钢渣的综合利用现状及优化策略

钢渣是钢铁工业的必然产物，包括转炉渣、电炉渣和平炉渣。一般呈黑色，外观像结块的水泥熟料，其中含有部分金属铁，硬度大，密度为1.7×103～2.0×103kg／m3。钢渣组成来源：铁水与废钢中所含铝硅锰等元素氧化后形成的氧化物；金属料带入的泥砂；加入的造渣剂，如石灰、萤石等；作氧化剂或冷却剂使用的铁矿石、烧结矿、氧化铁皮等；被侵蚀的炉衬材料；脱氧用合金的脱氧产物和熔渣的脱硫产物等。钢渣的矿物组成为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁酸二钙、RO（R代表镁、铁、锰的氧化物即FeO、MgO、MnO所形成的固熔体）、游离氧化钙等［17］。

我国作为钢铁大国，在国内外钢铁行业中占有重要地位，近年来我国粗钢产量如图1.4所示［18－19］。2014年世界粗钢产量达到8.23×108t，增速为3.8%，中国粗钢产量再创新高，约占世界钢产量的50%，而每吨粗钢将会产生0.07～0.12 t的钢渣，为此，在粗钢产量逐年增加的同时，大量钢渣堆积如山，不仅占用土地，而且污染环境。

图1.4　中国粗钢产量

在2005年国务院下达的国发〔2005〕22号文《关于加快循环经济的若干意见》和2006年国家发改委以发改办环资〔2006〕538号文关于《资源综合利用专项规划》意见通知中均指出［20］，2010年工业固体废弃物综合利用率要达到60%以上，冶炼渣达到86%以上。

世界各国研究者对钢渣的利用已经进行了多年的研究，且取得了一定的成果，具体应用主要为下面几个方面。

（1）钢渣在返回冶金工艺过程中的循环应用

利用钢渣作为烧结熔剂。钢渣一般含有40 wt%～50 wt%CaO，把钢渣加工成钢渣粉，便可以代替部分石灰石作为烧结配料。不但可以利用渣中的铁、钙、镁等成分，而且可以显著提高烧结矿的质量和产量。此外，由于钢渣中Fe和FeO的氧化放热，节省了钙镁碳酸盐分解所需要的热量，使烧结矿能耗降低。刘守平等［21］进行了转炉钢渣用于生产烧结矿的试验研究，认为转炉渣配入烧结料时，可改善烧结矿的冶金性能，并降低烧结矿的成本。孙锦彪［22］分析了转炉渣的利用，认为烧结矿配入粒化转炉渣，可回收利用转炉渣中的一些氧化物，并且可显著提高烧结矿的质量和产量。

利用钢渣作为高炉熔剂。钢渣中含有大量的氧化钙，将其作为炼铁助熔剂，可以节省大量石灰石、白云石资源。林晨明等［23］研究了利用转炉渣代替石灰石作高炉熔剂，认为转炉钢渣替代石灰石作高炉熔剂是可行的，对高炉冶炼过程无不良影响，也可保证生铁质量。吴官善等［24］认为钢渣作高炉熔剂，不仅扩大了高炉原料来源，节约焦比，降低成本，而且减少占地面积，改善环境污染。

利用钢渣作为炼钢返回渣。将钢渣作为炼钢返回渣不仅可以提前化渣，缩短冶炼时间，降低熔剂消耗，减小初期渣对炉衬的侵蚀，还可回收渣中的金属，减少污染。王仲斌等［25］研究了转炉渣的返回使用，认为转炉渣在转炉上的应用是可行的，与其他造渣材料相比，返回渣加工简单，价格便宜，供应稳定，为理想的转炉造渣材料替代品。

钢渣在铁水预处理方面的应用。转炉渣可作为铁水预处理脱硫剂，脱硫速度快，脱硫渣容易排出，铁的损失小，经济效益高；转炉渣可作为脱磷剂使用，一般含20wt%转炉渣脱磷剂的脱磷率可达70%。宝钢在这方面已经完成了实验室研究和工业性试验，效果较好。郭上型等［26］研究了转炉渣用于铁水预脱磷的工艺，认为配加适量的CaF2，脱磷率可达到78wt%左右。罗志国等［27］也进行了转炉渣作为铁水预脱磷粉剂的实验研究。(www.xing528.com)

（2）钢渣在建筑材料方面的应用

利用钢渣制备水泥。钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的硅酸二钙和硅酸三钙，钢渣的生成温度在1560℃以上，而硅酸盐水泥熟料的烧成温度在1 400℃左右。以钢渣为主要成分，加入一定量的其他掺和料，经磨细而制成的水硬性胶凝材料，称为钢渣水泥。钢渣水泥的生产工艺简单，目前生产的钢渣水泥可用于民用建筑的梁、板、楼梯、砌块等方面，也可用于工业建筑的基础设备，如吊车梁、屋面板等方面，另外，钢渣水泥具有微膨胀性能和抗渗透性能，广泛应用在防水混凝土工程方面。张同生等［28］研究了利用钢渣粉煤灰制备复合水泥，认为当钢渣粉煤灰复合水泥的成分在一定范围时，其性能达到了PC425R的国家标准，且强度已经超过了该标准。许谦等［29］研究了利用钢渣生产425号钢渣道路水泥，研究结果表明，该水泥的主要技术性能符合GB13693—1992《道路硅酸盐水泥》的要求。刘连成［30］利用钢渣沸石制备水泥，结果表明制备的水泥的主要性能均优于325号矿渣硅酸盐水泥。M.Ahmad［31］利用钢渣、铁渣和石灰石成功地制备出硅酸盐水泥，并在钢厂附近修建了制备水泥的工厂。V.D.Gluhovsky等［32］研究认为利用钢渣为基础原料制备的矿渣水泥明显优于普通硅酸盐水泥。

利用钢渣生产钢渣砖。钢渣作为胶凝材料或骨料，用于生产钢渣砖、地面砖、护坡砖等产品，这主要是利用钢渣中的水硬性矿物在激发剂和水化介质的作用下进行反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙等新的硬化体，工艺相对较为简单、成本低、能耗低、性能好、生产周期短。马保国［33］利用钢渣生产了蒸氧粉煤灰砖，其具有较低收缩值，解决了传统粉煤灰砖收缩严重的问题。刘巍［34］研究了钢渣制备建筑基础砖的试验，研究发现以钢渣为原料，配入一些辅料，可生产出强度高、耐久性好的建筑基础砖。

（3）钢渣在道路工程中的应用

钢渣碎石具有比重大、强度高、耐磨等特点。国外40wt%的钢渣用来修筑公路，国内钢渣的利用目前也正大力向筑路方向发展。首钢应用渣粉（金属铁含量小于1%）与部分粉煤灰、石灰按80∶6∶4的比例配比，生产钢渣拌和料作为道路基层材料，试验路通车一年后的专家评议意见认为，在车流量大的路面经常通过40～60辆大型钢坯车的重载条件下，路面基本平整、无沉陷、无鼓包，达到了设计要求。1997年，北京修建白颐路路基时，正式使用了此种钢渣拌和料［35］。P.Y.Mahieux［36］将转炉渣作为主要成分，配合其他原料制备道路黏合剂。L.Rohde等［37］研究了利用电炉渣作为铺路材料，认为这种方法不但能够提高公路的质量，而且也能带来经济效益。S.A.Aiban［38］通过分析认为钢渣混凝土具有很好的物理和化学性能，可以成为路基建设材料的替代品。

（4）钢渣在肥料和酸性土壤改良剂方面的应用

钢渣含有Ca、Mg、P、S等元素，可根据元素的含量不同作不同的应用，如生产钙镁磷肥、钢渣磷肥，不仅适用于酸性土壤，而且在缺磷碱性土壤中施用也可达到增产的效果，并且可水旱两用。作为硅肥可以提高作物抗病虫害的能力。采用钢铁渣作为改良剂，由于其中含有一定量的可溶性的镁和磷，因而可以取得比使用石灰来进行改良酸性土壤更好的效果。但是，钢渣磷肥由于在农业上应用成本太高，不能推广应用。吴志宏等［39］研究了转炉渣在农业生产中的再利用，认为在转炉渣中加入添加剂合成新型农业肥料可以有效地提高转炉渣肥料的附加值。许刚等［40］研究了转炉钢渣对赤潮异弯藻生长的影响，结果表明在添加转炉渣的海水中，赤潮异弯藻的生长更明显。T.Takahashi等［41］向钢渣中添加适量的钾而制备了应用于农业的钾硅肥。K.Arita［42］认为脱碳钢渣中含有很多有益的元素，对海洋浮游植物的生长是非常有利的。

（5）钢渣在废水处理方面的应用

钢渣由于多孔的特性而具有较大的表面积和广泛的颗粒分布，近年来有人把钢渣用于治理废水。实验发现，钢渣可处理含Cr6＋的废水，将Cr6＋和钢渣按一定的质量比投加，可以达到很好的去除效果。对含As3＋的废水，按As3＋和钢渣的质量之比为1∶2 000投加钢渣，对As的去除率可达到98%［43］。佘键［44］研究了改性钢渣去除废水中磷酸盐的试验，认为经处理或改变条件后，钢渣能够有效去除水中的磷酸盐。刘盛余［45］认为钢渣能够处理废水中的Cr3＋、Pb2＋、Cu2＋和Zn2＋。M.N.Ortiz［46］成功利用转炉渣处理废水，主要是利用转炉渣中的磁铁矿吸收水溶液中的Ni2＋。K.R.Konduru［47］认为利用钢渣可以有效处理废水中的染色剂，起到很好的脱色效果。K.J.Vinay等［48］认为利用钢渣的吸附特性，可以减少废水的海藻污染。

综上所述，经过多年的不断研究，钢渣已被应用在很多领域，且利用率不断提高，但是，其附加值较低的问题一直没有得到较好的解决，因此，钢渣的高附加值利用问题仍然是当今研究的热点。利用转炉渣制备微晶玻璃不但可以提高转炉渣的附加值，还能实现节约能源的目的。