钢渣综合利用研究现状与进展前景.docx

钢渣综合利用研究现状与进展前景摘要：钢渣是钢铁企业利用率比较低的大宗固体废物之一，目前我国钢渣的综合利用率仅为20%左右，与许多发达国家90%以上的钢渣利用率相差甚远，尚未利用的钢渣存放量高达10亿t。本文综合分析了国内外学者关于钢渣综合利用的文献，主要从以下几方面进行阐述：首先，简单对比分析国内主要的六种钢渣处理工艺及其优缺点；其次，从企业内部循环利用的角度分析介绍钢渣在有价金属回收、烧结方面的应用；最后，从企业外部非循环利用的角度出发分析介绍钢渣在建筑材料、筑路施工、农业肥料、陶瓷产品、海域及水污染治理等领域的综合利用现状。通过分析，笔者认为建立更加详细的钢渣分类系统、升级粉磨工艺及设备是钢渣综合利用的前提。钢渣是由冶炼材料、冶炼过程中掉落的炉体材料、修补炉体的补炉料及各种金属等混合形成的高温固溶体山,其产量为粗钢产量的15%20%。近些年随着钢铁产量不断提高，钢渣作为冶炼工艺的衍生物，其产量也不断递增，因其未得到及时的消纳利用，造成了钢渣的大量堆弃，这不仅导致土地的占用和资源的浪费，其所含的重金属元素还会污染空气、土壤和河流2。迄今为止，人类已开发出了近40种有关钢渣综合利用的方法，但目前尚未找到大规模资源化利用钢渣资源的有效途径,缺乏更加先进的实现机械化的工业处理线，“钢渣零排放”仍是世界钢铁行业的难题。1国内钢渣处理工艺现状目前国内钢渣主要的六种处理工艺及其优缺点对比如表1所示。其中热泼法、滚筒法、热闷法是国内处理钢渣的主要方法4,5,6。将以上6种钢渣处理方法的工艺可行性、运行费用、钢渣分离率等参数进行比较，如表1所示。对比各钢渣处理方法的优缺点，仅从钢渣稳定性角度来看，风淬法、水淬法、滚筒法、热烟法都符合钢渣利用稳定性要求,其中，风淬和热病处理工艺的投资相对较低,所以这两种也是国内目前普遍使用的方法。另外，大多数处理渣的状态都是液态,针对固态的处理方法只有热泼和热炳两种，已经造成堆积的固体钢渣的处理还有待研究。2企业内部循环利用目前，国内钢渣的利用还是以回收铁粉、用作烧结剂等企业内部循环利用的方式为主，可以分为富集回收有价金属和烧结配料两方面。2.1 富集回收有价金属通常钢渣中含有20%左右的铁氧化物，其中金属铁大约占10%,并夹杂有锦、铁等有价金属，所以采用对钢渣破碎、筛分、磁选等方式，将钢渣中的金属成分富集回收，投入高炉、转炉参与冶炼，以达到降低冶炼成本的目的8。目前国内大部分中小型钢铁企业利用钢渣的方式是以磁选铁粉为主，经过破碎磁选处理后，回收得到的含铁料可返回冶炼工艺中循环利用，虽然处理工艺较为成熟,但是消纳量有限，钢渣的利用率较低。钢渣中金属的回收率，特别是铁的磁选回收率受破碎粒度的影响，粒度越精细回收率相对越高，所以对破碎粉磨设备的要求越来越高。目前的破碎设备主要为颗式破碎机、惯性圆锥破碎机和棒磨机等9O日本钢铁企业每年回收含铁量超过95%的铁粉达18万t左右。我国莱芜钢铁集团有限公司、鞍山钢铁集团公司、宝钢集团有限公司等钢铁企业也通过四破四选、三破五选五筛分等工艺回收钢渣中的金属铁10。表1不同钢渣处理工艺对比处理工艺水淬3频3视处理周期短（约6Vmin）短（约2Vmin）长（24h）短（约35min）较长长（1012h）处理渣状态液态液态均可液念液态均可渣粒度mm550-5005-10>5<20渣均匀性好好差好差钢渣稳定性好好差好差好钢潼分离好好差好差好可靠性S?差好差好好占地面积小较大大小於公环境污染蛆较大大小土小投资较低高低高高较低运行更用低低低较高高低渣处理率7%40-605010030-50100100铁等有价金属的回收，既能减少原料消耗、降低经济成本，实现二次资源再利用，又能够去除钢渣中的重金属元素，有利于钢渣的进一步无污染综合利用。钢渣综合利用的前提为对钢渣进行预处理，为提高有价金属的回收率，需要不断地提升粉磨工艺设备，改善钢渣的难磨性。除此之外，将钢渣内部非磁性氧化物转变为磁性氧化物的氧化处理钢渣的新处理方法，也为提高有价金属磁选的回收率提供了新方向。2.2 用作烧结配料钢渣中存在40%50%的氧化钙、6%10%的氧化镁等，It钢渣经过粉磨处理后可以代替0.70.75t石灰石作烧结配料使用。钢渣用作烧结配料在许多中大型钢铁企业内部循环利用，已经取得了良好的经济效益和社会效益11。但钢渣用作烧结配料时对配料比例和钢渣粒度有要求,处理不当会造成P等有害元素的富集，导致铁水中P元素含量上升，进而影响炼钢过程的脱磷效果和成本12。在烧结过程中可采取控制钢渣配加量、混料均匀化、优化原料结构、降低燃料用量、合理控制烧结矿碱度、增加风量和负压、改性脱磷处理等操作来提高烧结成品率。此外，钢铁冶炼主要是以铁元素为核心的物理、化学反应过程，随着铁矿石等生产原料的不断加入，以及钢渣用于烧结配料反复循环利用后，铁元素以外的副产品逐渐累积，会降低烧结矿的含铁品位，对高炉冶炼造成不利影响，影响钢渣的利用率。因此若钢渣仅作为烧结配料应用时不能满足钢渣大量应用的需求，还需寻找大规模综合利用钢渣的有效方法，实现钢渣“变废为宝”是研究的主要方向。3钢渣综合利用一一企业外部非循环利用企业外部非循环利用指的是将钢渣用于除冶金工艺以外的其他领域，通常需要对钢渣进行一定的处理，不同的应用领域处理方式不同，且为非循环利用。3.1 钢渣应用在筑路施工领域经研究发现，钢渣的物理性能与天然碎石相近，这也就为其在筑路领域中的应用提供了一定的可行性。但是钢渣中含有的的游离氧化钙遇水后反应生成氢氧化钙，使钢渣体积膨胀98%;温度降低时，钢渣中的C3S和C2S还会发生相变造成体积的膨胀13,14。体积膨胀会导致道路、建材制品的开裂，成为制约钢渣利用的最大难题。张妍等15J通过碳酸化的处理方式,使钢渣中的硅酸盐、Ca(OH)2、f-CaO和f-MgO等物质与CO2进行反应，生成以方解石(CaXMgI-XCo3)为主的碳酸盐，可有效改善钢渣体积膨胀问题。在CO2含量为99.9%、压力为0.2MPa、水固比为0.1、钢渣比表面积为483.58m2kg的条件下，碳酸化反应20min后，钢渣粉中的f-CaO和f-MgO含量均降到3%以下，压蒸膨胀率降低到0.29%,小于0.5%,符合国家标准。许博等16通过乙酸浸泡和掺入微硅粉两种处理方式来降低钢渣的体积膨胀率。其中乙酸浸泡处理对钢渣体积膨胀的抑制效果明显，膨胀率降低幅度达76%以上，能够满足在大多数工程中的应用。掺入微硅粉处理在掺量超过4.8%时，体积膨胀率小于0.4%,效果较好，继续增大掺量则经济效益不大。除此之外，也有很多掺加其他矿物材料抑制钢渣膨胀性的方法,例如掺加粉煤灰、高炉水渣、矿渣微粉等，但是在掺入量达5%时，上述三种物料无论单独掺加还是两者结合都不如单掺硅粉抑制钢渣膨胀效果好。钢渣在筑路领域的应用，与钢渣的凝胶性、掺料比、游离氧化物含量等有关，除此之外还与生产地域是否缺乏天然砂石原料有关，在经济预算符合预期的情况下，钢渣完全可以代替天然砂石用于土基、路面底基层、垫层、沟槽回填等。目前绝大多数钢渣的放射性与活度小于工业废渣放射性物质限制标准，其力学性能、化学指标在一定程度上也满足公路路面基层施工技术细则JTG-TF202015等相关技术准则，因此能够满足堆弃钢渣的大量利用。3.2 钢渣应用在建筑材料领域钢渣中硅酸三钙(3CaOSiO2)硅酸二钙(2CaOSiO2)铝酸三钙(3CaoA12O3)铁铝酸四钙(4CaOA12O3Fe2O3)等矿相具有水硬凝胶性，遇水发生反应生成的C-S-H凝胶具有一定的强度，因此可以应用在建筑行业用于生产水泥、混凝土等材料。3.2.1 水泥原料新型建材有限公司将日钢钢渣进行了充分粉磨细化，具有良好的颗粒分布和填充密实作用，但也带来了钢渣微粉水泥胶凝材料严重缓凝且早期强度过低的问题。柳东等17针对该问题对钢渣微粉进行特性分析，得到导致该问题的原因是在碱性溶液作用下，P元素会随着钢渣中玻璃体的解聚逐渐释放，难溶性磷酸盐转变为可溶性磷酸盐，与Ca2+结合形成羟基磷灰石，阻碍硅酸盐水泥熟料的正常水化，且这种变化在12h内最明显。解决方法：钢渣微粉代替硅酸盐水泥时的适宜量为15%,适宜掺加4%的CaO可以有效缩短其缓凝时间，增加水泥致密性；掺加适量Na2SO4对钢渣微粉-水泥凝胶材料水化物进行化学活化，可提高胶凝材料早期强度，过量时则会引起水泥石结构膨胀，导致后期强度降低。3.2.2 混凝土王琪等18以陈化钢渣骨料代替天然骨料，制备全钢渣透水性混凝土。研究结果表明：钢渣骨料的粒径在4.759.5mm范围内，所制备的透水混凝土强度和透水性较好。透水性混凝土多孔式结构可在一定程度上抑制其体积膨胀性，得到的透水混凝土具有良好的力学性能和物理性能。我国海绵城市的建设为钢渣的利用提供了新的可行性途径，将产生良好的社会效益、绿色效益与经济效益。拌合物的工作性能对透水混凝土有很大影响，目前尚未有一致的准确测量方法的手段，未来需开展此方面的深入研究。陈华等19为解决宝钢集团有限公司2万t/a的特殊钢渣的处理利用问题，将其作为掺合料制备发泡混凝土。特殊钢渣即为经过预处理的钢渣，其游离氧化钙的含量极低，其中的Pb、Ni、Cr等重金属含量超标，不能直接使用，且具有难磨、凝胶性差的特点。首先采取特殊钢渣就地集中处理模式，通过水洗球磨、水摇床分选回收金属资源，其次将提取金属后剩余的钢渣微粉与粉煤灰混合作为矿物掺合料代替部分水泥，用以制作发泡混凝土，最终得到制备发泡混凝土所用水泥、钢渣微粉、粉煤灰、发泡剂的最佳掺和比约为12：5：2：K钢渣中的C3S在制备发泡混凝土过程中迅速水化，C2S和Ca3A16Si2O16也在后期发生缓慢水化，生成C-S-H凝胶剂有助于提高发泡混凝土的力学性能，同时能有效固化重金属。特殊钢渣较一般废弃钢渣来说，可以起到提升发泡混凝土力学性能的凝胶活性作用、惰性充填作用、抑制重金属浸出的化学固化和物理包裹作用，使钢渣在应用于发泡混凝土方面更具有安全性。钢渣中含有C3S、C2S等矿相，其水化性能比水泥熟料中矿相水化性能低，所以钢渣需要进一步的加工处理，比如掺加一定量的掺合料和适量石膏，经混合、球磨后，可生产钢渣水泥；或者粉磨到一定比表面积的微粉，可以用作水泥熟料或者混凝土掺合料。钢渣在此领域不仅适用范围广，而且需求量大，能够消纳大量钢渣。但是掺和物的选择及对后续性能的影响，尚未有详细的描述、检测手段，需要进一步研究。3.3 钢渣应用在农业领域3.3.1 硅钙肥原料法国、德国、波兰等许多欧洲国家在利用钢渣制作农业肥料方面研究了很多年，近年来我国对钢渣制作农业肥料的研究也取得了一定成果20。宁东峰等21通过比较不同成品钢渣对水稻生长、生产和害虫防御的作用，研究钢渣中硅的释放规律。研究发现：加入钢渣能够在水稻缺乏相应硅元素时，提高水稻叶片内的含硅量并促进水稻的生长、生产和对病虫的妨害。但是由于钢渣成分复杂，不同处理方式、不同原产地的钢渣中有效硅含量不同，水淬渣的含硅量明显高于自然空气缓冷情况下的含硅量，当钢渣中可被植物吸收的有效性含硅量大于15%时，被称为高品质硅肥原料。在日本，丸园伸洋等22提出了一种模拟水田条件的填±柱试验方法，该柱由含有孔隙水和土壤肥料的耕作层，以及一层地表水组成。利用炼钢渣中含有的Cao和Si02,通过脱盐处理和二氧化硅施肥的方法洗去过量的Na,用于恢复日本东北部海岸附近因海啸而受到破坏的稻田。钢渣用来补充钙可以有效降低钠的浓度，因此具有较大的潜力能够成为恢复沿海稻田的经济化解决方案。3.3.2 土壤改良钢渣中的Ca、Mg元素含量较高，多以碱性化合物的形式存在，所以可部分代替传统石灰用于改良酸性土壤，通常含磷量为4%7%的钢渣可用作土壤改良剂2引。魏贤等24研究施用钢渣对小麦-水稻轮作条件下酸性土壤的改良效果，结果显示钢渣能够提高土壤的PH值，增加农作物的产量。况琴等25利用钢渣和生物质炭调控富硒区土壤，以提高硒的生物有效性。钢渣增加土壤PH值的效果有益于活化土壤中的硒元素，硒的有效性可提高1.42.0倍，而生物质炭活化土壤中硒的效果不明显。钢渣中含有大量植物生长所需要的有益元素，同时钢渣具有较大的比表面积和孔隙度，是优良的硅钙肥原料和酸性土壤改良剂。另外，不同成分的钢渣能否作为硅肥原料、土壤改良剂,很大程度上取决于其所含成分,对于一些含有重金属元素,尤其是重金属含量超标的钢渣，因具有二次污染风险,因而限制了其在农业领域的应用。3.4 钢渣应用在陶瓷产品领域钢渣含有大量的硅酸盐成分，加以处理可以满足制备微晶玻璃、透明玻璃和彩色玻璃陶瓷的需求。微晶玻璃具有良好的物理化学性能，应用广泛；透明玻璃和彩色玻璃陶瓷，可用于建筑装饰26,26。孙靖婷等27利用氯化镂浸取钢渣-熔融还原提铁制备微晶玻璃。首先将钢渣进行镀浸萃取Ca元素并且就地固定CO2的初步处理，进而混合SiO2后还原提取铁元素，最后利用还原渣在800下核化lh,960°C下晶化Ih并加入形核剂制备微晶玻璃。该处理方法采用氯化锭浸出CaO,使钢渣的稳定性增强，后续加入少量改质剂还原提取铁，制备微晶玻璃主晶相为透辉石，夹杂部分钙长石。赵立华28利用Ca>Fe含量较高的钢渣制备硅钙陶瓷材料。Fe元素有促进辉石陶瓷致密化、增强晶相等作用，但是Fe元素含量过高则不利于陶瓷烧结和提升陶瓷性能；此外，Fe2O3在小于10%时能够提高辉石系陶瓷的抗折强度,CaO与黏土和滑石等原料的分解产物作用生成的钙长石、透辉石等促进了样品在致密化之前完成初结晶过程，生成的晶体后续在陶瓷烧结过程中也起到重要的支撑骨架作用。最终工业试验结果：在烧结温度1180C烧结时间75min条件下，得到的钢渣辉石陶瓷砖具有良好的物理化学性能，施釉效果较为理想，有较大的推广性和应用性。陶瓷工业对原料消耗量大，可以消纳大量的钢渣。传统陶瓷工艺要求原料的游离氧化钙含量小于3%,所以限制钢渣在陶瓷原料上利用的根本原因依然是钢渣内游离氧化物的含量。近年来，建立以钢渣为原料的新型陶瓷工艺成为主要研究方向，例如以富CaO钢渣为原料的Si-Ca基陶瓷、利用表面活性剂制备的泡沫陶瓷、以钢渣和粉煤灰为原料的新型钢渣陶瓷、瓷质釉面砖、多孔陶瓷等，不仅增加对堆弃钢渣的消纳量，更提高了陶瓷产品的各项性能。3.5 钢渣应用在其他领域3.5.1 海域环境领域目前为止，日本的钢渣利用率高达98%,除了返回循环利用和应用于道路、建筑、农业肥料等方面，还在海洋环境应用领域开发了新的工艺。钢渣中含有的FeO>SiO2是海藻生长所需的必要元素，所以可以将钢渣应用在贫瘠海域作为化肥和地基材料，钢渣中大量的Cao可以将导致海水富营养化的P元素固化，此外钢渣呈碱性并含有大量Fe,可以抑制沉积在海底的硫化物还原为硫化氢29,30,31。因此，住友金属、新日铁等钢铁企业利用钢渣的各项成分改善修复海域环境。我国是海洋大国，海岸线有1.8万km,近年来海洋环境污染严重，我国沿海钢铁企业分布较多，开发钢渣新产品改善海洋环境成为我国钢渣大规模利用的新方向。3.5.2 水污染治理领域钢渣表面呈多孔式结构，具有良好的吸附能力，通过钢渣改性或与其他物料形成复合颗粒，可应用于水污染治理领域32。闫英师3引利用改性钢渣处理选矿废水中的Pb2+、Zn2+,结果表明改性钢渣对Pb2+、Zn2+具有良好的吸附效果，吸附方式为单分子层吸附，涉及到电子转移与共用，吸附反应速率受化学吸附机制影响。以硫酸浓度为2molL为最佳条件对钢渣进行改性时，Pb2+的去除率最高达到97.1%似高温为700°C为最佳改性条件时，Zn2+的去除率最高达96.46%,比钢渣改性前提高20个百分点。但是Pb2+、Zn2+之间存在竞争吸附，所以Pb、Zn混合离子的去除率均小于单一离子去除率，混合离子的竞争关系机理和去除率的影响因素还需进一步深入研究。除此之外，钢渣已经在处理氮磷废水、金属离子废水、染料废水、焦化废水、有机废水等领域取得了较好的效果，实现了“以废治废，变废为宝''的绿色理念34,是未来钢渣综合利用的理想发展方向。通过对钢渣利用难点以及在各个应用领域的应用现状分析，钢渣的利用方式逐渐多元化、综合化、规范化。但是尚缺乏更加合理、经济、大规模的工业化处理方式，提高钢渣利用率还需进一步解决如下根本性问题。1）解决钢渣成分复杂性的问题，需要开发出合理、精确的检测手段及设备，建立更加详细、精确的钢渣成分、矿物分类标准，实现钢渣的分类应用，因地制宜，提高钢渣的综合利用率。2）激发钢渣的凝胶活性，提高钢渣在水泥、混凝土应用领域中的消纳量，可大大提高对钢渣的处理能力。目前，对于碱激发矿渣胶凝材料的研究己经比较成熟，而碱激发钢渣胶凝材料的研究较少，因此，研究碱激发钢渣胶凝材料是一个有潜力的课题和方向。3）钢渣中的游离氧化钙等引起的体积不稳定性问题是制约钢渣在道路工程、建筑工程中利用的最大难题，需要探索更加经济、有效提高钢渣稳定性的工艺路线。4）钢渣的利用还受其粉磨工艺及设备的影响，钢渣的粉磨粒度越精细，铁等金属的回收率越高，越有利于钢渣的进一步应用，所以升级粉磨工艺及设备是钢渣综合利用的前提。钢渣作为炼钢生产的副产物，年产生量超过1亿吨，其在水泥中的应用一直受到水泥行业和钢铁行业的关注，是否纳入通用硅酸盐水泥混合材范畴一直是两个行业争论的焦点。新版通用硅酸盐水泥GB175-2023（以下简称“通用水泥”）即将于2024年6月1日起实施，争议也随之告一段落。本文就钢渣在水泥中应用存在的问题、新标准实施后对钢渣在水泥中应用的影响及前景展开探讨。、钢渣在水泥中应用存在的问题1）钢渣的安全性。钢渣的安全性，也就是水泥行业常说的水泥安定性问题,主要是由钢渣中存在的游离氧化钙和方镁石引起的。炼钢时加入的生石灰、轻烧白云石、镁球等造渣材料反应不完全，残留在钢渣中，会导致钢渣中出现含量不一的游离氧化钙、方镁石等矿物。其中游离氧化钙因各厂冶炼情况不一，含量也不一样，即使同一钢厂，不同时期钢渣中的游离氧化钙含量也有波动，低者l%-5%,高者可达15%-17%o另外，钢渣是通用的名称，具体分类上也有脱硫渣、转炉渣、电炉渣、精炼渣、铸余渣等。不同种类钢渣中的游离氧化钙含量和消解速率也不尽相同，电弧炉钢渣中游离氧化钙含量普遍较低，安定性问题不大;铁水脱硫渣和精炼铸余渣中由于造渣时间短,游离氧化钙含量较高,但极易消解;转炉钢渣中游离氧化钙较难消解。钢渣中是否存在方镁石在学术界一直有争议，但目前看来，铁水脱硫渣、精炼铸余渣和电弧炉钢渣中不存在溅渣护炉，氧化镁的含量较低，一般认为不存在方镁石；而转炉冶炼需要溅渣护炉，经常添加轻烧白云石、镁球等，再加上铁碳砖的熔蚀和剥落，因此钢渣中难以避免方镁石的存在。钢渣作为炼钢产生的副产品，是一种非均质材料，其化学成分、矿物组成波动大，需要认真对待。2）钢渣在水泥中的掺量和安定性的关系。钢渣中游离氧化钙有生烧和过烧之分，磨细后消解速率也不同，但总体而言，磨细后不会对水泥安定性造成大的影响。一般钢渣掺量在10%以下，水泥强度基本不下降；钢渣掺量在30%以下,体积安定性良好。即便是较高游离氧化钙含量（例如9%）的钢渣磨细掺入水泥中，即使掺加10%,带给水泥体系的游离氧化钙总量也不过0.9%,不会使水泥安定性不合格实际应用中出现水泥安定性问题可能主要有以下原因：1）钢渣掺量过高。有的规模相对小的水泥厂或粉磨站操作不规范，在复合硅酸盐水泥中掺加钢渣高达50%,导致安定性不良。2）钢渣中氧化镁含量过高。一般转炉渣中氧化镁含量在8%左右，但也有个别情况氧化镁含量超过11%以上，可能造成方镁石含量过高，引起膨胀。二、钢渣在通用水泥中的应用现状在GB175标准实施过程中，也有几个问题需要予以说明。1）钢渣作水泥混合材的组分鉴别。钢渣中主要矿物为硅酸三钙、硅酸二钙、铁酸钙、RO相等，前两者赋予钢渣具有水硬胶凝性，由于硅酸盐水泥中主要矿物也是这两种，因此钢渣一旦掺入水泥中，没有方法鉴别是否掺入钢渣及掺加量的多少。现有标准GB/T12960-2007水泥组分的定量测定可测定六大通用水泥中掺加火山灰混合材、粉煤灰或矿渣的掺量，不适用于鉴别是否掺加钢渣甚至掺量。因此在目前实行水泥生产许可证制度的前提下，难以检查水泥企业是否合法合规掺加钢渣。2）大型水泥企业和小型粉磨站在标准执行上的差异。大型水泥企业由于掌握当地的熟料生产线，生产相对规范，在混合材掺量上一般不突破标准规定；但外购熟料的小型粉磨站要实现利润最大化，一般会想方设法突破标准中规定的混合材种类和掺量。3）钢渣在北方和南方地区作混合材的应用情况有差异。北方地区钢铁企业和发电企业众多，矿渣、粉煤灰供应充足，钢渣由于易磨性不佳，难以大量用作混合材；而南方地区钢铁企业和火电厂较少，矿渣、粉煤灰资源供不应求，水泥企业会扩大混合材种类。三、钢渣在水泥中应用的可行性1）国外使用情况。在欧美等发达国家，钢渣主要用作筑路和回填材料，在水泥厂用的较少，也只是作为生料配料使用，不作为混合材使用。2）可以生产钢渣矿渣硅酸盐水泥。随着新版GB175的发布实施，钢渣在六大通用硅酸盐水泥中的应用势必受到诸多限制。但标准管理方对钢渣作混合材另编制有GB13590-2023钢渣矿渣硅酸盐水泥，水泥生产企业可以申请生产此类水泥。该标准中钢渣粉允许掺量为10%-30%,为保证体积安定性，需要进行压蒸安定性检验。但是这类水泥每年生产量较少。3）安定性问题制约钢渣利用。作为一种有膨胀风险的材料，不管用作骨料还是辅助性胶凝材料，主要还是安定性制约了钢渣的利用。因此钢铁企业需要重视钢渣的稳定化处理和安定性检测控制，重视钢渣的综合利用。四、钢渣应用前景探讨影响钢渣大规模应用的主要障碍仍是安定性。发达国家由于产钢量不高，钢渣排放压力不大，钢渣稳定化处理基本采用露天堆放、定期洒水、翻晒和检测的方式，待膨胀崩解稳定后再出厂利用。日本、中国台湾也采用蒸汽加速陈化的方式减少堆放时间和场地。中国粗钢产量超过世界总产量的一半，一家大型钢厂产出的钢渣动辄以百万吨计，没有足够大的场地予以堆放，而且国内的环保要求不能露天堆放。如何采用快速有效的钢渣稳定化处理方式，保证钢渣顺利出厂，是摆在钢铁企业面前的头等大事。针对未来钢渣的应用前景，建议如下：1）深入开展钢渣做水泥生料原料的试验研究，在炼钢工艺中减少含铝耐材的使用，降低钢渣中的铝含量，提高钢渣在水泥生料配料中的掺加比例。2）在水泥行业和钢铁行业开展钢渣作水泥混合材的全国性调研、基本性质和基础试验研究，取得两大行业认可的基础试验数据，为未来钢渣纳入通用水泥混合材范畴作基础准备。3）继续推进钢渣先进处理工艺的应用，深入推广及普及钢渣有压热闷等稳定化处理技术，有效回收钢渣中金属资源和显热回收，保证出厂钢渣的体积稳定性或体积安定性，实现出厂钢渣作道路材料的产品化和标准化。4）扩大钢渣应用范围及研发新利用技术。继续对各种钢渣进行分类和分级处理，使钢渣成为成分稳定、粒度分级的真正商品化的二次原料资源，支持钢渣在固碳、道路、制砖、骨料、喷砂除锈等领域的研发和应用，扩大钢渣资源化利用的应用范围。5）粉磨工艺和超细粉磨设备的研发。在球磨机、辐压机、卧辐磨及立磨等设备的基础上，继续研发新型节能、低耗的超细粉磨设备，降低钢渣粉生产成本。6）政策支持。国家有关部门在技术推广、减免税等政策方面给与支持，引导钢铁企业在钢渣稳定化处理方面的投入和技术创新，实现钢渣产品化出厂，提高钢渣综合利用率。钢渣资源化利用处理工艺的现状与展望钢渣资源化利用途径较多，但受到钢渣稳定性差、金属铁含量高等原因的影响，综合利用率仅为22%o钢渣资源化利用前多采用两步处理法处理钢渣:第一步为稳定化处理，使钢渣实现稳定化，第二步为筛分及金属回收处理，是钢渣破碎分级和金属铁回收。本文介绍并比较了现有国内外钢渣一次处理和二次处理的主要处理工艺，并对未来钢渣资源化利用处理工艺的发展和对钢渣显热回收进行了展望。钢渣是炼钢过程产生的大宗工业固体废物，根据目前国内外炼钢水平，其产量约为粗钢产量的10%15%°在我国，2016年全国粗钢产量超过8亿3钢渣产生量约为9000万3钢渣累积总量近10亿吨，但其综合利用率仅为22%,这与工信部早在“十二五”规划中就要求达到75%的综合利用指标，与部分发达国家在95%以上的综合利用率而基本排用平衡更是相去甚远。尽管研究人员已经开发出了近40种有关钢渣综合利用的方法，但到目前尚未找到大规模资源化利用钢渣的有效途径，在国内还是以回收废钢、磁选铁精粉以用作熔剂等钢厂内部循环利用为主，使用量有限，目前约有70%的钢渣处于堆存和填埋状态。堆存或填埋的钢渣不仅浪费了资源，占用有限的土地，还会引起土壤、表层水和地下水污染等诸多环境问题，因此钢渣的开发利用十分迫切。另外，于2018年1月1日起施行的中华人民共和国环境保护税法明确规定，钢渣属于固体废物税目，税额为25元/吨，对露天堆存的钢渣雨季所造成的钢渣渗滤液每吨征收300元的环保税，未来钢渣处置将成为下一步工业固废处置的重点关注方向。1钢渣资源化利用背景1.1 钢渣的资源化利用途径钢渣的资源属性即组成成分决定了其可能的用途。钢渣的主要成分为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁酸二钙、RO相(铁、镁、镒的氧化物)、游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO)等，同时还含有10%左右的废钢资源。钢渣中含有CaO.Fe、MnO.Mg0、Fe2O3等成分，可以作为钢铁烧结原料组成，如少量的铁酸钙能够改善烧结矿强度，镁、钙组成以固溶体形式存在，能够代替部分菱镁石、白云石、石灰石等熔剂。钢渣中含有10%左右的金属铁组成，经过破碎筛分磁选等处理后，可以分选出不同粒级的渣钢和磁选粉，渣钢可以返回炼钢利用，磁选粉返回烧结利用。钢渣中含有硅酸二钙和硅酸三钙组成，和硅酸盐水泥熟料有着相似的相同，可以作为生产水泥的原料，也可以应用于混凝土掺合料、干混砂浆等建材中。钢渣中的主要组成Ca0、A12O3、Si02和MgO等与传统的建筑瓷砖原料如黏土、石英和长石等天然矿物相似，可以作为陶瓷制备的原料。钢渣中含有SiO2和CaO,是微晶玻璃CaO-AI203-Sio2体系的主要组成部分，可以作为钢渣微晶玻璃制备的原料。钢渣碎石的颗粒形状、硬度和耐磨性比较适合道路材料的要求，因此可以用于道路的基层、面层及垫层，还可以用作工程回填用材料。钢渣含有大量的碱性氧化物而如CaO等组成，因而可通过化学反应作用来处理废水中的污染物，以及脱除烟气中S02等酸性气体污染物。钢渣中含有较高的Si、Mn.P及各种微量元素，可提供农作物生长所需的营养元素，同时钢渣中富含的Cao还能缓慢中和及改良土壤，因此可以做农田肥料使用。1.2 钢渣的物理化学特性我国钢铁冶炼流程目前仍以长流程转炉炼钢方式为主，占比90%左右，因此提高钢渣利用率主要关注转炉钢渣的处置利用。结合国外钢渣处置发展的经验和我国的国情，建材化利用是规模化消纳钢渣的主要途径。然而，建材化利用面临着以下问题：1)钢渣的稳定性不良。现代炼钢过程中为脱硫、脱磷常加入石灰和白云石等高钙、高镁材料做造渣剂，提高钢渣粘度进行溅渣护炉，保护耐火砖不受侵蚀，提高转炉炉龄。钢渣中的氧化钙、氧化镁不能和二氧化硅等酸性氧化物充分反应,而形成游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO),钢渣中的f-CaO和f-MgO遇水发生水化反应生成Ca(OH)2和Mg(OH)2,体积膨胀，造成钢渣稳定性不良。另外，钢渣中的C2S在钢渣冷却过程中，其晶型由P型向Y型转变使体积增大，也造成了钢渣的体积膨胀。若应用于道路、建材等行业，会出现膨胀开裂现象。2)钢渣中金属铁含量高。金属铁的存在，造成磨矿难度和能耗的增加，对颗粒均匀性造成不利影响，另外，在使用过程中也较容易出现铁锈现象，以上限制了尾渣的建材化利用；3)钢渣组成波动性高。受炼钢工艺、钢种特点、造渣制度等因素影响，钢渣的成分复杂、波动性大，尤其是钢渣中f-CaO含量各个批次会存在较大差异，增大了其使用难度。4)钢渣处置能耗较高。钢渣密度高于较砂石骨料，为35tm3左右，是普通建材的1.21.4倍，导致钢渣在运输和使用时的能耗要增加10%左右。上述问题中，最关键的影响因素是钢渣的稳定性和金属铁的回收问题。钢渣应用技术要求（GB/T325462016）中明确提到:胶凝材料和骨料（集料）用钢渣在使用前应经稳定化和除铁处理，其金属铁含量应不大于2.0%（用于抹灰砂浆时其金属铁含量应不大于1.0%）,且体积稳定性合格。为达到上述目的，通常采用两次处理法处理钢渣:第一步为稳定化处理，使钢渣实现稳定化,第二步为筛分及金属回收处理，是钢渣破碎分级和金属铁回收。2钢渣的处理工艺2.1 钢渣的一次处理工艺钢渣的稳定化处理是把热态或熔融态钢渣处理经各种冷却工艺处理成常温块渣，以有利于钢渣的后续处理。目前国内外钢渣一次处理主要工艺有:热泼法、风淬法、滚筒法、粒化轮法、热闷法等，其中热泼法、滚筒法、热闷法最为常用。表1综合比较了各种工艺的特点。冶金信息标准研究院曾统计过国内129家大中型钢企钢渣一次处理数据，采用热闷法的最多，有59家，占比45.7%;其次为采用热泼法的改进处理工艺“热泼闷渣法”，有51家，占比39.5%;第三是宝钢的滚筒法，有10家，占比7.8%。选择钢渣一次处理的工艺需要从钢渣的特性以及终端利用方式（组成、粒度要求等）、工艺节能环保参数、投资和运营成本等方面来综合考虑;例如，如果钢渣的流动性差，则不能使用滚筒法、风淬法、水淬法和粒化轮法，而盘泼法、热泼法和热闷法可以适用;如果从节能环保方面考虑，滚筒法和热闷法较为适宜。-1¾li一次父工艺对比号-Hr过之f5次黑I热利用自箫*和漩的门分8热.工ZltfV比收倚处1处同Ra不均勺.处网则K.IKM-遇木6产牛的“度应力1第牧高厦的IM清泄帔分育效G球破碎懒工*较大.AW化凭明KtHT阳便流长裳.果好H渔活性较“安定性较同饱杼健处比尚£发文IHKM2 使*<»-毒VIMHieHtHbF搏加快,就展IR京.占少.找0小样时“住不当容易发牛0的利恒»公瓦幕时修簟水遂行场幕由弊井既小敦少处废R的用滋物生喇陵Qt?度均匀次会急冷也舞电或度较小性隹Q定.性比我少.只IE处方虢与渣.应力集中出破阵.梅M时遗行（热殳畏使靖液水中发生财化作用3 伏法过可柞依*刑大ft撑藏迄度快冷却时同取否利t产快务IM耗较大占Ss的东向龄陵进行哎新,所形成的IMK化生产.处Jl力大根大破坪Mr岫尘量大急AIH-*W“度应力使的凌破环离化IH滋雄性牧岛生产率高汽It较大.财”发88能两眄M水化&会使M依进步破方面不利祓加工量大.桥上金饰般的法僧人血中齿快it冷加占。反14大.迨公聒广变形I/复今.Mim纯看金边.杵用吊Tle"中的粉尘少活性纥”胡法筌定情很冷.我青，遥¾w密渣勾建倒人渣盘内折我行ItHl太*附标*翕大量的水空冷.当MiC至洪£过程中喻水进行冷却.出行创入水中可冷却S，化轮双纪小,车射砥倒入住育逢段转的1渣选欢优达朋于旅动作好（务m火处Ir工作二大.外的竹化转轮匕便第溢破泉潴化飞的我3有S演木“小”容易产4.,杜大木冷却MJ1T较低.他度均匀性较被（>9.5MB育达2M,6-一法411*七IMiftC长”的浸冏内,Ifjft快,占地面加小污0少,“慢大不均外>9Sn的宝刷;惨一牌水做冷却介IB.金冷Ml化,破僦粒性处糙位.达18/）活性般.段缶依皆“斓旗人邮大Jl货姓对液与法中度JSW台湾中比巳7 -JH心绵空冷却介质.便簸右餐全鸟效簿青快.rZtftl.SUg杜圮毋派H-公山厂制没念冷,建腰.粒化占肉睨小,污喙小"陀性能化毒中rtu<叁定.包慢均勾且比HM<5MMl.投肾少.8 一安性”是作.R化一累一费只虚一好.定性好硬性活性法9 .2钢渣的二次处理工艺钢渣经一次处理后需要再进行二次处理，其主要目的是使钢渣进一步达到合适粒度并回收其中铁资源。目前回收尾渣中金属铁及氧化物的方法主要包含三种:磁选、还原和氧化。磁选法应用较为广泛，还原法是利用高温下无机碳的还原作用将钢渣中氧化亚铁还原成单质铁，但整个过程需要较高温度，同时会产生温室气体，氧化法是将钢渣内部的非磁性FeO转化成磁性Fe3O4的工艺，仅是新的研究方向，暂时无法工业化应用。另外，也有钢渣重选和浮选的技术，但应用较少。钢渣磁选生产线的产品主要是渣钢和磁选粉，前者返回炼钢利用，后者返回烧结利用，渣钢又分为大块渣钢及粒钢。渣钢和磁选粉的粒级和品位是因不同钢厂的回用冶炼要求而定，一般需要尽可能的保证渣钢和磁选粉的高品位。目前国内钢铁企业一般要求返回炼钢的渣钢TFe大于80%,返回烧结的磁选粉TFe大于40%o对于粒度，一般要求渣钢粒度大于30mm、颗粒钢粒度530mm、精矿粉粒度不大于8mm,尾渣粒度小于IOmmo尾渣也可进一步深加工，如生产钢渣粉等。钢渣磁选二次处理工艺主要包括渣钢铁回收工艺、渣钢提纯工艺以及铁精粉提纯工艺等。风淬法、水淬法、粒化轮法和滚筒法处理后的钢渣，由于粒度不大，一般经脱水后直接磁选回收其中渣钢，不再进一步破碎或只做简单破碎;热闷法和热泼法处理后的钢渣，由于粒度较大，需进行多级破碎、筛分和磁选。早期钢渣二次处理工艺主要为简单的破碎和筛分，目前大多升级为多级破碎、多级筛分和多级磁选，例如梅钢升级为3破7选5筛分，太钢为2破6选3筛分等。破碎、筛分及磁选多根据一次钢渣处理的情况来进行灵活调整。钢渣处理工艺经还常设置磨制环节，这是因为钢渣中的渣钢分离比较困难，尤其对于细粒钢渣，包裹有微细粒的金属铁或与金属铁连生的浮氏体及具有一定磁性的铁酸盐易进入磁性分离物中，导致磁性分离物中铁品位降低，增加磨制环节将可以进一步高效回收利用细颗粒钢渣中的金属铁。例如，单纯采用破碎机，即使把钢渣破碎到5mm粒径以下，也很难实现渣钢有效分离，且选出的精矿粉品位一般低于45%。若在工艺中加入磨制工序，如自磨、棒磨或球磨，在相同粒径条件下，通过合理的磁选过程，基本可以获得TFe80%以上的粒钢、品位55%以上的精矿粉金属铁质量分数小于1%的尾渣。国内外常见的典型钢渣二次处理工艺流程见图1图3。图I治建院坡式破碎+棒磨流程【遍图2济钢颗式破碎+锥式破碎流程IE图3首钢受式破碎机+网号破碎流程”4钢渣的破碎、磁选筛分工艺流程是回收渣钢的最基本流程，所用的破碎机包括颗式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机和双根破碎机等，磁选机包括跨带式磁选机和电磁铁式磁选机，筛分设备包括格栅、单图2济钢颗式破碎+锥式破碎流程层及双层振动筛等。其中几个关键设备如下：1）破碎机。一般选用液压颗式破碎机作为一级破碎设备，早在20世纪80年代我国引进了德国KHD公司的成套设备，其核心设备就