鋼渣利用現狀及回收工藝研究

陳振中

(攀枝花鋼城集團有限公司，四川 攀枝花 617000)

我國是鋼鐵工業大國，2021年統計數據顯示：我國的粗鋼產量已超過10億噸，居全球首位。由于現有冶煉技術的局限性，粗鋼的生產過程中會產生大量鋼渣。通常情況下，產渣率約占粗鋼產量的8%～15%，即目前我國每年會產生1億噸左右的鋼渣[1,2]，另外還有歷史儲存鋼渣3億噸以上。如此大量的鋼渣如果不能得到有效處理，不僅會造成大量的土地資源和礦產資源浪費，更會嚴重污染土壤和水質，加重環境負擔。我國一直以來都十分重視鋼鐵廢渣的綜合利用，《廢鋼產業“十四五”發展規劃》對鋼鐵渣的綜合利用率提出了明確要求，即在“十四五”計劃完成時要達到85%的目標，其中要求高爐渣的綜合利用率達到95%，鋼渣達到60%。然而我國當前對鋼渣的資源化利用仍不理想，特別是轉爐鋼渣的利用率亟待提高[1,3]。因此，解析鋼渣的組成和性質，發展高利用率的鋼渣處理工藝，多級化綜合利用鋼渣，始終是鋼鐵冶金行業的重點研究課題。

1 鋼渣的物理和化學性質

鋼渣是煉鋼過程中產生的廢渣，其全鐵含量約為10%～20%[4]，這主要與鋼水終點碳含量有關，其中金屬鐵含量在3%～8%之間。因此可以通過一定的工藝流程將其中的金屬鐵和鐵元素的化合物分類回收，循環利用。鋼渣的密度一般為3.1～3.6 g/cm3，含水率根據熱悶工藝不同而有所區別，其范圍通常為3%～8%[4]。鋼渣的壓碎值為20.4%～30.8%，抗壓性能良好[4]。鋼渣結構致密，耐磨性良好，以標準砂的易磨指數為1進行比較，高爐渣的易磨指數為0.96，轉爐鋼渣為0.7[4]。其抗壓性和耐磨性一方面有利于在建筑和筑路等領域的應用，另一方面也為其處理和回收帶來了困難。

煉鋼過程中產生的鋼渣，其礦物組成與所處化學環境有關，尤其與過程中CaO的加入量有直接關系[5]。鋼渣的主要化學成分一般包括游離氧化鈣(f-CaO)，Mg、Fe、Mn氧化物形成的固溶體，CaMg[SiO4]，(Mn,Fe,Ca)·5[SisO]，2CaO·Fe2O3等，堿性環境較強時則以Ca2SiO3，Ca3SiO4等活性物質為主[1,5-7]。表1列出了典型轉爐鋼渣的主要化學成分及各成分含量。為了更好地描述和判斷鋼渣所處的堿性環境和組分，鋼渣中的CaO與SiO2+P2O5的含量比被定義為鋼渣的堿度，根據堿度高低將鋼渣分為三類：一是通常呈現黑褐色的低堿度渣；二是堿度在1.8到2.5之間的中堿度渣；三是呈褐灰色或灰白色的高堿度渣[8]。除表1中列出的成分外，鋼渣中還含有其他活性物質，包括Ca2SiO3，Ca3SiO4等。當鋼渣的堿度超過1.8時，上述活性物質的的含量可占60%～80%，并且該礦物的含量隨堿度的增大而顯著提高；當堿度大于2.5時，即在高堿度渣中，所含的主要礦物為Ca3SiO4[4,5,8]。

表1 典型轉爐鋼渣的主要化學成分及含量

鋼渣中包含的部分組分其理化特性不穩定，如游離氧化鈣(f-CaO)，MgO，Ca2SiO3，Ca3SiO4等[4,8]，在一定條件下理化特性的改變會影響鋼渣的穩定性。在逐步降溫的過程中，高堿度渣中存在的大量活性物質會在不同溫度下發生分解和消解：溫度由1250℃下降到1100 ℃時，Ca3SiO4將逐步分解成Ca2SiO3和f-CaO；當溫度降到675℃時，Ca2SiO3的體積則會發生膨脹；當溫度進一步下降到室溫時，鋼渣吸水后使得Ca、Mg等氧化物消解，f-CaO消解為Ca(OH)2，體積膨脹1～3倍；MgO消解成Mg(OH)2，體積膨脹達77%[4]。當活性物質的上述物理和化學反應全部結束后，鋼渣的理化性質趨于穩定[4,8]。

2 轉爐鋼渣的綜合利用

由于目前國內轉爐煉鋼技術仍然是鋼鐵企業的主流技術，轉爐鋼渣年產量約占我國全年鋼渣總產量的70%[8]，是最主要的鋼渣類型。提高轉爐鋼渣的利用率，能夠極大程度改善鋼渣利用現狀。目前轉爐鋼渣的綜合利用主要包括企業內的鋼鐵冶煉循環利用，企業外工業(特別是水泥生產和道路工程)的綜合利用，農業領域的應用，功能材料的應用等[10,11]。

2.1 鋼鐵冶煉循環利用

鋼渣在鋼鐵冶煉過程中的循環利用主要包括：燒結配料、冶煉熔劑、金屬回收等。轉爐鋼渣中含有的FeOx、MgO、CaO等成分有利于提高燒結礦的強度[10,11]。此外，在燒結過程中，用轉爐鋼渣代替部分石灰石等作為燒結配料，能夠有效減少碳酸鹽分解時的熱能消耗[10,11]。因此，在燒結工藝中充分利用轉爐鋼渣，能夠有效降低固體燃料消耗，從而降低燒結成本[10,11]。對熔融態的轉爐鋼渣進行留渣操作，將其返回轉爐作為冶煉熔劑，能夠節約原料，有效降低轉爐渣量，且對爐襯有一定的保護作用，能夠減弱早期爐渣的腐蝕[10]。由于轉爐鋼渣中鐵元素的含量較高，通過磁選等特殊的選礦工藝，可將其中的金屬鐵和含鐵的磁性化合物分類回收，進行二次利用[10]。

2.2 作為建筑和筑路材料

高堿度鋼渣中的Ca2SiO3，Ca3SiO4等膠凝性礦相與普通水泥中的硅酸鹽組分類似，可用于制作鋼渣水泥。鋼渣水泥通常以鋼渣作為主要原料，以一定比例加入摻合料和石膏，經混合粉磨而成[12]。在堿度高于2.5的鋼渣中加入10%的石膏研磨而生產的鋼渣水泥，其強度與325#水泥的強度相當[4,5]。鋼渣磨制到一定比表面積的微粉，可以用作水泥熟料或者混凝土摻合料。此外鋼渣能夠與瀝青牢固結合，且比碎石更加耐低溫，不易開裂，是一種優良的筑路回填材料[10,11]。

2.3 農業領域的應用

鋼渣中含有的大量Ca、Si、Fe、Mg等元素，以及少量P、Mn、Cu、Zn等元素，均為植物生長所必須的營養元素，因此可以作為復合礦物質肥料使用[10,11]。在水稻生產中，鋼渣不僅能夠提高水稻產量，還能夠有效改善土壤的重金屬污染情況，抑制水稻對重金屬的吸收[13]。

2.4 功能材料領域的應用

鋼渣在微晶玻璃、陶瓷材料、噴砂除銹磨料、橡膠填料等功能材料的生產中有著廣泛的研究和應用。其中微晶玻璃是一種兼具高強度、高硬度、耐磨、抗酸堿等優點的新型復合材料，以鋼渣為原料已經實現了理化性能良好的微晶玻璃的制備[10,11,14]。

3 轉爐鋼渣熱悶法處理工藝

鋼渣處理工藝決定了鋼渣的資源化利用率。國內主要鋼渣處理工藝包括熱悶法、熱潑法、風淬法、水淬法、滾筒法、粒化輪法等[1,15]。這些處理工藝各有優缺點，其中熱悶法因其工藝簡單，且能提高處理后鋼渣的活性及安定性而得到廣泛應用[16]。熱悶法是一種余熱自解渣處理技術[16,17]，轉爐煉鋼得到的熱態渣主要經過以下工藝流程處理：轉移進入熱悶罐/熱悶池→噴水、封罐、熱悶→得到粉化的鋼渣→磁選回收[16]。其中熱悶過程需要在封閉的熱悶罐或熱悶池中經歷反復熱悶約12小時，使飽和蒸汽充滿整個空間，則封閉空間內達到一定的溫度和壓強。在該高溫高壓下，飽和蒸汽與鋼渣中的氧化物發生一系列物理化學反應，進而使得鋼渣破碎、粉化[16,17]。經過上述方法處理過的轉爐熱門鋼渣，由于其中的游離f-CaO、MgO等活性物質在處理過程中被大量水蒸氣中消解，因此理化性質較為穩定，鋼渣粒度較小，便于通過適當的回收工藝進行資源化利用。

4 鋼渣回收工藝實例

優化鋼渣處理后的回收流程能夠有效提高鋼渣回收利用效率。此處展示某鋼鐵企業一種以轉爐熱悶鋼渣為原料的鋼渣回收工藝。

本項目采用“破碎+棒磨+磁選”的工藝流程進行鋼渣回收，鋼渣資源化回收利用后，得到大塊廢鋼、鋼渣粉、渣鋼、尾渣4種產品，可分別進行下列回收利用：

(1)大塊廢鋼，作為煉鋼原料回收利用；

(2)鋼渣粉(0～3 mm)，煉鐵原料回收利用；

(3)渣鋼(≥3 mm)，煉鐵原料回收利用；

(4)尾渣(0～3 mm)，作為建材原料及公路墊層，外售。

具體工藝流程見圖1。熱悶鋼渣(≤300 mm)和大塊爐口渣、中間罐殘留鋼渣采用汽車運至鋼渣選廠汽車受料斗，通過受料斗上方的格柵進行粗篩，大塊鋼渣落入大塊鋼渣池，由電磁起重機吊至大塊鋼堆存區，返回轉爐煉鋼使用，余下的鋼渣落入受料斗，經振動給料機給料至帶式輸送機，經人工分解大塊廢鋼、鋼筋及雜質后，經篩分-磁選，采用顎式破碎機進行粗破，破碎后返回圓振動篩，篩下物料經磁選后進入圓錐破碎機進行細破，再經干式棒磨，進入二次細篩，篩上物料經磁選得到粒鋼及粒鋼渣，篩下物料經鋼渣精選機磁選后，得到鋼精粉及尾渣。

圖1 鋼渣回收工藝流程

類比同類鋼渣回收利用情況，本工藝中鋼渣產品綜合回收率約30%，項目年處理鋼渣100萬噸，可回收渣鋼、渣鋼粉30萬噸，尾渣70萬噸。項目生產的4種產品中：0～10 mm含鐵量較低的尾渣可作為建筑原料及公路墊層外售，其余按照剛渣的粒度不同，分別可作為燒結精礦粉(0～10 mm的渣鋼、渣鋼粉)，高爐原料(10～50 mm的渣鋼)，本企業轉爐原料或冷卻劑(50 mm以上的大塊鋼)使用[18]。生產實踐表明，每綜合利用1 t鋼渣，相當于代替300～500 kg含鐵品位50%的鐵礦粉，節約1～2 kg石灰石熔劑，且因在生產過程中，由于石灰石用量減少而降低碳酸鹽分解熱等能源消耗，可使每噸燒結礦節省約10kg標煤。尤其在燒結工序中使用粒徑較小的渣鋼粉，可使燒結產量提高約1/5，燒結礦轉鼓強度提高約5%[18]。

5 結語

近年來，我國一直倡導節能降耗，深入挖掘資源的多級利用方式，鼓勵各生產企業向精細化生產方向轉型。鋼渣的資源化回收利用，不僅能降低鋼鐵企業固體廢物排放量，有效降低鋼鐵企業生產及排放成本，提高我國鋼鐵行業礦產資源綜合利用率，同時也符合當前環境治理及資源利用的政策要求。鋼渣的成分受煉鋼原料成分影響較大，因此根據鋼渣的具體組分和性質進行相應的處理和回收，是提高其利用率的重要依據。發展和優化鋼渣回收工藝，將產品精細化分級，也是提高鋼渣利用率的有效手段和重要方法。