周智強

摘 要:我國每年產(chǎn)生約1.5億噸的鋼渣，同發(fā)達國家相比國內(nèi)鋼渣的綜合利用率較低，鋼渣的堆存既占用了大量的工業(yè)用地，有不利于環(huán)境保護。因此，如何提升鋼渣的處理技術(shù)及有針對性的開發(fā)鋼渣利用場景越來越引起鋼鐵企業(yè)重視。本文通過對比國內(nèi)外鋼渣處理技術(shù)的應(yīng)用情況，綜述了不同的鋼渣處理技術(shù)工藝特點，輥壓破碎-有壓熱悶技術(shù)同其他鋼渣處理技術(shù)相比較有極大的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：鋼渣；現(xiàn)狀；綜合利用；技術(shù)特點

0 前言

鋼渣是煉鋼過程中不可避免產(chǎn)生的固體廢棄物，生產(chǎn)每噸鋼會隨之產(chǎn)生約150kg的鋼渣^[1]。2023年我國粗鋼產(chǎn)量為10.19億噸，鋼渣產(chǎn)量約1.5億噸，目前我國鋼渣利用率在20%~30%，歐、美、日等發(fā)達國家鋼渣利用率將近100%。由于我國鋼渣綜合利用率較低，導(dǎo)致超過數(shù)億噸鋼渣的堆存，既占用了大量的土地資源，又會造成土壤、水資源的污染。針對該現(xiàn)狀，我國環(huán)保法規(guī)對工業(yè)廢棄物的排放和治理越來越嚴格，《環(huán)境保護稅法》明確規(guī)定對鋼渣開征25元/噸的環(huán)保稅。同時，國內(nèi)各鋼廠積極倡導(dǎo)“固廢不出廠”的環(huán)保理念，極大促進鐵企業(yè)積極探索鋼渣穩(wěn)定化處理及資源化利用^[2]。

本文通過梳理國內(nèi)外鋼渣處理現(xiàn)狀，并對各種鋼渣處理技術(shù)進行了對比，以期探索更高效益的鋼渣處理技術(shù)手段，實現(xiàn)鋼渣資源化利用，促進工業(yè)可持續(xù)性的發(fā)展。

1 鋼渣理化特性

煉鋼過程中為了脫去鋼水中的O、S、P等雜質(zhì)元素需要添加造渣劑，如螢石、石灰石、白云石等，造渣劑在爐內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)后，形成了含Si、Ca、Al、Mg、Mn等元素的鋼渣。冶煉工藝、原材料、冶煉鋼種等對其成分有極大的影響，鋼渣的密度約3.5t/m³，耐磨性較強；常見的鋼渣有電爐渣、轉(zhuǎn)爐渣、LF爐渣等。各鋼廠因為冶煉的鋼種不一樣，所以產(chǎn)生的鋼渣成分也不同，即使是同一個煉鋼廠，其鋼渣成分也會跟隨鋼種變化而變化。

2 國內(nèi)外鋼渣利用現(xiàn)狀

2.1國外鋼渣利用現(xiàn)狀

由于不同國家的技術(shù)水平及發(fā)展特點不同，對鋼渣的利用方面也具有較大的差異。從歐、美、日這些發(fā)達國家和地區(qū)可以看出，鋼渣主要集中于土建領(lǐng)域的使用，例如道路、土木工程、建筑、水泥等，廠內(nèi)循環(huán)利用率比例也較高，如圖1所示^[3-7]；但受制于鋼渣的理化特性，在水泥和建筑領(lǐng)域應(yīng)用較少，利用率較低。總體而言，鋼渣在發(fā)達國家的綜合利用率普遍較高，堆存量少，對環(huán)境的污染極低。
 

圖1 國外鋼渣利用現(xiàn)狀

Fig.1 Recycling of steel slag on the world

2.2 國內(nèi)鋼渣利用現(xiàn)狀

如圖2所示，同發(fā)達國家相比，我國對鋼渣的利用率較低，在30%左右，將近70%的鋼渣未被利用；目前，我國鋼渣的利用主要集中于水泥、道路的利用上，但同歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)相比利用率也不高，并且內(nèi)循環(huán)利用相較各個發(fā)達國家利用率也較低。目前國內(nèi)大量未利用的鋼渣未得到有效開發(fā)利用，既是對環(huán)境的造成較大的污染，也不符合可持續(xù)性的經(jīng)濟發(fā)展理念。

圖 2 中國鋼渣利用現(xiàn)狀

Fig. 2 Recycling of steel slag in China

近年來中國相關(guān)政府部門及行業(yè)出臺了一系列的政策與法規(guī)，促使鋼鐵企業(yè)提高鋼渣的利用率，既是環(huán)境保護方面的迫切需要，也是鋼鐵企業(yè)本身發(fā)展的需要。這一系列的法律法規(guī)對鋼渣的堆存、處理、應(yīng)用及懲處措施等都有明確的要求，如表1所示，整個鋼鐵行業(yè)對鋼渣如何提高綜合利用率具有極大的迫切性。面對這些強制性政策及法規(guī)措施，鋼鐵企業(yè)不得不加強鋼渣處理，提高鋼渣的利用率，減輕環(huán)境污染的壓力；但是受制于國內(nèi)鋼渣處理技術(shù)及使用場景，限制了鋼渣綜合利用效率，如鋼渣的穩(wěn)定性仍然不能得到有效的解決。

表 1  中國有關(guān)限制鋼渣排放的政策與規(guī)定^[8]

Table 1 The law and regulation on the steel slag in China

3 鋼渣處理技術(shù)特點

目前，鋼渣處理技術(shù)根據(jù)其工藝特點可分為熱悶處理工藝、熱潑處理工藝、水淬處理工藝、滾筒粒化處理工藝、風(fēng)淬處理工藝等等。不同國家其處理方式也不同，日本普遍采用蒸汽陳化法，德國則以箱式熱潑為主，我國目前應(yīng)用的較多為熱潑法。

3.1熱悶處理工藝

熱悶工藝可分為常壓熱悶技術(shù)和有壓熱悶技術(shù)，常壓熱悶處理技術(shù)應(yīng)用較為普遍，有壓熱悶由于其高效、低耗、環(huán)保等特點廣受關(guān)注。

常壓熱悶技術(shù)，又稱常壓池式熱悶技術(shù)，國內(nèi)大多數(shù)鋼廠采用該工藝，如日照鋼鐵、新余鋼鐵、昆鋼、包鋼等；其適用范圍廣，可用于固態(tài)、半固態(tài)、液態(tài)鋼渣。處理后的鋼渣中游離氧化鈣在3%左右，浸水膨脹率低于2%，粒級小于20mm的比例可達60%以上，熱悶過程對環(huán)境污染較小。然而，該工藝的熱悶時間約10-12小時，且耗水量較大，每噸鋼渣耗水約0.5噸。

有壓熱悶技術(shù)，全程輥壓破碎-余壓熱有壓熱悶技術(shù)，是在常壓熱悶技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，主要有安鋼、濟源鋼廠、鞍鋼等鋼鐵企業(yè)使用該技術(shù)。該技術(shù)主要包括輥壓破碎工序和余熱有壓熱悶工序，具體可以分為倒渣、輥壓破碎及有壓熱悶過程。鋼渣通過渣罐傾翻車倒進破碎床，在破碎床中進行輥壓破碎，同時打水冷卻降低鋼渣溫度，使出渣溫度控制在800℃左右，粒徑在300mm以下。破碎降溫后的渣轉(zhuǎn)運至熱悶區(qū)的壓力設(shè)備內(nèi)，密閉后進行打水作業(yè)。液態(tài)水遇到高溫鋼渣變成水蒸氣，從而產(chǎn)生0.2～0.4MPa的壓力，使鋼渣中f-CaO快速消解，完成鋼渣的穩(wěn)定化處理，并使鋼渣粉化^［49-50］。同常壓熱悶技術(shù)相比，熱悶過程中壓力低，消解時間只有2小時左右，噸渣耗水約為0.3噸左右，粒度低于20mm占比約70%。同時，有壓熱悶環(huán)境污染也較小^［9-10］。有壓熱門技術(shù)產(chǎn)生的蒸汽還可以用于蒸汽發(fā)電，溫度一般可達120度，壓力約0.2-0.4MPa，可以配置ORC有機朗肯發(fā)電機組，目前也有很多單位在研究。

3.2熱潑處理工藝

熱潑處理鋼渣工藝是目前比較成熟的鋼渣處理技術(shù)，其原理是在一定溫度范圍內(nèi)對鋼渣噴灑適量的水，由于鋼渣冷卻不均勻從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，從而使鋼渣產(chǎn)生橫縱交錯的裂紋，最終導(dǎo)致鋼渣的碎裂；同時，鋼渣中f-CaO、f-MgO的水化消解，進一步使鋼渣碎裂或粉化^［11-13］。熱潑處理技術(shù)對鋼渣的物理形態(tài)沒有要求，可用于固態(tài)、半固態(tài)、液態(tài)鋼渣。處理后的鋼渣中游離氧化占比3%~10%，粒徑小于20mm的含量約10%，大塊較多，渣鐵難分離，需要消解數(shù)年才能滿足下游專業(yè)標準要求。同時，該處理工藝屬于無組織排放，對環(huán)境污染較大。目前，由于該技術(shù)本身具有一些弊端，正逐漸被其他新技術(shù)所淘汰。

3.3水淬處理工藝

鋼渣的水淬處理技術(shù)是利用鋼渣在高溫從渣罐倒出時，用合適壓力的水流噴射，使熔融鋼渣急速冶卻而凝固并碎裂成細小的粒子的過程^[14]。該工藝操作較為簡單，且粒度均勻、粒度小，處理后的鋼渣粒徑在5mm以下的占比在95%以上；該技術(shù)需要流動性較好的鋼渣，且處理后的鋼渣中渣鐵難分離。但該工藝對操作要求較高，由于鋼渣內(nèi)的金屬鐵在高溫下與水反應(yīng)生成氫氣，操作不當(dāng)有爆炸風(fēng)險，引發(fā)安全事故。因此，該工藝很難普及，隨著鋼渣處理技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)也將被新興技術(shù)所取代。

3.4滾筒粒化處理工藝

滾筒粒化技術(shù)是當(dāng)液態(tài)鋼渣在特定容器中緩慢傾倒至斜放置的旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi)，同時對鋼渣進行噴水冷卻，在鋼渣冷卻的過程中，借助鋼球與鋼渣的相互碰撞沖擊時，將鋼渣破碎成小顆粒^[15-16]。該技術(shù)需要鋼渣具有良好的流動性，處理后的鋼渣粒徑在10mm左右，但鋼渣中的游離氧化鈣含量較高，在3%~5%；同時，該工藝復(fù)雜，設(shè)備維護難度大，運營成本高。因此，該技術(shù)在國內(nèi)鋼渣處理技術(shù)中占比較少。

3.5風(fēng)淬處理工藝

風(fēng)淬處理技術(shù)是當(dāng)液態(tài)鋼渣在特定容器中傾倒過程中被高速的空氣流沖擊，使鋼渣被分割成2mm左右的液態(tài)顆粒^[36]。通過氣流的沖擊，之后鋼渣迅速落入水中使鋼渣顆粒化，該方法處理后的鋼渣具有粒度均勻、粒度小的特點，2mm以下的占比95%以上。但是，該技術(shù)需要鋼渣有極好的流動性，且噸鋼渣耗費氣量也較大，噸鋼渣需要40m³的空氣^[17-18]。

4 結(jié)論

（1）我國同歐、美、日等發(fā)達國家在鋼渣綜合利用方面仍然有較大的差距，同時，受到國內(nèi)環(huán)保政策的驅(qū)動及鋼鐵企業(yè)本身發(fā)展的需要，開發(fā)更為成熟的鋼渣處理工藝以及具有針對性的應(yīng)用場景是當(dāng)下鋼渣處理技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

（2）傳統(tǒng)的風(fēng)淬處理、水淬法、熱潑法處理鋼渣方式較為粗放，且對環(huán)境造成了極大污染，很難適應(yīng)鋼鐵企業(yè)發(fā)展的需要；常壓熱悶技術(shù)則綜合效率較低，同時，鋼渣的顯熱也不能得到有效回收；滾動法雖然能做到生產(chǎn)過程中的潔凈化，但是對鋼渣物理形態(tài)要求較高，只能處理液態(tài)鋼渣，極大的限制了該技術(shù)的應(yīng)用推廣。

（3）輥壓破碎-有壓熱悶技術(shù)具有環(huán)境友好型的特點，可通過增設(shè)除塵設(shè)備，從而滿足煙塵的排放標準，且該技術(shù)適用于鋼渣各種物理形態(tài)；該技術(shù)處理后的鋼渣，具有較高的分化率（約70%），鋼渣中游離氧化鈣也較少（約2%），其尾渣完全可以綜合利用；在有壓熱悶的過程中，可充分利用鋼渣的余熱轉(zhuǎn)換成有壓蒸汽，既能保證鋼渣的快速穩(wěn)定化，也能實現(xiàn)熱能回收，是鋼渣資源化利用的新技術(shù)。該技術(shù)既能滿足環(huán)境保護的需要，也能實現(xiàn)鋼渣綜合利用。

（4）鋼水冶煉一般要達到1600℃以上，鋼渣產(chǎn)生伴隨著大量的熱量，若能將其余熱能量回收，也是雙碳降碳戰(zhàn)略和低成本運營的方向之一。

（5）綜上，滾筒粒化技術(shù)和有壓熱悶技術(shù)能夠做到較高程度的機械化，但隨著節(jié)能降碳和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，對鋼渣處理技術(shù)又提出了更高的要求。

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