實現鋼渣微粉生產的可行性探討

于明興 劉敬東 郭玉安 張涵

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

實現鋼渣微粉生產的可行性探討

于明興 劉敬東 郭玉安 張涵

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

介紹了鋼渣微粉技術的原理及國內鋼渣利用概況，從技術、市場等方面進行了分析。提出了安鋼鋼渣利用的方案。就安鋼實現鋼渣微粉生產的可行性進行了探討。

鋼渣微粉 生產 可行性

0 前言

鋼渣是煉鋼過程中的副產品，呈黑色，外觀像結塊的水泥熟料，夾帶部分鐵粒，硬度大，密度為1700～2000 kg/m3。主要化學成分有:CaO、SiO2、FeO、Al2O3、MgO等，成分組成基本穩定。鋼渣的主要礦物組成為橄欖石(FeO·SiO2)，硅酸二鈣(2CaO·SiO2)，硅酸三鈣(3CaO·SiO2)，鐵酸二鈣(2CaO·Fe2O3)和f－CaO等。鋼渣產生率約為粗鋼量的13%～18%左右，如果不能充分利用而作為廢棄物遺棄，不僅占用大量土地，還對環境造成嚴重污染。

1 鋼渣利用概況

隨著鋼鐵工業的發展，我國對鋼渣利用進行了廣泛研究，成效顯著，基本達到了消除渣害的目的。特別是在發展循環經濟政策的推動下，鋼渣綜合利用領域不斷拓寬。返回冶金再利用;作水泥;作筑路與回填工程材料;作農肥和酸性土壤的改良劑;用于廢水處理等等。

安鋼集團已具備年產1000萬t鋼的生產能力，可產生150萬t鋼渣。目前從鋼渣中分選出的廢鋼作為鋼鐵料返回煉鋼，磁選渣返燒結配料，實現了內部循環使用;而尾渣主要作為回填材料，并沒有實現高效利用。鋼渣化學成分見表1。

表1 鋼渣化學成分 %

鋼渣微粉開發利用研究是近年來繼礦渣微粉大規模應用后而出現的熱門話題，鋼渣生產微粉或者復合微粉可以消除鋼渣水泥生產中易磨性差異問題，鋼渣通過磨細到一定細度，比表面積大于400 m2/kg時，可以最大程度地清除金屬鐵，通過超細粉磨使物料晶體結構發生重組，顆粒表面狀況發生變化，表面能提高，機械激發鋼渣的活性，發揮水硬膠凝材料的特性。鋼渣微粉和礦渣微粉復合時有優勢疊加的效果，鋼渣中的C3S、C2S水化時形成的氫氧化鈣是礦渣的堿性激發劑。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，大摻量時會顯著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，粒化高爐渣粉的膠凝性來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 f CaO 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劑。摻入鋼渣微粉的混凝土具有后期強度高的特性。因此鋼渣和礦渣復合粉可以取長補短，性能更加完善。特別是在技術標準和高性能粉磨設備的推動下，把鋼渣尾渣磨細到一定粒度，生產鋼渣微粉成為可能。這些研究成果的取得為我國鋼渣的高價值循環利用指明了方向。

2 鋼渣微粉

2.1鋼渣微粉的應用

1)部分替代熟料用于水泥生產。鋼渣作為水泥混合材料已列入國家標準，經過磨細制成鋼渣粉可做為優良的水泥混合材，部分替代熟料、以降低水泥生產成本，而且鋼渣水泥，與硅酸鹽水泥相比具有后期強度高、耐磨性好、水化熱低、抗滲性好等特點。每噸產品可節約煤25 kg，節電30 kW·h，節約Ca-CO3資源 0.84 t，少排 CO20.72 t，屬于綠色環保產品。

2)替代水泥用于混凝土。鋼渣微粉可等量替代水泥，比重可達10% ～40%，可提高混凝土后期強度，可配制C30～C80的混凝土。與不摻加摻合料的混凝土相比，在水灰比相同時，拌和物坍落度增大10 cm以上，流動性、抗離析性、間隙通過性良好，混凝土的密實性和抗滲透能力得到提高，水化熱降低，抗凍性改善。

3)生產鋼鐵渣復合粉。鋼渣微粉和礦渣微粉各有缺點，兩者復合使用，優點互補，缺點消失，是21世紀混凝土最佳摻合料，礦渣產品不享受國家減免稅政策，但復合粉中鋼渣微粉摻量達30%后，復合粉也享受國家減免稅優惠政策。

2.2 實現鋼渣微粉生產的可行性

1)鋼渣微粉生產的政策可行性。國家工業和信息化部2011年12月17日以600號《大宗工業固體廢物綜合利用“十二五”規劃》的通知指出:積極推進鋼渣綜合利用專業化企業與鋼鐵企業合作，實現鋼渣“零排放”。促進鋼渣熱燜自解、低能耗破碎磁選提取渣鋼、生產鋼渣微粉和鋼、礦渣復合微粉為核心內容的整體利用，建設和改造一批專業鋼渣預處理、鋼渣微粉和鋼、礦渣復合微粉項目;在鋼渣生產微膨脹型充填采礦專用膠凝材料等特種膠凝材料方面，建設若干個示范項目，實現年消納鋼渣5，475萬t，預計年產值125億元。

2)鋼渣微粉生產的技術可行性。國家發改委、國家科技部、國家環保總局2005年10月28日以65號文公告《國家鼓勵發展的資源節約綜合利用和環境保護技術》，其中有:“鋼渣綜合利用技術—生產用作水泥和混凝土使用高活性摻合料的磨細鋼渣粉”。

2006年8月，國家標準《鋼渣硅酸鹽水泥》國家標準(GB13590－2006)、2006年9月，國家標準《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》(GB/T20491－2006)頒布實施，為鋼渣微粉的產業化應用提供了技術支持。

3)鋼渣微粉生產的設備可行性。實現鋼渣微粉生產的關鍵的技術裝備是粉磨設備。由于鋼渣硬度大，且含鐵元素，易磨性較差，粉磨鋼渣選擇球磨機和臥輥磨。

球磨機粉磨工藝簡單、可靠，但單機能力小、粉磨效率低、生產噪音大、研磨體消耗嚴重、單位產品電耗高，一般鋼渣粉的比表面積在420 m2/kg時，噸產品電耗為75 kW·h～100 kW·h。

臥式輥磨具有球磨機和立磨的優點，既可粉磨礦渣又可粉磨鋼渣，設備啟動過程簡單，操作方便，并在較短時間內進入穩定運轉狀態，設備運轉可靠、生產穩定、振動和噪音比其它形式磨機小得多。粉磨效率高，電耗比球磨和立磨都低，兩臺磨機同時運轉產品比表面積在420 m2/kg時，主機(磨機+選粉機+提升機)單位產品電耗為30.5 kW·h。

臥式輥磨的構造是粗短的圓筒，內裝圓輥，筒體轉動帶動磨輥轉動，通過液壓調節磨輥的位置來調節磨機的粉磨壓力。結構介于輥壓磨和立磨之間。與立磨和輥壓磨原理主要區別在于物料咬入角。對輥壓磨而言其咬入角在6°以下，相應的輥間隙較小。立磨其咬入角為12°，而臥式輥磨其咬入角為18°，因此適應不同物料粒度和硬度，同時物料多次穿過磨輥與磨體間隙受到擠壓粉磨，多次粉磨，可獲得不同的產品顆粒分布曲線和操作指標。適合粉磨粒化高爐礦渣和鋼渣，為我國鋼鐵渣粉的生產提供了最佳設備。其渣粉的比表面積可達到400～800 m2/kg，渣粉的顆粒形態為球形。噸產品電耗比立磨、輥壓磨、管磨都低。

因此，臥式輥磨設備的成熟，為鋼渣微粉的產業化應用提供了設備支持。

3 鋼渣微粉市場分析

3.1 產品

鋼渣微粉作水泥和混凝土摻合料技術與產品，并在首都機場擴建工程，北京、武漢、廣州、深圳等地建設工程及福建高速公路大橋建設工程中大量應用，被建筑工程界認可，是21世紀混凝土最佳摻合料，不但可提高混凝土強度，而且可改善混凝土性能，提高混凝土的質量，是國家推廣項目。

3.2 水泥

2006年國家發改委、財政部、國土資源部、建設部、商務部、中國人民銀行、國家質量監督檢驗總局、國家環保總局聯合下發(2006)609號關于加快水泥工業結構調整的若干意見文件，規定“十一五”期間新型干法窯水泥產量的比例由目前40%要提高到70%，即提高水泥強度等級，取消強度等級為32.5的品種，這樣高強度等級水泥在使用時就可以提高工業廢渣摻量，“十一五”期間水泥行業工業廢渣的利用量要達到3億t。鋼渣微粉對提高水泥質量，節省水泥熟料，節省一次能源消耗量，減少CO2排放，降低水泥生產成本，都具有十分重要作用。

由于傳統礦渣硅酸鹽水泥生產工藝是礦渣與熟料混合磨細，礦渣易磨性差，在水泥中達不到完全水化的顆粒粒徑，因此會降低水泥的強度。

在水泥膠砂強度檢驗方法改變后，開始實施礦渣硅酸鹽水泥新標準，混合磨細的礦渣硅酸鹽水泥的強度等級一般為32.5。同時礦渣摻入量也降低為10%～20%，許多水泥廠不再生產礦渣硅酸鹽水泥。粒化高爐礦渣在水泥行業銷路不暢，其節能、降耗、降低水泥成本作用消失。

磨細鋼渣微粉其細度在400 m2/kg以上，其粒徑多為0～30 μm。在水泥中能很好發揮水硬膠凝性能，摻入20% ～30%的鋼渣微粉，不但不降低水泥強度，還能改善水泥性能，并可提高水泥產量，降低水泥能耗和成本。水泥廠可用熟料粉與鋼渣微粉摻合可生產不同品種不同強度等級的水泥滿足市場要求，促進水泥行業可持續發展。

3.3 混凝土

隨著社會進步、科學技術的發展，傳統的混凝土結構已不能滿足建筑工程的要求，高層建筑、跨海大橋、海底隧道、海上采油平臺、核反應堆、海底軍事工程等施工難度大，對混凝土強度和耐久性要求高，因此用高性能混凝土來代替傳統的混凝土結構和建造耐久性好的特殊結構，被作為21世紀的新材料。美、日、英、德等發達國家在建筑工程中使用高性能混凝土已顯示出獨特的優越性，不但經濟合理，而且應用新型的現代混凝土科學技術來增加混凝土結構的安全使用壽命，同時便于施工，節省施工成本，降低混凝土成本和工程造價等。

高性能混凝土被認為是新型高技術混凝土，是今后混凝土的發展方向，不但是因為它所具有良好的耐久性，工作性和強度，而且在工程應用中具有顯著的經濟效益和社會效益。配制高性能混凝土必須摻入鋼渣微粉，只用水泥、砂、石、減水劑和水不可能配制出強度好、工作性好、耐久性好的混凝土。因此鋼鐵渣粉具有廣闊的市場。

3.4 混凝土攪拌站

提高混凝土的強度，改善工作性和耐久性只靠高標號水泥不行，而應摻入活性礦物摻合料和外加劑。其中礦物摻合料多采用硅灰、細磨粉煤灰，沸石粉等。由于我國硅灰資源有限，沸石粉和粉煤灰的活性較低，近幾年國內大力開展礦渣微粉、鋼渣微粉和復合粉摻合料的開發和應用。

鋼渣微粉在混凝土中的應用之所以能如此迅速地推廣開來，主要是由摻合料，因其化學活性不象水泥那么高，所以在攪拌后的最初兩小時內混凝土的流變性易于控制，尤其能明顯地減少其坍落度損失，對施工非常有利。

對混凝土的顯著增強作用也是摻鋼渣微粉混凝土的一大特性，由于鋼渣微粉的超細化，填充了水泥粒子的空隙，使混凝土更加密實;再加上鋼渣微粉中的活性SiO2和Al2O3與水泥水化生成的Ca(OH)2發生二次水化，產生硅酸鹽凝膠，使硅酸鹽凝膠數量比普通水泥混凝土中多許多，所以摻鋼渣微粉的混凝土的后期強度(28天、60天)要比普通水泥混凝土高許多(抗壓強度比約為130%)。

此外，在混凝土中摻入鋼渣微粉，大大提高了混凝土耐久性，由于鋼渣微粉顆粒呈球狀，表面光滑致密，并具有活性，將其摻入水泥中，水化時活化SiO2、Al2O3與水泥中 C3S、C2S水化產生的 Ca(OH)2反應，進一步形成水化硅酸鈣產物。眾所周知，混凝土中石子的空隙是由砂來填充，而砂的空隙由水泥來填充，由于鋼渣微粉比水泥還細，所以它又填充了水泥的空隙，增加了密實度，產生的微細結構與孔結構均比普通水泥石細得多，這樣就大大減小離子擴散率，獲得優良的抗侵蝕性和耐久性。

4 討論

鋼渣微粉在混凝土中摻量可高達20%～40%，也就是說每立方混凝土中鋼渣微粉可以等量取代100 kg以上的水泥，鋼渣微粉出廠價為(130～140)元/t，水泥出廠價為360元/t，這樣每立方混凝土可以節省20元以上，高強度等級的混凝土節省更多。以一個年產量15萬m3～20萬m3的中型混凝土供應商為例，如果使用鋼渣微粉，一年可以節省約300萬元。

綜上所述，鋼渣微粉生產具有顯著的經濟效益、環境效益和社會效益，符合國家產業政策，產品具有廣闊市場，建議有關部門盡早立項。

5 結論

1)鋼渣微粉的生產能夠充分利用廢渣中的礦物活性生產建材摻合料，進一步回收了鋼渣中的有用金屬，變廢為寶，可有效解決安鋼鋼渣尾渣的排放污染問題;實現安鋼鋼鐵渣 “零排放”，為鋼鐵企業的循環經濟和清潔生產奠定了基礎。

2)鋼渣微粉與礦渣微粉復合制成鋼鐵渣復合微粉，是鋼渣微粉的延伸，可進一步開辟安鋼鋼鐵渣利用的新途徑。

3)安鋼可利用自身的原料優勢，迅速占領豫北微粉區域市場，可取得顯著的社會效益和經濟效益。對安陽市甚至河南省建材工業的結構優化和調整具有重大意義。

［1］ 馬忠民，翟國營，劉三軍.安鋼鋼鐵渣循環利用方案探討，河南冶金，2010，18(5):26 －29.

FEASIBILITY INVESTIGATION ON STEEL SLAG POWDER PRODUCTION

Yu Mingxing Liu Jingdong Guo Yuan Zhang Han

(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

The paper introduces the principle of steel slag powder technology and analyses its utilization at home and abroad from technology and market.It also puts forward utilization scheme and investigates feasibility in Anyang Steel.

steel slag powder production feasibility

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聯系人:劉敬東，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團有限責任公司綜合利用開發公司;

2011—12—26