李兆甲  翟玉兵  劉占平

（河北新金鋼鐵有限公司燒結(jié)廠  河北邯鄲 056300）

摘要：冶金各工序（如煉鐵、煉鋼、軋鋼等）產(chǎn)生的廢料（鋼渣粉、除塵灰、轉(zhuǎn)爐污泥、軋鋼皮等）數(shù)量巨大，傳統(tǒng)堆存處理方式不僅占用土地，更造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。將冶金廢料應(yīng)用于燒結(jié)工序進(jìn)行資源化利用，是鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、降本增效、綠色低碳發(fā)展的有效途徑。本文系統(tǒng)分析了鋼渣粉、除塵灰、轉(zhuǎn)爐污泥、軋鋼皮等典型冶金廢料的理化特性及其在燒結(jié)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)（配比優(yōu)化、預(yù)處理、工藝參數(shù)調(diào)控）及在新金鋼鐵燒結(jié)廠的應(yīng)用實(shí)踐，詳細(xì)闡述了廢料配入對燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗及環(huán)境排放的綜合影響，并深入評估了其顯著的經(jīng)濟(jì)效益（降低原料成本、減少固廢處置費(fèi)用）和環(huán)境效益（節(jié)約資源、減少排放、保護(hù)土地）。研究表明，在科學(xué)配比和工藝優(yōu)化基礎(chǔ)上，冶金廢料在燒結(jié)工序的大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)成熟，效果顯著，是實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向，未來應(yīng)進(jìn)一步提升利用比例并探索高值化利用途徑。

關(guān)鍵詞： 冶金廢料；燒結(jié)；資源化利用；循環(huán)經(jīng)濟(jì)；綠色冶金

1 引言 

鋼鐵工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基石，其發(fā)展伴隨著巨大的資源消耗和環(huán)境壓力。在鋼鐵生產(chǎn)全流程中，各工序均會產(chǎn)生大量的固體廢棄物，主要包括：鋼渣粉、除塵灰、轉(zhuǎn)爐污泥、軋鋼皮（氧化鐵皮）。這些廢料年產(chǎn)生量巨大（中國鋼鐵行業(yè)年固廢產(chǎn)生量超10億噸），傳統(tǒng)處理方式（如堆存、填埋）不僅占用大量土地（據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國鋼鐵渣堆存量已超20億噸），還存在污染土壤、水體（重金屬、堿性物質(zhì)浸出）和空氣（粉塵）的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)造成鐵、鈣等有價(jià)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格、資源成本不斷攀升以及“雙碳”目標(biāo)的提出，冶金廢料的高效資源化利用已成為鋼鐵企業(yè)生存和發(fā)展的剛性需求。

燒結(jié)工序作為長流程鋼鐵生產(chǎn)的“龍頭”，其原料結(jié)構(gòu)具有兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，為消納冶金廢料提供了天然平臺。將鋼渣粉、除塵灰、轉(zhuǎn)爐污泥、軋鋼皮等廢料科學(xué)合理地配入燒結(jié)混合料，替代部分鐵礦石、熔劑和燃料，不僅能顯著降低原料成本，減少固廢處置費(fèi)用，還能實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，降低環(huán)境負(fù)荷，是鋼鐵企業(yè)踐行循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文旨在系統(tǒng)總結(jié)冶金各工序廢料在燒結(jié)生產(chǎn)中應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、綜合效益及面臨的挑戰(zhàn)，為行業(yè)推廣提供參考。

2 冶金廢料特性分析及預(yù)處理

 2.1 鋼渣粉

特性：煉鋼過程（轉(zhuǎn)爐、電爐）產(chǎn)生的熔融渣經(jīng)冷卻、破碎、磁選、粉磨后得到的細(xì)粉,主要化學(xué)成分為CaO（40-55%）、SiO?（10-20%）、TFe（10-25%）、MgO（3-10%）、MnO（1-5%）及少量P2O5（1-3%，是主要限制因素之一）。礦物組成以硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）、RO相（MgO、FeO、MnO固溶體）為主。具有一定的水硬活性（可作水泥摻合料），但用于燒結(jié)主要利用其鈣鐵成分。粒度通常較細(xì)（<5mm或更細(xì)）。含有少量金屬鐵粒。

預(yù)處理：磁選回收鐵粒（提高資源利用率）；陳化或改性處理（促進(jìn)游離氧化鈣f-CaO消解，防止燒結(jié)礦吸水粉化）；控制粒度（過粗影響成礦，過細(xì)影響透氣性）。

2.2 除塵灰

特性： 燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工序煙氣除塵系統(tǒng)收集的細(xì)顆粒物，成分極其復(fù)雜多變，取決于來源工序。

燒結(jié)除塵灰：含F(xiàn)e（40-60%）、CaO（5-15%）、C（3-15%）、SiO?、Al?O?及K、Na、Zn、Pb等有害元素，是燒結(jié)返料的重要來源。

高爐除塵灰（瓦斯灰/泥）：含F(xiàn)e（30-50%）、C（15-35%，可作燃料）、Zn（可達(dá)百分之幾，是主要限制因素）、K、Na等，鋅負(fù)荷對高爐危害大。

轉(zhuǎn)爐/電爐除塵灰：含F(xiàn)e（30-60%）、Zn（可高達(dá)20%以上，尤其電爐灰）、CaO、Pb等。鋅、鉛含量高是主要問題。

軋鋼除塵灰：主要成分為氧化鐵（Fe2O3/Fe3O4），鐵品位高（>60%），雜質(zhì)相對較少，是優(yōu)質(zhì)含鐵原料。

預(yù)處理：嚴(yán)格分類收集與儲存（不同來源灰成分差異大，避免混雜）；混勻（保證成分穩(wěn)定）；脫除有害元素（尤其K、Na、Zn、Pb、Cl，技術(shù)難度和成本高，通常通過控制配入比例限制其在燒結(jié)-高爐系統(tǒng)的循環(huán)富集）；部分含碳高的灰（如高爐灰）需控制配碳量。

2.3 轉(zhuǎn)爐污泥

特性：轉(zhuǎn)爐濕法除塵（OG法）產(chǎn)生的含鐵泥漿經(jīng)脫水后形成的泥餅或利用其黏性直接用于燒結(jié)混料造球,主要化學(xué)成分為TFe（40-60%，主要以FeO、Fe?O?形式存在）、CaO（10-25%）、SiO?（3-10%）等。物理形態(tài)為高含水率（20-35%）的粘稠泥餅，粘性大，流動性差，直接配入會嚴(yán)重影響燒結(jié)混合料制粒效果和透氣性。

預(yù)處理：深度脫水  （降低水分至<15%，減少對混合料水分的影響）；造球/制粒  （最關(guān)鍵步驟，將脫水污泥與部分返礦、生石灰、粘結(jié)劑等混合制成小球（5-15mm），大幅改善其物理特性，便于輸送、混勻，并顯著提高燒結(jié)料層透氣性）；干燥（進(jìn)一步降低水分，但能耗高，需權(quán)衡）。

2.4 軋鋼皮

特性：鋼材在軋制及熱處理過程中表面氧化脫落形成的片狀或粉末狀物質(zhì),主要成分為Fe3O4和Fe2O3，鐵品位極高（>70%），雜質(zhì)（S、P、SiO?等）含量很低。物理形態(tài)為片狀或細(xì)小顆粒，密度大，親水性差。

預(yù)處理：破碎篩分（控制粒度，片狀過大影響混勻和制粒，通常要求<5mm）；  除油（如果含軋制油，需清洗去除，防止污染和影響燒結(jié)過程）。

3冶金廢料在燒結(jié)中的應(yīng)用技術(shù)  

3.1 配比原則與優(yōu)化  

核心原則：在保證燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量（轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、低溫還原粉化率RDI、還原性RI等）滿足高爐要求的前提下，最大化廢料利用率。

關(guān)鍵考慮因素：  

化學(xué)成分互補(bǔ)與平衡：利用廢料的含鐵量替代部分鐵礦粉；利用鋼渣粉、污泥中的CaO、MgO替代部分石灰石、白云石；利用含碳除塵灰替代部分固體燃料（無煙煤/焦粉）。需精確計(jì)算混合料堿度（CaO/SiO?）、MgO含量、鐵品位、燃料配比等。

有害元素（K、Na、Zn、Pb、P、S）總量控制： 設(shè)定燒結(jié)礦中這些元素含量的上限（如Zn<0.15%， (K?O+Na?O)<0.25%），據(jù)此反推各廢料的最高允許配比。鋅、堿金屬在高爐內(nèi)循環(huán)富集危害極大，是限制除塵灰、污泥配量的主要瓶頸。

物理性能影響：污泥球、除塵灰、鋼渣粉的粒度、水分、親水性等對混合料制粒效果、料層透氣性有顯著影響。需通過實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)試驗(yàn)確定最佳組合。

工藝適應(yīng)性：不同燒結(jié)機(jī)（面積、料層厚度、抽風(fēng)能力）對原料透氣性的要求不同。

優(yōu)化方法：基于原料數(shù)據(jù)庫和工藝模型，進(jìn)行線性規(guī)劃計(jì)算最低成本配料方案；結(jié)合燒結(jié)杯試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證不同配比方案下燒結(jié)礦的產(chǎn)、質(zhì)量指標(biāo)，不斷調(diào)整優(yōu)化。

3.2 混勻與制粒工藝強(qiáng)化  

重要性：廢料的加入（尤其是污泥球、除塵灰、鋼渣粉）往往使混合料粒度分布變寬、均勻性變差、親水性降低，制粒效果惡化，影響透氣性和燒結(jié)均勻性。

強(qiáng)化措施：  

延長混勻時(shí)間/優(yōu)化混勻設(shè)備：確保各種原料（特別是成分波動大的除塵灰、污泥球）充分均勻混合。

添加高效粘結(jié)劑：如生石灰（CaO）、消石灰（Ca(OH)₂），其消化放熱、膠凝作用能顯著改善混合料（尤其是含污泥球、除塵灰）的制粒效果，提高小球強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。膨潤土等也可考慮，但增加SiO₂和成本。

優(yōu)化水分控制：廢料（尤其是污泥）帶入的水分需精確調(diào)控總混合料水分在最佳范圍（通常7-8%）。水分過高降低透氣性，過低影響制粒和點(diǎn)火。

分階段加料/制粒：如先將鐵礦粉、返礦、熔劑等制粒核心物料加水潤濕預(yù)混，形成母球，再加入除塵灰、鋼渣粉等包裹層物料和燃料進(jìn)行二次制粒，可改善成球性。

3.3 燒結(jié)工藝參數(shù)調(diào)整  

點(diǎn)火制度：含碳除塵灰的加入相當(dāng)于增加了燃料，可能需適當(dāng)降低點(diǎn)火溫度或縮短點(diǎn)火時(shí)間，防止表層過熔。

料層厚度與機(jī)速：廢料配入可能影響透氣性。透氣性好時(shí)可嘗試提高料層厚度（有利于節(jié)能降耗和提高質(zhì)量）；透氣性變差時(shí)需適當(dāng)降低料層厚度或減緩機(jī)速。

負(fù)壓與風(fēng)量：根據(jù)料層阻力變化，動態(tài)調(diào)整主抽風(fēng)門開度或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，維持適宜且穩(wěn)定的負(fù)壓和風(fēng)量。

燃料配比：含碳除塵灰（特別是高爐灰）可部分替代固體燃料。需根據(jù)除塵灰的固定碳含量、燃燒特性以及混合料總熱值，精確計(jì)算并減少固體燃料（煤粉/焦粉）的配入量，避免過燒或欠燒。

熔劑配比：鋼渣粉、轉(zhuǎn)爐污泥含CaO、MgO，需相應(yīng)減少石灰石、白云石或生石灰的用量，維持目標(biāo)堿度和MgO含量。

4 生產(chǎn)實(shí)踐  

新金鋼鐵燒結(jié)廠針對不同工序的冶金廢料采取了采取了嚴(yán)格的分倉配加模式，各道工序的冶金廢料受不同工序的影響，成分波動較大，下面針對不同工序進(jìn)行詳細(xì)闡述。

4.1燒結(jié)工序

燒結(jié)工序主要產(chǎn)生的冶金廢料是除塵灰，其品位一般在30%-40%，利用罐車運(yùn)輸?shù)降V槽單獨(dú)配加，因除塵灰親水性差，在混料滾筒影響混勻造球，故對除塵灰進(jìn)行提前潤濕，降低除塵灰對混勻造球的影響。

4.2煉鐵工序

煉鐵工序主要產(chǎn)生的冶金廢料也是除塵灰，其中箱體除塵灰因?yàn)殇\含量高直接外賣外，其余除塵灰均用罐車?yán)綗Y(jié)參與配礦，因煉鐵工序需用焦炭，故煉鐵工序的除塵灰含有大量C，且因除塵位置不同，除塵灰中C含量也有所不同，例如槽上槽下除塵灰主要成分為TFe，含有少量C，焦炭大棚除塵灰主要成分為C，含有少量TFe，具體成分如表1和表2所示。這兩類除塵灰需分倉配加。重力除塵灰因水分大，與其他除塵灰不能共同配加，需單獨(dú)分倉使用。目前燒結(jié)用煉鐵區(qū)域除塵灰共分3個(gè)倉。

表1 槽上槽下除塵灰成分

表2 焦炭大棚除塵灰成分

4.3煉鋼工序

煉鋼工序主要產(chǎn)生的冶金廢料為除塵灰、轉(zhuǎn)爐污泥和鋼渣。煉鋼工序因用白灰塊脫磷，故煉鋼工序除塵灰含CaO量較高，主要成分如表3所示。燒結(jié)對煉鋼除塵灰單獨(dú)分倉配加。轉(zhuǎn)爐污泥是轉(zhuǎn)爐吹煉過程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過濕法除塵所得的產(chǎn)物，因水分大，脫水壓球成本較高，新金鋼鐵利用廠內(nèi)廢水對轉(zhuǎn)爐污泥稀釋后直接用于一混滾筒參與混勻加水，及降低了成本又消化了廢水，且轉(zhuǎn)爐污泥水具有一定黏性，利于混勻造球，可謂一舉三得。鋼渣粒度太大，需要進(jìn)行破碎，且原渣品位較低，直接用于燒結(jié)影響燒結(jié)品位。在2018年，鋼渣車間上新磨機(jī)后，更加有效的優(yōu)化了鋼渣粒度組成，通過更好的選渣工藝，將煉鋼的鋼渣廢物進(jìn)行綜合利用，先后經(jīng)過棒磨機(jī)破碎和磁選機(jī)選鐵，燒結(jié)用的鋼渣粉品位達(dá)到了45%-50%，具體成分如表4所示。但鋼渣粉因磷和鉻含量較高，過多配加會對煉鋼工序造成一定影響，經(jīng)過長期生產(chǎn)實(shí)踐，燒結(jié)用鋼渣粉配比在2%-3%。

表3 煉鋼除塵灰成分

表4 鋼渣粉成分

4.4軋鋼工序

軋鋼工序主要產(chǎn)生的冶金廢料為軋鋼皮，具有含碳品位高，亞鐵含量高等特點(diǎn)，燒結(jié)用軋鋼皮一是提高品位，二是利用其放熱反應(yīng)熱量降低燃料消耗。

5 綜合效益分析  

5.1 經(jīng)濟(jì)效益  

直接原料成本降低：廢料（尤其是軋鋼皮、含鐵除塵灰、鋼渣粉）通常單價(jià)遠(yuǎn)低于其可替代的優(yōu)質(zhì)鐵礦石、熔劑（石灰石、白云石、生石灰）和燃料（無煙煤）。大量替代顯著降低燒結(jié)原料成本。

固廢處置費(fèi)用節(jié)省：廢料內(nèi)部循環(huán)利用，避免了高昂的外委處置（運(yùn)輸、堆存/填埋）費(fèi)用和環(huán)境稅。

資源利用效率提升：回收利用廢料中的鐵、鈣、鎂、碳等有價(jià)元素，相當(dāng)于增加了“城市礦山”的供給。

5.2 環(huán)境效益  

源頭減廢與資源化：是鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)固廢“減量化、資源化、無害化”的最直接有效途徑，顯著降低環(huán)境負(fù)荷。

 節(jié)約原生資源：減少鐵礦石、石灰石、煤炭等不可再生資源的開采消耗，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

減少土地占用：避免廢料堆存占用寶貴的土地資源。

降低碳排放：減少因開采、運(yùn)輸原生礦石和熔劑以及處理處置廢料所產(chǎn)生的CO?排放；鋼渣粉中部分CaO已為活性狀態(tài)，可避免石灰石煅燒分解產(chǎn)生的大量CO?（CaCO? → CaO + CO?）。

5.3 社會效益  

推動循環(huán)經(jīng)濟(jì)：實(shí)踐了“資源-產(chǎn)品-再生資源”的循環(huán)模式，為工業(yè)固廢資源化提供示范。

促進(jìn)行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型：助力鋼鐵企業(yè)滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求，提升綠色制造水平和企業(yè)形象。

符合國家戰(zhàn)略：響應(yīng)國家“雙碳”目標(biāo)（碳達(dá)峰、碳中和）和“無廢城市”建設(shè)要求。

6 面臨的挑戰(zhàn)與展望  

6.1 挑戰(zhàn)

有害元素（Zn, K, Na, Pb, Cl）富集：   這是限制除塵灰、污泥等廢料配入比例的最大瓶頸。當(dāng)前主要通過控制配比限制系統(tǒng)循環(huán)量，  經(jīng)濟(jì)高效的大規(guī)模脫除技術(shù)（如濕法、火法）仍是行業(yè)難題  。

廢料成分波動性：來源、工序、時(shí)間點(diǎn)不同導(dǎo)致廢料成分（尤其是有害元素、鐵品位、碳含量）波動較大，對燒結(jié)過程的穩(wěn)定控制和產(chǎn)品質(zhì)量的均一性構(gòu)成挑戰(zhàn)，需要更強(qiáng)大的在線檢測、預(yù)均化和智能配料系統(tǒng)。

部分廢料預(yù)處理成本：如轉(zhuǎn)爐污泥的深度脫水和造球、某些高鋅除塵灰的脫鋅處理，會增加一定的  運(yùn)行成本和投資。

對燒結(jié)礦質(zhì)量的潛在影響：過量或不合理配用可能導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度下降、粉化率升高、還原性變差等風(fēng)險(xiǎn)，需要持續(xù)優(yōu)化配比和工藝。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與政策激勵：關(guān)于冶金廢料在燒結(jié)中利用的技術(shù)規(guī)范、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)以及更大力度的財(cái)稅優(yōu)惠政策有待完善。

6.2 展望與發(fā)展方向  

深化基礎(chǔ)研究：深入研究不同廢料在燒結(jié)過程中的物理化學(xué)行為、礦物轉(zhuǎn)化規(guī)律及其對燒結(jié)礦冶金性能的影響機(jī)制，為精準(zhǔn)調(diào)控提供理論支撐。

開發(fā)高效預(yù)處理與脫除技術(shù)：重點(diǎn)攻關(guān)低成本、高效率的脫鋅、脫堿金屬技術(shù)（如選擇性氯化揮發(fā)、高效浸出）；優(yōu)化污泥脫水造球工藝，降低能耗和成本；研發(fā)新型高效復(fù)合粘結(jié)劑。

提升智能化水平：應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)，建立更精準(zhǔn)的原料-工藝-質(zhì)量-能耗-排放預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)廢料配用的  智能決策、動態(tài)優(yōu)化和閉環(huán)控制。

探索高值化協(xié)同利用：研究鋼渣粉等廢料在燒結(jié)中部分替代熔劑后，對燒結(jié)礦礦相組成（如鐵酸鈣生成）的優(yōu)化作用；探索將燒結(jié)作為冶金廢料與其他工業(yè)固廢（如電廠粉煤灰、城市污泥焚燒灰）協(xié)同處置的平臺。

優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈布局：在有條件的區(qū)域或鋼鐵聯(lián)合企業(yè)集團(tuán)內(nèi)，探索建立冶金固廢集中高效資源化處理中心，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、專業(yè)化和高值化利用。

完善政策標(biāo)準(zhǔn)體系：政府層面應(yīng)出臺更積極的鼓勵政策和強(qiáng)制消納指標(biāo)，完善相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，打通廢料資源化產(chǎn)品的市場出路。

7 結(jié)論  

將鋼渣粉、除塵灰、轉(zhuǎn)爐污泥、軋鋼皮等冶金各工序產(chǎn)生的廢料應(yīng)用于燒結(jié)生產(chǎn)，是鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)資源高效循環(huán)利用、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、踐行綠色低碳發(fā)展的重要實(shí)踐，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。通過科學(xué)分析廢料特性、強(qiáng)化預(yù)處理（磁選、陳化、混勻、造球、粒度控制）、優(yōu)化配比（核心是平衡成分、控制有害元素總量）、改進(jìn)混勻制粒工藝（使用粘結(jié)劑、水分控制、分段制粒）以及精準(zhǔn)調(diào)控?zé)Y(jié)操作參數(shù)（料層、燃料、風(fēng)量等），完全可以在保證燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量滿足高爐冶煉要求的前提下，實(shí)現(xiàn)冶金廢料在燒結(jié)工序的大規(guī)模、穩(wěn)定化利用。生產(chǎn)實(shí)踐表明，綜合配比達(dá)到10%-20%以上在技術(shù)上是可行且經(jīng)濟(jì)有效的。

盡管面臨有害元素富集、成分波動、預(yù)處理成本等挑戰(zhàn)，但隨著預(yù)處理與脫除技術(shù)的進(jìn)步、智能化精準(zhǔn)控制的深化、協(xié)同利用模式的探索以及政策標(biāo)準(zhǔn)的完善，冶金廢料在燒結(jié)中的利用率有望進(jìn)一步提高，應(yīng)用價(jià)值將得到更充分的挖掘。持續(xù)推動冶金廢料在燒結(jié)中的資源化利用，是鋼鐵行業(yè)破解環(huán)保約束、降低資源依賴、提升競爭力、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會具有重要意義。未來應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新、管理優(yōu)化和跨行業(yè)協(xié)作，不斷提升冶金固廢資源化利用的水平與效益。

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