钢渣资源化利用技术现况和探讨

吴龙　郝以党　岳昌盛　胡天麒

(中冶建筑研究总院有限公司，中冶节能环保有限责任公司　北京 100088)



钢渣资源化利用技术现况和探讨

吴龙郝以党岳昌盛胡天麒

(中冶建筑研究总院有限公司，中冶节能环保有限责任公司北京 100088)

介绍了目前我国钢渣预处理工艺和尾渣资源化利用的主要方法，并对钢渣的资源化利用发展进行了探讨。我国钢渣的资源化利用主要受到地域、钢渣性质以及市场3方面因素的限制。建议大力推广钢渣有压热闷等先进钢渣预处理技术，使钢渣处理更加高效、环保。钢渣尾渣用于制备胶凝材料和道路建设是大批量消纳钢渣的可行方法，应争取政府和财政的支持，推动跨行业的合作，促进钢渣的资源化利用。

钢渣资源利用热闷选铁尾渣

0　引言

钢渣是炼钢过程产生的固体废弃物，2014年我国粗钢产量8.23亿t[1]，钢渣量约1.15亿t。我国钢渣实际利用率仅为20%，大量钢渣堆弃占用土地，污染环境。

钢渣主要由硅酸钙类矿物、金属铁和铁氧化物等物质组成[2-4]，其中金属铁及铁氧化物可作为铁资源进行回收利用，硅酸钙类矿物可用于建筑等领域，具备资源利用的物质基础。我国资源贫乏，钢渣资源的利用意义重大。本文对我国钢渣资源化利用技术的发展进行了阐述，介绍了最新的技术，并对未来的发展进行探讨。

1　钢渣预处理工艺技术

1.1钢渣预处理工艺的必要性

钢渣处理工艺很多，实际生产应用主要有热闷、热泼以及滚筒法工艺，以热闷和热泼法应用较多。钢渣预处理工艺的选择依据资源化流向和其自身性质两个因素而定，其中更倾向于依据资源化流向进行选择。钢渣的资源化流向主要为铁元素的回收和尾渣制备建筑、道路等领域用材料两个方面。钢渣的预处理实现两类物料的高效分离以便分别资源化利用。

各钢渣处理工艺均采用水或其他介质进行钢渣冷却，通过物理冷却实现含铁物料和硅酸钙类物料的分离，以节约破碎磁选分离成本。破碎磁选获得的含铁物料可返回钢铁生产，尾渣充当无机材料应用于建筑、道路等领域。

无论是作为建筑材料还是道路用钢渣，均要求钢渣具备良好的稳定性和较低的金属铁含量，以防止使用钢渣的工程中产生安全和质量问题。钢渣中含有一定的游离钙镁氧化物，钙镁氧化物遇水膨胀，会造成钢渣产品开裂，造成事故。因此，钢渣在预处理过程中需要进行稳定化，消除钢渣中的游离钙镁氧化物，保证钢渣作为建筑、道路等用钢渣产品的安定性合格。

钢渣的资源化应用必须通过预处理使含铁物料和硅酸盐物料分离，同时实现钢渣的稳定化。

1.2主要钢渣预处理工艺

1.2.1热泼法

利用钢渣的高温，向钢渣喷洒一定量的水，钢渣内部不同组分冷却过程产生的应变力和反应产生的膨胀力使钢渣产生裂纹，冷却水也随之渗入，进而钢渣破裂成块。热泼法因各企业具体情况不同有露天热泼、箱式热泼以及浅盘热泼等工艺。

露天或箱式热泼对钢渣流动性没有要求，浅盘热泼需要钢渣具有一定的流动性。热泼处理后的钢渣粉化率差，颗粒粒径低于20 mm的仅约10%，大块钢渣多，渣铁分离效果差[5]；游离钙镁氧化物在3%～10%之间，钢渣安定性差，仍需要消解或陈化数年才能达到相关应用标准的要求。此外，处理过程产生的含尘蒸汽无组织排放，环保不达标。目前该技术已落后，日趋淘汰，但由于其处理方式简单，投资少，目前国内50%以上的钢渣预处理仍采用热泼方式。

1.2.2滚筒法处理钢渣

使用专用容器将液态钢渣缓慢倾斜放置在旋转滚筒内，在滚筒按照一定速率旋转的同时喷水冷却钢渣，钢渣急冷并和滚筒内放置的钢球不断地挤压、碰撞。钢渣受到急速温降产生的应变力和钢球产生的压力双重作用而破碎成较小的颗粒。

滚筒法要求钢渣流动性好，处理后的钢渣80%粒径在10 mm以下，钢渣中游离钙镁氧化物为3%～5%，处理装置自动化程度高，环保效果较好[6]。但对于碱度高、流动性差的钢渣不能处理，运行设备、动力成本高，且粒化后的钢渣结晶致密，粒径单一，胶凝性能差，影响钢渣的利用。这些因素限制了滚筒法的应用。

1.2.3热闷法

首先将高温钢渣分批次倒入热闷装置中，进行初步的打水冷却和钢渣搅拌，装渣完毕后盖盖喷水(雾)热闷。高温钢渣遇水产生大量饱和水蒸气，促进了游离钙镁氧化物和水的反应。钙镁氧化物和水的反应造成钢渣在热闷过程中体积膨胀，有利于渣铁分离[7-8]。

热闷法处理钢渣对钢渣流动性没有要求，工艺适用性广。热闷处理后60%的钢渣粒径小于20 mm，渣铁分离效果好。钢渣余热自解处理可使尾渣中游离钙镁氧化物充分消解反应，排除了钢渣不稳定因素，提高了使用钢渣的建材和道路工程的安全性，尾渣的利用率高。

钢渣热闷技术为中冶建筑研究总院有限公司所开发，自2000年以来进行了大规模的工业化推广应用，热闷处理钢渣渣铁分离效果好，尾渣稳定性有保障，是目前钢渣处理最为推崇的方法。

1.3钢渣辊压破碎-余热有压热闷新技术

为提高热闷效率，实现热闷生产的装备化，优化钢渣处理的工作环境，中冶建筑研究总院有限公司在钢渣池式热闷的基础上开发了新型的钢渣稳定化处理技术，即钢渣辊压破碎-余热有压热闷技术(以下简称有压热闷)。

有压热闷技术分为钢渣辊压破碎和余热有压热闷两个阶段。熔融钢渣运输至有压热闷现场，首先倾倒至辊压破碎区进行破碎处理。辊压破碎机按照一定的方式行走，对倒入辊压区的熔融钢渣进行辊压，同时配合打水作业。钢渣受到辊压力和冷却应变力破碎，实现了钢渣的初步冷却和破碎粉化。辊压破碎后的钢渣经转运台车及吊装设备运输至有压热闷罐内，进行进一步的打水热闷。有压热闷罐工作压力约0.2～0.4 MPa，高的热闷压力加快了水蒸气与钢渣中的游离钙镁氧化物的反应速率，提高了热闷处理效率[9-10]。此外，封闭罐体内产生大量有压蒸汽，可整合发电，为钢渣显热的回收利用创造了条件。

有压热闷工艺对钢渣流动性没有特别要求，技术适用性强。处理后钢渣粒径小于20 mm的在70%以上，渣铁分离效果好。热闷处理周期约2 h，热闷蒸汽通过管道有组织地排放，系统水耗低，环保效益好。目前该技术已经应用于珠海粤裕丰、河南济源以及沧州中铁3家钢铁企业。

1.4钢渣含铁物料分选技术

钢渣经过预处理后，仍需破碎筛分磁选工艺对含铁物料进行富集。国内大多数企业采用干法处理工艺，也有很少的企业采用湿磨磁选工艺。干法处理往往采用棒磨机进行破碎、筛分和干法磁选，整体工艺能耗低，磁选后的尾渣中含金属铁低于2%，且不影响尾渣活性。采用湿法处理占地大、成本高，且尾渣没有活性，同时产生大量废水。

2　钢渣尾渣应用技术和流向

钢渣经预处理后富集的含铁物料可返回钢铁生产流程，但80%以上的尾渣应用则是困扰整个行业的难题。围绕钢渣尾渣的资源化利用，研究人员进行了大量的工作，主要有钢渣作为胶凝材料以及钢渣粗细骨料的应用两个方面，下面进行阐述并对钢渣尾渣的流向进行分析。

2.1钢渣胶凝材料应用技术

钢渣中含有一定的硅酸二钙、硅酸三钙水硬胶凝材料，具有一定的活性，因此往往进行粉磨充当胶凝材料，部分替代硅酸盐水泥熟料。

钢渣水泥的生产在我国已有40多年的历史，累计约生产了近1亿t的钢渣硅酸盐水泥，广泛应用于工业与民用建筑等工程中，如十七冶金建设公司的科技大楼，上海杨思水泥厂办公楼等工程项目。上述建筑已使用20年以上，没有不良现象。

自上世纪90年代开始，中冶建筑研究总院有限公司对磨细钢渣作为混凝土掺合料进行研究，发现钢渣粉可以部分替代水泥，可提高混凝土的工作性和耐久性，降低混凝土的成本。随着我国水泥标准的提高，钢渣粉未能列入GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》所规定的水泥混合材种，导致目前钢渣作为胶凝材料在水泥中的应用受到限制。由于钢渣作为胶凝材料的优良特性，被先后列入各种特种水泥中，如GB 13590—2006《钢渣硅酸盐水泥》、GB 25029—2010《钢渣道路水泥》、JC/T 1082—2008《低热钢渣硅酸盐水泥》、JC/T 1087—2008《钢渣道路水泥》、JC/T 1090—2008《钢渣砌筑水泥》[11]。

2000年以来，武汉、杭州、九江等地数十家水泥搅拌站开始使用钢渣粉掺入混凝土中，使用过程中从预拌、施工到最终混凝土均未出现质量问题。

2.2钢渣粗细骨料应用技术

经选铁处理后的钢渣尾渣粒径多在0～10 mm，由于钢渣尾渣具有强度高，耐磨性好等特点，可作为粗细骨料应用于道路、制砖等方面。

2.2.1道路用钢渣

国外钢渣的利用率较高，但多半用于铺路，美国高达90%，德国为50%，日本为70%，英国更是98%的钢渣用作道路骨料，钢渣用于道路建设具有广泛的应用案例[12]。

上世纪90年代起，国内企业将钢渣用于道路建设。2010年首钢使用钢渣作为骨料修筑了阜石路以及北京雁栖湖示范区联络通道，未产生负面问题[13-14]。武钢、宝钢等企业也曾进行了相关工作。每修1 km路可消纳钢渣数千吨，是大批量消纳钢渣的有效手段。钢渣路基料售价低廉，和石子骨料相当，利润空间有限，但掺入比例高、用量大，是大批量消纳钢渣的手段。

2.2.2钢渣制砖

国内很多钢厂都建有钢渣砖生产线，如首钢、沙钢、永钢、新余钢铁等。钢渣砖中钢渣掺量一般高达50%以上，可达到M15，M20普通砖标准要求，强度在C25～C30，可广泛用于铺路、围墙以及框架结构填充材料。但钢渣砖重，不利于施工，不属于常规设计用建材，运输半径在50 km以内，因此实际消纳钢渣量有限。

此外，钢渣还用于矿山填充、喷砂除锈、干粉砂浆、烟气脱硫等方面，但实际应用较少。

2.3钢渣尾渣利用的限制性因素和流向

2.3.1钢渣尾渣利用的限制性因素

钢渣尾渣的利用途径很多，但实际应用仅钢渣粉、道路用钢渣和钢渣砖3个方面具备一定的区域空间，钢渣的应用存在一定的限制性因素，主要体现为地域性、钢渣性质和市场因素3个方面。

钢铁企业的分布呈现一定的地域特点，不同地域的经济发展情况和基础建设需求也有所不同。在钢铁企业较为集中的地区，如河北唐山等地，钢渣产生量大，周边地区经济差、环保实际约束力小，本地钢渣产品销售差，尾渣以3～5元/t的价格销售给周边农民，钢渣尾渣利用率很低。而在沿海钢厂较少的地区，如杭州、广州等地，钢渣产生量小，周边区域经济发达，环保实际约束力大，对应的钢渣尾渣产品售价较高，钢渣尾渣利用率也较高。

影响企业钢渣应用的性质差别主要是钢渣尾渣的安定性，因不同企业处理工艺条件和技术水平的差异，很多企业处理后的钢渣尾渣存在游离钙镁氧化物超标问题。钢渣尾渣的安定性合格是其作为建筑材料，用于建筑和道路等的基本条件。个别企业将安定性不达标的钢渣尾渣用于道路、房屋等建设，出现道路、地面、砖开裂等问题，造成了不必要的损失。这些失败的案例给钢渣尾渣的资源化利用造成了十分严重的负面影响。

钢渣尾渣的市场因素一方面是地域性造成的市场差异，此外还有钢渣产品使用客户对钢渣产品缺乏认识、接受度差。钢渣是钢铁行业的副产物，而使用客户往往是建筑、交通等系统，钢渣的资源化利用是跨行业的应用。需要企业的宣传推广，但更需要政策、财政的支持和权威机构的市场引导。

2.3.2钢渣尾渣的流向

目前我国钢渣尾渣利用率低，实际利用中除少量用于制备钢渣粉等产品外，相当一部分的钢渣还是流入水泥行业，但具体的数据缺乏权威统计。

钢渣尾渣中含有20%～30%的铁氧化物，其余成分主要是硅酸钙类矿物，往往以3%～5%的比例掺入到水泥熟料烧制原料中当作铁校质剂，用于降低水泥熟料烧成温度，同时也可降低石灰等原材料用量。此外，细磨后的钢渣粉作为水泥掺合料，根据水泥种类的不同添加比例为10%～30%不等。

总体来讲，钢渣尾渣的主要流向还是作为胶凝材料方面，无论是进入水泥厂，还是作为钢渣粉销售给混凝土搅拌站，主要利用的还是钢渣作为胶凝材料的性质。

3　钢渣资源化利用探讨

我国工业发展迅速，造成的环境问题日益严重，钢渣的资源化利用也日益紧迫，总结归纳出以下4点建议予以探讨。

(1)以钢渣辊压破碎-余热有压热闷技术为代表的钢渣预处理技术，具有先进的装备自动化水平，处理效率高，渣铁分离效果好，钢渣稳定性好，处理过程更加环保。应提高企业钢渣处理环保要求和装备水平，加快淘汰钢渣露天热泼等落后的处理方式，大力推广先进的钢渣预处理技术。

(2)我国钢渣尾渣实际应用主要有钢渣粉、道路用钢渣和钢渣砖3个方面，具备一定的规模，但受到地域、钢渣性质以及市场3方面因素的限制。企业要加快钢渣资源化处理新技术的研发，提高钢渣资源化处理工艺技术水平，同时也需因地制宜地选择钢渣资源化利用途径。

(3)钢渣尾渣作为胶凝材料是当前大批量消纳钢渣的有效方法，钢渣粉作为产品销售是钢铁企业大幅度提高钢渣利用率最为直接的方法之一。目前还没有出台专门针对钢渣粉作为产品的优惠政策，钢铁企业针对钢渣粉的生产和应用推广缺乏直接动力。因此，需要行业内同仁共同努力，争取钢渣粉产品的优惠政策，共同推进钢渣粉的推广应用。

(4)国外钢渣多用于道路建设，道路用钢渣量极大。钢渣具备颗粒硬度高，耐磨性能好等优点，稳定性好的钢渣用作道路建设材料从技术上讲完全没有问题。道路用钢渣是未来钢渣尾渣资源化利用的主要方向之一，应协同交通行业制定道路用钢渣在交通行业的标准，争取政府政策的支持，大力推广钢渣在交通建设领域的应用。

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Current Situation and Discussion of Steel Slag Utilization Technology

WU LongHAO YidangYUE ChangshengHU Tianqi

(CentralResearchInstituteofBuildingandConstruction，MCCGroupCo.，Ltd,EnergySavingandEnvironmentalProtectionMCCGroup,Co.,LtdBeijing100088)

The current steel slag pretreatment process as well as the tailings resource utilization of our country is introduced in the paper, and the development of steel slag resources utilization is discussed. The steel slag resources utilization is mostly limited by region, steel slag property and market. The hot disintegrating with pressure method and other advanced steel slag pretreatment methods should be extended vigorously, making the process of steel slag even more high efficient and environmental. Tailings of steel slag using for making cementitious material and road construction are feasible methods for mass consumption of steel slag, so we shoud strive for the support of government and finance and promote cross industry cooperation, to improve resources utilization of steel slag.

steel slagresources utilizationhot disintegratingiron separationtailings

吴龙，男，1985 年生，安徽亳州人，工学博士，中冶建筑研究总院有限公司环保部固废工程部高级工程师，主要从事冶金固废资源循环利用研究。

2015-08-21)