高炉渣处理和利用(disposal and utilization of blast furnace slag)

高炉炼铁过程中排出的废渣经加工消除其对环境的污染并发挥其效能的过程。高炉渣是在高炉炼铁过程中，由矿石中的脉石、燃料中的灰分和助熔剂等炉料中的非挥发组分形成的废物。出炉时温度可达1400～1600℃，通过加工处理可以得到不同用途的矿渣产品一根据矿石品位的不同，每冶炼1t生铁，约产生高炉渣0.3～1.0t。矿石品位越低，排渣量越大。

高炉渣的分类 通常按照冶炼生铁的品种、矿渣的碱度和高炉渣的处理工艺进行分类。

按冶炼生铁的品种区分，高炉渣可分为铸造生铁渣、炼钢生铁渣和特种生铁渣。铸造生铁渣排放时温度较高，一般CaO的含量较高，渣的外观浅而白，密度小；炼铁生铁渣排放时温度低于铸造生铁渣，CaO的含量低，渣的外观颜色深而黑；特种生铁渣如锰铁渣、硅铁渣、钛铁渣，其特点是含有多量的其他金属氧化物。

按高炉渣的碱度分类 高炉渣的碱度是指矿渣主要成分中的碱性氧化物和酸性氧化物的含量比。

M_o>1称为碱性矿渣；

M_o=称为中性矿渣；

M_o<1称为酸性矿渣。

按照高炉渣的处理工艺的不同，有粒化高炉矿渣、慢冷高炉矿渣和膨胀矿渣之别。

高炉渣的组成 包括化学组成和矿物组成。

化学组成 高炉渣中通常含15种以上的化学成分。在工厂中高炉渣全分析的项目为SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、MnO、Fe₂O₃、S。一些特殊的矿渣还分析TiO₂、V₂O₅、P₂O₅、Na₂O、BaO、Cr₂O₃、Ni₂O₃等。所有这些化学成分中，CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO四种成分是主要的，它们约占总重量的95％。SiO₂和Al₂O₃来自矿石中的脉石和焦炭中的灰分，CaO和MgO主要来自熔剂，高炉渣主要就是由这四种氧化物组成的硅酸盐和铝酸盐。由于矿石品位和冶炼生铁的品种不同，高炉渣的化学成分波动范围较大。在冶炼炉料固定和冶炼正常时，高炉渣的化学成分变化不大，对综合利用有利。高炉渣化学成分的范围见下表。

矿物组成 急冷和碱性率低的高炉渣中易于生成无定形的玻璃体；缓冷和碱性率高的高炉渣中易于出现结晶矿物。高炉渣中的矿物主要有镁黄长石(2CaO•MgO•SiO₂)，硅酸二钙(2CaO•SiO₂)、钙铝黄长石(2CaO•Al₂O₃•SiO₂)、钙长石(CaO•Al₂O₃•2SiO₂)、尖晶石(MgO•Al₂O₃)、假硅灰石(CaO•SiO₂)等。其中碱性高炉渣中最常见的矿物是黄长石的固熔体、硅酸二钙的含量仅次于黄长石；酸性高炉渣中，主要矿物相是甲型硅灰石和钙长石。高钛矿渣中主要为安诺石(TiO₂•TiO₃)、钙钛矿(CaO•TiO₂)、钛辉石(7CaO•7MgO•TiO₂•3Al₂O₃•13SiO₂)、巴依石、黄长石等；锰铁矿渣中主要为锰橄榄石(2MnO•SiO₂)。

发展简史 从16世纪起，就有应用高炉渣的记载。到18世纪，由于发现高炉渣具有同水泥相近似的化学成分和同天然岩石相仿的强度，引起人们的注意和兴趣。1652年，英国在码头建设中使用了高炉渣，1728年，英国研究成功热铸矿渣块，用于砌筑烟囱和地下室。到19世纪矿渣的利用发生了很大变化，先后开辟了更多的应用途径。1830年美国在密苏里州建成了完全用高炉渣建造的道路。1840年英国在威尔斯制成了矿渣棉。19世纪后半叶，高炉渣的利用逐渐增多，欧洲开始用矿渣铺路、作基底材料，并用于硅酸盐水泥混凝土中。1865年，德国的工业部门第一次用石灰和磨细的水渣混合制成石灰矿渣水泥。到1883年，高炉渣开始用作波特兰水泥原料的粘土组分。1975年开始用高炉渣作铁路道渣等，但总的用量仍然很少。20世纪初，1909年，德国奎尔教授首先发明了石膏矿渣水泥。1911年，德国用熔融的高炉渣制成了膨胀矿渣。1912年，美国在道路建设中应用了矿渣碎石混凝土。1922年德国生产出了矿渣水泥，并首先用矿渣碎石作混凝土骨料。湿碾矿渣混凝土于1931年在苏联正式使用。后来，比利时脱立夫又首创湿磨矿渣水泥的生产方法。在第二次世界大战以后，有一些国家，如美国和前德意志联邦共和国，当年生产的高炉渣已经供不应求，转而开发昔日堆存的废渣。中国高炉渣的利用始于20世纪20年代前后，当时东北鞍山地区已将高炉渣应用于道路路基、铁路道渣；矿渣混凝土从那时起也逐步应用于工业与民用建筑上，如平炉基础、平台、烟囱，高炉铸铁机车间，电厂冷却水塔、焦炉、水厂架空贮水池……等。20世纪30年代前后已生产矿渣砖，广泛应用于工业厂房和民用建筑。中华人民共和国成立后，高炉渣在水泥工业中的应用得到了很大的发展。我国有80％左右的高炉渣用于生产普通水泥和矿渣水泥，每年产出的高炉渣，除含钍含氟高炉渣、高钛高炉渣外，已基本得到全部利用。

高炉渣处理工艺 高炉渣的处理工艺大致可分为急冷处理、慢冷处理和半急冷处理。

急冷处理 根据冷却介质的不同，急冷处理又有水淬与风淬之分。水淬处理是最为常用的方法。常用的水淬工艺有池式法水淬和炉前水淬。(1)池式法水淬。用渣罐将高炉熔渣拉至水池旁，击碎表层渣壳，将热熔渣倾翻在水池中，遇水急剧冷却为水渣。水渣取出后，置于堆放场上，脱水后运出。该工艺设备简单可靠，但产生大量渣棉与H₂S气体，严重污染环境。(2)炉前水淬。高炉熔渣在炉前冲渣沟内被高压水淬冷成粒，输送到沉渣池。水渣用抓斗抓出，堆置在存放场，脱水后运出。炉前水淬根据过滤方式不同可分为炉前渣车式、炉前渣池式、水力输送渣池式、沉淀池过滤式和搅拌槽泵送式等。炉前渣车式是将水渣冲至渣车后，废水由渣车侧壁的百叶格栅流出，经地面明沟排走，它适用于100m³以下的小高炉；炉前渣池式是在炉旁建池，水渣经渣池沉淀后，用抓斗抓出，适用于28m³以下的小高炉；水力输送渣池式是熔渣在炉前水淬，经渣沟水力输出到渣池沉淀，用吊车抓出，适用于255m³以上的高炉。上述三种炉前水淬法投资少，设备重量轻，运行费低，有利于高炉及时放渣。但由于水中有浮渣，不能实现冲渣水闭路循环；浪费水电、污染水体。沉淀池过滤式是将滤后清水经冷却蓄于贮水池供循环使用，冲渣前经磁水器处理。该法可实现水的循环使用，水泵磨损小，缺点是水渣含水率高，占地面积大、投资高；搅拌槽泵送式在国外大型高炉上应用较多，它是将高炉渣在炉前冲渣槽被水淬，然后泵送分离槽、脱水槽，把渣水分离，水流入集水池，供循环使用。该法的优点是机械化程度高，水渣含水量少，占地少，可实现冲渣水闭路循环。缺点是水泵磨损严重，动力消耗高，投资大。炉前水淬法近来已逐步取代池式法水淬。风淬则是在块状矿渣重熔时，经调整成分和流量后，用高速离心法或喷吹法以制得矿渣棉。

慢冷处理 有热泼法和堤式法。(1)热泼法。把热熔渣运至热泼场上浇泼。每层厚度为100～200mm，泼完一层后经空气冷却约30min再继续浇泼，达到一定厚度后用挖掘机开采矿渣碎石。(2)堤式法。把热熔渣运至渣场倾翻堆置。冷却后开采成矿渣碎石。

半急冷处理 将热熔矿渣经机械和水共同作用而急冷形成一种坚硬多孔的矿渣，也称膨胀矿渣或膨胀矿渣珠。

高炉渣的处理工艺是由高炉渣利用方式决定的。例如美国主要用来生产碎石，所以多采用慢冷处理；中国主要将高炉渣用作水泥的掺合料，因此大多数厂均采用水淬处理。

高炉渣应用 高炉熔渣的处理方法不同，所得矿渣的性能也不相同，其利用的途径也有差异。高炉水渣主要用作生产水泥和矿渣砖；矿渣碎石主要用作骨料和路材；膨胀矿渣珠主要用作轻骨料配制混凝土。此外，还可用作生产铸石、微晶玻璃、矿渣棉、陶瓷及制作农业肥料等。

生产矿渣水泥 高炉熔渣经水淬急冷，阻止了矿物结晶，形成大量无定形玻璃体结构。它具有较高的潜在活性，在激发剂作用下，与水化合可生成具有水硬性的胶凝材料。用水淬高炉矿渣作为水硬性混合材料，和硅酸盐水泥熟料、适量石膏共同磨细或分别磨细混匀可制得矿渣硅酸盐水泥。中国约有四分之三的水泥中掺有高炉水渣。大部分生产矿渣硅酸盐水泥，少量生产石膏矿渣水泥和石灰矿渣水泥。矿渣硅酸盐水泥中水渣的掺加量按重量计为20％～70％，水泥标号自225至525号分为五个等级。它的水化热较低，耐蚀性和耐热性较好；但泌水性和干缩性较大，抗冻性较差，早期强度较低(但后期强度增长率较大)，需较长的养护期。可用于地面、地下、水中各种混凝土工程，也可用于高温车间的建筑，不宜用于需要早期强度高和受冷融循环、干湿交替的工程。石膏矿渣水泥又叫矿渣硫酸盐水泥，由80％左右的粒化高炉矿渣(即高炉水渣)，15％左右的石膏及少量硅酸盐水泥熟料混合磨细而成。这种水泥的水化热低，耐蚀性和抗渗性好，在潮湿环境中后期强度增长率较大，但早期强度低，抗冻性差，较易风化和起砂。特别适用于地下及水中大体积混凝土工程，但不适用于需要早期强度较高及受冻融交替作用的工程，也不宜用于钢丝网及薄壳结构。石灰矿渣水泥主要由粒化高炉矿渣、10％～30％石灰和少量石膏共同磨细而成。这种水泥一般标号不高，适用于潮湿环境和地下或水中的无筋混凝土工程，也可用于一般砌筑砂浆及粉刷抹面。用于水泥中的粒化高炉矿渣，其质量要求应符合有关标准。不同国家由于其高炉矿渣成分的差异，对掺加量的规定有所不同。中国也已制定有《用于水泥中的粒化高炉矿渣》对其质量标准作了规定。

生产矿渣砖 由85％～90％水渣、10％～15％磨细石灰或少量水泥并掺少量磨细石膏经搅拌，轮碾后由制砖机成型，再经蒸养或蒸压制成。一般都可制成100号以上的矿渣砖，蒸压的矿渣砖抗压强度可达40～50MPa。

重矿渣作骨料和路材 重矿渣也叫块渣，是高炉熔渣经慢处理形成的类石料矿渣。重矿渣经过挖掘机采掘，并经破碎和筛分后可得到不同粒径的分级矿渣(简称矿渣碎石)，它可以代替碎石用作骨料和路材。矿渣碎石的稳定性、坚固性、撞击强度及磨耗率与韧度均可符合工程要求。矿渣碎石混凝土除具有与普通混凝土相当的基本力学性能外，还具有良好的保温隔热和抗渗性能。它可广泛应用于工业与民用建筑。矿渣碎石混凝土已在500号及500号以下的混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土工程中应用，还可配制成防水混凝土和耐热混凝土。矿渣的块体强度一般都超过50MPa，可用作垫层。作为路材也比较普遍，可用作道路基层、沥青矿渣碎石路面、灌沥青矿渣路面、泥结矿渣路面和水泥矿渣混凝土路面以及作铁路道渣用等。

膨珠作轻骨料配制混凝土 用膨珠作粗、细骨料与胶结材料水泥、掺合料粉煤灰配制混凝土，强度可达100～300号，容重比普通混凝土轻1／4左右。膨珠混凝土保温性能好、弹性模量高，不仅可以用于建筑的围护结构，也可用于承重结构，可以修造高层建筑和桥梁，减轻重量、节约材料。

生产矿渣棉 以矿渣为主要原料，经熔化、高速离心法或喷吹法制得白色棉丝状矿物纤维材料，具有质轻、保温、隔声、隔热、防震等性能。矿渣棉可以加工成棉毡、吸音板及各种形状的保温板、筒、瓦等制品，应用于冶金、造船、化工、建筑等行业。

生产矿渣微晶玻璃 在固定式或回转式炉中，按一定比例将高炉矿渣与硅石和结晶促进剂一起熔化成液体，然后用浇注、压延、挤压或吸制等一般玻璃成形方法成形后，进行热处理，使之形成微晶结构(晶粒0.5～1μm)。矿渣微晶玻璃可用作冶金。化工、煤炭、机械制造等工业部门的各种容器设备的防蚀保护层及金属表面的耐磨保护层等。