不銹鋼尾渣的循環利用和分析

武曉紅

（山西林業職業技術學院，山西 太原 030009）

不銹鋼尾渣的循環利用和分析

武曉紅

（山西林業職業技術學院，山西 太原 030009）

鋼渣是煉鋼后的固體廢棄物，它的大量堆積和大量堆放不僅污染土壤、大氣、地下水環境，而且造成了資源的浪費。為此，各方積極展開對不銹鋼尾渣的綜合利用，目前利用比較多方向是冶金、建筑、農業、環保。

尾渣；循環；冶金；建筑；農業；環保

鋼鐵業是我國新型工業化過程中重要的支撐產業和基礎產業，在近二十年中快速發展，這對我國經濟的發展起到了非常重要的促進作用。尤其是進入20世紀90年代以來，中國鋼鐵業的飛速發展，粗鋼產量逐年增加，自1996年以來粗鋼產量始終保持世界第一。2010年，中國粗鋼產量達到6.27億噸，約占世界粗鋼總產量的44.3%。據統計，鋼渣的排放量大約為鋼產量的15%～20%。那么，若按2010年我國鋼產量來計算，2010年我國鋼渣產量大約為0.94萬～1.25萬噸。

鋼渣的大量產生和逐年累積侵占了大量的土地，同時，其中的堿金屬離子、重金屬離子和粉塵等會向環境中釋放，從而造成嚴重的環境污染問題。除此之外，物料不能進入循環系統，對資源是一種極大的浪費。因此，開展鋼渣綜合利用是促進現代社會可持續發展的一項重要課題。

一、鋼渣的形成過程及其性質

鋼渣是煉鋼過程中的必然產物。為了實現從礦石中提取出鋼材的目的，我們必須實現Fe-O分離和金屬與其他氧化物的分離，在這個過程中，就必須加入氧化物、冷卻劑、造渣材料等，從而實現一系列重要的冶金反應，形成液態的爐渣，讓它直接參與煉鋼過程的物理化學反應和傳熱、傳質過程。最終產生的廢渣主要來源于：廢鋼帶入的泥沙和鐵銹等；氧化物或冷卻劑（礦石、燒結礦）帶入的脈石，加入的各種造渣劑（石灰石、螢石、硅石等）和被侵蝕的爐襯材料、煉鋼過程中的化學反應物，如錳、硅、鐵和磷等元素氧化后形成的氧化物以及少量硫化物。

二、鋼渣的循環利用現狀

鋼渣在產生的初期是被當做廢棄物丟棄處理的。鋼渣的利用主要是在第二次世界大戰以后，由于恢復建設缺乏建筑材料，鋼渣的利用得到了較快的發展。早在20世紀70年代，美國、西德、日本、英國等發達國家已實現鋼渣的100%利用，但我國鋼渣綜合利用率卻只有50%—60%。在中國新的《鋼鐵產業發展政策》中指出，最大限度提高廢水、廢氣、廢物的利用，是將我國建設成為鋼鐵生產大國和具有競爭力強國的必經之路。

鋼渣的綜合利用是由鋼渣性質決定的，鋼渣中含有大量的 CaO、FCaO、FeO、MgO、MnO、SiO2等化學成分，被利用的是其中主要成分之一或其中幾種，我國主要鋼廠轉爐鋼渣化學成分見表1?，F階段鋼渣綜合利用有以下幾個方向：（見表1）

（一）冶金方向

1.鋼渣回收鋼鐵。鋼渣回收鋼鐵是鋼渣最初利用的方式，鋼渣中通常含有7%－10%的廢鋼和鋼粒，通過對鋼渣進行破碎、磁選、分離等步驟，回收其中的廢鋼或小塊鋼鐵回爐冶煉，歐、美、日等多國發展起來的若干鋼渣公司和磁力金屬回收公司，多是靠此起家。我國以回收廢鋼為目的的渣山處理活動也進行了多年?，F在，我國大型的鋼鐵公司，例如首鋼、鞍鋼、太鋼等均建立起來鋼渣破碎磁選生產線，這樣不僅增加鋼鐵產量，解決我國廢鋼不足的問題，提高了鋼渣利用的經濟效益，而且減少了鋼渣量，為我國渣山治理提供了成功的經驗。

2.燒結礦熔劑。鋼渣中因含有大量的CaO、FCaO、FeO、MgO、MnO、SiO2等物質，其中 80%左右是鋼鐵生產所需要的有益成分，添加鋼渣可以節省不少的熔劑原料(石灰、云石等)和鐵礦，且鋼渣是一種熱料，物相均勻、軟化溫度低、軟化區間寬。燒結配入4%－8%的鋼渣，可以使粘結相提早生成且增多，促進了黏結和礦物反應，這樣就可以提高燒結時間和減少燒結燃料的消耗，同時顯著地提高燒結礦產量。

首鋼燒結廠配加鋼渣4%后，使用每噸鋼渣可替代石灰550 kg，替代鐵礦粉333 kg，替代錳礦粉100 kg，節約能耗23 000 kJ，燒結機利用率提高1%。邯鋼燒結廠配加鋼渣6%后，每噸鋼渣可以替代石灰石625.94 kg，替代鐵礦粉161.72 kg，燒結礦FeO含量升高2%，配碳量降低0.5%-1%，粉化率降低在2%內。

3.高爐熔劑。根據表1可知鋼渣中含有7%—19%的鐵性物質和43%—58%的CaO，因此，可作為煉鐵熔劑，即可利用其中的成分FeO，又可以把CaO、MgO等作為助熔劑，替代石灰石和螢石，改善高爐渣的流動性，提高高爐脫硫能力。同時，鋼渣也有為鋼水降溫的作用，減少鋼鐵在渣中殘留比例，同時提早煉鋼成渣時間，減少初期渣對爐襯的侵蝕，降低耐火材料消耗，提高爐齡、節約成本。國內的大型高爐，在利用鋼渣作為溶劑后，除了其中回收廢鋼的價值，每噸鋼渣的純利潤在50元左右。早在20世紀70年代，美國已經有公司把爐渣直接返回高爐中，作為替代溶劑。美國內陸鋼公司和西德森鋼廠分別有40%和41%的鋼渣直接返回高爐。

（二）建筑方向

1.鋼渣筑路

在鋼渣利用初期，因為鋼渣做回填和道路墊層、基層其附加值低，鋼鐵企業和建筑單位對此都不太重視。后鋼渣經過后續處理后，結構性質有所提升，可以替代細骨料作為瀝青和水泥路面材料，其防滑性、耐磨性、使用壽命相比之前都有很大程度的提高，鋼渣的附加值也大大提高。且鋼渣經過穩定化處理后，可以代替碎石用在鐵路、公路、料場、工程回填、修筑堤壩、填海造地等方面，用作道路墊層和基層，其強度、抗滲性、抗彎沉性等都會優于天然石材。我國有相對應的行業標準“YB/T801-1993工程回填用鋼渣”和“YB/T803-1993道路用鋼渣”。

可是，隨鋼渣綜合利用技術的開發和應用途徑的增家，用于道路建設的比例也會逐漸減少。不過，對于部分含游離CaO低、含磷高的鋼渣，不宜再用于高爐熔劑，因鋼渣具有滲水排水性能好、電阻高、抗滑、抗壓強度好、抗化學腐蝕性能好、抗剎車剝離好、成本低等特點，是非常優良的筑路材料。

2.鋼渣水泥

（1）水泥生料。從表1可以看出，鋼渣中CaO、MgO、FeO的含量之和可以達到70%，這些成分都是水泥生料的組成成分，鋼渣在水泥生料主要被用作水泥的鐵質校正劑，生料中配加量通常為3%～5%，工藝已經成熟，水泥生料配放鋼渣可以節約部分石灰石和煤，但不能解決水泥廠環境污染和能源消耗的問題。為了降低成本，水泥企業傾向選擇含鐵量達到40%以上的廢渣，而一般鋼渣的全鐵含量在15%～28%之間，含鐵量偏低。

（2）鋼渣微粉。當把鋼渣磨細成比表面積400m2/kg的顆粒時，鋼渣水泥中的易磨性問題就會被消除。通過磨細鋼渣的晶體結構發生了重組，表面能提高，活性提高，水硬凝膠性得到加強。當鋼渣微粉代替部分水泥作為摻合料加入混凝土時，可以發生“微珠效應”，即需水量減少，混凝土的流動性卻提升，且隨著鋼渣微分百分比的增加，“微珠效應”越強，其帶來的好處還有增強混凝土強度，抗壓耐磨的能力、氯離子滲透性、抗凍性和干縮性降低。同時，鋼渣微粉可以發生“火山灰效應”，鋼渣微粉可以吸收混凝土水化時的Ca(OH)2，進行二次水化、填充了空隙、減少熟化熱，以及減少混凝土因溫差產生的開裂。雖然鋼渣中也會含有部分FCaO，但是有研究表明，鋼渣微分表面積為400～550 m2/kg時，FCaO在水中水化可以改善體積安定性問題。

（三）農業方向

由表 1 可知，鋼渣中含有大量 Si、Ca、Mg、P、Mn 等元素，在農業中，這些元素都是必需元素或營養元素，因此從理論上鋼渣可以適用于農業生產。近些年來，我國有大量專家做了很多實驗，證明了鋼渣作為土壤改良劑和農業肥料的可行性。而鋼渣在其他許多國家，例如美、德、俄、法等國，利用鋼渣作為農業肥料也有幾十年的歷史，因此鋼渣應用于農業是非常有效的再利用途徑。一般在農業方面有以下幾個方向的應用：

（1）土壤改良劑。我國的酸性土壤大多通過施用石灰來調節其pH值、會改善土壤結構和增加孔隙度，但是石灰的長期使用會引起Ca、Mg、P等元素的失衡和其他肥料的效用。因為鋼渣中含有較高的CaO、MgO決定了鋼渣可以改良土壤性能，且鋼渣同時含有大量可溶性植物生長的有益元素，如Si、P、Mn等，因此鋼渣更適合長期的使用。

（2）植物肥料。鋼渣中含有大量 Si、Ca、Mg、P 元素，在農業中，這些元素都是必需元素，且各元素都有枸溶性，其均不溶于水卻可以在植物根部的弱酸性下溶解被吸收，是一種有緩釋性能的肥料。日本肥料與種子研究協會曾實驗對比鋼渣肥料與商業硅鉀肥施用效果，發現稻米和甘藍、菠菜等農作物施用鋼渣肥料產量高于其他商業肥料。同時，如果鋼鐵廠在出渣前的熔融態鋼渣中加入適量Fe、Mn、B、Mo、Zn等微量元素，就可以一次性生產出具有緩釋性的復合微量元素肥料。

（四）環保方向

1.處理廢水。鋼渣具有疏松多孔、表面積大、一定的吸附能力、密度大、易沉降的特點，這與廢水處理中的吸附劑有相似之處，基于這些特點，國內外的專家對鋼渣作為廢水處理吸附劑做了深入的研究。在機理方面發現，鋼渣表面帶負電荷，且主要的吸附力是靜電作用，吸附模式為離子交換，因此鋼渣可以對重金屬離子做選擇吸附，吸附能力的大小與離子本身的半徑、電價、電性等相關，除此之外，鋼渣還可以吸附磷酸根、銨根離子、部分有機物等。

從20世紀90年代開始，各國專家開始研究鋼渣吸附劑在處理重金屬離子、磷酸根、銨根離子、有機物等的實驗，他們就鋼渣的用量、細度、反應溫度、接觸時間、酸度以及廢水濃度等因素進行了實驗，得出鋼渣對金屬元素有良好吸附效果，且鋼渣可以在一定物質的作用下解吸，進入循環利用系統。即使實驗效果良好，但鋼渣一直未進入處理廢水的工業規模性應用階段，其主要原因是鋼渣的造粒問題。當普通鋼渣直接冷卻后，粒度不均勻，如果是常規的粉磨，又會破壞原有孔隙結構，造成吸附效果的下降。因此鋼渣用于廢水吸附劑，目前核心問題在于鋼渣的造粒。

2.處理廢氣。我國的大氣污染類型為“混合型”，但是我國的工業廢氣大多屬于“煤炭型”，在工業廢氣中，主要的氣態污染物是SO2和NOX。在煙氣脫硫中，世界范圍內應用最廣和最有效的方法是以鈣基濕法脫硫，脫硫劑常為CaCO3和CaO，我國使用的脫硫劑雜質比較高，因此石膏的純度也較低，基本作為廢物處理。從表1可知，鋼渣中含有40%-60%的CaO，且鋼渣的疏松多孔、表面積大等特點也可以使得鋼渣成為良好的吸收劑。

目前，國內外對鋼渣應用于煙氣脫硫方面的研究，僅有可數的幾篇，他們分別利用馬鋼和武鋼廠產生的廢鋼渣進行了實驗研究，發現脫硫效率可以達到80%，說明應用鋼渣進行煙氣脫硫具有一定的可靠性，但尚未形成比較成熟的方法，有待于進一步研究。

鋼渣的應用是固體廢物綜合利用重要的一環，它不僅使鋼渣這種“放錯地方的資源”不再占地、堆積及對環境的污染，而是重新煥發活力，加入到生產循環中，實現自身巨大的經濟價值和社會價值。這對中國鋼鐵業而言不僅是實現固廢“零排放”，更是“變廢為寶”，為企業和社會創造更大的價值。因此，開展鋼渣的基礎應用研究工作，是建設節約型社會、發展循環經濟和環境友好型社會應該解決的重點問題。

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表1 國內主要鋼廠鋼渣化學成分表（%）

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