钢渣粉的生产与应用

邢天鹏，俞雅俊，孙振国，李晶国，季平

（中国新型建材设计研究院，浙江 杭州 310003）

0 前言

在钢铁冶炼过程中，会产生大量的钢铁废渣，按来源不同，分为高炉渣和钢渣。其中，每生产1 t铁产生0.25～0.50 t高炉渣，每生产1 t钢产生0.15～0.20 t钢渣。2012年我国钢渣的排出量约9300万t，高炉渣的排量约为22134万t，综合利用率分别为22%和78%，远低于国际先进水平。

我国钢铁产量世界第一，但钢铁废渣的利用率却很低，导致我国目前累积堆存了10万亿多t未处理的钢渣。这不仅对钢铁企业的生产与发展造成压力、还会成为环境污染的重要因素，如处理不当，会给土壤、水系、大气等带来严重污染，并对公众的生命健康安全造成危害。因此，对钢渣进行综合利用，实现其减量化、资源化和无害化，对钢铁工业的可持续发展是非常必要的。

传统钢渣的资源化主要是用于筑路的基材，或利用钢渣中含量很高的CaO、FeO以及一定比例的MgO、MnO等组分，将钢渣制成球后返回炼钢炉作为有效熔剂使用，可降低矿石消耗及能源消耗。但在这些用途中，钢渣利用量有限，附加值也很低。想要提高钢渣利用量和附加值，一个非常用效的途径就是将钢渣超细粉磨后作为水泥的混合材来生产钢渣水泥，或者用作混凝土的活性掺入料来配制高性能混凝土等。

1 钢渣的物理化学特性

1.1 钢渣的物理性能

钢渣的物理特性类似于过烧熟料，超细粉磨后具有潜在水硬性。由于钢渣的易碎性差，并且含有一定的金属铁粒，既难破碎又难粉磨，粉磨效率低、电耗高。如何提高粉磨效率、降低粉磨电耗，直接影响到钢渣资源的综合利用水平。

1.2 钢渣的化学特性

国内几大钢厂转炉钢渣的化学成分见表1[1]。

表1 国内主要钢厂转炉钢渣的化学成分 %

钢渣的矿物组成较为复杂，常见的有：硅酸三钙、硅酸二钙、铁酸钙、蔷薇辉石、橄榄石、RO相、游离氧化钙等。碱度较高的钢渣中硅酸三钙和硅酸二钙含量较多，使钢渣具有类似硅酸盐水泥熟料的水硬胶凝性，但由于钢渣形成温度较高（1600～1700℃），比硅酸盐水泥熟料的烧成温度高100～200℃，因此，钢渣中的C3S、C2S的结晶致密，晶粒粗大，水化硬化缓慢，又被称为过烧的水泥熟料，磨细后具有一定的水硬胶凝性。

2 钢渣的预处理工艺

钢渣的预处理是利用钢渣本身的特性，通过达到快速冷却液态渣保证不影响炼钢工艺流畅性的前提下，同时充分提取钢渣中的废钢以获得经济效益。目前，国内主要采用热闷法、水淬法、风淬法、热泼法或浅盘热泼法及滚筒法等预处理工艺。

风淬法、水淬法和滚筒法预处理工艺较复杂，对钢渣流动性的要求较严格，需要配备其它处理设备才能100%处理热态钢渣。热泼法、浅盘热泼法的预处理工艺简单，且处理能力大，但是对环境的影响亦较大，且处理的效果不佳。

热闷法预处理工艺流程简单又合理，兼顾了钢渣中渣钢分离的处理效果，符合环境保护的要求，是目前最为推广应用的钢渣处理工艺。

热闷预处理工艺：将1600℃液态钢渣利用高压水喷成10 mm的钢渣，温度也降到800℃；再倒进渣坑，温度继续降到320℃，在压力为0.3 MPa条件下经热闷8～12 h，制成8～10 mm的粒化钢渣。粒化后的钢渣一般含有8%～11%的水分，粒化效果越好水分越均匀，这可减少或避免了磁选时的粉尘污染，环保效果较好。

该工艺主要通过密闭渣坑内热钢渣遇水产生大量饱和蒸汽使其自行碎裂粉化。这样的处理可以充分利用钢渣余热产生的饱和蒸汽消解钢渣中的f-CaO和f-MgO，同时产生体积膨胀应力，使钢渣冷却、龟裂、粉化，实现钢渣稳定化及渣、钢分离。回收的废钢铁返回炼钢，钢渣尾渣磨细成钢渣粉等量取代0～30%的水泥配制混凝土或制成其它产品，可用于工业与民用建筑中，使钢渣达到“零排放”。

3 钢渣粉的生产工艺

钢渣尾渣磨细后制备成钢渣粉，钢渣粉中位粒径一般为12～15 μm，小于30 μm的一般在80%左右。钢渣粉不仅粒度小，其晶体结构（晶格错位、缺缺陷以及重结晶）以及表面物理化学性能也发生变化，从而加大了钢渣活性以及加速了水化反应，成为水硬性胶凝材料。

钢渣粉生产工艺主要分为球磨机粉磨工艺、卧式辊磨粉磨工艺、辊式立磨粉磨工艺。

3.1 球磨粉磨工艺

球磨机系统是我国最早采用的钢渣粉磨处理系统，具有流程简单、技术成熟、生产可靠、操作要求低和投资省的特点，但能耗高（单位电耗90 kW·h/t），单机能力小，生产较高细度钢渣粉时，处理效率偏低。而由中国新型建材设计研究院优化改进的球磨粉磨工艺采用高压辊磨机+球磨机生产技术，生产工艺分为：钢渣初磨系统以及钢渣终磨系统。

钢渣初磨系统：由辊压机、V型选粉机和收尘器组成预粉磨闭路挤压工艺系统，物料经过多次挤压、分选、除铁、烘干，逐步细化粉化，由收尘器收集细料进入钢渣终磨系统。初磨系统生产能力为32 t/h，钢渣细粉（半成品）比表面积约为260 m2/kg（一部分可直接成为钢渣粉产品）。

钢渣终磨系统：由球磨机、高效选粉机和收尘器组成终磨闭路工艺系统，半成品粉料经过多次球磨、分选、进一步粉化，最终粉磨至钢渣微粉成品，由收尘器收集微粉料进入成品料仓。终磨系统生产能力为32 t/h，产品（钢渣微粉）比表面积≥450 m2/kg。

球磨粉磨工艺流程见图1。

图1 球磨粉磨工艺流程

优化后的工艺系统继承了原有球磨系统流程简单、技术成熟、生产可靠、操作简单和投资省的特点，也大幅降低了系统能耗（单位电耗为60kW·h/t），稳定地生产出比表面积≥450 m2/kg，其它性能符合GB/T 20491—2006《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》标准要求的钢渣微粉。

3.2 卧式辊磨粉磨工艺

卧式辊磨粉磨工艺流程见图2。

图2 卧式辊磨粉磨工艺流程

卧式辊磨粉磨工艺原理介于辊压机和球磨机之间，特点是一个旋转的筒体内嵌衬板，筒内有圆辊和筒体产生的压力及碾压力将物料磨细。该工艺设备能耗低，磨损小，粉磨细度可以达470～500 m2/kg，主机电耗为31 kW·h/t。但前期投资较大，国内设备技术不成熟，设备需要国外进口。

3.3 辊式立磨生产工艺

辊式立磨生产工艺流程见图3。

图3 辊式立磨生产工艺流程

辊式立磨生产工艺集破碎、粉磨、烘干、选粉为一体，具有电耗低、密封性能好、占地面积小、流程简单等特点。通过调节选粉机的转速、磨机风机的气流量和碾磨压力，可获得要求的细度以及粒径分布。成品粉磨细度可以控制在300～600m2/kg，主机电耗为43 kW·h/t。但是辊式立磨对钢渣的适应性比较差，因为在入磨前的喂料皮带机上必须设置电磁除铁器和金属探测器以防止金属硬物进入磨机，造成对立磨损害，而钢渣的金属含量较高且不易被除铁器除掉，容易因金属探测器信号引起分料三通阀频繁动作使磨盘上的物料太少，致使磨机震动甚至引起停机。将来随着设计手段和观念的转变以及工艺技术的日益成熟，立磨系统的投资大大降低，与闭路球磨系统基本持平或略高。但由于其使用性能和产品电耗方面的较大优势，该系统的应用必将越来越广泛。

4 钢渣粉在建筑材料行业的应用

钢渣中含有和水泥相类似的硅酸三钙、硅酸二钙及铁铝酸盐等活性矿物质，具有水硬胶凝性。大量对比试验以及实际应用表明，优质钢渣粉在比表面积为550 m2/kg时，其活性与高炉矿渣相似，这说明钢渣粉有着良好的市场前景，是活性混合材的有益补充[2]。

4.1 钢渣水泥的应用

钢渣矿渣水泥（简称钢渣水泥）是以钢渣、粒化高炉渣为主要组分，加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏，磨细制成水硬性胶凝材料。由于钢渣水泥是以钢渣和粒化高炉矿渣为主要原材料，生产该产品可以节省石灰石资隙，节省能源，减少CO2和烟尘对环境的污染，因此也可称为“绿色水泥”。

在水泥熟料中掺入10%钢渣粉配制成钢渣水泥无论是抗折强度还是抗压强度特别是后期强度都比普通水泥要高[3]。

钢渣水泥不仅具有与普通硅酸盐水泥相同的物理性能，而且还有后期强度高、抗折强度高、抗渗性好、耐磨性好、微膨胀、水化热低、耐腐蚀等一系列特点。钢渣水泥主要应用于一般工业与民工建筑、地下工程和防水工程、大体积混凝土工程，以及对抗渗、抗硫酸盐侵蚀、耐磨性有一定要求的特种工程。

4.2 钢渣粉作为掺合料的利用

实验研究表明，混凝土中掺加钢渣粉或复合钢渣粉后，抗折强度变高，耐磨性能变好，而且还可以改善新拌混凝土的工作性能，尤其能降低水化热峰值、延迟峰值发生时间，而且随掺量的增加效果更明显。另外，钢渣微粉配制的混凝土具有微膨胀的特点，能够补偿收缩，使混凝土后期干缩减小，可广泛用作高性能水泥混凝土掺合料使用，使其抗折强度、耐磨性能、水化热、干缩性能等混凝土理化作用得到明显改善[4]。

钢渣粉在国内的实践应用：如福建省福宁高速公路A19标段中的码头大桥、岐后大桥和下白石大桥均使用了掺钢渣粉的掺合料。

钢渣微粉在建筑行业的应用使得它替代水泥后起到了降低CO2的污染源排放作用，每1 t钢渣用于水泥制品，可减少CO2排放0.815 t，如全部利用，每年可少排放2.4亿t CO2，对我国CO2减排贡献巨大[5]。因此，钢渣微粉技术是钢渣综合利用技术转化为生产力的集中体现，展示了钢渣综合利用技术的全面进步。

[1]韦响，李源，蔡敏.钢铁渣综合利用述评[J].山西冶金，2011（4）：4-5.

[2]靳志刚，陈艳生.大规模制备钢渣粉的技术及装备[R]//第三届冶金渣综合利用技术专题研讨会暨钢渣粉应用项目对接会，2015：70-71.

[3]朱跃刚，李灿华，程勇.钢渣粉做水泥掺合料的研究与探讨[J].广东化工，2005（11）：59-62.

[4]金强，贺鸿珠，杨刚，等.宝钢钢渣在混凝土材料中资源化应用技术研究[J].宝钢技术，2010（3）：21-22.

[5]方丽华，何建松，段江涛，等.钢渣综合利用途径及其发展方向[J].昆钢科技，2013（5）：46-51.