冶金爐渣的研究及綜合利用思路

姚艷玲，周 俊

YAO Yan-ling1，ZHOU Jun2

（1.包頭職業技術學院，包頭 014030；2.西北工業大學 航空學院，西安 710072）

0 引言

隨著我國冶金行業的迅猛發展，累積堆存和新增的冶金產生的固體廢棄物也日益增加，不僅占地多、嚴重污染周邊環境，而且浪費了大量資源。其中各種冶煉渣是主要的廢棄物，主要包括高爐渣、轉爐渣、電爐渣和爐外精煉渣等。對環境的治理是實現社會持續發展的重要手段。固體廢棄物的處理是環境治理的重要方面，冶金工業作為一個固體廢棄物排出量較大的工業部門，其治理程度直接影響到環境治理水平，進行這方面的研究符合國家的產業政策，有廣闊的發展前景。近幾年冶金技術發展迅速，工藝過程中產生了越來越多的冶煉渣，這部分廢棄物的有效利用值得我們去進一步研究。

1 冶金爐渣利用的必要性

隨著冶金行業的快速發展，各國的礦產資源也在日益減少。同樣，中國礦產資源也面臨著嚴重的危機。如何能更好的利用有限的資源創造更多的財富是我們時刻要重視的。

鋼鐵工業是原材料工業，也是基礎工業。它的發展是和整體經濟發展規模和速度相適應的。鋼鐵產品又是用途廣、用量大的材料，鋼鐵工業和各經濟部門的發展密切相關，各經濟部門使用鋼材的和品種質量是不盡相同的，因此產業結構的變化和發展將直接影響到鋼鐵工業的發展速度和產品結構。在快速發展中的中國，基礎設施、工業、建筑業發展較快，鋼材消費量增長較快。所以冶金行業產生的爐渣也就相應的較多。如何更好的利用這些棄渣是值得我們研究的。

企業的原料條件不同，冶煉工藝不同，爐渣的產出量和爐渣成分也不同，不同的企業可能采用不同的爐外精煉設備，其精煉渣會有所不同，特鋼企業還可能在連鑄之后，設有電渣爐等進一步的精煉設備，產出的還有電渣冶煉廢渣，因而有必要從系統利用的角度出發，進行煉鋼爐渣的綜合利用研究。

2 冶金渣的綜合利用狀況

鋼鐵冶金工業遍及全國各主要城市，所產生的固體廢物占固體廢物總量的18%，渣中含有各種有用元素如Fe、Mn、Cr、Mo、Ni、AI等金屬元素和Ca、Mg、Si等非金屬元素，是一項可再利用的大宗二次資源。

鋼鐵冶金工業所產生的固體廢物主要有高爐渣、鋼渣、鐵臺金渣等，中國鋼鐵渣堆棄量約3億，占地3萬畝。2002年全國鋼產量總計約為8389萬噸，但缺乏全量和高附加值的利用技術，特別是對共生復合礦渣中共生的金屬元素的分離和利用以及通過共生元素的分離全面經濟地對爐渣進行綜合利用缺乏系統研究，平均利用率約為60%。下面我們就冶金爐渣目前的綜合利用情況作一下總結和分析。

3 高爐渣的綜合利用

高爐渣是鋼鐵冶金工業中數量最多的一種渣。目前，80%以上的高爐渣得到了利用，但利用的主要途徑是生產水泥和筑路材料。高爐渣是冶煉生鐵時從高爐中排出的一種廢渣。高爐礦渣還可用來生產一些用量不大，但產品價值高，又有特殊性能的高爐渣產品。如礦渣棉及其制品、微晶玻璃、熱鑄礦渣、礦渣鑄石及硅鈣渣肥等。

1）生產礦渣棉

礦渣棉是以礦渣為主要原料，經熔化、高速離心或噴吹制成的一種白色棉絲狀礦物纖維材料。它具有質輕、保溫、隔音、隔熱、防震等性能。許多單位已將礦渣棉制成各種規格的板、氈、管殼等。

2）生產微晶玻璃

微晶玻璃是近幾十年發展起來的一種用途很廣的新型無機材料。高爐渣微晶玻璃與同類產品對比，具有配方簡單、熔化溫度低、產品物化性能優良及成本低廉等優點，除用于耐酸、耐堿、耐磨等部位外，經研磨拋光是優良的建筑裝飾材料。采用機械化壓延成型工藝，還可生產大而薄的板材。

3）生產硅肥

硅肥是一種以含氧化硅（SiO）和氧化鈣（CaO）為主的礦物質肥料，它是水稻等作物生長不可缺少的營養元素之一，被國際±壤學界確認為繼氮（N）、磷（P）、鉀（K2O）后的第四大元素肥料

4）生產高爐渣微粉

所謂高爐渣微粉是指高爐水渣經烘干、破碎、粉磨、篩分而得到的比表面積在3000cm2/g以上的超細高爐渣粉末。

4 鋼渣的綜合利用

鋼渣是煉鋼過程排出的廢渣。煉鋼過程是除去生鐵中的碳、硅、磷和硫等雜質，使鋼具有特定性能的過程，也是造渣材料和冶煉反應物以及熔融的爐襯材料生成融合物的過程。因此，鋼渣是煉鋼過程中的必然副產物，其排出量約為粗鋼產量的15%～20%，鋼渣目前的利用率只有大約36%。

鋼渣的利用途徑：

迄今，人們已經開發了多種有關鋼渣的綜合利用途徑，主要包括回收廢鋼鐵和鋼粒、冶金、建筑材料、農業利用、回填等幾個領域。

1）從鋼渣中分選網收廢鋼和鋼粒

鋼渣中一般含7%～10%的廢鋼，經破碎、磁選、篩選等分選技術可回收其中90%以上的廢鋼及部分磁性氧化物。磁選出的渣鋼，一般含鐵在55%以上。利用價值很高。

2）鋼渣用做冶煉熔劑

鋼渣常含有很高的CaO、鐵分及一定比例的MgO、MnO。若用于煉鐵，一些成分能有效地降低熔劑、礦石的消耗及能耗。有資料報道，作為熔劑用于高爐冶煉和燒結的鋼渣量，以美國為最多，占鋼渣總量的56%以上。

3）鋼渣用做筑路材料

鋼渣具有容量大、呈塊狀、表面粗糙、穩定性好、不滑移、強度高、耐磨、耐蝕、耐久性好、與瀝青膠結牢固等特點，被廣泛用于各種路基材料、工程回填、修砌加固堤壩、填海工程等方面代替天然碎石。

4）生產水泥

鋼渣生產水泥，主要指用它做原料配制水泥生料。

5）生產鋼渣磚

鋼渣磚是以粉狀鋼渣和水淬鋼渣為主要原料，摻入部分高爐水渣或粉煤灰和激發劑（石灰、石膏粉），加水攪拌，經輪碾、壓制成型、蒸養而制成的建筑用磚。

5 目前煉鋼渣利用思路的不足

1）煉鋼爐渣利用的主要難點在于爐渣的堿度過高，渣中含有大量的自由氧化鈣和氧化鎂，不宜作為水泥、建材和工程回填材料，在近年來我國轉爐煉鋼企業普遍采用濺渣護爐等技術后，轉爐爐渣中自由氧化鎂進一步升高，精煉渣的堿度更高，爐渣的自由氧化鈣也更高，因而將煉鋼過程的轉爐鋼渣和精煉渣直接作建筑材料不是最佳途徑。另外，鋼渣不易磨，直接用于水泥生產會降低生產能力。

2）鋼渣在企業內部回用是一種理想的方法，但在目前的回用方法中，作燒結溶劑和高爐煉鐵熔劑雖然有積極的報道，但燒結和煉鐵過程無法脫磷，鋼渣的循環，必然使鐵水的磷含量不斷提高，給下一步的煉鋼增加負擔，要求煉鋼工序消耗更多的石灰，產出更大的渣量滿足脫磷要求，所以從工藝全盤考慮是不一定合理的。另外，高爐的冶煉實踐表明，入爐品位提高1%，焦比降低2%，產量降低3%，鋼渣的鐵含量僅為10%～15%，鋼渣的配入必然大大降低高爐入爐料品位，在高爐焦碳價格居高不下的今天，鋼渣作為燒結和高爐熔劑的做法，也是不一定合理的。

3）將鋼渣用作鐵水預處理渣劑，不僅可以利用渣中的鐵氧化物，也可以利用渣中的熔劑，是一種合理的回用方式，但不能解決現代煉鋼工藝中不同階段的爐渣的回用問題。

4）目前鋼渣利用的主要思路仍然集中在回收渣中廢鋼，選出精礦，尾渣作建筑材料。這事實上是一種末端治理手段。

6 煉鋼爐渣綜合利用設計

根據冶金爐渣性能分析，從現實的環保要求出發，我們可以提出爐渣梯級回收利用的新概念。根據鋼鐵企業煉鋼工序不同階段產出鋼渣的特性，利用梯級回用的方法，使煉鋼爐渣盡量在煉鋼工藝中循環利用，發掘其最大冶金潛能，實現最大限度的回用，提高煉鋼造渣材料的利用效率，減少造渣材料消耗，減少爐渣的外攤，從而實現對煉鋼爐渣的資源化利用和生態工業的要求，提高企業的經濟和社會效益。其轉爐和電弧爐冶煉工藝的爐渣梯級利用思路示意圖如下所示：

圖1 電弧爐冶煉工藝的爐渣梯級利用

通過梯級利用，煉鋼過程產生的爐渣大部分都返回上一級煉鋼工序，一方面變廢為寶，使原本當作廢棄物排出的爐渣作為造渣材料返回利用，充分利用了其潛在的冶煉潛能，代替了一部分原料，優化了煉鋼工藝，同時降低了成本，提搿了經濟效益；另一方面，爐渣的梯級利用減少了爐渣的最終排出量，實現了少渣生產，減少了廢棄物的產生，降低了冶金工業對環境的污染。這符合我國對于工業走可持續發展道路的思路，劉予實現“綠色冶金”清潔生產有重要的意義。

1）梯級利用的工藝方法

對鋼渣返回利用可通過下述技術方案予以實現，鋼鐵冶煉過程中，將后步工序產出的爐渣逐級返回應用到前面工序，在返回過程中，可配入調整劑，調整劑為石灰、石灰石或鐵礦石等。

2）具體實施方式：

高爐、轉爐流程中，將電渣爐產出的爐渣返回到精煉爐，精煉爐產出的爐渣返回到轉爐和鐵水預處理脫硫，將轉爐特別是脫碳轉爐產出的爐渣返回到鐵水預處理脫磷。電弧爐鋼鐵冶煉過程中，將電渣爐產出的爐渣返凰到精煉爐，精煉爐產出的爐渣返回到電弧爐。以上棄渣返回利用過程中，脫碳渣和精煉渣用量為30%～100%。由于后步工序爐渣的產出量比較小，其返回應用不一定能替代全部原上部工序的造渣材料。渣量不足部分，依造渣要求，由石灰、粘土磚塊、白云石、螢石等補充。

通過梯級回用，預計可達到如下效果：

1）利用鋼鐵廢棄渣，減少鋼鐵企業固體廢棄物排放。

2）減少石灰和其他原料消耗，減少成本消耗。

3）由于LF精煉渣、電渣重熔爐渣甚至轉爐渣等均為預熔渣，具有優良的冶金反應性能，可明顯改善煉鋼過程的動力學條件。通過LF精煉渣和電渣重熔爐渣均為預熔渣的應用，替代外購預熔渣，具有明顯的經濟效益。

4）通過綜合應用，可改善煉鋼操作，使冶煉時間縮短，供電效率提高，爐齡提高等。

5）由于最終排出爐渣的反應更加充分，穩定性更好，更易在建筑材料方面獲得應用。

7 結論

礦業及其后續產業是國民經濟建設的強大支柱，如何將冶金棄渣合理利用，對可持續發展有重要意義。只有更好的合理利用有限資源，才能最有效地保持人類生存空間，造福子孫后代。

[1]楊慧芬，張強.固體廢物資源化[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2]戴云閣，李文秀，龍騰春.現代轉爐煉鋼技術[M].沈陽：東北大學出版社，1998.

[3]邱紹歧，祝桂華.電爐煉鋼原理及工藝[M].北京：冶金工業出版社，2001.

[4]朱桂林，孫樹杉.鋼鐵渣綜合利用的現狀及高價值利用新進展[A].ISE’03會議淪文集[C].

[5]張春雷.國內外鋼渣再利用技術發展動態及對鞍鋼開發鋼渣產品的探討[J].鞍鋼技術，2003,（4）.