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(chǎn)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(guān)鍵是根據(jù)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(jiān)管工作，充分發(fā)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(zhì)，例如硫、磷，保證所產(chǎn)生爐渣能夠達到數(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(nèi)得到了快速發(fā)展，與常規(guī)煉鋼方法相比，爐外精煉法所生產(chǎn)鋼種，不僅品種更多，質(zhì)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(zhì)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(guī)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(yōu)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(zhì)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(huán)境中，才可以充分發(fā)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(yōu)勢包括：高靈敏度、良好的重現(xiàn)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(jié)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(jù)，對物質(zhì)應力、晶體結(jié)構(gòu)進行精確測定及物相分析的儀器，現(xiàn)階段，該儀器在科研、冶金、材料生產(chǎn)、航空航天等領(lǐng)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(zhì)間的相互作用，也就是說，若物質(zhì)表面被高能入射電子所轟擊，相關(guān)區(qū)域便會產(chǎn)生X射線、二次電子、電磁輻射等，掃描電鏡能夠以此為依據(jù)，獲取樣品的化學、物理性質(zhì)，例如，組成、形貌、內(nèi)部磁場或晶體結(jié)構(gòu)[2]。

2.2 實驗方法

首先，按照有關(guān)規(guī)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(zhì)量為依據(jù)，完成隔份取樣的工作，再通過干燥、破損以及混合等環(huán)節(jié)，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(jù)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(jù)，完成測定工作，得出結(jié)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(jié)論。

3 固體廢渣鑒別方法

鋼鐵冶煉包含兩部分內(nèi)容，即鋼冶煉、鐵冶煉。冶煉鋼鐵所產(chǎn)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(zhuǎn)爐所排出副產(chǎn)品為爐渣；軋鋼或在加熱爐內(nèi)對配料進行加熱，均存在產(chǎn)生氧化皮的可能；生產(chǎn)冶金所產(chǎn)生粉塵即為除塵灰。下文根據(jù)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(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)有資源性礦產(chǎn)品的總量，已經(jīng)無法滿足各行各業(yè)的需求，通過進口的方式對資源性礦產(chǎn)品加以補充，成為大勢所趨。冶煉鋼鐵所產(chǎn)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(qū)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(xiàn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)廢渣的大部分物質(zhì)都出現(xiàn)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(jié)論。作為鋼鐵冶煉過程中，經(jīng)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(zhì)，在高溫環(huán)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(guān)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(fā)現(xiàn)。

（2）氧化皮。若冶煉鋼鐵所產(chǎn)生固體廢渣所含有碎片的形狀為鱗片狀，呈現(xiàn)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(nèi)鋼坯在加熱的過程中，導致表面氧化物出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，形成脫落物，還是利用熱壓、卷曲等傳統(tǒng)工藝進行軋鋼，都會產(chǎn)生氧化皮，其中，軋鋼所產(chǎn)生氧化皮的粒度，往往會比煉鋼爐內(nèi)所產(chǎn)生氧化皮的粒度更細。通過測定發(fā)現(xiàn)所產(chǎn)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(chǎn)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(jù)，可在較短的時間內(nèi)將鐵礦粉與氧化皮進行區(qū)分。另外，氧化皮的特點還包括粒度較細、其他雜質(zhì)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(jié)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(xiàn)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(chǎn)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(fā)元素的廢料，例如，鉛、鋅，這部分廢料所揮發(fā)元素，極易被煙氣處理系統(tǒng)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(jié)論

綜上所述，在某些情況下，區(qū)分天然鐵礦石和冶煉鋼鐵所產(chǎn)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(jù)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(chǎn)、生活帶來不必要的影響。