一、 目前高溫液態(tài)鋼渣處理工藝的比較
目前國內外鋼渣資源化處理工藝由于煉鋼設備、工藝、造渣制度、鋼渣物化性能的多樣性及其利用上的多種途徑呈現多樣化，有冷棄法、悶渣法、熱潑法、盤(pán)潑法、水淬法、滾筒法、風(fēng)淬法、?；喎ǖ?。這些工藝都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。具體情況見(jiàn)表1。表1鋼渣處理工藝優(yōu)缺點(diǎn)及應用實(shí)例
| 處理方式 |
工藝特點(diǎn)及過(guò)程 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
應用廠(chǎng)家 |
| 熱悶法 |
利用高溫液態(tài)渣的顯熱灑水產(chǎn)生物理力學(xué)作用和游離氧化鈣的水解作用使渣碎化 |
工藝簡(jiǎn)單，適于處理高堿度鋼渣、鋼渣活性較高、安定性較好，并能處理固態(tài)渣 |
粒度不均勻、后續破碎加工量大、處理周期長(cháng) |
鞍鋼、首鋼、漣鋼、寶鋼 |
| 熱潑法 |
在爐渣高于可淬溫度時(shí)，以有限的水向爐渣噴灑，使渣產(chǎn)生的溫度應力大于渣本身的極限應力，產(chǎn)生碎裂，游離氧化鈣的水化作用使渣進(jìn)一步裂解 |
排渣速度快，冷卻時(shí)間短、便于機械化生產(chǎn)，處理能力大；鋼渣活性較高、生產(chǎn)率高 |
設備損耗大，占地面積大，破碎加工粉塵大，蒸汽量大；鋼渣加工量大。對環(huán)境和節能兩方面都不利。鋼渣安定性差 |
唐鋼、武鋼二煉鋼 |
| 盤(pán)潑法 |
是將熱熔渣倒在渣罐中，運至渣盤(pán)邊，用吊車(chē)將罐中的渣均勻倒在渣盤(pán)中，待表面凝固即噴淋大量水急冷，再傾翻到渣車(chē)中噴水冷卻，最后翻入水池中冷卻 |
快速冷卻、占地少、處理量大、粉塵少、鋼渣活性較高 |
渣盤(pán)易變形、工藝復雜、運行和投資費用大。鋼渣安定性差 |
新日鐵、寶鋼 |
| 水淬法 |
高溫液態(tài)渣在流出、下降過(guò)程中被壓力水分割、擊碎，再加上高溫熔渣遇水急冷收縮產(chǎn)生應力集中而破裂，同時(shí)進(jìn)行了熱交換，使熔渣在水幕中?；?/span> |
排渣快、流程簡(jiǎn)單、占地少、投資少，處理后鋼渣粒度小(5mm左右)，性能穩定 |
熔渣水淬時(shí)操作不當，易發(fā)生爆炸，鋼渣粒度均勻性差。只能處理液渣 |
濟鋼、齊齊哈爾車(chē)輛廠(chǎng)、美國伯利恒鋼鐵公司 |
| 滾筒法 |
高溫液態(tài)鋼渣在高速旋轉的滾筒內，以水作冷卻介質(zhì)，急冷固化、破碎 |
排渣快、占地面積較小，污染小，渣粒性能穩定 |
鋼渣粒度大，不均勻( >9.5ｍｍ達18%)，活性差，設備較復雜，且故障率高，設備投資大。只能處理液態(tài)渣 |
寶鋼二煉鋼 |
| 風(fēng)淬法 |
用壓縮空氣作冷卻介質(zhì)，使液態(tài)鋼渣急冷、改質(zhì)、?；?/span> |
安全高效，排渣快、工藝成熟，占地面積較小。污染小，渣粒性能穩定，粒度均勻且光滑( >5ｍｍ沒(méi)有)，投資少 |
只能處理液態(tài)渣 |
日本鋼管公司福山廠(chǎng)、臺灣中鋼集團、重鋼 |
| ?；喎?/span> |
將液態(tài)鋼渣落到高速旋轉的?；喩?，使熔渣破碎渣化，噴水冷卻 |
排渣快、適宜于流動(dòng)性好的高爐渣 |
設備磨損大，壽命短，處理量大則水量小時(shí)易發(fā)生爆炸，處理率低。粒度不均勻( >9.5ｍｍ達29%) |
沙鋼 |
選擇處理工藝一般從鋼渣綜合利用途徑、節能和環(huán)境保護、投資這幾方面綜合考慮，在滿(mǎn)足煉鋼工藝順利進(jìn)行的前提下，結合考慮液態(tài)鋼渣的黏度和流動(dòng)性，選擇相對合理的處理工藝，達到渣鐵的有效分離，盡量保持鋼渣的活性，降低鋼渣的不穩定性。
從表1可知，從液態(tài)鋼渣流動(dòng)性的角度考慮，滾筒法、風(fēng)淬法、水淬法和?；喎ㄖ荒芴幚砹鲃?dòng)性好的鋼渣，盤(pán)潑法、熱潑法和熱悶法可以處理流動(dòng)性差的渣；從工藝繁雜程度、裝置投資角度看，風(fēng)淬法、熱悶法較簡(jiǎn)單，投資少、設備磨損??；從節能和環(huán)境保護角度考慮，風(fēng)淬法、熱悶法、滾筒法可行；從處理后鋼渣粒度的均勻程度考慮，風(fēng)淬法得到的鋼渣粒度最小而且均勻；從處理后鋼渣的安定性和活性考慮，風(fēng)淬法和熱悶法較好；因此，處理流動(dòng)性好的鋼渣的最佳工藝是風(fēng)淬法，處理流動(dòng)性差的鋼渣的最佳工藝是熱悶法。
風(fēng)淬法和熱悶法原理
風(fēng)淬法用壓縮空氣作介質(zhì)，在風(fēng)淬時(shí)，熔融和半熔融渣粒隨壓縮空氣向前飛行，在擊碎的飛行過(guò)程中，壓縮空氣對高溫液態(tài)鋼渣有一個(gè)較強的氧化作用，風(fēng)淬后，鋼渣中的FeO相消失,含FeO的石灰不穩定相明顯減少,而2CaO Fe2O3穩定相增加,而這是其他任何一種鋼渣處理方式都不可能實(shí)現的，在用水補充冷卻時(shí)強化了f CaO的消解反應，?；屠鋮s過(guò)程使鋼渣中的不穩定相基本消失，顆粒表面非晶態(tài)礦物相顯著(zhù)增加，鋼渣的潛在活性提高。由于鋼水和液態(tài)鋼渣的表面張力不同，風(fēng)淬過(guò)程可使渣鐵得到良好的分離，固態(tài)渣和鋼都呈球型細小顆粒，渣包鋼的情況不會(huì )出現，風(fēng)淬后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的磁選便能使渣鐵分離。液態(tài)鋼渣通過(guò)調整風(fēng)淬過(guò)程的工藝參數可使風(fēng)淬渣的平均粒度達到2ｍｍ左右，且粒度分布區間較窄，代替黃砂做混凝土細骨料可直接使用，生產(chǎn)鋼渣微粉能減少粗破碎工序，直接進(jìn)入粉磨機。
熱悶法是將熱融鋼渣冷卻至800~300℃裝入熱悶裝置中噴霧遇熱渣產(chǎn)生飽和蒸汽，與鋼渣中游離氧化鈣fCaO?游離氧化鎂fMgO發(fā)生反應，使鋼渣自解粉化，達到鋼渣破碎的目的，同時(shí)消除了鋼渣的不穩定因素，使鋼渣在建筑建材上的應用安全可靠，磁選后尾渣的利用率可為100%?該工藝不用大量的水浸泡保證了鋼渣中水硬性礦物C3S?C2S的活性不下降，同時(shí)熱悶法對噴濺渣?流動(dòng)性差的鋼渣都能進(jìn)行處理?
提高鋼鐵企業(yè)鋼渣利用率的主要途徑是在建筑建材行業(yè)多途徑利用，應大力開(kāi)發(fā)和完善鋼渣在建筑建材行業(yè)中的應用技術(shù)，圍繞此主要利用途徑反向選擇鋼渣處理工藝?從鋼鐵企業(yè)的鋼渣整體情況和提高鋼渣的處理率來(lái)看，認為風(fēng)淬法和熱悶法聯(lián)合應用是非常穩妥的最佳選擇，風(fēng)淬法處理流動(dòng)性較好的液態(tài)鋼渣，使60%左右的鋼渣處理后粒度適宜，加工量小?活性大?安定性好，其余流動(dòng)性較差的液態(tài)鋼渣和固態(tài)渣采用熱悶法處理，使之活性大?安定性好，這樣就為鋼鐵企業(yè)的比較難以利用的二次資源—鋼渣的100%利用打下堅實(shí)的基礎?
鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)，在國家經(jīng)濟快速發(fā)展的形勢下,鋼鐵工業(yè)也呈現出跳躍式發(fā)展的態(tài)勢，鋼產(chǎn)量近幾年不斷提高，鋼渣作為煉鋼工藝流程的衍生物隨著(zhù)鋼產(chǎn)量的提高年產(chǎn)量不斷遞增?積極開(kāi)發(fā)和應用先進(jìn)有效的處理技術(shù)和資源化利用新技術(shù)，提高其利用率和附加值，是鋼鐵企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，實(shí)現可持續發(fā)展的重要課題之一?
二、鋼渣利用途徑和制約鋼渣利用率的因素
鋼渣的利用途徑大致可分為內循環(huán)和外循環(huán)， 內循環(huán)指鋼渣在鋼鐵企業(yè)內部利用,作為燒結礦的原料和煉鋼的返回料?鋼渣的外循環(huán)主要是指用于建筑建材行業(yè)?
1 鋼渣的內循環(huán)利用
鋼渣返燒結主要是利用鋼渣中的殘鋼?氧化鐵?氧化鎂?氧化鈣?氧化錳等有益成分,而且可以作為燒結礦的增強劑,因為它本身是熟料,且含有一定數量的鐵酸鈣,對燒結礦的強度有一定的改善作用,另外轉爐渣中的鈣?鎂均以固溶體形式存在,代替溶劑后,可降低溶劑(石灰石?白云石?菱鎂石)消耗,使燒結過(guò)程碳酸鹽分解熱減少,降低燒結固體燃料消耗?
鋼渣在鋼鐵企業(yè)內部循環(huán)歷來(lái)受到重視和普遍采用,配加轉爐渣的燒結礦可改善高爐的流動(dòng)性,增加鐵的還原產(chǎn)量?但是配礦工藝對返燒結有影響,過(guò)度使用會(huì )造成P等有害元素的富集;配加轉爐渣的燒結礦品位?堿度有所降低?研究表明,當高爐爐料使用100%自熔性球團礦時(shí),5%轉爐渣作為溶劑加入會(huì )引起高爐運行不暢,原因是明顯影響球團礦的軟熔特性,增大軟熔溫度間隔,使爐渣粘性有增大趨勢?另外鋼渣的成分波動(dòng)較大,燒結配礦時(shí)要求鋼渣各種氧化物成分波動(dòng)≤±2%,粒度要求一般小于3mm,鋼渣在成分上很難滿(mǎn)足要求,對鋼渣破碎和篩分的要求也高?
由于這些不利因素存在,尤其是各大鋼鐵公司普遍采用富礦冶煉,推行精料入爐方針,同時(shí)要求煉鋼和煉鋼工序的能耗和材料消耗指標不斷降低,致使返回燒結利用的鋼渣量越來(lái)越低?目前馬鋼混勻燒結礦中只加入1%左右,而且是間斷式配加?
2 鋼渣的外循環(huán)利用
鋼渣的外循環(huán)主要是建筑建材行業(yè),鋼渣在此行業(yè)中利用受制約的主要因素是鋼渣的體積不穩定性,鋼渣不同于高爐渣的地方是鋼渣中存在fCaO?fMgO,它們在高于水泥熟料燒成溫度下形成,結構致密,水化很慢,fCaO遇水后水化形成Ca(OH)2,體積膨脹98%,fMgO遇水后水化形成Mg(OH)2,體積膨脹148%,容易在硬化的水泥漿體中發(fā)生膨脹,導致?lián)接袖撛幕炷凉こ?道路?建材制品開(kāi)裂,因此鋼渣在利用之前必須采取有效的處理,使f CaO?f MgO充分消解才能使用?鋼渣在建筑建材行業(yè)有以下幾種利用途徑?
——做水泥生料
鋼渣中CaO?MgO?FeO?Fe2O3含量之和能達到70%,這些成分對水泥都是有用的,鋼渣做水泥生料主要作用是做水泥的鐵質(zhì)校正劑,目前生料中配加量為3%~5%,工藝比較成熟?水泥工藝中煅燒1t石灰石產(chǎn)生440kgCO2,需500kcal熱量,煅燒1t熟料需230kg優(yōu)質(zhì)煤?水泥生料配放鋼渣可以節約石灰石和煤,但其仍需煅燒的特征未從根本上消除對能源環(huán)保方面的負作用,而且鋼渣的全鐵含量在15%~28%之間,含鐵量偏低,水泥生產(chǎn)企業(yè)在計算成本時(shí),比較傾向于選擇其他含鐵量達到40%以上的廢渣?
——做鋼渣水泥原料和復合硅酸鹽水泥的混合材
根據對鋼渣的巖相檢定和X射線(xiàn)檢定,鋼渣之所以具有水硬膠凝性主要是含有水泥熟料中的一些礦物,C3S?C2S和鐵鋁酸鹽,這些礦物都具有膠凝性,但其含量比水泥熟料少,慢冷的鋼渣晶體發(fā)育較大,比較完整,活性較低,因而水化速度和膠凝能力都比熟料小?
目前的鋼渣水泥品種有無(wú)熟料鋼渣礦渣水泥?少熟料鋼渣礦渣水泥?鋼渣沸石水泥?鋼渣礦渣硅酸鹽水泥和鋼渣硅酸鹽水泥,它們都有相應的國家標準和行業(yè)標準,摻量在20%~50%之間?鋼渣水泥具有水化熱低?耐磨?抗凍?耐腐蝕?后期強度高等優(yōu)點(diǎn)?但是鋼渣水泥的實(shí)際應用情況并不是很好,主要原因是鋼渣的成分波動(dòng)大,常隨煉鋼品種?原料來(lái)源和操作管理制度而變化,易引起水泥質(zhì)量的波動(dòng);做水泥混合材時(shí),不同方法處理的鋼渣的易磨性不同,普遍比熟料難磨,使水泥磨制的臺時(shí)產(chǎn)量降低,增加水泥生產(chǎn)成本?渣鐵沒(méi)有很好分離導致渣中金屬鐵含量高,也影響水泥的磨制;另外鋼渣的活性礦物含量低且以C2S為主,造成鋼渣水泥的早期強度低,新的水泥標準中取消了7天強度指標,增加了3天強度指標,致使鋼渣水泥難以達到標準要求?
——鋼渣微粉做混凝土摻和料
鋼渣微粉開(kāi)發(fā)利用研究是近年來(lái)繼礦渣微粉大規模應用后而出現的熱門(mén)話(huà)題,鋼渣生產(chǎn)微粉或者復合微粉可以消除鋼渣水泥生產(chǎn)中易磨性差異問(wèn)題,鋼渣通過(guò)磨細到一定細度,比表面積大于400m2kg時(shí),可以最大程度地清除金屬鐵,通過(guò)超細粉磨使物料晶體結構發(fā)生重組,顆粒表面狀況發(fā)生變化,表面能提高,機械激發(fā)鋼渣的活性,發(fā)揮水硬膠凝材料的特性?
鋼渣微粉和礦渣微粉復合時(shí)有優(yōu)勢疊加的效果,鋼渣中的C3S?C2S水化時(shí)形成的氫氧化鈣是礦渣的堿性激發(fā)劑?最新資料表明,礦渣渣粉做混凝土摻合料使用雖然可以提高混凝土強度,改善混凝土拌合物的工作性?耐久性,但由于高爐渣的堿度低(%CaO+%MgO)/(%SiO2+%Al2O3),約為0.9-1.2,大摻量時(shí)會(huì )顯著(zhù)降低混凝土中液相堿度,破壞混凝土中鋼筋的鈍化膜(pH<12.4易破壞),引起混凝土中的鋼筋腐蝕。
另外高爐渣是以C3AS?C2MS2為主要成分的玻璃體,?；郀t渣粉的膠凝性來(lái)源于礦渣玻璃體結構的解體,只有在Ca(OH)2作用下才能形成水化產(chǎn)物,鋼渣堿度高(%CaO+%MgO)/(%SiO2),約為1.8-3.0,礦物主要是C3S?C2S?CF?C3RS2?RO等,鋼渣中的fCaO和活性礦物遇水后生成Ca(OH)2,提高了混凝土體系的液相堿度，可以充當礦渣微粉的堿性激發(fā)劑。摻入鋼渣微粉的混凝土具有后期強度高的特性，見(jiàn)表2。因此鋼渣和礦渣復合粉可以取長(cháng)補短，性能更加完善。
表2用磁選后尾渣及風(fēng)碎渣制成微粉與高礦渣微粉的復合微粉代替20%的52.5Ｒ水泥作摻和料的砼3個(gè)月強度值
| 混凝土齡 期 |
基準純水泥 |
20%礦渣微粉 |
20%鋼渣礦渣復合 |
20%風(fēng)淬渣礦渣復 |
| 抗壓強度 |
砼抗壓強度比 |
微粉砼抗壓強度比 |
合微粉抗壓強度比 |
| 砼標號 |
ＭＰａ |
砼標號 |
壓比/% |
砼標號 |
抗壓比/% |
砼標號 |
抗壓比/% |
| 7天 |
C40 |
41.2 |
C20 |
71.8 |
C30 |
80.6 |
C30 |
73.8 |
| 28天 |
C45 |
47.8 |
C40 |
91.8 |
C45 |
96.7 |
C40 |
93.01 |
| 90天 |
C55 |
56.2 |
C50 |
94.1 |
C50 |
97 |
C60 |
107.7 |
“混凝土中的鋼渣粉”國家標準、建設部建筑科學(xué)研究院負責起草的“礦物摻合技術(shù)規范”國家標準已經(jīng)完成，鋼渣微粉將成為我國鋼渣高價(jià)值利用的最佳途徑，和礦渣微粉復合應用是混凝土摻合料的最佳方案。
——做道路材料
鋼渣經(jīng)過(guò)穩定化處理后可以做道路墊層和基層，其強度、抗彎沉性、抗滲性均優(yōu)于天然石材，有相應的行業(yè)標準“YB/T 8011993工程回填用鋼渣”和“YB/T 803 1993道路用鋼渣”，但是鋼渣做回填和道路墊層、基層其附加值低，鋼鐵企業(yè)和建筑單位對此都不太重視。
鋼渣經(jīng)過(guò)風(fēng)淬穩定化處理后可以代替細骨料做瀝青混凝土和水泥混凝土路面材料，其防滑性、耐磨性、使用壽命都提高，鋼渣的附加值也大大提高。
安徽省馬鞍山市1987年建設的湖南路工程，使用了風(fēng)淬鋼渣砼試驗路面，和黃砂砼路面比較，2003年1月7日對路面鉆芯取樣后檢測強度的結果如表2所示。
表2 通車(chē)使用15年兩種砼工程路面鉆芯取樣抗壓強度對比表ＭＰａ
| 砼種類(lèi) |
28天強度 |
25年后強度 |
| 抗 壓 |
抗 折 |
抗 壓 |
| 風(fēng)淬鋼渣砼路面 |
47.86 |
6.23 |
85.26 |
| 黃砂砼路面 |
43.54 |
5.56 |
70.10 |
——做磚、瓦、砌塊及混凝土預制件
鋼渣經(jīng)過(guò)穩定化處理后可以做地面磚、免燒磚、混凝土預制件等建材制品，摻量大，能達到60%以上，強度和耐久性高于黏土磚和粉煤灰磚，能節省大量的水混和黏土，但鋼渣比重較大，不太適宜做實(shí)心的墻體磚。這類(lèi)實(shí)用技術(shù)是全國新型墻體材料改革的重點(diǎn)推廣技術(shù)。
綜上所述，鋼渣的循環(huán)利用應著(zhù)重放在建筑和建材行業(yè)，在水泥、混凝土、路面和建材制品中的利用是鋼渣利用的發(fā)展方向。因此鋼鐵企業(yè)內液態(tài)鋼渣的處理應該圍繞這些利用途徑，進(jìn)行鋼渣處理工藝的選擇。
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