冶金渣資源化利用的現狀和發展趨勢

張國柱

（中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北 秦皇島 066000）

我國冶金行業一直都是工業種類中的重要行業。一直以來，由于原料與產品市價是行業效益的主導因素，導致大多數企業對優化行業管理不重視，使社會成本急劇增加，尤其對社會資源、環保以及能源發展而言。目前，國家大力倡導發展低碳經濟、節能環保經濟以及循環經濟，行業規模巨大的冶金行業以及其冶金渣的資源化利用成為關注焦點。

1 冶金渣的定義以及分類

1.1 冶金渣定義

在冶金工業生產中，把各種金屬礦石當作原料來冶煉或者是把粗金屬加工制作成金屬產品，在該過程中產生的爐渣被稱為冶金渣。按我國行業管理分類，冶金渣可劃分為鋼鐵渣、有色金屬渣以及鐵合金渣。而鋼鐵渣包括煉鐵渣與煉鋼渣兩類[1-4]。

1.2 冶金渣分類

（1）煉鐵渣。煉鋼生鐵渣、錳鐵渣、鑄造生鐵渣、化鐵爐渣、硅錳鐵渣等都是屬于煉鐵渣的范疇。普通高爐渣來源于高爐冶煉生鐵中所產生的由焦炭灰分、礦石脈石以及助熔劑等相互作用形成的主要成分為硅酸鈣和硅鋁酸鈣的物質。

（2）煉鋼渣。煉鋼渣的主要分類有三種，分別為煉鋼鋼渣、釩鈦鋼渣、不銹鋼鋼渣等。煉鋼鋼渣來源于鋼鐵生產時，轉爐、精煉爐以及電爐在熔煉時所產生的由造渣材料以及爐料雜質等溶化而成的以氧化物為主的物質成分，時而還伴有少量硫化物、碳化物以及氟化物的成分。

（3）鐵合金渣鐵。鐵合金在冶煉生產過程中形成的工業廢渣被稱之為鐵合金渣。

（4）有色金屬渣。有色金屬在冶煉過程形成的各種金屬渣都被稱之為有色冶金廢渣。

（5）其它冶金廢料。冶金固體廢物、污泥以及廢金屬都是屬于其他冶金廢料范疇。對其它冶金廢料展開研究，目的是為了提高冶金渣資源化的有效利用率，其生產出的冶金渣衍生品也是整個冶金渣體系的重要研究組成。

2 淺談我國冶金渣資源化利用現狀

我國對于冶金渣資源化已經做了很多研究，其主要利用現狀總結如下。

2.1 用于生產礦渣水泥

高爐水渣主要用來生產礦渣水泥。CaO和SiO2是高爐水渣的化學成分,在總量中占到70%到80%。鈣鋁黃長石、鎂黃長石、硅酸二鈣、鈣長石等礦相形成受到水冷條件的抑制,從而形成了玻璃體礦相結構并且具備潛在水硬膠凝的性能,在水泥熟料、石膏石灰等激發劑作用下，這些礦相能產生水硬膠凝性能并具有相應強度,從而得出,水渣可作為水泥生產的良好原料。現階段,利用高爐水渣生產的礦渣水泥包括以下幾類：

（1）礦渣硅酸鹽水泥。該水泥主要把顆粒狀的高爐水渣、硅酸鹽水泥熟料、石膏這三者通過混合磨細，最終生產出水硬性膠凝材料。由高爐水渣制造的水泥牌號通常超過400號,但該水泥早期存在強度較低的問題。

（2）石膏礦渣水泥。該水泥是由大約80%質量分數的高爐水渣，配上約15%質量分數的石膏以及少許石灰或者硅酸鹽水泥熟料，經過混合磨細，最終產生的水硬性膠凝材料。該水泥具有成本低、抗滲透性強以及良好的抗硫酸鹽侵蝕等特征,因此它在混凝土水工建筑物以及各類預制砌塊中普遍適用。

（3）石灰礦渣水泥。按照一定的比例把顆粒狀的干燥高爐渣、消石灰、生石灰和約含5%質量分數的天然石膏混合磨細，最終形成的水硬性膠凝材料。通常用到各種蒸汽養護的混凝土預制品、水地路面等無筋混凝土之中，此外在工業與民用的建筑砂漿中也同樣適用。

2.2 把冶金渣用作冶金返回原料

轉爐渣利用價值相當高，可實現冶金返回原料的利用。現階段，通過轉爐渣研發的冶金原料有以下3類。

（1）燒結礦熔劑。把轉爐渣含有的CaO成分作為燒結熔劑來使用,可代替部分石灰石。把適量轉爐渣加入燒結礦中能夠促進燒結造球，使燒結速度提升。此外，存在于轉爐渣中的FeO和Fe通過氧化作用放出熱量,使鈣以及鎂碳酸鹽在分解過程中所需熱量得到補償,有效減少燒結礦的相關燃料耗損。

（2）化鐵爐或高爐熔劑。轉爐渣可直接當作化鐵爐或高爐熔劑來使用,這樣不僅使石灰石以及白云石用量降低,還能節省熱能。可是,由于目前白云石以及石灰石在高爐中使用越來越少，甚至有些企業高爐已經不再使用，因而轉爐渣在高爐的替代作用也被限制了。

（3）作煉鋼返回渣。在下一爐的冶煉中把轉爐終渣作初渣使用,有利于加快冶煉初期的成渣速度,使初期渣侵蝕爐襯的程度降低；在現階段使用濺渣護爐工藝中,大量轉爐渣被消耗后,可以使耐火材料的耗損大大降低。

2.3 冶金渣用作道路和建筑材料

冶金渣有著與天然巖石相似的物理屬性，因而冶金渣被廣泛用于道路與建筑方面，比如建設公路、機場以及地基工程等。

（1）礦渣磚。高爐水渣與適量的水泥膠凝材料，在攪拌、定型以及蒸汽養護等之后形成的建筑用磚被成為礦渣磚,它在普通的房屋建筑以及地下建筑中廣泛使用，實質上就是使用高爐水渣替換部分沙石。

（2）礦渣混凝土。把高爐水渣作為原材料，配適當的激發劑，一同混合放入輪碾機并加水碾磨，最后同骨料混合形成的產物被稱為礦渣混凝土。在小型混凝土預制件生產中特別適合使用礦渣混凝土,但是對于施工澆筑現場不宜使用。

（3）地基用碎石。因為冶金渣擁有與天然巖石大體相同的強度,所以冶金渣碎石顆粒的強度能夠滿足地基工程對強度的需求。除此以外,由于密度大、耐磨性好、表面粗糙、能與瀝青結合牢靠等眾多優點,使冶金渣在鐵路路基施工、公路路基施工、工程回填等方面應用廣泛。值得注意的是,當轉爐渣在筑路以及回填料過程中,應該對其進行陳化，預防渣中的自由氧化鈣由于水化發生體積膨脹。

2.4 用作生產農用肥料和土壤改良劑

Ca O、SiO2是冶金渣的主要成分,且還富含多種復合礦物元素以及含有微量元素,這些元素可促進農作物生長。因而，合理利用冶金渣中有助農作物生長的成分,制作出農用肥料以及土壤改良劑。

（1）生產磷肥。轉爐吹煉未進行爐外脫磷處理的鐵水,將會得到含P2O5成分較高的爐渣。該爐渣具有相應的肥力,尤其適用于缺少磷元素的堿性土壤。

（2）生產硅肥。水稻生長需要大量的硅元素，而SiO2在轉爐渣含量高達15%。因此把轉爐渣磨細，細度低于0.246mm,就可以當作硅肥在農作物中使用。

（3）酸性土壤改良劑。CaO以及MgO在轉爐渣具有含很高的含量。因而，把轉爐渣經過磨細處理之后，可用于改良酸性土壤，成為一種有效的酸性土壤改良劑。

3 冶金渣資源化利用未來發展趨勢分析

（1）激發冶金渣活性。冶金渣的資源化利用在過去也比較成功,且利用率最高、用量最高的是在生產水泥方面。然而，水泥生產過程中，因為較低的冶金渣附加值導致了冶金渣所呈現的活性比較低。基于這一點,如果想要提高冶金渣的附加值利用，最關鍵的問題在于把冶金渣的活性激發出來,使其活性達到硅酸鹽水泥活性。在以往的研究里,主要采用的方法是調控添加物使其化學組成發生改變以此激發冶金渣活性。現階段冶金渣活性的激發主要采用機械手段,使冶金渣的水硬膠凝性能提升。通過在機械作用下冶金渣的顆粒粒度降低,使其比表面積提高,實現新生顆粒內能以及表面能的增加，這就是機械激發活性的原理；與此同時,新生顆粒的晶體結構與表面發生了物理、化學性質的變化,隨之加大了水跟冶金渣中礦物表面的接觸面積,從而使出現在礦物與水兩者之間的水化反應速度提升。

（2）生產緩釋性鉀肥。冶金渣用于生產緩釋性鉀肥,這是當前冶金渣資源化利用的一門新技術。我們這里指的緩釋性肥料，其具有難溶于水的特征,但對于從農作物根部分泌出的檸檬酸溶液極其容易溶解于其中。正是因為這一性質特性，緩釋性肥料能從根源上解決由灌溉或雨水導致的農作物肥料流失的問題。并且,農作物根部所分泌出的檸檬酸會伴隨著農作物的成長發育而不斷增加,從而使根部對于肥料的吸收能力也隨著增加,從源頭上滿足了植物生長需要。有助于植物生長和發育的三大元素有氮、磷、鉀。植物對于鉀肥的需求量，主要是在結果期要求量多，生長期要求少。基于該原因，鉀肥應當具備肥效長的特點。作為農業大生產大國，我國對鉀肥需量大，因此把冶金渣用于生產緩釋性鉀肥，正是未來發展的趨勢的要求。在冶煉時，鐵水預處理過程中所形成的脫硅渣能用于生產緩釋性鉀肥。脫硅渣中SiO2和CaO含量豐富，再把K2CO3或KOH添加進去合成鉀肥，滿足植物對緩釋性肥料的需求。

（3）深度開發冶金渣。由于我國鋼渣產量大，造成了環境嚴重污染以及資源浪費，阻礙了我國經濟的可持續發展。因此，如何提高鋼渣資源化利用率，是我國當前發展面臨的問題。早期的冶金渣處理方式是排廢堆放且置之不管，隨著循環經濟的意識提升，企業開始了對礦渣進行破碎處理。磁選出含鐵量10%左右的鋼渣做回收處理。但是，磁選后的尾渣依舊堆放在原地。隨著科技的進步以及環保經濟理念的倡導，目前磁選后高爐渣廢渣以及鋼渣廢渣經過加工后形成具有高價值的各種附加產品。高爐爐渣通過水淬處理技術可以產出具備良好活性的高爐水淬渣，將其磨制成粉再混合到水泥以及混凝土中，這種使用方法在國內比較常見。高爐礦渣粉在我國綜合利用率僅為78%；而在國外其利用率實現100%。由于轉爐鋼渣有不穩定物質的存在，比如游離氧化鎂、氧化鈣等物質，就可能出現體積穩定性不強、早期活性不及高爐水淬渣粉強、研磨困難等問題，使高爐礦渣粉在水泥與混凝土中的有效使用率降低，導致只能用作填海、道路材料以及工程回填材料等，與發達國家相比，綜合利用率相當低。由于不能充分利用轉爐鋼渣，導致鋼廠囤積大量鋼渣，由此帶來的后果包括：大面積占用和浪費耕地、污染環境、影響水質，不利于企業健康長遠的發展。此外，由于冶金渣堆積規模龐大，其處理難度系數非常大，如果沒有科學合理的處理辦法，該情況將愈演愈烈。基于這些原因，深度開發冶金渣資源，提高利用率是未來發展的必然趨勢。

（4）加強冶煉中廢渣、廢液、廢氣、余熱等資源化利用。提取冶金渣固體廢棄物中的有價金屬，提取回收赤泥中的鐵、堿、貴金屬等物質，提取銅冶煉渣以及陽極泥中的稀貴金屬，提取鉛鋅冶煉廢渣中的鎘、鐵、鍺等元素，提取氰化尾渣以及黃金礦渣中的鉛、銅、銀等元素。轉爐鋼渣熱量來源于眾多能源的轉換，通過收集余熱可使企業在能源費用上節約開支；與此同時，減少能源的消耗就是在減輕環境污染。此外，通過回收再利用冶煉廢液的中資源，能夠把鎵、鈧等元素從氧化鋁母液提取并再利用。因此，深入挖掘冶金渣中存在各種潛在資源，并做到再次循環使用，有有效提高冶金渣資源化利用率。

（5）拓寬高爐爐渣的多樣化用途。冶金渣中，高爐爐渣具有廣泛用途。通過打水冷卻或者是自然冷卻的作用后，高爐爐渣能夠替換天然砂石的作用，可用作道路的相關混凝土或者混凝土骨料使用，在防滑耐磨場地的基材中也可以選用高爐爐渣，其具有很強的耐高溫作用，能承受住700℃的高溫條件。高爐爐渣作為填充基料時，具有穩定的膨脹性能，甚至對凈化海水都能起到作用。在熔融態的高爐爐渣經水淬冷卻，形成的顆粒具有潛在水硬膠凝性能以及較好的活性，可將其摻入水泥中替代熟料，改善水泥的各項性能指標，使水泥的早期活性得到提高，同時使用高爐爐渣替代水泥熟料還能降低生產成本。因此在水泥中加入高爐水淬礦渣粉可以使水泥各項性能得到提升，是水泥熟料替代品的最佳選擇。除此以外，保溫材料以及礦渣棉都可以使用高爐水淬渣來生產制作。

綜上所述，提高冶金渣相關資源化利用，有利于減少耕地浪費、防止污染，對我國冶金工業的可持續發展有著重要的意義。現階段，礦渣水泥生產、道路建筑用材、冶金返回料利用是冶金渣在資源化利用方面的集中體現，當前生產出冶金渣制品附加值不高,并且沒有充分利用好冶金渣在物理化學方面的潛在熱能。因此，開發出具有較高附加值的產品是冶金渣未來資源化高效利用的趨勢所在。同時，還要激發冶金渣的活性以及在生產緩釋性鉀肥等方面的作用，使冶金渣在沿著高效資源化利用的方向發展。