國內外鋼渣資源化利用現狀及發展趨勢

宋 贊

鋼渣是煉鋼過程中的副產品，其產量為粗鋼產量的10%-20%。2018年我國粗鋼產量9.28億噸，產鋼渣1.21億噸。國外發達國家在鋼渣利用方面已達到排用平衡；而國內鋼渣相對利用率只有約25%，使用量有限（主要以回收金屬鐵做為燒結和高爐熔劑，做為煉鋼添加料等鋼廠內部循環利用方式為主）。目前約有70%的鋼渣處于堆存和填埋狀態，存在占用大量土地、環境污染、資源浪費等問題。

進入“十三五”，國家發展改革委和工業和信息化部把冶金渣，特別是轉爐鋼渣、電爐鋼渣的綜合利用作為重點，并對大宗固體廢物的開發利用所涉及的新工程項目給予資金支持，評選各種示范企業和工業園區建設，產業政策也都在向鋼渣開發利用行業傾斜。特別是2019年1月9日，國家發展改革委和工業和信息化部聯合下發《關于推進大宗固體廢棄物綜合利用產業集聚發展的通知》，吹響了推進冶金渣深度處理、高效利用的號角。

國外鋼渣利用的研究開展比較早，為實現不同煉鋼工藝鋼渣利用最大化，國外鋼鐵企業和下游制造商緊密合作，拓展了多種類鋼渣使用領域。其中日本鋼渣有效利用率在95%以上，歐洲鋼渣利用率也在90%以上，本文對日本、歐洲和國內鋼渣的利用情況進行匯總分析，希望對我國的鋼渣利用有指導和借鑒作用。

1.日本鋼渣資源化利用情況

日本鋼渣大部分是粉碎后磁選回收廢鋼，剩余尾渣幾乎全部用于水泥、道路工程、混凝土骨料和土建材料等方面，其中，路基材料使用量達到了鋼渣總量的30%。

1.1 復合路基料的開發

由于鋼渣水硬性和單軸抗壓強度都較小，不能直接作為上層路基料使用，因此，開發了將鋼渣與混凝土再生料結合的復合路基料。通過運用混凝土再生料未反應水泥的再硬化特性，混凝土再生料的堿性刺激導致渣潛在水硬性早期顯現，而實現鋼渣混合物性值穩定。日本北九州市土建工程材料，按混凝土再生料45%、鋼渣30%和高爐渣25%的比例配合，開發了具有與常規HMS25同等性質的復合路基料。

1.2 修復海域環境

鋼渣中含有CaO，利用鋼渣固化作用，可將封閉性海域營養富化的磷元素變成磷灰石，從而增強海域的強度。鋼渣中含有大量海藻生長所需的二價鐵(FeO)和SiO2，可將鋼渣作為在營養貧化海域制造海藻場的基質材料和肥料。

鋼渣可用來抑制富營養物的產生，改善海域水質和水底狀況。鋼渣呈堿性并含有鐵，具有抑制沉積在封閉型海域中淤泥狀水底的硫化物還原為硫化氫的功能。同時，還抑制硫化氫造成的氧消耗，防止海底缺氧。JFE鋼鐵公司、新日鐵住金等鋼鐵企業已經采用了此法改善日本近海。

利用鋼渣造人工礁由JFE鋼鐵公司成功開發，將鋼渣粉碎回收部分廢鋼鐵后，通過噴吹CO2與尾渣中CaO反應形成CaCO3帶孔塊狀物，將其沉入近海海底，海藻類附在帶孔漁礁上生長，有利于改善海洋生態環境，該法現已在日本近海推廣。

1.3 制造肥料

新日鐵住金公司生產的爐渣供給肥料廠作為鈣肥、磷酸肥及含鐵的特殊肥料的原料，將爐渣肥料應用于農業生產既提高了產量又改良了土壤。因為鋼渣除含有鈣、鎂、硅酸、氧化鐵、錳、硼等多種元素，還含有能立刻顯示出效果的堿性成分鈣和緩慢生效的堿性成分磷酸鈣，與普通肥料相比，具有持續改良酸性土壤的效果。

2.歐洲鋼渣資源化利用情況

歐洲的鋼渣資源化利用目前重點在建筑和建材行業，在水泥、混凝土、路面和建材制品中的廣泛應用是發展方向。鋼渣在德國的利用情況最具代表性。在德國，減少廢棄堆放的鋼渣量是鋼鐵工業發展目標之一，有關企業、科研機構都在積極開發鋼渣深度加工和質量控制技術，研究拓寬鋼渣的應用領域。

2.1 建筑材料應用

鋼渣作為建筑材料廣泛應用于土木工程、水利工程及鐵路工程等，安定性是應用領域最重要的指標。對于安定性好的鋼渣，德國采用超慢冷卻，獲取了直徑為100mm-500mm的粒度，滿足了水利工程所需的粗粒徑。

德國萊歇（Loesche）公司在比利時沙勒羅瓦（Charleroi）開展鋼渣處理項目，生產高性能新型建筑材料-碳化石/磚（Carbstone）。該項目用破碎機對鋼渣進行預處理，隨后使用改進的萊歇磨機對鋼渣進行研磨，生產超細礦物添加料，同時回收高純度金屬。超細礦物添加料與水和添加劑混合攪拌成型，然后經高壓蒸壓碳化處理后得到建筑材料。

2.2 廢水處理和填料處理應用

鋼渣具有良好的過濾性能，對廢水中的雜質顆粒、溶解性有機物和部分重金屬具有良好的去除作用。鋼渣因含有75%的堿性氧化物顯堿性，同時鋼渣經粉磨后表面積較大，決定了鋼渣可以通過化學反應和吸附作用處理廢水中的污染物。所以，鋼渣應用在重金屬離子廢水、有機染料廢水、無機非金屬廢水處理方面有很好的效果。

在歐洲，鋼渣用作填料強化人工濕地脫氮除磷效果，小型垂直流人工濕地分別以鋼渣和傳統材料礫石作填料處理生活污水，見表1。用鋼渣作填料處理的水質明顯好于礫石，鋼渣對磷元素的吸附效果尤其明顯。

表1 鋼渣和礫石填料的處理效果

3.國內鋼渣資源化利用情況

3.1 鋼渣的內部循環利用

3.1.1 回收金屬鐵。通過破碎磁選篩分工藝回收各種粒度的金屬鐵是大部分國內中小型鋼鐵企業利用鋼渣的主要手段，其余鋼渣則外賣或堆存渣場。

3.1.2 燒結熔劑。燒結礦中配加鋼渣代替熔劑，不僅可回收鋼渣中的殘鋼、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化錳等有益成分，而且可以提高燒結礦的質量。燒結礦中適量配入鋼渣后，能使結塊率提高，粉化率降低，成品率增加；再加上水淬鋼渣疏松、粒度均勻、料層透氣性好，也有利于燒結造球及提高燒結速度。此外，由于鋼渣中Fe和FeO的氧化放熱，節省了燒結礦中鈣、鎂碳酸鹽分解所需要的熱量，使燒結礦燃料消耗降低。高爐使用配入鋼渣的燒結礦，盡管鐵品位略有降低，煉鐵渣量略有增加，但由于強度高，粒度組成有所改善，高爐操作順行，焦比有所降低。我國首鋼、馬鋼、太鋼、沙鋼唐鋼、河鋼邯鋼等鋼廠均利用鋼渣做燒結礦熔劑。

3.1.3 高爐熔劑。國內一些鋼鐵企業將鋼渣做熔劑應用于高爐冶煉，實踐證明鋼渣做高爐熔劑主要優點：1）回收利用了渣中大量的金屬鐵，減少了燒結礦和石灰石用量；2）太鋼、美國內陸鋼公司等企業的實踐證實：鋼渣中因含有較多的Mn和MnO，能使高爐的流動性和穩定性變好，不僅提高了料柱的透氣性，還能使高爐的脫硫能力提高3%-4%；3）經濟效益好。國內馬鋼、太鋼等高爐大量應用轉爐鋼渣做熔劑，取得了良好的經濟效益。

3.1.4 煉鋼添加料。轉爐煉鋼使用含磷較低的高堿度返回鋼渣并配合使用白云石，可以使煉鋼成渣早，減少初期渣對爐襯的侵蝕，有利于提高爐齡，降低耐火材料消耗，同時可替代部分螢石。鋼渣中含40%-50%的CaO、6%-10%的MgO等，利用鋼渣中的殘鋼、氧化鐵、氧化鎂、氧化鈣、氧化錳等有益成分，通過適當的工藝，合理地將鋼渣返回轉爐利用，可有效促進轉爐冶煉過程的前期化渣，降低輔料的消耗，達到增加效益的目的，而且鋼渣的返回利用不會對鋼水質量發生負面影響。

3.2 鋼渣的外部循環利用

3.2.1 鋼渣微粉。鋼渣微粉是鋼渣經過加工、篩選、干燥后磨細并摻加適量的外加劑加工混合而成的產品。研究表明，在混凝土攪拌過程中摻加適量的鋼渣微細粉取代部分水泥，可以提高其結構的致密度和力學強度，這一穩定可靠的性能已被上海寶冶鋼渣公司在道路、場坪、制品等多方面廣泛應用。而且摻鋼渣微粉可使混凝土抗凍性能大幅提高，當鋼渣微粉摻量質量分數為10%時，其抗折強度比普通基準混凝土提高約30%，脆度系數降低30%，耐磨性能提高13%以上。

3.2.2 道路工程或回填材料。鋼渣因其容重大、強度高、硬度大、耐磨性能好等特性，被廣泛應用于道路工程中。鋼渣在鐵路和公路路基、工程回填、修筑堤壩、填海造地等工程中使用，國內已有相當廣泛的實踐，例如北京國家體育館在工程施工過程中就大量使用了鋼渣作為回填材料，回填的鋼渣全部來源于首鋼煉鋼過程中廢棄多年的煉鋼剩余渣。經過加工處理后的鋼渣按照試驗配比與少量水泥及其他輔料配制而成，其密度、含水率、放射性等各項技術指標均符合國家規范要求。國家體育館建設工程使用大量鋼渣作為回填材料的施工經驗，為鋼渣作為回填材料進行地基處理提供了寶貴的經驗。

3.2.3 鋼渣瀝青混凝土。根據鋼渣屬于堿性集料、具有多孔的物理特征，通過特殊方式破碎，經過試驗和優化與瀝青的配比設計，研制出劈裂強度比高、殘留穩定度大、抗車碾等物理性能好的鋼渣瀝青混凝土，試驗結果表明，鋼渣瀝青混凝土具有良好的熱穩定性、水穩定性和抗滑性能，對提高我國瀝青路面的耐久性和降低工程造價發揮了極為重要的作用。此外，鋼渣也可以用于瀝青混凝土的骨料，以代替石質骨料，節省自然資源（石材），提高鋼渣再生利用的經濟價值。

3.2.4 農用肥料。鋼渣中的鈣、硅、磷等在冶煉過程中經過高溫鍛燒，其溶解度大大改善，容易被植物吸收，可用作有速效又有后勁的復合礦質肥料。目前，我國有鋼渣磷肥和鈣鎂磷肥。衡量用作磷肥的鋼渣質量，取決于有效P2O5含量，在煉鋼過程中，提高有效P2O5的含量是提高鋼渣磷肥質量的關鍵。馬鋼生產的鋼渣磷肥不僅在酸性土壤施用效果好，在缺磷的堿性土壤上施用也可獲得增產，不僅在水田施用效果好，在旱田肥效也有作用。

3.2.5 廢水處理吸附劑

鋼渣具有比表面積大、疏松多孔且在水溶液中易水解電離出Ca2+、Fe2+、OH-、羥基化基團SOH等性質，能很好地去除廢水中重金屬離子，且效率較高。國內曾有鋼渣對銅、鉛、鉻、鋅、砷等重金屬離子和有機物吸附特征以及鋼渣改性吸附性能的報道。

3.2.6 制備微晶玻璃等陶瓷產品。微晶玻璃由于具有機械強度高、耐磨損、耐腐蝕、電絕緣性優良、介電常數穩定、膨脹系數可調、熱穩定和耐高溫等特點，廣泛應用于光學、電子、宇航、生物等高新技術領域作為結構材料和功能材料外，還可大量應用于工業和民用建筑作為裝飾材料或防護材料。利用鋼渣制備性能優良的微晶玻璃對于提高鋼渣的利用率和附加值，減輕環境污染具有重要的意義。我國這方面研究起步較晚，但已經取得了較大的進展。據報道，湖南大學、武漢理工大、華中科技大學等已利用鋼渣成功研制出性能優良的建筑微晶玻璃。

3.2.7 鋼渣高附加值利用。鋼渣的高附加值利用是近年來鋼渣利用研究的熱點。該類研究針對鋼渣含有多種有價組分的特點，將其材料化，制備成具有特定功能的材料，如利用其制備鋰離子電池陽極材料、制備水處理劑等。這類研究將有效拓展鋼渣高附加值利用的途徑，大大提升其利用的附加值。

4.結語

（1）從國外鋼渣應用情況可知，鋼渣資源化利用呈現多元化趨勢，各國結合鋼渣實際成分和性能等情況，開發了獨具特色的鋼渣產品。日本主要將鋼渣應用于復合路基料、海洋領域、凈化材料和工業化肥等，歐洲將鋼渣應用在建筑材料、廢水處理和填料處理等行業。

（2）在現行鋼渣利用模式下，國內鋼渣資源化技術的開發及應用取得了一定的成績，在一定規模上實現了鋼渣的有效利用。但是，總體而言，我國鋼渣的利用率還不高，鋼渣穩定可靠應用還存在制約因素。例如鋼渣作冶金原料時，由于鋼渣成分波動大，給生產控制帶來一定的困難；鋼渣作建筑材料時，由于鋼渣的膨脹性，不能完全代替水泥；鋼渣磷肥由于應用成本太高，難以推廣；鋼渣作廢水處理吸附劑尚難投入實際工業應用；鋼渣制備微晶玻璃還停留在研究階段。

（3）隨著鋼鐵工業綠色循環發展，鋼渣應用領域也在不斷調整。今后鋼渣應用將更加突出高質量和綠色環保的特性，并向大宗量、多途徑、高附加值利用方向發展。

參考文獻略