钢渣处理和利用(disposal and utilization of steel slag)

炼钢过程中排出的废渣经过加工，消除其对环境污染并发挥其效能的过程。钢渣是在炼钢过程中，由金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蚀的炉衬和补炉材料、金属炉料带人的杂质如泥砂和特意加入的造渣材料，如石灰石、白云石、萤石、铁矿石、硅石等所形成的废物，其中造渣材料是钢渣的主要来源。依炼钢工艺技术和设备的不同，钢渣的产生率有所不同，一般约为粗钢产量的15％～20％。

钢渣的分类 通常按照冶炼方法、碱度和形态进行分类。

按冶炼方法可分为平炉钢渣、转炉钢渣和电炉钢渣。平炉钢渣又可分为初期渣、精炼渣、出钢渣和浇钢余渣；电炉钢渣又有氧化渣和还原渣之分。

按钢渣的碱度分类 钢渣的碱度是指其主要成分中的碱性氧化物和酸性氧化物的含量比。

M<1.8称为低碱度钢渣；

M=1.8～2.5称为中碱度钢渣；

M>2.5称为高碱度钢渣。

按钢渣的形态可分为水淬粒状钢渣、块状钢渣和粉状钢渣。形态的差异是因对钢渣进行处理时所采用工艺方法的不同所致。

钢渣的组成 包括其化学组成和矿物组成。

化学组成 钢渣的主要化学成分有：CaO、SiO₂、Al₂O₃、FeO、Fe₂O₃、MgO、MnO、P₂O₅、f-CaO等。有的钢渣还含有V₂O₅、TiO₂等。各种成分的含量依炉型、钢种不同有较大范围的波动。中国主要钢厂的钢渣化学成分见表1。

矿物组成 不同炉种的钢渣矿物组成差异较大。

中国主要钢铁厂的转炉钢渣基本上属硅酸二钙或硅酸三钙渣。碱度低时，常出现的矿物有橄榄石(CaO•RO•SiO₂)、蔷薇辉石(3CaO•RO•2SiO₂)、RO相。碱度高的钢渣含有硅酸二钙(2CaO•SiO₂)和硅酸三钙(3CaO•SiO₂)。

平炉初期渣的主要矿物有橄榄石、蔷薇辉石、RO相等。精炼渣、出钢渣和浇钢余渣的主要矿物有硅酸二钙、硅酸三钙、R0相、铁酸二钙(2CaO•Fe₂O₃)、铁酸钙(CaO•Fe₂O₃)、纳盖斯密特石(7CaO•P₂O₅•2SiO₂)，有的还出现黄长石(钙铝黄长石和钙镁黄长石所组成的复杂共熔体)和尖晶石。

电炉氧化渣的主要矿物有α–硅酸二钙和β–硅酸二钙、RO相和镁蔷薇辉石等。此外还可能出现原料成分中的钙铬镁矿和铝硅酸钙。还原渣的主要矿物有铝酸钙(CaO•Al₂O₃)、β–硅酸二钙、)，γ–硅酸二钙、蔷薇辉石、方镁石(MgO)和少量氟铝酸钙、碳化钙等。

钢渣处理工艺 当今，国内外关于钢渣处理工艺方法主要有热泼法、盘泼法、水淬法、风淬法、粉化法和弃渣法。处理工艺有自磨机和干破碎处理工艺。

热泼法 是国内外应用比较多的方法。它的基本原理是：在炉渣温度高于可碎温度时(一般平炉渣为1000℃)，以有限制的水向炉渣喷洒，使渣产生的温度应力大于渣本身的极限应力，使渣产生裂纹，裂纹相交，渣破裂成块，冷却水继续沿裂纹渗入，使渣进一步破裂，同时也加速了游离态氧化钙的水化，使渣向更小块破裂。反复热泼，积渣到一定厚度，再铲运进一步处理。该法有炉下直泼法和炉外热泼法。前者是将热熔渣泼于炉下地面上，洒水冷却后挖掘装车送到破碎筛分线，如美国的潘海尔斯厂的平炉、英国布朗贝利公司丽枝露得厂的电炉等均采用此法。后者是将液态钢渣倒人渣罐后，运至热泼车间，用吊车起吊渣罐将渣均匀泼在场地上，经空气冷却后，再打水冷却，用推土机推集成堆，这是热泼法中应用最多的一种方法。热泼法具有排渣速度快、安全可靠等优点，但需大量装载机械、设备损耗大，后序破碎加工量大，产生的粉尘量相对也大。

盘泼法 有盘泼淬冷法(ISC法)和浅盘直泼法(SDD法)两种。ISC法工艺的处理流程为：将熔融渣用渣罐运至处理跨渣盘旁，用吊车将罐中的渣均匀倾倒在渣盘中，渣层厚度一般为50～150mm，先静置空冷，后喷水冷却，为一次冷却，待钢渣表面温度降为500℃左右时，用吊车启动渣盘将钢渣倾翻到排渣车上，送至二冷却站，向车上喷水冷却，使渣温降至90～200℃时将钢渣倒人冷却水池，进行第三次冷却，水浴冷却至60～70℃后由门型抓斗起重机把钢渣从水池中抓出装入贮料仓，经皮带机运往粒铁回收车问进行磁选、破碎和筛分。此法为日本人汇兴产株式会社的专利。其主要优点是能快速处理熔渣，占地少，安全可靠，劳动条件好。但占用设备多，蒸汽量比较大。SDD法是日本新日铁釜石制铁所的专利，其工艺流程为：将转炉渣直接泼在浅盘上，进行自然冷却和碎裂，然后将渣盘通过回转装置倒在专用渣车上，送往渣处理场。该工艺不经过渣罐转运，因而不产生罐壳渣；不必进行粗碎；无爆炸危险；减少了粉尘和噪音；处理场地盘子化，可大幅度降低处理成本。

水淬法 是对炉渣粒化和冷却效果最好的方法，世界各国钢铁企业都重视利用它来处理钢渣，但由于钢渣热熔状态时粘度大，含钢量也较高炉渣多，用一般高炉渣水淬法处理比较困难。平炉钢渣一般采用“带中间渣罐”的工艺流程：熔渣从炉内放人中间渣罐，再从渣罐下部的出渣口流出，经压力水而水淬成粒，排人集渣池，采用抓斗吊将水淬渣抓出装车运至用户。出渣口孔径为50～150mm，渣水比为1：10。转炉钢渣水淬多采用倾翻渣盘池内水淬和开孔渣罐池式法。前者工艺流程为：渣盘接渣后运至水淬池旁，用渣车倾翻装置将熔渣倾倒在流渣槽内，经流渣槽流入水池急冷粒化。在流渣槽下也可设喷水管加强水淬效果。后者的工艺流程为：用带孔渣罐接渣，运至水池旁，打开渣孔，熔渣经高压水束(压力一般为0.2～0.34MPa)冲淬至池内。水淬法工艺流程简单，设备少，占地少，投资省，排渣速度快。产品粒度小，便于综合利用。其缺点是当冲渣水的压力和水量如控制不当或供水系统发生故障时会发生爆炸，影响人身和生产的安全；熔渣粘度大时会影响水淬的顺利进行，降低了水淬率以及还需对外排冲(泡)渣水进行处理等。

风淬法 工艺流程为：将高温熔渣由渣罐倒人流渣槽，在流渣槽出口处由高速空气喷吹成粒状。对落于近处(通常在8m以内)的表面尚呈半固态的渣粒，则采取补充冷却以避免粘连；落于远处的渣粒已完全变为固态而不致粘连。当具有热回收装置时，高温渣粒进入其中以回收其显热。冷却后的渣粒送于储运系统，运至用户。风淬法具有水淬法的各项优点，而避免了爆炸的危险和水质污染，并可回收热能(当有热回收装置时)。

粉化法 首先研制成功的钢渣粉化处理工艺是将热熔钢渣凝固后喷水或处于一定压力的饱和蒸汽作用下，使钢渣中的游离氧化钙遇水膨胀而使钢渣碎裂粉化。以后将此法引伸为热闷处理、打水粉化处理等等。该工艺方法简单、安全可靠、能耗少，但粉化钢渣的活性随之降低。粉化法是中国为处理高碱度钢渣而采用的一种工艺，对低钙渣效果欠佳。

弃渣法 工艺流程为：把钢渣倒入渣罐(盘)，经缓冷后直接用火车运至渣场弃倒。这种方法是有钢铁工业以来就采用的方法，中国多数钢厂仍沿用此种工艺。它的缺点是：工艺投资大，占地广，设备多，废渣不易综合利用，金属也不能及时回收，此工艺逐渐在淘汰。

上述六种方法，都不能把钢渣处理到直接可供使用的程度。水淬法产品虽可供直接使用，但水淬率也只有50％。要把钢渣处理达到工程上直接能用的材料，还需深加工。国内外普遍采用的办法，是机械破碎、磁选、筛分。处理工艺主要有自磨机处理工艺和干破碎处理工艺：

自磨机处理工艺 钢渣粗破选出大块废钢以后，经皮带机送于自磨机，经过钢渣之间的冲击和磨剥作用，使钢渣粉碎。一定粒度的物料由格孔漏出机外，在分离器内分级并磁选。该工艺运行稳定，生产率高，回收的金属带渣少，含铁量可达60％～80％，通过调换排料格孔的大小，可以控制破碎产物的粒度。为了提高磨机效率，要求钢渣含水率小于5％。

干破碎处理工艺 为了满足钢渣利用过程中对粒度的严格要求，一些厂采用破碎工艺。一般多采用颚式破碎机、磁选、筛分工艺流程。颚式破碎机一般一级用400mm×600mm，二级用250mm×400mm。该工艺有操作简单，灵活适用的特点，但易产生粉尘污染，需要加强除尘设施。除采用颚式破碎机外，还有圆锥破碎机、反击破碎机和对辊破碎机，但一般都存在卡料、灰尘大、机件损坏严重等问题。

钢渣综合利用 钢渣的用途因成分而异。迄今，人们已开发了多种有关钢渣综合利用的途径，主要包括冶金、建筑材料、农业利用几个领域。

用作冶金原料 钢渣在冶金生产中可代替石灰石或石灰做烧结熔剂、高炉熔剂、化铁炉熔剂，作炼钢返回渣等。用作冶金原料时应注意磷的富集给生产带来的不良影响，需要控制配比、采取开路使用和将含磷高的钢渣移做他用。(1)做烧结熔剂。烧结矿中可配入5％～10％粒度小于8mm的钢渣代替熔剂使用，不仅回收利用了渣中钢粒，也利用了渣中CaO、MgO、MnO等有益成分，钢渣软化温度低且物相均匀，可促进烧结矿液相的生成而使粘结相增多且分布均匀，加之抑制了硅酸二钙的相变使粉化率降低，因而提高了烧结矿的质量和产量。高炉使用配人钢渣的烧结矿，由于烧结矿强度提高、粒度组成改善，尽管铁品位略有降低，炼铁渣量增加，但高炉操作顺利，对其产量提高、焦比的降低还是有利的。(2)作高炉熔剂。将热泼法处理得到的钢渣碎石破碎到8～30mm之间，直接返回高炉用以代替石灰石，并回收利用其中的有益成分，可以节省熔剂(石灰石、白云石、萤石)消耗，改善高炉渣的流动性能，增加了铁水产量。缺点是钢渣成分波动大，有些钢渣易粉化，粒度不易控制。对于利用高碱度烧结矿或熔剂性烧结矿的高炉，由于基本上不加石灰石，钢渣在这类高炉上的应用受到了限制。(3)作化铁炉熔剂。用钢渣代替部分石灰石和萤石作化铁炉熔剂，对铁水温度、铁水含硫量、熔化率、炉渣的碱度及流动性均无明显影响，对于使用化铁炉的钢厂和一部分生产铁铸件的机械厂都可以应用。(4)作炼钢返回渣。转炉炼钢，每吨加高碱度钢渣25kg左右，并配合使用白云石，可使冶炼成渣早，减少炼钢初期对炉衬的侵蚀，有利于提高炉龄，降低耐火材料消耗，或减少萤石用量。

用作筑路和建筑材料 含游离氧化钙低，含磷也高而不适宜作冶炼熔剂的钢渣，可以考虑用作筑路、河道和水工建筑材料。钢渣是经高温煅烧过的含有硅酸盐、铁铝酸盐矿相的物质，可用作钢渣矿渣水泥原料，水泥混合材料、烧制水泥熟料的原料和建筑制品等。(1)作筑路材料。钢渣物理力学性能优于高炉渣和普通碎石，是筑路工程较好的骨料，但其化学组成中存在游离氧化钙，影响其安定性。筑路用钢渣为经过陈化或其他方法处理已经稳定的钢渣。修筑路基一般使用纯钢渣，修筑路基层一般使用钢渣混合料。其中以使用钢渣、粉煤灰、石灰混合料为宜，参考配合比(％)为72：20：8。钢渣的最大粒径不大于50mm，压碎值不大于35％。路基碾压成型后应在潮湿状态下养生，一般采用洒水养生，养生期一般不少于7d。(2)作铁路道渣。钢渣碎块可以代替碎石作为铁路道渣，除稳定性好、不滑移、耐蚀、耐久性好外，还具有导电性小，不会干扰铁路系统的电讯工作，路床不生杂草，不易被雨水洪水冲刷，不会因铁路使用过程的冲撞力而滑移等优点。(3)作水泥生产的原料或混合料。以平炉、转炉钢渣为主要组分，加入一定量粒化高炉矿渣和适量石膏，磨细可制得钢渣矿渣水泥。钢渣的最少掺量以重量计不少于35％，必要时，可掺入重量不超过20％的硅酸盐水泥。用于钢渣矿渣水泥中的钢渣要符合如下要求：钢渣的碱度不应小于1.8；钢渣中的游离氧化钙含量不应超过5％；钢渣中不应含有耐火砖、工业垃圾和泥砂等物；钢渣中金属铁的含量不应超过1％。钢渣矿渣水泥的参考配比见表2。无熟料钢渣矿渣水泥早期强度低，仅用于砌筑砂浆、墙体材料、预制混凝土构件和农田水利工程等方面。少熟料钢渣矿渣水泥的早期和后期强度都比较高。钢渣矿渣水泥具有水化热低、微膨胀、抗渗、抗冻等特点，因而特别适宜于水利工程。利用钢渣做普通水泥外，中国一些企业还用电炉渣生产白钢渣水泥，标号325以上，白度75度左右。(4)生产钢渣砖。以粉状钢渣或水淬钢渣为主要原料，掺入部分水淬矿渣(或粉煤灰)和激发剂(石灰、石膏或芒硝)加水搅拌，经轮碾、压制成型、蒸养(或自然养护)而成。(5)作工程回填材料。钢渣可用作工业和民用建(构)筑物地基以及场坪的填筑材料。用它填筑的建筑物地基和场坪整体性好、承载力高。回填用钢渣应为经过陈化或其他方法处理已经稳定的钢渣，其最大粒径视使用部位的要求而定，一般不大于200～300mm。

用于农业 钢渣中含有CaO，可用来改良酸性土壤。钢渣可作磷肥，也可作硅钙肥，在一定的土壤环境下对植物早期和晚期都有肥效。当采用中、高磷铁水炼钢时，在不加萤石造渣情况下，回收的初期含磷渣，经破碎一磁选一破碎等工艺条件，就得到成品钢渣磷肥。钢渣中的P₂O₅虽不溶于水，但具有枸溶性，即能溶于酸度相当2％枸橼酸(柠檬酸)或枸橼酸铵的溶液中，可被植物吸收。一般用作基肥，每亩可施用50～200kg。