李全 周慶華 徐忠民 劉成 馬杰

（昆明鋼鐵控股有限公司  云南  昆明）

摘  要：我國(guó)鋼鐵冶金渣產(chǎn)生量較大，受利用技術(shù)、投資費(fèi)用和深加工成本等因素的影響，鋼渣的綜合利用效率不高，目前大部分鋼鐵企業(yè)仍采用熱潑工藝回收有價(jià)金屬和向外處置利用的方式，與國(guó)家環(huán)境保護(hù)要求的工業(yè)固體廢物“零排放”還有很大差距，鋼渣處理工藝及資源化利用水平迫切需要提高。昆鋼多年來一直致力于鋼渣處理工藝技術(shù)的研究和應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹了昆鋼鋼渣資源化利用和在水泥、混凝土中應(yīng)用的研究情況。通過熱悶及尾渣處理，鋼渣中的金屬有效回收，尾渣的穩(wěn)定性得到保證，可應(yīng)用在水泥和混凝土中。建議關(guān)注環(huán)境保護(hù)政策的變化對(duì)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的影響，正視鋼渣資源化利用問題，采用先進(jìn)的處理技術(shù)提高利用效率，降低成本，保持企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：鋼尾渣；透水磚；鋼渣粉；摻和料；零排放

1 前言

鋼渣是煉鋼產(chǎn)生的工業(yè)固體廢物，主要來自煉鋼時(shí)加入的石灰石、白云石和鐵礦石等冶煉熔劑,調(diào)整鋼材性質(zhì)而加入的造渣材料,以及高溫下融化成的兩個(gè)互不熔解的液相爐料中分離出來的雜質(zhì)等，其產(chǎn)生量一般為粗鋼產(chǎn)量的12%-20%。鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的鋼渣是目前利用效率最差的大宗固廢之一，報(bào)表顯示綜合利用率接近100%，其實(shí)運(yùn)出廠的綜合利用情況鋼企并不了解。當(dāng)前時(shí)期，國(guó)家正大力推進(jìn)固體廢物循環(huán)利用，“無廢城市”的興起以及工業(yè)固體廢物資源綜合利用示范基地的建設(shè)，明確要求嚴(yán)格控制增量，逐步解決工業(yè)固體廢物歷史遺留問題，推動(dòng)大宗固體廢棄物由“低效、低值、分散利用”向“高效、高值、規(guī)模利用”轉(zhuǎn)變，帶動(dòng)資源綜合利用水平的全面提升。這就要求各鋼鐵企業(yè)把研究工業(yè)固體廢物產(chǎn)品開發(fā)、利用技術(shù)研究作為重點(diǎn)內(nèi)容，積極推動(dòng)高爐渣、鋼渣等固體廢物的深度研究、分級(jí)利用、優(yōu)質(zhì)優(yōu)用和規(guī)模化利用，全面實(shí)現(xiàn)工業(yè)固體廢物“零排放”，解決鋼鐵行業(yè)的高資源、高能耗的現(xiàn)狀，因此，深度研發(fā)工業(yè)固體廢物循環(huán)利用是新時(shí)代企業(yè)發(fā)展需要正視的和高度重視的課題。

近幾年，各鋼鐵企業(yè)主要研究的是使鋼渣盡量磨成細(xì)粉，金屬與渣分離，降低鋼渣中的游離氧化鈣（f-CaO），消除鋼渣的不穩(wěn)定性，盡可能多地回收鋼渣中的有價(jià)金屬，提高鋼渣的綜合利用率，但對(duì)紅態(tài)鋼渣進(jìn)行處理到鋼渣粉在水泥混凝土中應(yīng)用的研究尚不夠系統(tǒng)和深入，因此，加強(qiáng)這方面的研究顯得十分必要，可靠的鋼渣處理利用工藝和生產(chǎn)出有市場(chǎng)需求、達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的鋼尾渣產(chǎn)品，短流程、低成本、高效率、高環(huán)保的鋼渣綜合利用途徑，是實(shí)現(xiàn)鋼渣“零排放”的關(guān)鍵。

2 昆鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣綜合利用情況

昆鋼有四個(gè)鋼鐵生產(chǎn)基地，目前主要有2座120t/a、8座50t/a的轉(zhuǎn)爐，2019年鋼渣產(chǎn)生量約110萬t左右，主要采用熱潑法和熱悶法兩種工藝進(jìn)行處理，通過鋼渣磁選工藝處理回收鋼渣、水洗粒鐵、磁選鋼渣粉等含鐵原料返生產(chǎn)利用，廠內(nèi)平均綜合利用率為35.55%。磁選后的鋼尾渣部分供再生資源公司用于制作透水磚產(chǎn)品，在廠區(qū)、市政道路鋪設(shè)和工程中使用，利用率占鋼尾渣總量的4.29%；其余部分處置給附近有資質(zhì)的企業(yè)進(jìn)行利用。

2.1  轉(zhuǎn)爐鋼渣成分分析

鋼渣礦物組成主要是硅酸三鈣（C₃S）、硅酸二鈣（C₂S）、鐵鋁酸鹽（C₂AF）和少量的方鎂石（MgO）以及游離氧化鈣，鋼渣的化學(xué)成分主要有CaO、SiO₂、Fe₂O₃、MgO等，此外還有少量Al₂O₃、MnO、P₂O₅等，鋼渣的成分復(fù)雜多變，不同鋼廠，采用煉鋼工藝不同，原料來源不同，鋼渣的礦物、化學(xué)成分含量存在差異，即使同一鋼廠，不同工藝的鋼渣也存在細(xì)微差異，見表1。

表1  轉(zhuǎn)爐鋼渣的主要化學(xué)成分分析（%）

2.2  昆鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣綜合利用情況

昆鋼除新區(qū)生產(chǎn)基地采用鋼渣熱悶工藝外，其他三個(gè)生產(chǎn)基地均采用熱潑工藝處理鋼渣。2012年7月，新區(qū)40萬t/a鋼渣余熱自解熱悶及磁選加工生產(chǎn)線投產(chǎn)，將300-1600℃的轉(zhuǎn)爐固態(tài)或熔融鋼渣傾翻至熱悶池內(nèi)，先經(jīng)機(jī)械攪拌和人工打水使其初步冷卻固化破碎，并進(jìn)行均熱醒渣處理后，再蓋上熱悶蓋進(jìn)行間歇階段式自動(dòng)打水噴霧悶渣，充分利用鋼渣自身的余熱將水汽化，產(chǎn)生飽和水蒸汽，促使鋼渣中f-CaO和f-MgO消解體積膨化而粉化，實(shí)現(xiàn)渣和鋼的有效分離，經(jīng)過磁選加工生產(chǎn)線處理回收有價(jià)金屬進(jìn)行利用。熱悶后鋼渣f-CaO含量由4.46%降至2.96%，f-MgO含量由0.027%降至0.013%，熱悶前后鋼渣化學(xué)成分變化見表2。

表2  熱悶前后鋼渣化學(xué)成分對(duì)比（%）

鋼渣利用方式首先進(jìn)行廠內(nèi)循環(huán)利用，熱悶鋼渣和熱潑鋼渣經(jīng)磁選分類后，鐵塊返回轉(zhuǎn)爐使用，磁選粉作為燒結(jié)配料進(jìn)行利用，其余產(chǎn)生的尾渣加工成微粉，可作為水泥或混凝土摻和料，處置給有資質(zhì)企業(yè)進(jìn)行回收利用。

3  轉(zhuǎn)爐鋼尾渣綜合利用發(fā)展方向

隨著新修訂的《固廢法》實(shí)施和以后《環(huán)保稅法》對(duì)固體廢物環(huán)保稅的開征，以及《工業(yè)固體廢物資源綜合利用評(píng)價(jià)管理暫行辦法》要求工業(yè)固體廢物資源綜合利用需由第三方評(píng)價(jià)，工信部門審核符合產(chǎn)品利用目錄方可，加之生態(tài)環(huán)境主管部門督察監(jiān)管的日益嚴(yán)格，如接受鋼尾渣的企業(yè)貯存利用不能滿足國(guó)家和地方環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，產(chǎn)廢單位將面臨延伸追責(zé)和環(huán)保稅按產(chǎn)生量計(jì)稅的風(fēng)險(xiǎn)。需要鋼鐵企業(yè)加強(qiáng)鋼尾渣綜合利用的研究，及時(shí)消除內(nèi)部處置方式單一、匱乏，外部處置渠道變窄后雙向擠壓產(chǎn)生的不利因素，解決鋼尾渣處置制約鋼鐵生產(chǎn)的瓶頸問題。

3.1  實(shí)施減量化原則，減少固體廢物產(chǎn)生量

“減量化、資源化、無害化”三R原則是固體廢物污染防治的根本途徑和治本之策，這其中最為根本的是實(shí)施減量化。因此，鋼鐵企業(yè)應(yīng)改進(jìn)工藝技術(shù)，強(qiáng)化管理操作，開展清潔生產(chǎn)，努力降低消耗，提高資源利用率，采取綜合措施，高度重視少渣煉鋼技術(shù)的推廣應(yīng)用，從源頭減少總渣量。

3.2  實(shí)施資源化原則，提高固體廢物綜合利用

廢物是放錯(cuò)了地方的資源，應(yīng)對(duì)固體廢物進(jìn)行資源化利用。在資源日益匱乏的今天，鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的固體廢物處理應(yīng)立足于本廠內(nèi)綜合利用，一方面可以縮短固體廢物處理流程，避免產(chǎn)生二次污染；另一方面可以部分替代鐵礦石作為冶煉原料，緩解鐵礦石的高價(jià)對(duì)生產(chǎn)的影響，有效降低生產(chǎn)成本。

3.3  開展深加工處理，提高綜合利用價(jià)值

鋼鐵企業(yè)固體廢物除了立足于鋼鐵企業(yè)自身循環(huán)利用外，更重要的是向深加工方向發(fā)展，比如將高爐水渣和鋼渣制成礦渣微粉和鋼渣粉。高爐水渣是屬于硅酸鹽質(zhì)材料，具有潛在的水硬膠凝性能；鋼渣的主要礦物成分為硅酸三鈣和硅酸二鈣，其水化硬化過程和水化產(chǎn)物與硅酸鹽水泥熟料相似。根據(jù)水渣、鋼渣具有的水硬膠凝特性，將水渣和鋼渣加工磨細(xì)制成礦渣微粉和鋼渣粉，可等量取代10% ～ 30% 的水泥配制混凝土，這不僅提高水渣和鋼渣的綜合利用的附加值，而且是實(shí)現(xiàn)水渣、鋼渣零排放的有效途徑。有關(guān)水渣和鋼渣制粉的技術(shù)和要求，國(guó)家已制定《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》、《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》等多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4  昆鋼轉(zhuǎn)爐鋼尾渣的綜合利用及研究

鋼渣深加工處理和綜合利用一直是昆鋼關(guān)注的課題。多年來，幾代人堅(jiān)持不懈地開展對(duì)鋼尾渣資源化利用研究和開發(fā)利用工作，為鋼尾渣的綜合利用奠定了基礎(chǔ)。鋼渣微粉作為水泥和混凝土的摻合料有著廣大的市場(chǎng)，是一種安全的利用方向，但由于受多方面因素的影響，目前昆鋼鋼渣實(shí)際利用率與先進(jìn)同行業(yè)相比還有很大差距，昆鋼在擁有鋼鐵、水泥和混凝土生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，不斷開展鋼尾渣資源化利用協(xié)同研究和推廣應(yīng)用。

4.1  昆鋼轉(zhuǎn)爐鋼尾渣生產(chǎn)透水磚的運(yùn)用

2015年6月，昆鋼工業(yè)廢渣資源再生利用年產(chǎn)3000萬塊標(biāo)磚生產(chǎn)線項(xiàng)目建成投產(chǎn)，年綜合利用轉(zhuǎn)爐鋼尾渣1.5萬t。采用鋼渣、水泥、粉煤灰等原料按一定配比壓制加工，生產(chǎn)的鋼渣標(biāo)準(zhǔn)磚、重型砌塊耐腐蝕，耐久性好，鋼渣透水路面磚強(qiáng)度在Cc30以上，透水系數(shù)（15℃）≥1.0×10^-2cm/s，具有耐磨、抗滑，具備吸附水體中重金屬元素及緩慢調(diào)節(jié)水體酸堿度的特性，產(chǎn)品質(zhì)量經(jīng)云南省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測(cè)站檢驗(yàn)合格，在辦公區(qū)域、小區(qū)、校園、廣場(chǎng)、城市道路建設(shè)中廣泛使用，為安寧市“文明城市”創(chuàng)建和海綿城市建設(shè)做出了積極的貢獻(xiàn)，也為鋼尾渣利用探索出一條綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展的途徑。所用鋼尾渣均進(jìn)行無害性檢測(cè)評(píng)價(jià)，見表3。

表3  鋼尾渣檢測(cè)評(píng)價(jià)表

4.2  昆鋼鋼渣粉在混凝土中的應(yīng)用研究

昆鋼同時(shí)開展鋼尾渣資源化利用的研究，昆鋼嘉華、昆鋼鋼渣公司和混凝土公司將鋼尾渣經(jīng)過預(yù)處理磨細(xì)成粉，以鋼渣粉部分代替礦渣粉，進(jìn)行鋼渣礦粉摻合料應(yīng)用研究。對(duì)加工的鋼渣粉進(jìn)行膠凝材料化學(xué)性能、礦物組成、顆粒形貌等分析，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，參考周邊混凝土攪拌站配合比，進(jìn)行C15、C20、C30、C40四個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土實(shí)驗(yàn)。采用《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測(cè)試樣力學(xué)性能，分析鋼渣粉摻入對(duì)混凝土流動(dòng)性、泌水性、塌落度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、水化產(chǎn)物的影響。通過實(shí)驗(yàn)可知，鋼渣粉作為活性摻和料可部分替代礦渣粉。

4.3  昆鋼鋼渣粉在水泥熟料煅燒中的應(yīng)用研究

峨山公司將鋼尾渣作為配料進(jìn)行水泥熟料煅燒試驗(yàn)，分階段開展部分、100%替代銅渣試驗(yàn)工作。采用Fe₂O₃含量在20%以上的鋼尾渣進(jìn)行替代實(shí)驗(yàn)，化學(xué)成分分析結(jié)果顯示MgO（7.5-8.5%）雖然偏高，但在替代銅渣配比不超4.0%的情況下，對(duì)熟料質(zhì)量影響不大。從質(zhì)量方面來看，使用鋼渣替代銅渣后，熟料質(zhì)量與使用前變化不大，鋼渣適用于熟料煅燒配料；從設(shè)備方面來看，由于鋼渣易磨性較差，隨著配比的增加，磨輥磨盤磨損量加大，對(duì)磨機(jī)工況影響相對(duì)較大。

4.4  昆鋼鋼渣和高爐渣做水泥、混凝土摻和料的試驗(yàn)研究

昆鋼開展鋼渣微粉制備及和高爐渣復(fù)合做水泥、混凝土摻和料的試驗(yàn)，對(duì)貯存時(shí)間較長(zhǎng)的鋼尾渣取樣分析測(cè)定化學(xué)成分，游離氧化鈣含量相對(duì)當(dāng)期產(chǎn)生的鋼尾渣有下降，堿度也有所降低，見表4。

表4  鋼尾渣的主要化學(xué)成分分析（%）

對(duì)鋼尾渣進(jìn)行粗加工，再次磁選回收有價(jià)金屬使鐵含量小于2%，進(jìn)一步細(xì)磨進(jìn)行化學(xué)分析，貯存期較長(zhǎng)的鋼尾渣粉雖然安定性合格，但活性達(dá)不到技術(shù)要求，不能單獨(dú)摻入使用。因此，與高爐渣按1:1的比例配制加工復(fù)合微粉進(jìn)行活性試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5：復(fù)合微粉的檢測(cè)報(bào)告

從表中可以看出，檢測(cè)結(jié)果除密度不合格需改進(jìn)外，其余指標(biāo)均達(dá)到《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》（GBT 20491-2017）標(biāo)準(zhǔn)。

5   結(jié)語

1）昆鋼鋼尾渣經(jīng)深加工處理后，基本性能滿足制備鋼渣微粉需要，可作為水泥和混凝土的摻合料。

2）昆鋼鋼渣的主要礦物組成和化學(xué)成分與建筑材料很相近,可廣泛用于建材、水泥、混凝土、道路等領(lǐng)域,是非常理想的二次資源。

3）在前期試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展從鋼渣產(chǎn)生到產(chǎn)品全過程利用的系統(tǒng)研究，構(gòu)建從鋼鐵行業(yè)到建材行業(yè)的產(chǎn)業(yè)循環(huán)體系，探索一條技術(shù)可靠、低成本運(yùn)行的新途徑，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈效益最大化，可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)必然選擇。

4）從實(shí)驗(yàn)研究成果到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，還需要解決鋼尾渣深加工制備工藝選擇、開發(fā)拓展市場(chǎng)、利潤(rùn)產(chǎn)生、綠色消費(fèi)觀念倡導(dǎo)等關(guān)鍵問題，才能最終實(shí)現(xiàn)鋼尾渣資源化利用與產(chǎn)生社會(huì)效益的雙贏。

5）隨著國(guó)家環(huán)保政策的逐漸完善，以及工業(yè)固體廢物處置利用標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，具備領(lǐng)先工藝、設(shè)備、技術(shù)和豐富運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的鋼鐵企業(yè)將占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。

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