液態(tài)鋼渣改性的研究現(xiàn)狀及探討

吳文斌 李雁翎 龍順紅

【摘 要】文章對(duì)液態(tài)鋼渣改性的技術(shù)方法進(jìn)行了分析，指出了液態(tài)鋼渣改性技術(shù)存在的問(wèn)題，提出了鋼渣改性技術(shù)應(yīng)用研究方面的新觀(guān)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】液態(tài)鋼渣;鋼渣改性;鋼渣調(diào)質(zhì);高溫改性;易磨性

【中圖分類(lèi)號(hào)】X757 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）05-0121-02

鋼渣是生產(chǎn)鋼鐵的過(guò)程中，由于造渣材料、冶煉材料、冶煉過(guò)程中混入的爐體材料和各種金屬雜質(zhì)所混合成的高溫固溶體，經(jīng)過(guò)破碎、選取金屬鐵后的尾渣大多應(yīng)用于建材行業(yè)。

鋼渣尾渣的利用一直是世界性難題，隨著國(guó)家對(duì)固廢的嚴(yán)格管理，鋼鐵企業(yè)已經(jīng)將鋼渣的開(kāi)發(fā)利用作為重點(diǎn)工作。鋼渣主要礦物包括硅酸三鈣、硅酸二鈣、鐵酸鈣及RO相等，其中硅酸三鈣和硅酸二鈣具有較好的膠凝活性，但由于鋼渣中存在f-CaO，其含量在鋼渣中占0～10%，f-CaO遇水后發(fā)生反應(yīng)生成Ca（OH）2，這個(gè)反應(yīng)會(huì)使鋼渣體積膨脹，對(duì)水泥安定性產(chǎn)生影響，加上鋼渣相比高爐礦渣的膠凝礦物總體含量少、難磨，制約了鋼渣在建材與道路工程中的使用。因此，如何提高鋼渣活性，擴(kuò)大鋼渣在建材行業(yè)的應(yīng)用，成為許多科研工作者的研究任務(wù)。

提高鋼渣活性的研究方向很多，其中之一就是利用液態(tài)鋼渣的高溫，加入調(diào)質(zhì)補(bǔ)充材料，使得鋼渣和調(diào)質(zhì)材料反應(yīng)生成更多的活性礦物，從而提高鋼渣的活性。

1 當(dāng)前液態(tài)鋼渣改性的技術(shù)方法

許多人對(duì)液態(tài)鋼渣的改性提出了不少的思路、方法，并開(kāi)展了試驗(yàn)研究，其中有不少方法還申請(qǐng)了專(zhuān)利。這里重點(diǎn)分析介紹這些專(zhuān)利方法。

（1）專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N104016600A一種鋼渣高溫改性方法，采用富硅質(zhì)材料對(duì)鋼渣高溫重構(gòu)改性，利用富硅材料固定f-CaO，生成更多的C3S、C2S，得到高活性易磨的類(lèi)水泥熟料。

（2）專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?02503193A一種熱態(tài)保溫處理鋼渣制備類(lèi)水泥熟料的工藝方法，將硅鋁質(zhì)的調(diào)整劑加入液態(tài)鋼渣中，經(jīng)過(guò)保溫處理，通入氮?dú)鈹嚢杈鶆颍逛撛深?lèi)水泥熟料。

（3）專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N101792274A對(duì)中堿度鋼渣進(jìn)行在線(xiàn)高溫重構(gòu)的鈣硅鋁質(zhì)性能調(diào)節(jié)材料及其應(yīng)用，使用石灰和礦渣、少量輔助材料加入液態(tài)鋼渣中，增加了活性硅酸鹽礦物的含量，得到的改性鋼渣活性指數(shù)大于85%。

（4）專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N104673965A一種液態(tài)鋼渣在線(xiàn)改性方法，將碳酸鹽物質(zhì)作為改質(zhì)劑加入液態(tài)鋼渣中，改善了鋼渣易磨性。

（5）專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朇N108658483A一種鋼渣還原回收鐵及二次渣制備輔助性膠凝材料的方法，在液態(tài)鋼渣中加入還原劑及組分調(diào)整材料，可以還原80%以上的鐵，改性鋼渣28 d的活性指數(shù)為77%～108%。

除了這些專(zhuān)利，還有一些研究實(shí)驗(yàn)也展示了很好的方法或思路。殷素紅等人研究還原重構(gòu)鋼渣，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣中鐵化合物的還原率近100%，尾渣玻璃體含量高達(dá)73%～97%，活性大大提高[1]。吳龍等人也做了類(lèi)似的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，在加入改性材料后，對(duì)熔融鋼渣進(jìn)行還原處理，可以回收鋼渣中90%的鐵（選出料含金屬鐵90%以上），同時(shí)生成高活性的尾渣，尾渣中氧化鐵僅3%，活性超過(guò)了基準(zhǔn)水泥[2]。

2 液態(tài)鋼渣改性方法存在的問(wèn)題

從理論上看，這些專(zhuān)利方法思路都很好，但是結(jié)合實(shí)際發(fā)現(xiàn)，這些技術(shù)方法存在一些問(wèn)題，如果要推廣應(yīng)用必須解決這些問(wèn)題。

2.1 難以達(dá)到硅酸鹽礦物反應(yīng)所需溫度

硅酸鹽礦物反應(yīng)所需溫度為1 350 ℃左右，大多數(shù)改性方法基本上不能達(dá)到這個(gè)反應(yīng)溫度。

可以作一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)算：高溫的液態(tài)鋼渣中加入常溫態(tài)的調(diào)質(zhì)改性材料，在沒(méi)有化學(xué)放熱、吸熱的情況下，以液態(tài)鋼渣溫度1 500 ℃計(jì)算，若加入10%的調(diào)質(zhì)改性材料，整體渣溫相應(yīng)下降10%，為1 350 ℃左右;若加入20%的調(diào)質(zhì)改性材料，整體渣溫則在1 200 ℃左右。所以，從理論上看，加入的調(diào)質(zhì)改性材料超過(guò)10%時(shí)，由于溫度低，鋼渣改性反應(yīng)是不能進(jìn)行的。上述的推算還是建立在調(diào)質(zhì)改性材料均勻進(jìn)入到液態(tài)鋼渣的理想狀態(tài)下，實(shí)際上如果不均勻，局部的渣溫會(huì)更低。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，一般渣罐內(nèi)部沒(méi)有保溫材料，渣溫下降比較快，正常情況下液態(tài)鋼渣溫度一般在1 450～1 500 ℃。

有個(gè)別專(zhuān)利方法采取加碳質(zhì)材料進(jìn)行保溫、升溫，但是如果沒(méi)有吹氧，很難實(shí)現(xiàn)保溫、升溫的目的。其實(shí)即使吹氧，由于碳質(zhì)材料的存在，存在很大的安全隱患;同時(shí)，由于氧氣溫度低的問(wèn)題，常溫的氧氣也可能帶走更多的熱量，當(dāng)然這一點(diǎn)有待實(shí)踐證明?？偟恼f(shuō)來(lái)，如果對(duì)液態(tài)鋼渣升溫，鋼渣改性的成本需要做認(rèn)真的核算。

2.2 調(diào)質(zhì)材料與液態(tài)鋼渣不能均勻混合

上面也提到過(guò)，如果調(diào)質(zhì)改性材料均勻地與液態(tài)鋼渣混合，在渣溫、反應(yīng)時(shí)間足夠的前提下，就可以完成鋼渣的改性目的。但是，由于液態(tài)鋼渣的流動(dòng)性不好，在沒(méi)有外力的情況下是不可能均勻混合的。

從控制成本的角度，調(diào)質(zhì)改性材料加入渣罐中，只能借助液態(tài)鋼渣的沖擊力進(jìn)行攪拌、混合，如果用外力攪拌，無(wú)論是采用機(jī)械攪拌還是氣力攪拌，都會(huì)大大增加鋼渣改性成本，同時(shí)加大安全風(fēng)險(xiǎn)。

所以，不均勻性是鋼渣改性過(guò)程中反應(yīng)不完全的主要原因，也是鋼渣改性技術(shù)碰到的難題之一。簡(jiǎn)單的沖擊力決定了改性材料與液態(tài)鋼渣不能實(shí)現(xiàn)均勻混合，最終只有部分鋼渣參與完成改性，只能增加少量的硅酸鹽活性礦物。

2.3 鋼渣改性的經(jīng)濟(jì)性

如上所述，改性面臨溫度、均勻性?xún)蓚€(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，如果要解決，投入的成本是比較高的，需要結(jié)合改性后鋼渣性能優(yōu)化等受益比較，計(jì)算鋼渣改性的經(jīng)濟(jì)性，這也決定了改性技術(shù)是否可以推廣應(yīng)用。而且，必須盡量利用本地廉價(jià)的鈣、硅、鋁資源，否則改性成本高，就失去經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3 對(duì)液態(tài)鋼渣改性技術(shù)應(yīng)用研究的幾個(gè)觀(guān)點(diǎn)

對(duì)液態(tài)鋼渣改性有許多的思路、方法，但是大多數(shù)處于研究階段，實(shí)際上，國(guó)內(nèi)沒(méi)有一個(gè)改性技術(shù)能夠成功應(yīng)用于生產(chǎn)。

對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性是第一位的。因此，我們?cè)谝簯B(tài)鋼渣改性技術(shù)應(yīng)用研究方面應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)。

3.1 應(yīng)當(dāng)優(yōu)先解決鋼渣的易磨性差問(wèn)題

從前面的分析看，我們不能將鋼渣改性的目標(biāo)定位于全面提高鋼渣活性，期盼改性后鋼渣的活性接近水泥熟料。

從實(shí)踐看，水泥等行業(yè)不喜歡大量使用鋼渣的首要原因是鋼渣的易磨性差，其次是鋼渣的體積穩(wěn)定性不佳。易磨性差導(dǎo)致生產(chǎn)中粉磨電耗急劇增加。例如，某水泥廠(chǎng)的某型立磨，粉磨高爐水渣時(shí)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量為120 t，而粉磨鋼渣時(shí)的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量卻只有55 t，對(duì)生產(chǎn)成本產(chǎn)生了很大的影響。

所以，改善鋼渣的易磨性成為解決鋼渣利用問(wèn)題的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鋼渣的改性必須有針對(duì)性地解決這個(gè)問(wèn)題，而不是面面俱到地按水泥熟料成分配入調(diào)質(zhì)材料。

易磨性與鋼渣的礦物組成及結(jié)構(gòu)有關(guān)，含有金屬鐵、RO相、鐵酸鈣等高硬度礦物，在預(yù)粉磨盡量除鐵的前提下，如果盡量避免生成RO相、鐵酸鈣等高硬度礦物則可以明顯改善鋼渣易磨性。

郭輝等人研究表明，在CaO摻量充足的條件下，重構(gòu)鋼渣的最終礦物組成為C3S、C4AF、C2F、MgO，硅酸鹽礦物形成較多且易磨性較好[1]?；诖?，提出鋼渣改性?xún)?yōu)先配入調(diào)質(zhì)材料是生石灰或碳酸鈣[3]。

優(yōu)先改善鋼渣的易磨性，是液態(tài)鋼渣改性的第一目標(biāo)。

3.2 應(yīng)當(dāng)因地制宜利用廉價(jià)資源進(jìn)行鋼渣改性

必須盡量利用本地廉價(jià)的鈣、硅、鋁資源，否則改性成本高，就失去經(jīng)濟(jì)價(jià)值。有的地方有廉價(jià)的石灰，有的地方有赤泥或其他鈣、鋁、硅質(zhì)固廢，可以根據(jù)實(shí)際情況采用，力求用最便宜的材料。

3.3 應(yīng)當(dāng)控制調(diào)質(zhì)材料加入比例

前面提到，要保持硅酸鹽礦物反應(yīng)所需溫度，調(diào)質(zhì)材料加入比例最好小于10%，盡量保持較高的液態(tài)鋼渣溫度。

4 結(jié)論

液態(tài)鋼渣改性技術(shù)對(duì)鋼渣擴(kuò)大在水泥行業(yè)的應(yīng)用具有較大的促進(jìn)作用，但鑒于經(jīng)濟(jì)性，建議盡量使用簡(jiǎn)單的、廉價(jià)的調(diào)質(zhì)材料，采用簡(jiǎn)單的投加方法。

液態(tài)鋼渣改性的重點(diǎn)應(yīng)放在改善易磨性，這對(duì)下游水泥企業(yè)、鋼渣微粉企業(yè)非常重要。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]殷素紅，郭輝，余其俊，等.還原鐵法重構(gòu)鋼渣及其礦物組成[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2013（7），41（7）：966-971.

[2]吳龍，郝以黨，張凱，等.熔融鋼渣資源高效化利用探索試驗(yàn)[J].環(huán)境工程，2015，33（12）：147-150.

[3]郭輝，殷素紅，高凡，等.鋼渣重構(gòu)組成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因子[J].水泥，2017（2）：8-12.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]