鋼鐵冶煉過程的固體廢渣鑒別研究

張國裕，尚大軍

（西寧特殊鋼集團有限責任公司，青海 西寧 810005）

冶煉鋼鐵產生的固體廢渣，以爐渣、氧化皮和除塵灰為主，其中，符合進口要求的固體廢渣為氧化皮，換句話說，爐渣和除塵灰均不滿足進口的要求。要想對固體廢渣進行有效鑒別，關鍵是根據不同類型廢渣的特點，確定鑒別方法，另外，還需要指導針對進口固體廢渣所開展的監管工作，充分發揮廢渣價值。

1 鋼鐵冶煉工藝概述

一般來說，鋼鐵冶煉工作由兩部分組成，分別是鋼冶煉和鐵冶煉，所使用輔料則包括以石灰石為代表的冶金熔劑、以氧化鐵皮為代表的冷卻劑、以錳鐵為代表的脫氧劑。冶金溶劑的作用是去除常見雜質，例如硫、磷，保證所產生爐渣能夠達到數量適當、反應性好的要求；冷卻劑的作用是對出爐鋼水的溫度進行有效控制；脫氧劑的作用是將鋼水中的氧徹底去除。

1.1 鋼冶煉方法

煉鋼所需的原料以生鐵、海綿鐵和廢鐵為主，常見的煉鋼方法，包括電弧爐煉鋼、轉爐煉鋼和平爐煉鋼，正常情況下，這三種煉鋼方法可以滿足多數用戶對鋼種的要求。除此之外，以真空脫氣、吹氬處理為代表的爐外精煉法，在較短的時間內得到了快速發展，與常規煉鋼方法相比，爐外精煉法所生產鋼種，不僅品種更多，質量也得到了明顯的提升，但是，該煉鋼方法需要對鋼水進行附加處理。近幾年，在爐外精煉法的基礎上，又衍生出了電渣重熔、真空冶金等更加特殊的煉鋼方法，這些方法通常被用來對特高質量的鋼種進行冶煉。電渣重熔需要通過鍛壓、鑄造的方式，使常規煉鋼方法所冶煉鋼種成為電極，再利用熔渣熱電阻，完成二次重熔的工作；真空冶金是指在真空條件下完成冶金工作，具體包括提煉、精煉、處理合金及金屬等[1]。

1.2 鐵冶煉方法

通過上文的介紹能夠看出，近幾年，使用頻率較高的鐵冶煉方法主要有三種，分別是高爐煉鐵、電爐煉鐵和還原煉鐵，其中，使用頻率較高的方法為高爐煉鐵。首先，高爐煉鐵需要在高爐中將鐵礦石還原、熔化，從而完成生鐵的冶煉工作，實踐證明，高爐煉鐵具有低能耗、低成本、便于操作的優點；其次，電爐煉鐵通常以還原電爐為載體，利用強度較差的木炭、焦炭作為還原劑，部分焦炭由電加熱代替，該法對焦炭質量的要求明顯低于高爐煉鐵，但是，存在耗電量大的問題，只有在電價低廉且電力充足的環境中，才可以充分發揮出應有的作用；最后，直接還原煉鐵需要利用固體、氣體還原劑，達到將礦石還原的目的，再將其煉成固體、鐵粒或半熔融海綿鐵。

2 固體廢渣鑒別實驗

2.1 實驗儀器

（1）熒光光譜儀。研究表明，熒光光譜儀的優勢包括：高靈敏度、良好的重現性、較快的測試速度等，可以用來對固體、液體、粉末或熔融片進行測定，一般來說，在該儀器的輔助下，利用無標半定量法完成分析樣品定性的工作，可以在保證結果準確度的基礎上，縮短分析時間，提高分析效率。

（2）X射線衍射儀。X射線衍射儀是以衍射原理為依據，對物質應力、晶體結構進行精確測定及物相分析的儀器，現階段，該儀器在科研、冶金、材料生產、航空航天等領域，均得到了廣泛的應用，所取得效果也有目共睹。

（3）掃描電鏡。掃描電鏡的原理是以電子和物質間的相互作用，也就是說，若物質表面被高能入射電子所轟擊，相關區域便會產生X射線、二次電子、電磁輻射等，掃描電鏡能夠以此為依據，獲取樣品的化學、物理性質，例如，組成、形貌、內部磁場或晶體結構[2]。

2.2 實驗方法

首先，按照有關規定取樣并制樣，在裝卸、加工、衡量散裝貨物的過程中，以特定的時間間隔或質量為依據，完成隔份取樣的工作，再通過干燥、破損以及混合等環節，得到分析的試樣，最后，對試樣進行研磨、烘干、冷卻后備用。測定固體廢渣的實驗，主要由三部分組成：其一，將試樣壓片放置在試樣架上，再將試樣架放置在操作平臺上，根據熒光光譜儀的工作條件，完成測定；其二，在試樣架上，對試樣進行均一填充，再將試樣架放置在樣品架上，以X射線衍射儀的工作條件為依據，完成測定工作，得出結論；其三，挑取定量試樣并放置在試樣架上，利用掃描電鏡儀觀察試樣架，得出最終結論。

3 固體廢渣鑒別方法

鋼鐵冶煉包含兩部分內容，即鋼冶煉、鐵冶煉。冶煉鋼鐵所產生固體廢渣的類型，以爐渣、氧化皮和除塵灰為主。冶煉過程中，電爐、高爐或轉爐所排出副產品為爐渣；軋鋼或在加熱爐內對配料進行加熱，均存在產生氧化皮的可能；生產冶金所產生粉塵即為除塵灰。下文根據不同固體廢渣的特點，分別提出了相應的鑒別方法，供研究人員參考。

（1）爐渣。隨著社會經濟的發展，現有資源性礦產品的總量，已經無法滿足各行各業的需求，通過進口的方式對資源性礦產品加以補充，成為大勢所趨。冶煉鋼鐵所產生固體廢渣的類型，以爐渣、氧化皮和除塵灰為主，僅僅憑借肉眼無法對上述廢渣的類型進行有效區分，而是需要以X射線衍射儀、熒光光譜儀、掃描電鏡等儀器作為輔助。

若實驗所得固體廢渣所呈現出的形狀并非天然礦物具有的粉狀或塊狀而是熔渣狀，則代表鋼鐵冶煉所產生固體廢物為廢渣，再通過半定量測定，確定殘渣主要組成元素，例如，是否包括鈣、鋁、鎂。在X射線衍射儀的輔助下，測定樣品并對其進行物相分析，如果發現廢渣的大部分物質都出現了喪失晶型的情況，鈣、鋁、鎂等元素在廢渣中的存在方式以配合物為主，便可得出該固體廢渣為爐渣的結論。作為鋼鐵冶煉過程中，經由高爐所排出的一種固體廢渣，爐渣是焦炭灰分、礦石脈石、助溶劑等無法進入生鐵的物質，在高溫環境中反應所得，主要成分包括鋁酸鹽、硅酸鹽，焦炭灰分和礦石脈石則提供了大量的鈣、鋁、鎂等元素。要想使爐渣具有較低的粘度和熔點，關鍵是保證爐渣所含有酸性氧化物和堿性氧化物的比例相當，由此可以推斷出，助溶劑為該反應提供了部分鎂和鈣。在冶煉鋼鐵的過程中，磷和鐵在被還原后進入鐵水，這就決定了爐渣中磷、全鐵的含量較低，將其與鐵礦石進行混合極易被發現。

（2）氧化皮。若冶煉鋼鐵所產生固體廢渣所含有碎片的形狀為鱗片狀，呈現出金屬光澤，則可以初步斷定，該固體廢渣為氧化皮。無論是煉鋼爐內鋼坯在加熱的過程中，導致表面氧化物出現脫落現象，形成脫落物，還是利用熱壓、卷曲等傳統工藝進行軋鋼，都會產生氧化皮，其中，軋鋼所產生氧化皮的粒度，往往會比煉鋼爐內所產生氧化皮的粒度更細。通過測定發現所產生廢渣主要由硅、鐵元素組成，其中，鐵元素含量基本與鐵礦粉持平。再在X射線衍射儀的輔助下，完成測定、物相分析等工作，若廢渣以鐵的氧化物為主要物相，除含量最高的氧化鐵外，還存在少量二氧化硅，則表明所產生固體廢渣為氧化皮。天然鐵礦粉的氧化亞鐵含量通常極低，以氧化亞鐵的含量為依據，可在較短的時間內將鐵礦粉與氧化皮進行區分。另外，氧化皮的特點還包括粒度較細、其他雜質的含量少等，這些也需要研究人員引起重視。

（3）除塵灰。除塵灰通常是有結團的綜合粉末，雖然和鐵礦粉的相似度較高，但具有更細的顆粒、更小的密度，出現揚塵的幾率也更大。一般來說，組成除塵灰的元素以鈣、鐵、鋅為主，其中，含量最高的元素為鐵元素，基本與鐵礦粉持平。在鑒別冶煉鋼鐵所產生固體廢渣的類型時，研究人員首先可以觀察XRD譜圖，判斷廢渣的主要物相，若廢渣以鐵的氧化物為主要物相，例如，四氧化三鐵或三氧化二鐵，還含有大量的氧化鋅，則可以將爐渣、氧化皮等常見固體廢渣進行排除。在利用電弧爐冶煉鋼鐵時，往往需要將大量鋼鐵廢料加入到電弧爐中，其中，不乏含有易揮發元素的廢料，例如，鉛、鋅，這部分廢料所揮發元素，極易被煙氣處理系統吸入，從而形成氧化鋅，最終形成除塵灰。除塵灰的特點是具有極高的鋅含量，無法作為煉鐵原料被單獨使用，與爐渣同為禁止進口固體廢渣。

4 結論

綜上所述，在某些情況下，區分天然鐵礦石和冶煉鋼鐵所產生固體廢渣的難度較大，因此，要想避免廢渣被摻雜在進口的鐵礦石中，對其進行鑒別很有必要，只有根據不同廢渣的特點，確定相應的鑒別方法并加以利用，才能阻止有害、有毒的固體廢渣流入市場，以免給人們的生產、生活帶來不必要的影響。