轉(zhuǎn)爐渣的應(yīng)用及其發(fā)展方向論述

文/ 北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司 張建國

轉(zhuǎn)爐渣的應(yīng)用及其發(fā)展方向論述

The Application of Converter Slag and Its Development Direction

文/ 北京瀚川鑫冶工程技術(shù)有限公司 張建國

本文簡單概述了轉(zhuǎn)爐渣應(yīng)用發(fā)展過程及我國現(xiàn)行的利用狀況，對(duì)轉(zhuǎn)爐渣的幾種典型工藝處理方法進(jìn)行了對(duì)比論述，簡述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并較為詳細(xì)論述了轉(zhuǎn)爐渣目前的幾種應(yīng)用方向；并進(jìn)一步指明，未來對(duì)轉(zhuǎn)爐渣利用，應(yīng)著力于通過科學(xué)而合理的改性而提升渣的資源稟賦，由此建立轉(zhuǎn)爐渣大宗量、多途徑、可循環(huán)利用的模式，實(shí)現(xiàn)真正意義上的轉(zhuǎn)爐渣高效利用與全部利用，這是轉(zhuǎn)爐渣未來利用的大趨勢。

轉(zhuǎn)爐渣 資源 綜合利用

轉(zhuǎn)爐鋼渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中產(chǎn)生的廢渣，主要來源于鐵水與廢鋼中所含元素氧化后形成的氧化物，金屬爐料帶入的雜質(zhì)，加入的造渣劑(如石灰石、螢石、硅石)、氧化劑、脫硫產(chǎn)物和被侵蝕的爐襯材料等。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，我國粗鋼產(chǎn)量占全球粗鋼產(chǎn)量的比例提高至45.5%，排放的轉(zhuǎn)爐渣量約8 000多萬噸。當(dāng)前國內(nèi)積存的轉(zhuǎn)爐鋼渣已有2億多噸以上。

在轉(zhuǎn)爐渣規(guī)模化利用初期，采用的是未加處理的粗放式直接利用，在含鐵組分回收后，尾渣大都用于建筑回填、鋪路、填海造地等。后來發(fā)現(xiàn)，一些用于建筑領(lǐng)域的利用技術(shù)實(shí)施后問題很多，甚至事故頻發(fā)，以致轉(zhuǎn)爐渣大宗量規(guī)模化利用技術(shù)長時(shí)間難以突破。一直到20世紀(jì)80年代，對(duì)轉(zhuǎn)爐渣的利用技術(shù)，無論國內(nèi)、國外，均無重大進(jìn)展，規(guī)模化利用的模式并未建立。一些西方國家政府不得已開始采用對(duì)企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼的負(fù)經(jīng)濟(jì)效益方式加以利用，以解決其帶來的環(huán)境污染問題。其主要原因在于：此前的很多基礎(chǔ)研究多致力于熔渣的冶金性能，關(guān)注其冶金功用，而對(duì)凝渣本身的物理化學(xué)特性及資源化利用過程中的行為等均不清楚，相關(guān)基礎(chǔ)研究非常薄弱，很多今天看來是顯而易見的道理，在當(dāng)時(shí)卻困惑了冶金、環(huán)境乃至材料方面的專家多年。

直到20世紀(jì)80年代以后，關(guān)于轉(zhuǎn)爐渣堿度高、自由氧化鈣高、亞穩(wěn)相多(因快冷過程相的非平衡演化導(dǎo)致)，以及其時(shí)效分相導(dǎo)致氧化鈣游離及結(jié)構(gòu)的重組與破壞等等，這些帶有本質(zhì)性的系列問題才基本清晰。

一、轉(zhuǎn)爐渣利用技術(shù)

1.轉(zhuǎn)爐渣穩(wěn)定化預(yù)處理技術(shù)

為解決上述轉(zhuǎn)爐渣利用問題，人們認(rèn)識(shí)到：轉(zhuǎn)爐渣組成與物性的不合理，使其無法直接利用，只有將轉(zhuǎn)爐渣出爐后先進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理好的渣一方面利于其中含鐵組分的回收，另一方面要保證其組成與結(jié)構(gòu)的基本穩(wěn)定。具體包括：首先將出爐渣進(jìn)行預(yù)處理，或“穩(wěn)定化”處理，其主旨是預(yù)先消除或消解以自由及游離氧化鈣為主的亞穩(wěn)相，使轉(zhuǎn)爐渣在被利用前組成與結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，并利于渣、鐵分離。其次，將預(yù)處理好的轉(zhuǎn)爐渣依據(jù)需要，進(jìn)行資源化利用。

為此，相繼開發(fā)出轉(zhuǎn)爐渣的多種預(yù)處理技術(shù)，如熱潑法、熱悶法、盤潑法、滾筒法、風(fēng)碎法等。這類可稱之為兩步法的轉(zhuǎn)爐渣利用技術(shù)，一直延續(xù)到今天，并仍起著主導(dǎo)作用。下面對(duì)一些代表性的渣預(yù)處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡單的對(duì)比分析。

(1) 預(yù)熱自解熱悶法

此法是較早開發(fā)的轉(zhuǎn)爐渣預(yù)處理技術(shù)，也是國內(nèi)鋼企最早采用及引進(jìn)的處理工藝。原理是將出爐渣置于可封閉罐內(nèi)，利用出爐渣自身的顯熱與潛熱，噴水對(duì)其作用，產(chǎn)生帶壓蒸汽，從而對(duì)鋼渣強(qiáng)行“消解”。

其優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)欲處理鋼渣沒有特殊要求，鋼渣消解較徹底，渣鐵易于分離，回收鐵組分后的尾渣礦物組織比較穩(wěn)定、均勻，利于后續(xù)粗放式利用。缺點(diǎn)是：間歇性處理，處理效率很低，占用處理場地大，處理時(shí)間偏長，綜合處理成本偏高，安全性控制要求也較高。因此，該工藝不太適合鋼產(chǎn)量大的企業(yè)，目前一些企業(yè)在產(chǎn)能擴(kuò)張后，摒棄了該工藝。

（2）水淬法

液態(tài)高溫渣在流出、下降過程中，被壓力水分割、擊碎、速凝，在水幕中進(jìn)行粒化。水淬工藝會(huì)因煉鋼設(shè)備工藝布置、排渣特點(diǎn)不同而不同。如盤潑一水淬法，滾筒一水淬法等。

盤潑法優(yōu)點(diǎn)是：用水強(qiáng)制快速冷卻，處理時(shí)間短，生產(chǎn)能力大，處理過程粉塵少，鋼渣粒度小，可減少破碎、篩分的工作量，便于金屬料回收；鋼渣游離氧化鈣含量較低，改善了鋼渣的穩(wěn)定性，有利于綜合利用。缺點(diǎn)是：設(shè)備投資比較大；處理過程蒸汽直接排放量較大，對(duì)廠房和設(shè)備壽命有一定影響；操作工藝比較復(fù)雜；對(duì)鋼渣的流動(dòng)性有一定要求，粘度高、流動(dòng)性差的鋼渣不能用該方法處理。

滾筒水淬法是將熔渣以適宜流速進(jìn)入滾筒，在離心力和噴淋水作用下，熔渣被水激散并凝成小塊而被收集。在滾筒內(nèi)同時(shí)完成冷凝、破碎及渣、鋼分離。寶鋼經(jīng)過多年探索，將1995年從俄羅斯拉烏爾鋼鐵公司引進(jìn)的滾筒技術(shù)進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，成功應(yīng)用于寶鋼、馬鋼等企業(yè)。改進(jìn)后技術(shù)兼具工藝簡化、流程短、設(shè)備布局緊湊、占地小等優(yōu)點(diǎn)。

水淬法目前是我國采用較多的方法之一。該類方法優(yōu)點(diǎn)是，處理量大、效率較高，處理后的鋼渣游離氧化鈣較低、粒化較為均勻且粒度分布較為理想，自由氧化鈣消解也較為理想，渣中鐵較少氧化，多以二價(jià)鐵或金屬鐵存在，利于后續(xù)磁選分離。缺點(diǎn)是，對(duì)渣流動(dòng)性要求較高，因冷卻速度快，其結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力較大，化學(xué)活性相對(duì)較高，并存在時(shí)效相變的潛在機(jī)制。

（3）風(fēng)碎法(鋼渣風(fēng)碎粒化技術(shù))

將出爐熔渣倒入中間罐，運(yùn)到風(fēng)淬裝置處進(jìn)行處理。處理時(shí)，熔渣流被高速噴出氣流打碎并呈拋物線運(yùn)動(dòng)，最終落入水池并被捕集。用于風(fēng)碎的氣體可以是空氣、惰性氣體或高壓蒸汽等，被加熱的氣體可通過另外熱交換裝置進(jìn)行熱量回收。該法處理獲得的渣粒粒徑較小、粒徑分布范圍較窄，此法處理的渣冷凝速度最快，自由氧化鈣消解也最為徹底，各晶相分布均勻，晶粒非常細(xì)小，顆粒硬度較大，相對(duì)其他處理方式，凝渣的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力最大，往往會(huì)在一周內(nèi)或稍長時(shí)間出現(xiàn)時(shí)效相變與結(jié)構(gòu)重組，重組后的主晶相主要是硅酸二鈣，且晶粒變大。

圖-1 某鋼廠轉(zhuǎn)爐鋼渣處理車間

2.轉(zhuǎn)爐渣的應(yīng)用

(1) 轉(zhuǎn)爐渣在筑路方面的應(yīng)用

轉(zhuǎn)爐渣作為道路建筑集料，美國和日本等認(rèn)為轉(zhuǎn)爐渣集料力學(xué)性能較軋制碎石好，不但耐磨，而且具有一定的水化活性，適合作為瀝青混合料骨料和基層集料，并制定了轉(zhuǎn)爐渣道路集料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和施工規(guī)范。目前，美國轉(zhuǎn)爐渣產(chǎn)量的約20%用于瀝青混凝土集料，德國約95%轉(zhuǎn)爐渣的用作道路集料。

國內(nèi)轉(zhuǎn)爐渣集料的研究雖取得了一定成果，但研究的不夠系統(tǒng)，并且由于各個(gè)鋼廠原材料的礦物成分和冶煉工藝不盡相同，排放的轉(zhuǎn)爐渣成分也有所區(qū)別，因此成果不能在各個(gè)地區(qū)通用。馬鋼、武鋼和柳鋼做了許多有益的嘗試，但均未能在在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。寶鋼經(jīng)過不懈努力，終于成功地開發(fā)出彩色轉(zhuǎn)爐渣混凝土路面磚，在2010年上海世博會(huì)中大顯身手，60%以上的透水和透氣路面均使用此磚。

目前，我國道路建設(shè)中的路基和路面材料仍是轉(zhuǎn)爐渣大宗量應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。但目前借助冷卻介質(zhì)進(jìn)行穩(wěn)定化處理的轉(zhuǎn)爐渣應(yīng)用于道路建設(shè)材料、特別是路面材料，其時(shí)效穩(wěn)定性仍難以滿足高質(zhì)量工程的要求。

(2) 轉(zhuǎn)爐渣作為鋼渣微粉的應(yīng)用

將轉(zhuǎn)爐渣磨細(xì)為符合應(yīng)用規(guī)定的鋼渣微粉并摻和在水泥中應(yīng)用，已成為國內(nèi)外研究與應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。國內(nèi)一般認(rèn)為轉(zhuǎn)爐渣在生料中的摻量以10%～15%為宜，但也有專家認(rèn)為摻量可達(dá)20%～30%。與用作筑路材料相比，轉(zhuǎn)爐渣微粉的附加值相對(duì)較高，但仍屬大宗量低附加值利用的范疇。

隨著轉(zhuǎn)爐渣處理技術(shù)的發(fā)展，我國主要鋼鐵企業(yè)均將轉(zhuǎn)爐渣微粉作為轉(zhuǎn)爐渣大宗量利用的方向之一。然而，應(yīng)該看到，目前轉(zhuǎn)爐渣微粉的規(guī)模化利用受到兩大因素制約：①以介質(zhì)冷卻為主導(dǎo)的轉(zhuǎn)爐渣穩(wěn)定化處理技術(shù)無法徹底解決組織穩(wěn)定性差以及組分不合理問題，所以其只適合于工程質(zhì)量要求較低的項(xiàng)目，發(fā)展空間因此受到制約；②轉(zhuǎn)爐渣自身成分波動(dòng)較大，加之采用的是非平衡變化處理過程，其組織與結(jié)構(gòu)性能波動(dòng)也很大。會(huì)因冶煉時(shí)間、地點(diǎn)不同，所煉鋼種不同，入爐原料組成波動(dòng)或種類、配料不同等諸多影響因素的不確定，而很難實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐渣成分、組織性能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化、均勻化的有效控制，進(jìn)而在對(duì)其進(jìn)行大宗量利用時(shí)就很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其質(zhì)量實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化、標(biāo)準(zhǔn)化控制。所以，中國目前正在制定用于混凝土的《鋼鐵渣粉》的國家標(biāo)準(zhǔn)，力圖通過“標(biāo)準(zhǔn)”來實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量的控制，但實(shí)際上很難做到。也就是說，轉(zhuǎn)爐鋼渣微粉作為水泥摻和料加以利用，同樣存在其資源稟賦不理想的問題。

(3) 轉(zhuǎn)爐渣的內(nèi)部循環(huán)利用

內(nèi)部循環(huán)是鋼鐵企業(yè)一直重視和普遍采用的轉(zhuǎn)爐渣利用方式。轉(zhuǎn)爐渣作冶煉熔劑返回?zé)Y(jié)工序，可以回收轉(zhuǎn)爐渣中鈣、鎂、錳、釩、鐵的氧化物和稀有元素等成分，能大量節(jié)約石灰石、螢石等造渣劑用量，降低焦比，提高利用系數(shù)，降低成本。因此，世界上幾個(gè)產(chǎn)鋼大國一直堅(jiān)持轉(zhuǎn)爐渣返回做熔劑，而且占轉(zhuǎn)爐渣資源化綜合利用的比例較大，目前美國把轉(zhuǎn)爐渣配入燒結(jié)和高爐等再利用，利用率大約為56%，德國約為24%，日本約為19%，但磷元素的循環(huán)富集限制了其大比例利用。

轉(zhuǎn)爐渣中含有大量的Fe(約20%左右)及其他有用組分，若其外部循環(huán)必然造成這些金屬資源的極大浪費(fèi)；若其內(nèi)循環(huán)則受制于轉(zhuǎn)爐渣中較高的磷含量，因此，轉(zhuǎn)爐渣脫磷一直是鋼鐵企業(yè)普遍關(guān)注的問題。目前，國內(nèi)外尚沒有可靠的、經(jīng)濟(jì)的和適合產(chǎn)業(yè)化推廣的轉(zhuǎn)爐渣脫磷技術(shù)。近年來出現(xiàn)的轉(zhuǎn)爐渣改性技術(shù)著眼于轉(zhuǎn)爐渣組織的重構(gòu)，以提高其資源稟賦，有望從磷富集和分離的角度解決這一難題。因此，著力研發(fā)基于熱態(tài)轉(zhuǎn)爐渣改性處理的磷富集和分離技術(shù)，對(duì)提高轉(zhuǎn)爐渣內(nèi)循環(huán)利用比例、有效回收轉(zhuǎn)爐渣中的Fe等有價(jià)組分，具有重要的意義。

（4）轉(zhuǎn)爐渣制備微晶玻璃

利用廢渣制備微晶玻璃起于高爐渣。1959年，前蘇聯(lián)學(xué)者最先在實(shí)驗(yàn)室制備成功。歐美、日本等國對(duì)廢渣微晶玻璃的工藝技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，解決了廢渣微晶玻璃化的一些關(guān)鍵性技術(shù)問題。與國外相比，我國轉(zhuǎn)爐渣微晶玻璃應(yīng)用研究起步較晚，利用高爐渣、礦渣和尾礦制備微晶玻璃也取得了一定的成績。但與高爐渣、礦渣和尾礦相比，轉(zhuǎn)爐渣應(yīng)用性能更差，制備微晶玻璃難度更大，國內(nèi)外報(bào)道不多。

利用轉(zhuǎn)爐渣制備的微晶玻璃具有很高的耐磨性、輕質(zhì)高強(qiáng)、很好的熱性能和化學(xué)耐腐蝕性能等，可以代替鑄石和陶瓷用作建筑材料、裝飾材料和化工機(jī)械材料等，市場容量非常可觀，是轉(zhuǎn)爐渣高附加值利用領(lǐng)域之一。但是，轉(zhuǎn)爐渣具有化學(xué)成分復(fù)雜(尤其鐵的含量很高)、熔化溫度高和晶化時(shí)間長等特點(diǎn)，用其制備微晶玻璃的工藝相對(duì)復(fù)雜，成本高，制成的微晶玻璃顏色較深，應(yīng)用范圍較窄，因此目前轉(zhuǎn)爐渣在制備微晶玻璃中的利用比例一直很低。

但是，轉(zhuǎn)爐渣用來替代現(xiàn)有原料制備微晶玻璃的市場前景是巨大的。其關(guān)鍵是如何低成本解決轉(zhuǎn)爐渣中鐵分離、降低熔化溫度和控制晶化時(shí)間的問題，而這些問題均涉及轉(zhuǎn)爐渣資源稟賦的改善。通過轉(zhuǎn)爐渣的熱態(tài)改性技術(shù)，選擇合適的改性劑對(duì)渣中的物相構(gòu)成進(jìn)行重構(gòu)，可以從根本上改善轉(zhuǎn)爐渣的資源稟賦，使其適合微晶玻璃的生產(chǎn)。因此，熱態(tài)轉(zhuǎn)爐渣改性，將是轉(zhuǎn)爐渣用于微晶玻璃制備領(lǐng)域最合適的技術(shù)。

（5）轉(zhuǎn)爐渣高附加值利用

轉(zhuǎn)爐渣的高附加值利用是近年來轉(zhuǎn)爐渣利用研究新出現(xiàn)的熱點(diǎn)。該類研究針對(duì)轉(zhuǎn)爐渣含有多種有價(jià)組分的特點(diǎn)，或?qū)⑵洳牧匣苽渚哂刑囟üδ艿牟牧希缋闷渲苽滗囯x子電池陽極材料、制備水處理劑。這類研究將有效拓展轉(zhuǎn)爐渣高附加值利用的途徑，大大提升其利用的附加值，但困難依然是如何解決轉(zhuǎn)爐渣低資源稟賦的瓶頸問題。

二、 轉(zhuǎn)爐渣利用的發(fā)展趨勢

目前，以賦予轉(zhuǎn)爐渣較好資源特性為目標(biāo)的轉(zhuǎn)爐渣熱態(tài)改性研究，正成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。由此構(gòu)筑開發(fā)未來轉(zhuǎn)爐渣利用技術(shù)的前沿，并日漸成為主流趨勢。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐渣利用模式將發(fā)生根本性的變革，以提升轉(zhuǎn)爐渣的資源特性為主旨，從本質(zhì)上解決其劣質(zhì)資源稟賦問題，并向大宗量、多途徑、高附加值利用方向發(fā)展。

與現(xiàn)行預(yù)處理技術(shù)不同，其特點(diǎn)為：

（1）改性是以提高轉(zhuǎn)爐渣資源稟賦為目的，而不是僅僅考慮改性后渣的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與渣鐵簡單分離問題。

（2）因改性是為獲取渣的某種用途或賦予其某種資源特性而進(jìn)行，所以改性方法具有多樣性與針對(duì)性

（3）渣的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可以直接通過改性而較好地解決，因而無需再通過現(xiàn)行水“消解“方式來解決問題。

不足之處是，因?yàn)獒槍?duì)性強(qiáng)，某些改性方式的普適性和一些利用技術(shù)的移植性相對(duì)較差。這種以提高轉(zhuǎn)爐渣資源稟賦為主旨的轉(zhuǎn)爐渣熱態(tài)改性研究國內(nèi)起步也相對(duì)較早，2003年以來，安徽工業(yè)大學(xué)、寶鋼、馬鋼、北京科技大學(xué)等進(jìn)行過相應(yīng)的研究或合作，并都取得一些較好的階段性成果，所以，以賦予轉(zhuǎn)爐渣較好資源特性為目標(biāo)的轉(zhuǎn)爐渣熱態(tài)改性研究，將逐步形成轉(zhuǎn)爐渣利用技術(shù)研發(fā)的主流趨勢，由此構(gòu)建轉(zhuǎn)爐渣大宗量、多途徑、可循環(huán)利用的新模式，實(shí)現(xiàn)真正意義上的轉(zhuǎn)爐渣高效利用與全部利用，將是轉(zhuǎn)爐渣未來利用的大趨勢。

三、 結(jié)束語

綜上，在現(xiàn)行轉(zhuǎn)爐鋼渣利用模式下，開拓了轉(zhuǎn)爐渣很多利用途徑，也取得了很多矚目的成就，在一定規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐渣的有效利用。但也毋庸諱言，轉(zhuǎn)爐渣真正意義上的大宗量、高效利用技術(shù)至今未能有效突破，尤其在我國超大鋼鐵產(chǎn)熊下，轉(zhuǎn)爐渣的問題處于亟待徹底解決、而又一時(shí)無法解決的尷尬局面。

盡管轉(zhuǎn)爐渣現(xiàn)行預(yù)處理技術(shù)多達(dá)十幾種，但本質(zhì)都是通過消解預(yù)處理解決轉(zhuǎn)爐渣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，而無法賦予轉(zhuǎn)爐渣較好的資源特性，即轉(zhuǎn)爐渣仍然是“劣質(zhì)資源稟賦”，所以，現(xiàn)行的預(yù)處理技術(shù)無論如何先進(jìn)，仍無法、也不可能使轉(zhuǎn)爐渣在低成本、大宗量、多途徑利用技術(shù)上出現(xiàn)根本性的突破。從這個(gè)意義上講，革新現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐渣利用模式的局限，是實(shí)現(xiàn)未來轉(zhuǎn)爐渣利用技術(shù)突破的關(guān)鍵。

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