钢渣利用现状及回收工艺研究

陈振中

(攀枝花钢城集团有限公司，四川 攀枝花 617000)

我国是钢铁工业大国，2021年统计数据显示：我国的粗钢产量已超过10亿吨，居全球首位。由于现有冶炼技术的局限性，粗钢的生产过程中会产生大量钢渣。通常情况下，产渣率约占粗钢产量的8%～15%，即目前我国每年会产生1亿吨左右的钢渣[1,2]，另外还有历史储存钢渣3亿吨以上。如此大量的钢渣如果不能得到有效处理，不仅会造成大量的土地资源和矿产资源浪费，更会严重污染土壤和水质，加重环境负担。我国一直以来都十分重视钢铁废渣的综合利用，《废钢产业“十四五”发展规划》对钢铁渣的综合利用率提出了明确要求，即在“十四五”计划完成时要达到85%的目标，其中要求高炉渣的综合利用率达到95%，钢渣达到60%。然而我国当前对钢渣的资源化利用仍不理想，特别是转炉钢渣的利用率亟待提高[1,3]。因此，解析钢渣的组成和性质，发展高利用率的钢渣处理工艺，多级化综合利用钢渣，始终是钢铁冶金行业的重点研究课题。

1 钢渣的物理和化学性质

钢渣是炼钢过程中产生的废渣，其全铁含量约为10%～20%[4]，这主要与钢水终点碳含量有关，其中金属铁含量在3%～8%之间。因此可以通过一定的工艺流程将其中的金属铁和铁元素的化合物分类回收，循环利用。钢渣的密度一般为3.1～3.6 g/cm3，含水率根据热闷工艺不同而有所区别，其范围通常为3%～8%[4]。钢渣的压碎值为20.4%～30.8%，抗压性能良好[4]。钢渣结构致密，耐磨性良好，以标准砂的易磨指数为1进行比较，高炉渣的易磨指数为0.96，转炉钢渣为0.7[4]。其抗压性和耐磨性一方面有利于在建筑和筑路等领域的应用，另一方面也为其处理和回收带来了困难。

炼钢过程中产生的钢渣，其矿物组成与所处化学环境有关，尤其与过程中CaO的加入量有直接关系[5]。钢渣的主要化学成分一般包括游离氧化钙(f-CaO)，Mg、Fe、Mn氧化物形成的固溶体，CaMg[SiO4]，(Mn,Fe,Ca)·5[SisO]，2CaO·Fe2O3等，碱性环境较强时则以Ca2SiO3，Ca3SiO4等活性物质为主[1,5-7]。表1列出了典型转炉钢渣的主要化学成分及各成分含量。为了更好地描述和判断钢渣所处的碱性环境和组分，钢渣中的CaO与SiO2+P2O5的含量比被定义为钢渣的碱度，根据碱度高低将钢渣分为三类：一是通常呈现黑褐色的低碱度渣；二是碱度在1.8到2.5之间的中碱度渣；三是呈褐灰色或灰白色的高碱度渣[8]。除表1中列出的成分外，钢渣中还含有其他活性物质，包括Ca2SiO3，Ca3SiO4等。当钢渣的碱度超过1.8时，上述活性物质的的含量可占60%～80%，并且该矿物的含量随碱度的增大而显著提高；当碱度大于2.5时，即在高碱度渣中，所含的主要矿物为Ca3SiO4[4,5,8]。

表1 典型转炉钢渣的主要化学成分及含量

钢渣中包含的部分组分其理化特性不稳定，如游离氧化钙(f-CaO)，MgO，Ca2SiO3，Ca3SiO4等[4,8]，在一定条件下理化特性的改变会影响钢渣的稳定性。在逐步降温的过程中，高碱度渣中存在的大量活性物质会在不同温度下发生分解和消解：温度由1250℃下降到1100 ℃时，Ca3SiO4将逐步分解成Ca2SiO3和f-CaO；当温度降到675℃时，Ca2SiO3的体积则会发生膨胀；当温度进一步下降到室温时，钢渣吸水后使得Ca、Mg等氧化物消解，f-CaO消解为Ca(OH)2，体积膨胀1～3倍；MgO消解成Mg(OH)2，体积膨胀达77%[4]。当活性物质的上述物理和化学反应全部结束后，钢渣的理化性质趋于稳定[4,8]。

2 转炉钢渣的综合利用

由于目前国内转炉炼钢技术仍然是钢铁企业的主流技术，转炉钢渣年产量约占我国全年钢渣总产量的70%[8]，是最主要的钢渣类型。提高转炉钢渣的利用率，能够极大程度改善钢渣利用现状。目前转炉钢渣的综合利用主要包括企业内的钢铁冶炼循环利用，企业外工业(特别是水泥生产和道路工程)的综合利用，农业领域的应用，功能材料的应用等[10,11]。

2.1 钢铁冶炼循环利用

钢渣在钢铁冶炼过程中的循环利用主要包括：烧结配料、冶炼熔剂、金属回收等。转炉钢渣中含有的FeOx、MgO、CaO等成分有利于提高烧结矿的强度[10,11]。此外，在烧结过程中，用转炉钢渣代替部分石灰石等作为烧结配料，能够有效减少碳酸盐分解时的热能消耗[10,11]。因此，在烧结工艺中充分利用转炉钢渣，能够有效降低固体燃料消耗，从而降低烧结成本[10,11]。对熔融态的转炉钢渣进行留渣操作，将其返回转炉作为冶炼熔剂，能够节约原料，有效降低转炉渣量，且对炉衬有一定的保护作用，能够减弱早期炉渣的腐蚀[10]。由于转炉钢渣中铁元素的含量较高，通过磁选等特殊的选矿工艺，可将其中的金属铁和含铁的磁性化合物分类回收，进行二次利用[10]。

2.2 作为建筑和筑路材料

高碱度钢渣中的Ca2SiO3，Ca3SiO4等胶凝性矿相与普通水泥中的硅酸盐组分类似，可用于制作钢渣水泥。钢渣水泥通常以钢渣作为主要原料，以一定比例加入掺合料和石膏，经混合粉磨而成[12]。在碱度高于2.5的钢渣中加入10%的石膏研磨而生产的钢渣水泥，其强度与325#水泥的强度相当[4,5]。钢渣磨制到一定比表面积的微粉，可以用作水泥熟料或者混凝土掺合料。此外钢渣能够与沥青牢固结合，且比碎石更加耐低温，不易开裂，是一种优良的筑路回填材料[10,11]。

2.3 农业领域的应用

钢渣中含有的大量Ca、Si、Fe、Mg等元素，以及少量P、Mn、Cu、Zn等元素，均为植物生长所必须的营养元素，因此可以作为复合矿物质肥料使用[10,11]。在水稻生产中，钢渣不仅能够提高水稻产量，还能够有效改善土壤的重金属污染情况，抑制水稻对重金属的吸收[13]。

2.4 功能材料领域的应用

钢渣在微晶玻璃、陶瓷材料、喷砂除锈磨料、橡胶填料等功能材料的生产中有着广泛的研究和应用。其中微晶玻璃是一种兼具高强度、高硬度、耐磨、抗酸碱等优点的新型复合材料，以钢渣为原料已经实现了理化性能良好的微晶玻璃的制备[10,11,14]。

3 转炉钢渣热闷法处理工艺

钢渣处理工艺决定了钢渣的资源化利用率。国内主要钢渣处理工艺包括热闷法、热泼法、风淬法、水淬法、滚筒法、粒化轮法等[1,15]。这些处理工艺各有优缺点，其中热闷法因其工艺简单，且能提高处理后钢渣的活性及安定性而得到广泛应用[16]。热闷法是一种余热自解渣处理技术[16,17]，转炉炼钢得到的热态渣主要经过以下工艺流程处理：转移进入热闷罐/热闷池→喷水、封罐、热闷→得到粉化的钢渣→磁选回收[16]。其中热闷过程需要在封闭的热闷罐或热闷池中经历反复热闷约12小时，使饱和蒸汽充满整个空间，则封闭空间内达到一定的温度和压强。在该高温高压下，饱和蒸汽与钢渣中的氧化物发生一系列物理化学反应，进而使得钢渣破碎、粉化[16,17]。经过上述方法处理过的转炉热门钢渣，由于其中的游离f-CaO、MgO等活性物质在处理过程中被大量水蒸气中消解，因此理化性质较为稳定，钢渣粒度较小，便于通过适当的回收工艺进行资源化利用。

4 钢渣回收工艺实例

优化钢渣处理后的回收流程能够有效提高钢渣回收利用效率。此处展示某钢铁企业一种以转炉热闷钢渣为原料的钢渣回收工艺。

本项目采用“破碎+棒磨+磁选”的工艺流程进行钢渣回收，钢渣资源化回收利用后，得到大块废钢、钢渣粉、渣钢、尾渣4种产品，可分别进行下列回收利用：

(1)大块废钢，作为炼钢原料回收利用；

(2)钢渣粉(0～3 mm)，炼铁原料回收利用；

(3)渣钢(≥3 mm)，炼铁原料回收利用；

(4)尾渣(0～3 mm)，作为建材原料及公路垫层，外售。

具体工艺流程见图1。热闷钢渣(≤300 mm)和大块炉口渣、中间罐残留钢渣采用汽车运至钢渣选厂汽车受料斗，通过受料斗上方的格栅进行粗筛，大块钢渣落入大块钢渣池，由电磁起重机吊至大块钢堆存区，返回转炉炼钢使用，余下的钢渣落入受料斗，经振动给料机给料至带式输送机，经人工分解大块废钢、钢筋及杂质后，经筛分-磁选，采用颚式破碎机进行粗破，破碎后返回圆振动筛，筛下物料经磁选后进入圆锥破碎机进行细破，再经干式棒磨，进入二次细筛，筛上物料经磁选得到粒钢及粒钢渣，筛下物料经钢渣精选机磁选后，得到钢精粉及尾渣。

图1 钢渣回收工艺流程

类比同类钢渣回收利用情况，本工艺中钢渣产品综合回收率约30%，项目年处理钢渣100万吨，可回收渣钢、渣钢粉30万吨，尾渣70万吨。项目生产的4种产品中：0～10 mm含铁量较低的尾渣可作为建筑原料及公路垫层外售，其余按照刚渣的粒度不同，分别可作为烧结精矿粉(0～10 mm的渣钢、渣钢粉)，高炉原料(10～50 mm的渣钢)，本企业转炉原料或冷却剂(50 mm以上的大块钢)使用[18]。生产实践表明，每综合利用1 t钢渣，相当于代替300～500 kg含铁品位50%的铁矿粉，节约1～2 kg石灰石熔剂，且因在生产过程中，由于石灰石用量减少而降低碳酸盐分解热等能源消耗，可使每吨烧结矿节省约10kg标煤。尤其在烧结工序中使用粒径较小的渣钢粉，可使烧结产量提高约1/5，烧结矿转鼓强度提高约5%[18]。

5 结语

近年来，我国一直倡导节能降耗，深入挖掘资源的多级利用方式，鼓励各生产企业向精细化生产方向转型。钢渣的资源化回收利用，不仅能降低钢铁企业固体废物排放量，有效降低钢铁企业生产及排放成本，提高我国钢铁行业矿产资源综合利用率，同时也符合当前环境治理及资源利用的政策要求。钢渣的成分受炼钢原料成分影响较大，因此根据钢渣的具体组分和性质进行相应的处理和回收，是提高其利用率的重要依据。发展和优化钢渣回收工艺，将产品精细化分级，也是提高钢渣利用率的有效手段和重要方法。