鄭志輝¹ 李保海¹ 盛強² 李國超² 申琪²

（1首鋼股份公司遷安鋼鐵公司  河北省遷安市

2北京鼎盛成包裝材料有限公司遷安分公司  河北省遷安市）

摘要：在國家“綠水青山，就是金山銀山”的引領下，建設綠色鋼鐵是世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展的方向。首鋼遷安鋼鐵公司是大型鋼鐵企業(yè)，近些年來在節(jié)能減排、資源利用等方面取得了階段性成果。通過行業(yè)間協(xié)作，技術創(chuàng)新，建設綠色循環(huán)產業(yè)園，實現鋼渣的資源化、再利用和產品化，綜合利用率達到75%以上。

關鍵詞：鋼渣 ；綠色發(fā)展；綜合利用；行業(yè)協(xié)作

1 國內鋼渣綜合利用現狀

2017年，我國粗鋼產量約為8.32億噸，鋼渣產出量約1.66億噸。鋼渣因其自身的安定性不良，易磨性差，活性較低等原因，成為鋼鐵渣資源化利用難度最大的一類固體廢物。在鋼鐵企業(yè)，一般都采用“破碎-篩分-磁選-渣鋼/渣鋼粉回收”工藝處理鋼渣，金屬回收率可達85%；但大部尾渣外銷于建材企業(yè)或用于制作鋼渣水泥、水泥混合材、砂石骨料、混凝土摻合料等，但綜合利用率不足40%。

2 遷鋼鋼渣概況

2018年，遷鋼年粗鋼產量741萬噸，固體二次資源產生量為436萬噸，噸鋼固體二次資源產生量為589Kg/t，其中煉鐵工序噸鋼產生量362.6 Kg/t；煉鋼工序噸鋼產生量204Kg/t（鋼渣產出量為144Kg/t）；熱軋工序噸鋼產生量15.5 Kg/t。返生產利用率23%，綜合利用率為99.05%。

3 遷鋼鋼渣綜合利用情況

3.1 鋼渣加工中心綜合利用概況

鋼渣加工中心主要功能是處理轉爐熱潑渣、爐下渣、鑄余渣和脫硫渣，年處理能力120萬噸。2018年產生轉爐渣92萬噸，鑄余渣3.5萬噸，脫硫渣15萬噸。經過落錘破碎線、鋼渣破碎磁選線、自磨提純線、水洗球磨生產線、滾篩處理線以及罩車火焰切割線的加工處理，分選加工獲得了品位40-85%的渣鋼，回收利用渣鋼約16萬噸，尾料社會化利用。工藝流程如圖所示。

圖1：轉爐渣處理工藝流程圖

圖2：鑄余渣處理工藝流程圖

圖3：脫硫渣渣處理工藝流程圖

3.2 鋼渣制作干混砂漿技術

自主研發(fā)，以處理后的鋼渣尾渣，代替天然砂，制備干混砂漿。2006年，首鋼建立了年產30萬噸的鋼渣干混砂漿生產線，產品應用在奧運場館建設、首都機場航站樓改造等工程中。

圖4：鋼渣制作干混砂漿工藝流程圖

圖5：干混砂漿生產現場

4 鋼渣的基本特性

    鋼渣是鋼鐵冶煉過程中所產生的，由造渣材料、冶煉材料、元素化學反應產物、熔損耐火材料和金屬混合物形成的高溫熔體。經冷卻后形固態(tài)物質，以硅酸鹽、鋁硅酸鹽為主要成分。根據煉鋼工藝的不同，可分為轉爐鋼渣、電爐鋼渣、精煉鋼、預處理渣、鑄余渣等。其中，鋼渣占比較高，主要成分包括硅酸二鈣（Ca₃SiO₅）、硅酸二鈣（Ca₂SiO₄）、橄欖石（CaRS）、薔薇輝石（Ca₃RS₂）、RO相。

4.1鋼渣一次處理工藝

表1：鋼渣一次處理工藝對比

4.2遷鋼轉爐鋼渣物性

    遷鋼采用210噸頂底復吹氧氣轉爐煉鋼，鋼渣主要來源于轉爐工序，是轉爐煉鋼工藝不可缺少的副產物。轉爐煉鋼主要原料是鐵水和廢鋼，輔料主要有石灰、輕燒白云石和礦石。煉鋼過程中，通過頂部氧槍吹入氧化，與鐵水中的碳、硅、錳、磷、硫以及鐵元素等金屬元素反應生成氧化物，在1600-1700℃的溫度下，與加入爐內的輔料發(fā)生化學反應，形成1600℃以上的液態(tài)鋼渣，經風淬或水渣形成固態(tài)鋼渣。

4.2.1 鋼渣的化學成分

表2：鋼渣的化學成分（2019年1月10日）

4.2.2鋼渣的礦相組織

轉爐鋼水熔池溫度高，爐渣堿度和溫度也高，鋼渣的主要礦相為硅酸二鈣（簡寫C₂S）和硅酸三鈣3CaO•SiO₂（簡寫C3S），約占65%，以鐵酸鈣2CaO•Fe₂O₃（簡寫為C₂F）和RO相為結合相，約占30%，并含有5-7%MgO結晶相和一定數量的游離氧化鈣。水泥熟料礦相為C₂S和C₃S含量約占75%，鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的含量約占22%。從礦相組織來看，水泥熟料與鋼渣礦相很接近。

圖6：轉爐鋼渣礦相組織

4.2.3鋼渣與水泥熟料形成溫度對比

轉爐煉鋼過程中，轉爐終點熔池溫度為1650-1700℃，水泥熟料的生成溫度范圍一般為1300～1450℃燒成。鋼渣生成溫度明顯高于水泥熟料的生成溫度，對鋼渣的活性存在不利的影響。

表3：鋼渣熔煉過熱度

4.3鋼渣微粉制作水泥摻合料試驗研究

協(xié)同建筑行業(yè)研究院聯(lián)合進行試驗，依照國標《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》GB/T20491-2017和《鋼鐵渣粉》GB/T28293-2012分別對水渣、鋼渣和脫硫渣進行單獨試驗，完成了鋼鐵渣的試驗。主要測試了帶鐵量、密度、粉磨及比表面積試驗、XRF分析（化學分析）、XRD分析（晶像分析）、放射性實驗、游離氧化鈣含量（≤4%）、安定性、流動度比（≥95%）基準水泥、活性指數等9項試驗測試。

（1）基本試驗情況

表4：鋼渣和脫硫渣基本試驗情況

(2)放射性試驗

表5：鋼渣和脫硫渣放射性檢測結果

(3)化學成分

表6：XRF分析

(4)安定性

表7：安定性分析

(5) 普通水泥活性指數：

表8：活性指標分析

試驗表明：依據GB/T20491-2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》要求，三氧化硫含量≤4.0%，氯離子含量≤0.06% 。脫硫渣SO₃含量為4.37%，超過標準要求；兩種鋼渣氯離子含量超過標準要求，主要原因是冷卻水質的問題；MgO含量均大于5%，需要做壓蒸法安定性試驗；放射性檢測合格。

將鋼渣樣品磨細至比表面積400㎡/kg和450㎡/kg轉爐渣的7天活性指數均不合格，28天活性指數差距不大，均判定為二級鋼渣粉。脫硫渣磨細后7天活性指數均達到一級鋼渣粉指標要求，但28天強度增長緩慢，達到二級標準要求，判定為二級鋼渣。

5 鋼鐵渣復合粉試驗研究

經試驗研究，鋼鐵粉復合料中鋼渣粉摻合比50%，達到G75級水泥標準；鋼渣粉摻合比33%，達到G95級水泥標準；脫硫渣粉摻合比33%，達到G85級水泥標準。

5. 1礦渣粉基本情況

表9：礦渣粉指標分析

5.2 試驗配比

鋼鐵渣配比原則：礦渣粉分別與GZ轉爐渣粉和GS脫硫渣粉按不同比例進行混合成鋼鐵渣粉，配比情況。

表10：礦渣粉與鋼渣粉、脫硫渣粉配比

5.3 鋼鐵渣活性指標

表11：礦渣粉與鋼渣粉、脫硫渣粉復合粉活性指數

6 在水泥混凝土及制品的應用

鋼鐵渣復合粉是水泥原材料之一。另外，其下游混凝土及其制品中還需要大量的砂石骨料，按1噸水泥需要6噸的砂石骨料計算，我國每年大約需要132億噸的砂石骨料。2014年，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布的《砂子，比你想象的更稀缺》報告提到，全球每年有超過400億噸的砂子和礫石（顆粒稍大的砂子）被開采出來。砂石資源的短缺、環(huán)境的束縛，將使利用尾礦砂、廢石、煤矸石、粉煤灰、鋼渣等制備粗細骨料大有可為。

在新型墻體材料方面，隨著國家“一帶一路”、“雄安新區(qū)”、“特色小鎮(zhèn)”、“海綿城市”等政策因素的帶動，我國各地基礎設施建設將不斷加大，同時伴隨著綠色建材、綠色建筑、綠色工廠、建筑節(jié)能、海綿城市、裝配式建筑、美麗鄉(xiāng)村的深入推廣，新型墻材的市場需求也必將進一步增加，利用大宗工業(yè)固廢制作的透水磚、路面磚、免燒磚、蒸壓砌塊、石膏砌塊、泡沫陶瓷、仿古磚、景觀磚、文化工藝品、雕刻品、防水防腐防火保溫一體化的裝配式墻材、屋面等產品也將大有可為。

7總結與展望

(1) 鋼渣的主要礦相為硅酸二鈣（簡寫C₂S）和硅酸三鈣3CaO•SiO₂（簡寫C₃S），約占65%，以鐵酸鈣2CaO•Fe₂O₃（簡寫為C₂F）和RO相為結合相，約占30%，并含有5-7%MgO結晶相和一定數量的游離氧化鈣。試驗表明，不適合單獨作膠凝材，可以作復合料使用。含50%鋼渣粉的鋼鐵渣粉和含33%脫硫渣粉的鋼鐵渣粉，滿足生產二級以上水泥要求。

（2）在當前煉鋼工藝中，在實現冶金效果同時，優(yōu)化工藝，為鋼渣后續(xù)綜合利用提供保障，是冶金科研人員攻關的方向。

（3）脫硫渣不僅可以用于鋼鐵渣粉，也可用于濕法脫硫和二氧化碳的減排吸附。

（4）隨著國家對自然資源的保護，鋼鐵行業(yè)大宗固廢鋼的綜合利用將有很高的發(fā)展前景。

參考文獻

[1] 歐陽東，謝宇平，柯俊元，轉爐鋼渣的組成、礦物形貌及膠凝性能[J]，硅酸鹽學報，1991，19（6）：488~494。

[2] 張作順等 國內鋼渣處理方法及資源化利用的研究進展。

[3] 廖洪強 首鋼節(jié)能減排與資源綜合利用新技術開發(fā)及其產業(yè)化。