轉爐鋼渣應用現狀及存在問題

常仕琦，張 芳，彭 軍，常宏濤，黃 蘭

（1.內蒙古科技大學材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古自治區先進陶瓷材料與器件重點實驗室，內蒙古 包頭 014010）

目前中國鋼鐵總產量已位居世界首位，2021年，中國粗鋼生產總量是10.65 億噸，全世界占比56.71%。轉爐煉鋼主要原料含有鐵水、廢鋼、鐵合金，煉鋼過程所需熱量來源于鐵水本身的物理熱和各化學反應產生的熱量。按照轉爐煉鋼工藝的一般水平，轉爐鋼渣作為煉鋼的主要副產品，約占鋼材總產量的15%，每生產出1 t 合格的鋼水，就要排出150 kg 爐渣。中國煉鋼工業蓬勃發展的同時，廢棄鋼渣的堆積對環境造成了巨大的污染。據統計我國目前有高達18 億噸左右的鋼渣存放量，但我國鋼渣利用率僅為30%，同比于日本、德國等國家70%～80%的利用率存在較大差距[1，2]。我國鋼渣目前主要被用于礦山填充料、路基混凝土、燒結材料、農業應用等領域。針對目前轉爐鋼渣處理量不足的問題，需要對其應用現狀進行廣泛和深入的調研，從而為開發轉爐鋼渣高質量利用技術提供思路和依據[3]。

1 轉爐鋼渣的組成及性質

1.1 轉爐鋼渣的化學成分及性質

1.1.1 轉爐渣的化學成分

氧氣轉爐(BOF)煉鋼過程中，向高爐鐵水和融化的廢鋼中加入石灰、白云石等造渣材料，同時吹入O2,用于去除碳[C]、磷[P]、硫[S]等雜質成分，被脫除的雜質成分以及被侵蝕的耐火材料進入造渣材料中即形成轉爐鋼渣。轉爐鋼渣是煉鋼生產的主要副產品，煉鋼后，鋼渣從轉爐倒入渣罐后，運至爐渣處理間。鋼渣的主要化學成分有CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgO、MnO、FeO、f-CaO 等。轉爐鋼渣的組成也隨著原料、冶煉工藝、鋼種的不同而變化。中國部分鋼廠轉爐鋼渣的化學成分見表1。

表1 轉爐鋼渣的主要化學成分w/%

轉爐鋼渣中鐵含量為15%?，F在我國通常將鋼渣作為廢棄物處理，主要是通過分選、篩選、磁選等簡單的方法回收小鋼球。由于缺乏必要的破碎和磁選設備，不能完全回收，處理后的鋼渣中仍含有7%～10%的鐵，主要以氧化物形式存在，高于水泥含量要求上限，低于煉鐵煉鋼原料要求[4，5]。因此，它不適合用于常規的造粒、燒結等工藝，如果只是填埋會對環境造成危害。此外，處理后的鋼渣中含有10%的游離氧化鈣（f-CaO）和部分磷等有害元素[6，7]。

1.1.2 轉爐鋼渣的理化性質

轉爐鋼渣具有一定的膠凝活性，鋼渣的礦物組成硅酸鹽和鋁酸鐵決定了鋼渣的膠凝性能；轉爐鋼渣中含有CaO 和MgO，容易產生體積膨脹，這是影響鋼渣穩定性的主要因素；轉爐鋼渣的耐磨性較差，主要受到鋼渣中的鐵酸鈣影響。

轉爐鋼渣形狀棱角較大，表面結構粗糙。其體積比重高，吸水率適中(小于3%)。轉爐鋼渣的密度一般在（3.3～3.6）g/cm3之間。鋼渣的可磨性指數為0.7，而高爐礦渣的可磨性指數為0.96，標準砂的可磨性指數為1.0[8]。

涂文懋[9]等人對鋼渣硬度進行測定，由于鋼渣中存在很多礦相，為探究影響鋼渣硬度的主要物相，對鋼渣的不同物相測定硬度，得出數據如表2所示。鋼渣成分中，鐵鈣相和鐵氧化物對硬度的影響較大；其次是硅酸二鈣（C2S）以及硅酸三鈣（C3S），經過高溫的C2S 和C3S 結構會變的更緊密；游離的CaO 遇水形成Ca（OH）2，而后Ca（OH）2會在形成CaCO3的過程中產生體積膨脹, 這就是粉化區形成的原因。

表2 轉爐鋼渣中重要物相的維氏硬度

1.2 轉爐鋼渣的礦物性質

轉爐鋼渣樣品的XRD 譜圖非常復雜，由于樣品中存在許多礦物（見圖1）。轉爐鋼渣在爐渣坑中緩慢冷卻，從而有足夠的時間形成明確的晶體。由圖1 可知熱悶鋼渣中主要物相有C2S、C3S、FeO、Ca3Mg（SiO4）2和C2F。不同的鋼渣中的物相會有所偏差，比如滾筒渣和熱悶渣的XRD 中都有明顯的C3S 的峰，但風淬渣的C3S 的特征峰并不明顯，反而C2F 更多[10]。因此轉爐鋼渣中的主要物相基本相同，但由于不同鋼渣的冷卻制度不一樣，產生物相含量以及形貌也有所不同。

圖1 轉爐熱悶鋼渣的XRD

表3 為轉爐鋼渣樣品中檢測出的礦物相。在轉爐渣樣品中，判斷礦物相為主相或次相的依據是礦物峰的強度。需要指出的是，轉爐鋼渣礦物組成非常復雜，有許多重疊峰，且氧化物（FeO 和MgO）固溶體不同，使得相的識別非常困難。

表3 基于XRD 分析的轉爐鋼渣礦物相

轉爐鋼渣中最豐富的礦相是硅酸鹽。由于轉爐鋼渣中含有25%～30%的石灰（CaO），在有水的情況下生成為硅酸鹽相。其他主要相為鐵酸鈣（Ca2Fe2O5），還有少量的鎂薔薇輝石以及鈣鎂橄欖石[11]。樣品中存在的游離氧化鎂（f-MgO）和氧化鈣（f-CaO）表明所測轉爐鋼渣存在體積不穩定性。根據堿度大小將鋼渣分為4 類：堿度在0.9～1.4 的鋼渣為橄欖石渣，鎂薔薇輝石渣的堿度一般小于1.8，還有C2S 渣以及C3S 渣。按堿度可以將鋼渣分為低堿度渣（堿度小于1.8）、中堿度渣（堿度在1.8～2.5）和高堿度渣（堿度大于2.5）。在一般轉爐鋼渣的應用環境中，鋼渣的R 值（堿度）越高，鋼渣的水化活性越好，這是因為鋼渣的堿度提高后，鋼渣中的C3S 增多，C3S 是鋼渣中水化活性最好的物質。

1.3 熔點和粘度

轉爐鋼渣的物相含量不同則鋼渣的熔點也不一樣，鋼渣的熔點指的是鋼渣完全轉變成液態的溫度，也是液態鋼渣冷卻過程中開始析出固相的溫度。鋼渣中的金屬元素對熔點有影響，C2F 可以和MgO、CaO 以及Al2O3結合成熔點低的共熔物，適量的加入MgO 和Al2O3可以有效降低熔點，但由于鋼渣堿度不同，MgO 和Al2O3的影響不同。

粘度是轉爐鋼渣的一個重要的物理性質，主要受到鋼渣物相的影響，但也受爐溫的影響。隨著轉爐鋼渣中的堿度增加，硅酸鹽相的增加，鋼渣的粘度也隨著增加，粘度越高鋼渣的流動性也就越差。隨著Al2O3含量增多，鋼渣中也會出現熔點更高的尖晶石相，由于尖晶石熔點高，導致在爐溫不夠的情況下，爐渣的粘度就會較大[12]。

2 轉爐鋼渣粉化及特性

2.1 轉爐鋼渣的粉化

硅酸二鈣（簡稱C2S）是轉爐鋼渣中的主要硅酸鹽礦物，C2S 在1450 ℃后的冷卻過程中出現的C2S 晶型有四種，α-C2S、α'-C2S、γ-C2S 以及β-C2S。硅酸二鈣的晶型轉變關系如圖2 所示，2130 ℃附近C2S 由液相冷卻析出α-C2S，隨著溫度下降到1420 ℃，α-C2S 開始向α'-C2S 發生晶型轉變，溫度降到725 ℃時，α'-C2S 會向γ-C2S轉變，在急冷條件下675 ℃時會轉變成β-C2S。725 ℃時C2S 會發生等溫相變, 由β-C2S 轉變為γ-C2S, 體積發生11%的膨脹, 引起粉化[13]。

圖2 硅酸二鈣的晶型轉變關系

轉爐鋼渣中磷元素主要來自高爐，高爐中的還原氣氛無法將磷元素還原，磷元素隨鐵水進入轉爐中，磷元素被氧槍中的高速氧氣氣流氧化形成P2O5，最后與爐渣混合。P2O5在熔渣中發生的反應主要是：轉爐渣中P2O5大部分都與CaO·SiO2混和，反應生成2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶體。一些研究表明，β-C2S 在較低溫度下轉變為γ-C2S，晶體轉變帶來體積膨脹，體積膨脹產生強內應力，強內應力導致自粉碎，即提高可磨性。鋼渣中含有大量的P2O5，磷酸三鈣的固溶體和硅酸二鈣在凝固過程中從熔渣中沉淀出來，較高含量的P2O5抑制了β-C2S 的晶體轉變。這意味著可以通過降低爐渣中P2O5的含量來提高鋼渣的可磨性[14]。

磷含量不僅減少硅酸二鈣的生成量，同時對硅酸二鈣的晶型轉變也有抑制作用，對鋼渣分化效果影響很大。所以在鋼渣改質之前也需要進行除磷處理，一般除磷的方法有三種：（1）浮選法：利用硅酸二鈣密度小的性質，讓P 元素進入C2S 中，通過硅酸二鈣上浮的原理將P 元素去除，這種方法除P 效果不佳；（2）磁選法：由于含鐵項具有磁性，硅酸二鈣和含鐵項鑲嵌在一起，可以通過磁選的方法除P，但無法去除全部的P 元素；（3）微波法：微波加熱通過氣體脫磷，除磷效果較好，鋼渣粒度決定脫磷效果，粒度越小，溫度越高，除磷效果越好；（4）還原法：在鋼渣中加入還原劑（常用碳，硅粉），將磷元素從硅酸二鈣中還原出來，這也是目前應用前景較好的方法。

2.2 膠凝性

轉爐鋼渣中主要含有的礦物有硅酸二鈣、硅酸三鈣、尖晶石、RO 相、黃長石和薔薇輝石，C2S 的水硬活性很低，而RO 相以及尖晶石相幾乎沒有水硬性，C3S 是主要影響鋼渣水硬活性的礦物[15]。鋼渣膠凝性主要受到C3S、C2S 的影響，鋼渣的堿度越大，鋼渣的膠凝性越好。C3S 和C2S 相比結構配位不規則，C3S 結構中具有空隙，水分子容易進入空隙當中，導致C3S 水化活性高。但鋼渣中C3S由于在高溫下焙燒很長時間，其結構會更加緊密，空隙結構少，相對更有規則，所以鋼渣中的C3S 的水化活性會有所降低。鋼渣中發生的水化反應方程式如下：

鋼渣與水泥相比，硅酸三鈣和氧化鈣的含量較少，活性較差，可視作弱硅酸鹽水泥熟料[16]。鋼渣的膠凝性與堿度有密切的關系，根據國家標準來說，《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》規定制備水泥和混凝土的鋼渣的堿度必須要≥1.80。

2.3 易磨性

C2S 和C3S 雖然具有一定的水化活性，但和水泥比較來說，水化活性較低。將鋼渣的粒度減小，增大比表面積可以增大鋼渣的水化活性，也就是機械激發提高鋼渣的水化活性，但鋼渣的易磨性較差影響了鋼渣的機械激發。水泥當中的主要物相C3S 的莫氏硬度小于5，而鋼渣中的薔薇輝石、鐵酸鹽、RO 相、C2S 等礦物的莫氏硬度約為5～7，相較于水泥來說鋼渣的易磨性差很多[17]。鋼渣的化學成分接近水泥，鋼渣和水泥熟料的礦物組成對比如表4 所示[18]，具有潛在的膠凝性，但由于鋼渣的活性低，想要鋼渣更好的應用在水泥行業，提高鋼渣的活性是可行的。常見的提高鋼渣活性的方法有：傳統的粉磨技術，通過球磨機改變鋼渣粒度和比表面積增大鋼渣活性，目前國內已經開發出較之前更先進的設備和技術[19]；鋼渣中加入改質劑（一般用粉煤灰、二氧化硅），這種方法的原理是降低鋼渣的堿度，使鋼渣中易磨性差的鐵酸鈣減少[20，21]；鋼渣中的鐵存在的形式一般是單質鐵、氧化亞鐵和氧化鐵，一般占比重的20%～30%，通過磁選的方式可以有效減少鋼渣中的單質鐵，但這種方法只能去除部分單質鐵，FeO 和Fe2O3還會留在鋼渣中。

表4 轉爐鋼渣和水泥熟料的礦物組成w/%

通過鋼渣的粉磨時間以及粉磨粒度可以代表鋼渣的易磨性，對比熱悶鋼渣、滾筒鋼渣和熱潑鋼渣的易磨性，熱悶鋼渣的易磨性最好[22]。

3 轉爐鋼渣的應用

3.1 建筑材料的應用

轉爐鋼渣經水淬冷卻后，會形成玻璃狀礦物晶體。分析表明，鋼渣含有C2S 和C3S 等活性礦物。因此，需要在鋼渣中加入激發劑，激發潛在的活性。鋼渣中加入沸石或粉煤灰可生產鋼渣粉煤灰水泥和鋼渣水泥[23，24]。研究表明，礦渣微粉與鋼渣微粉可以等效替代各種混凝土。利用高爐爐渣的水凝膠特性，可以深加工制成爐渣磚、燒結磚、爐渣陶瓷等建筑材料。此外，鋼渣還可廣泛用于生產鋼渣磚、基礎鋪設、工程回填和堤壩建設等。

轉爐鋼渣在建筑行業中的應用場景主要是和水泥一起應用，鋼渣在建筑行業中的主要應用方法有：鋼渣在水泥中的運用、鋼渣在水泥摻合料中的應用、鋼渣取代一部分水泥做混凝土摻合料、鋼渣配燒水泥熟料、鋼渣微粉的產出、鋼渣產出鋼渣磚以及砌塊[25]。

3.2 農業生產應用

轉爐鋼渣中含有鈣、磷、硅、鎂等元素，是農作物所需要的，可用于制造硅肥、鈣鎂磷肥等肥料[26]。除了少數一部分的高爐渣以及轉爐渣中含有對農作物有害的元素，大部分的高爐渣和轉爐渣都是對農作物有益的，完全可以應用在農業領域。以大米舉例，大米生長需要硅元素，兩種礦渣制成的硅肥中含有大量易被大米吸收的檸檬酸溶性硅。這種硅肥可以彌補土壤中天然硅的不足。水稻吸收硅后，可將硅沉積在葉片表皮細胞上，抑制植物蒸騰作用，提高光合速率。因此，在稻田中施用高爐爐渣和鋼渣硅肥可以促進水稻生長，提高產量[27]。

轉爐鋼渣在農業領域的應用有：用作土壤改良劑和肥料；制作硅肥和磷肥；用作微量元素肥料。雖然鋼渣目前完全可以用作農業生產，但鋼渣也有弊端，因其pH 值偏高，制作的肥料會導致土壤的pH 值增大以及土壤結板等問題。在實際應用中應該控制鋼渣的用量，同時對鋼渣調節pH值，保證肥料的pH 值在一個合適的水平，即達到對土壤改質的效果同時對土壤損傷較低[28]。

3.3 道路工程或回填材料

轉爐鋼渣具有表面粗糙，比重、耐磨性好，與瀝青結合牢固等特點，可廣泛應用于道路工程、復墾等方面。鋼渣作為路基填筑材料，主要存在穩定性問題。一般情況下，通過添加活性物質或預處理，可以溶解f-CaO 和f-MgO，提高其穩定性[29，30]。在中國，大量的鋼渣用于交通道路、港口和碼頭的建設。在國家體育場工程建設中，嘗試使用鋼渣作為回填材料，回填的鋼渣全部來自首鋼的廢鋼渣。經處理后的鋼渣、水泥等輔助材料按照試驗配比配制而成，密度等技術指標符合國家規范要求[31]。

轉爐鋼渣應用在道路工程或回填材料時，也有很多問題需要解決：鋼渣中的活性成分在混凝土粗集料中的作用機理還需要更深入的探索；當采用大粒度鋼渣時，混凝土會在時間較久之后發生膨脹；鋼渣中的空隙會影響混凝土應用在較冷條件或是有腐蝕性的環境；鋼渣的水化活性也會使混凝土發生膨脹[32]。

3.4 水污染處理

由于轉爐鋼渣表面具有多孔性，具備良好的吸附能力，對渣進行改性或是加入添加劑，可以應用于水污染處理[33]。有機物廢水和重金屬廢水處理是目前工業發展過程中不可避免的問題，綠色可持續發展要求一定要解決廢水處理問題，而平常處理廢水的材料價格昂貴，而鋼渣作為固體廢棄物，是良好的處理廢水材料替代品[34]。

閆英師[35]研究使用改質后的鋼渣處理選礦廢水中的Pb2+、Zn2+，發現改質鋼渣對Pb2+、Zn2+具有良好的吸附效果，吸附方式為單分子層吸附，涉及到電子轉移與共用，吸附反應速率受化學吸附機制影響。

3.5 燒結材料

轉爐鋼渣可以應用于燒結材料。轉爐渣中含25%左右的CaO，石灰石的主要成分也是氧化鈣,用轉爐鋼渣代替部分石灰石作燒結配料，不僅可回收利用鋼渣中殘鋼、Fe2O3、CaO、MgO、MnO、稀有元素（V、Nb 等），而且可使轉鼓指數和結塊率提高并有利于燒結造球及提高燒結速度[36]。

4 問題與展望

4.1 目前轉爐鋼渣利用存在的問題

目前企業對轉爐鋼渣的處理主要在鐵的回收利用上，選鐵后的轉爐鋼渣多以堆置為主，渣中金屬的回收利用率有待提高[37]。轉爐鋼渣中的鐵氧化物和RO 相中鐵的還原、還原劑的選擇以及還原工藝的探究，既是提高轉爐鋼渣中金屬回收的發展方向，又可以改善鋼渣的耐磨性。

盡管國內轉爐鋼渣安定性問題解決較好，但仍無法滿足混凝土領域的要求，尤其是在結構混凝土方面，轉爐鋼渣仍不可作為骨料使用于結構混凝土。調節鋼渣堿度，改變轉爐鋼渣中硅酸二鈣占比，消除游離氧化鈣，增加轉爐鋼渣的穩定性，對轉爐鋼渣的利用能夠起到至關重要的作用。

轉爐鋼渣的硬度較大一直制約著轉爐鋼渣的利用，對于轉爐鋼渣的改質可以有效改善其硬度，更有利于轉爐鋼渣的處理與應用。由于轉爐鋼渣的硬度較大，對其粉磨工藝及設備的要求較高，轉爐鋼渣的進一步應用受限于粉磨粒度，升級粉磨工藝及設備也是轉爐鋼渣應用的必經途徑。

4.2 展望

在當前資源匱乏、環境保護和可持續發展的壓力下，轉爐鋼渣綜合利用不僅可以解決環境保護問題，還可以成為企業經濟新的增長點，實現可持續發展。

轉爐鋼渣是一種十分具有發展前景的物質資源，充分地將轉爐鋼渣利用起來是未來工業需求，也是對環境保護的責任。目前國內轉爐鋼渣的利用率遠不及國外發達國家，針對轉爐鋼渣中鐵的回收率低的問題，提高鐵的分離率，克服現有分選流程工序復雜、環境污染、分選效率低的問題。