈妮兰.工业工程在钢渣综合利用中应用初探 J.中国废钢铁，2012，（5）：42-46.3 黄毅，徐国平，杨巍.不同处理工艺的钢渣理化性质和应用途径对比分析 J.矿产综合利用，2014，（6）：62-66.4 彭犇.热态钢渣改性及改性渣物理化学性质研究 D.北京：北京科技大学，2016.5张慧宁，徐安军，崔健，等.钢渣循环利用研究现状及发展趋势J.炼钢，2012，28（3）：4-77.6 熊云川，梁月华.钢渣在土木工程中综合利用研究综述 J.四川建材，2023，49（2）：24-26.7 侯贵华，李伟峰，王京刚.转炉钢渣中物相易磨性及胶凝性的差异 J.硅酸盐学报，2009，37（10）：1613-1617.8 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