于明興 劉敬東 郭玉安 張涵

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

實(shí)現(xiàn)鋼渣微粉生產(chǎn)的可行性探討

于明興 劉敬東 郭玉安 張涵

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

介紹了鋼渣微粉技術(shù)的原理及國內(nèi)鋼渣利用概況，從技術(shù)、市場等方面進(jìn)行了分析。提出了安鋼鋼渣利用的方案。就安鋼實(shí)現(xiàn)鋼渣微粉生產(chǎn)的可行性進(jìn)行了探討。

鋼渣微粉 生產(chǎn) 可行性

0 前言

鋼渣是煉鋼過程中的副產(chǎn)品，呈黑色，外觀像結(jié)塊的水泥熟料，夾帶部分鐵粒，硬度大，密度為1700～2000 kg/m3。主要化學(xué)成分有:CaO、SiO2、FeO、Al2O3、MgO等，成分組成基本穩(wěn)定。鋼渣的主要礦物組成為橄欖石(FeO·SiO2)，硅酸二鈣(2CaO·SiO2)，硅酸三鈣(3CaO·SiO2)，鐵酸二鈣(2CaO·Fe2O3)和f－CaO等。鋼渣產(chǎn)生率約為粗鋼量的13%～18%左右，如果不能充分利用而作為廢棄物遺棄，不僅占用大量土地，還對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

1 鋼渣利用概況

隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，我國對鋼渣利用進(jìn)行了廣泛研究，成效顯著，基本達(dá)到了消除渣害的目的。特別是在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策的推動下，鋼渣綜合利用領(lǐng)域不斷拓寬。返回冶金再利用;作水泥;作筑路與回填工程材料;作農(nóng)肥和酸性土壤的改良劑;用于廢水處理等等。

安鋼集團(tuán)已具備年產(chǎn)1000萬t鋼的生產(chǎn)能力，可產(chǎn)生150萬t鋼渣。目前從鋼渣中分選出的廢鋼作為鋼鐵料返回?zé)掍?，磁選渣返燒結(jié)配料，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部循環(huán)使用;而尾渣主要作為回填材料，并沒有實(shí)現(xiàn)高效利用。鋼渣化學(xué)成分見表1。

表1 鋼渣化學(xué)成分 %

鋼渣微粉開發(fā)利用研究是近年來繼礦渣微粉大規(guī)模應(yīng)用后而出現(xiàn)的熱門話題，鋼渣生產(chǎn)微粉或者復(fù)合微粉可以消除鋼渣水泥生產(chǎn)中易磨性差異問題，鋼渣通過磨細(xì)到一定細(xì)度，比表面積大于400 m2/kg時(shí)，可以最大程度地清除金屬鐵，通過超細(xì)粉磨使物料晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，顆粒表面狀況發(fā)生變化，表面能提高，機(jī)械激發(fā)鋼渣的活性，發(fā)揮水硬膠凝材料的特性。鋼渣微粉和礦渣微粉復(fù)合時(shí)有優(yōu)勢疊加的效果，鋼渣中的C3S、C2S水化時(shí)形成的氫氧化鈣是礦渣的堿性激發(fā)劑。最新資料表明，礦渣渣粉做混凝土摻合料使用雖然可以提高混凝土強(qiáng)度，改善混凝土拌合物的工作性、耐久性，但由于高爐渣的堿度低(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)，約為0.9～1.2，大摻量時(shí)會顯著降低混凝土中液相堿度，破壞混凝土中鋼筋的鈍化膜(pH＜12.4易破壞)，引起混凝土中的鋼筋腐蝕，另外高爐渣是以 C3AS、C2MS2為主要成分的玻璃體，粒化高爐渣粉的膠凝性來源于礦渣玻璃體結(jié)構(gòu)的解體，只有在Ca(OH)2作用下才能形成水化產(chǎn)物，鋼渣堿度高(CaO+MgO)/(SiO2)，約為 1.8 ～3.0，礦物主要是 C3S、C2S、CF、C3RS2、RO 等，鋼渣中的 f CaO 和活性礦物遇水后生成Ca(OH)2，提高了混凝土體系的液相堿度，可以充當(dāng)?shù)V渣微粉的堿性激發(fā)劑。摻入鋼渣微粉的混凝土具有后期強(qiáng)度高的特性。因此鋼渣和礦渣復(fù)合粉可以取長補(bǔ)短，性能更加完善。特別是在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和高性能粉磨設(shè)備的推動下，把鋼渣尾渣磨細(xì)到一定粒度，生產(chǎn)鋼渣微粉成為可能。這些研究成果的取得為我國鋼渣的高價(jià)值循環(huán)利用指明了方向。

2 鋼渣微粉

2.1鋼渣微粉的應(yīng)用

1)部分替代熟料用于水泥生產(chǎn)。鋼渣作為水泥混合材料已列入國家標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過磨細(xì)制成鋼渣粉可做為優(yōu)良的水泥混合材，部分替代熟料、以降低水泥生產(chǎn)成本，而且鋼渣水泥，與硅酸鹽水泥相比具有后期強(qiáng)度高、耐磨性好、水化熱低、抗?jié)B性好等特點(diǎn)。每噸產(chǎn)品可節(jié)約煤25 kg，節(jié)電30 kW·h，節(jié)約Ca-CO3資源 0.84 t，少排 CO20.72 t，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品。

2)替代水泥用于混凝土。鋼渣微粉可等量替代水泥，比重可達(dá)10% ～40%，可提高混凝土后期強(qiáng)度，可配制C30～C80的混凝土。與不摻加摻合料的混凝土相比，在水灰比相同時(shí)，拌和物坍落度增大10 cm以上，流動性、抗離析性、間隙通過性良好，混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B透能力得到提高，水化熱降低，抗凍性改善。

3)生產(chǎn)鋼鐵渣復(fù)合粉。鋼渣微粉和礦渣微粉各有缺點(diǎn)，兩者復(fù)合使用，優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，缺點(diǎn)消失，是21世紀(jì)混凝土最佳摻合料，礦渣產(chǎn)品不享受國家減免稅政策，但復(fù)合粉中鋼渣微粉摻量達(dá)30%后，復(fù)合粉也享受國家減免稅優(yōu)惠政策。

2.2 實(shí)現(xiàn)鋼渣微粉生產(chǎn)的可行性

1)鋼渣微粉生產(chǎn)的政策可行性。國家工業(yè)和信息化部2011年12月17日以600號《大宗工業(yè)固體廢物綜合利用“十二五”規(guī)劃》的通知指出:積極推進(jìn)鋼渣綜合利用專業(yè)化企業(yè)與鋼鐵企業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)鋼渣“零排放”。促進(jìn)鋼渣熱燜自解、低能耗破碎磁選提取渣鋼、生產(chǎn)鋼渣微粉和鋼、礦渣復(fù)合微粉為核心內(nèi)容的整體利用，建設(shè)和改造一批專業(yè)鋼渣預(yù)處理、鋼渣微粉和鋼、礦渣復(fù)合微粉項(xiàng)目;在鋼渣生產(chǎn)微膨脹型充填采礦專用膠凝材料等特種膠凝材料方面，建設(shè)若干個(gè)示范項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)年消納鋼渣5，475萬t，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值125億元。

2)鋼渣微粉生產(chǎn)的技術(shù)可行性。國家發(fā)改委、國家科技部、國家環(huán)?？偩?005年10月28日以65號文公告《國家鼓勵發(fā)展的資源節(jié)約綜合利用和環(huán)境保護(hù)技術(shù)》，其中有:“鋼渣綜合利用技術(shù)—生產(chǎn)用作水泥和混凝土使用高活性摻合料的磨細(xì)鋼渣粉”。

2006年8月，國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼渣硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB13590－2006)、2006年9月，國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》(GB/T20491－2006)頒布實(shí)施，為鋼渣微粉的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

3)鋼渣微粉生產(chǎn)的設(shè)備可行性。實(shí)現(xiàn)鋼渣微粉生產(chǎn)的關(guān)鍵的技術(shù)裝備是粉磨設(shè)備。由于鋼渣硬度大，且含鐵元素，易磨性較差，粉磨鋼渣選擇球磨機(jī)和臥輥磨。

球磨機(jī)粉磨工藝簡單、可靠，但單機(jī)能力小、粉磨效率低、生產(chǎn)噪音大、研磨體消耗嚴(yán)重、單位產(chǎn)品電耗高，一般鋼渣粉的比表面積在420 m2/kg時(shí)，噸產(chǎn)品電耗為75 kW·h～100 kW·h。

臥式輥磨具有球磨機(jī)和立磨的優(yōu)點(diǎn)，既可粉磨礦渣又可粉磨鋼渣，設(shè)備啟動過程簡單，操作方便，并在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、生產(chǎn)穩(wěn)定、振動和噪音比其它形式磨機(jī)小得多。粉磨效率高，電耗比球磨和立磨都低，兩臺磨機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)品比表面積在420 m2/kg時(shí)，主機(jī)(磨機(jī)+選粉機(jī)+提升機(jī))單位產(chǎn)品電耗為30.5 kW·h。

臥式輥磨的構(gòu)造是粗短的圓筒，內(nèi)裝圓輥，筒體轉(zhuǎn)動帶動磨輥轉(zhuǎn)動，通過液壓調(diào)節(jié)磨輥的位置來調(diào)節(jié)磨機(jī)的粉磨壓力。結(jié)構(gòu)介于輥壓磨和立磨之間。與立磨和輥壓磨原理主要區(qū)別在于物料咬入角。對輥壓磨而言其咬入角在6°以下，相應(yīng)的輥間隙較小。立磨其咬入角為12°，而臥式輥磨其咬入角為18°，因此適應(yīng)不同物料粒度和硬度，同時(shí)物料多次穿過磨輥與磨體間隙受到擠壓粉磨，多次粉磨，可獲得不同的產(chǎn)品顆粒分布曲線和操作指標(biāo)。適合粉磨粒化高爐礦渣和鋼渣，為我國鋼鐵渣粉的生產(chǎn)提供了最佳設(shè)備。其渣粉的比表面積可達(dá)到400～800 m2/kg，渣粉的顆粒形態(tài)為球形。噸產(chǎn)品電耗比立磨、輥壓磨、管磨都低。

因此，臥式輥磨設(shè)備的成熟，為鋼渣微粉的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了設(shè)備支持。

3 鋼渣微粉市場分析

3.1 產(chǎn)品

鋼渣微粉作水泥和混凝土摻合料技術(shù)與產(chǎn)品，并在首都機(jī)場擴(kuò)建工程，北京、武漢、廣州、深圳等地建設(shè)工程及福建高速公路大橋建設(shè)工程中大量應(yīng)用，被建筑工程界認(rèn)可，是21世紀(jì)混凝土最佳摻合料，不但可提高混凝土強(qiáng)度，而且可改善混凝土性能，提高混凝土的質(zhì)量，是國家推廣項(xiàng)目。

3.2 水泥

2006年國家發(fā)改委、財(cái)政部、國土資源部、建設(shè)部、商務(wù)部、中國人民銀行、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局、國家環(huán)?？偩致?lián)合下發(fā)(2006)609號關(guān)于加快水泥工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的若干意見文件，規(guī)定“十一五”期間新型干法窯水泥產(chǎn)量的比例由目前40%要提高到70%，即提高水泥強(qiáng)度等級，取消強(qiáng)度等級為32.5的品種，這樣高強(qiáng)度等級水泥在使用時(shí)就可以提高工業(yè)廢渣摻量，“十一五”期間水泥行業(yè)工業(yè)廢渣的利用量要達(dá)到3億t。鋼渣微粉對提高水泥質(zhì)量，節(jié)省水泥熟料，節(jié)省一次能源消耗量，減少CO2排放，降低水泥生產(chǎn)成本，都具有十分重要作用。

由于傳統(tǒng)礦渣硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝是礦渣與熟料混合磨細(xì)，礦渣易磨性差，在水泥中達(dá)不到完全水化的顆粒粒徑，因此會降低水泥的強(qiáng)度。

在水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法改變后，開始實(shí)施礦渣硅酸鹽水泥新標(biāo)準(zhǔn)，混合磨細(xì)的礦渣硅酸鹽水泥的強(qiáng)度等級一般為32.5。同時(shí)礦渣摻入量也降低為10%～20%，許多水泥廠不再生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥。?；郀t礦渣在水泥行業(yè)銷路不暢，其節(jié)能、降耗、降低水泥成本作用消失。

磨細(xì)鋼渣微粉其細(xì)度在400 m2/kg以上，其粒徑多為0～30 μm。在水泥中能很好發(fā)揮水硬膠凝性能，摻入20% ～30%的鋼渣微粉，不但不降低水泥強(qiáng)度，還能改善水泥性能，并可提高水泥產(chǎn)量，降低水泥能耗和成本。水泥廠可用熟料粉與鋼渣微粉摻合可生產(chǎn)不同品種不同強(qiáng)度等級的水泥滿足市場要求，促進(jìn)水泥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.3 混凝土

隨著社會進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)已不能滿足建筑工程的要求，高層建筑、跨海大橋、海底隧道、海上采油平臺、核反應(yīng)堆、海底軍事工程等施工難度大，對混凝土強(qiáng)度和耐久性要求高，因此用高性能混凝土來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)和建造耐久性好的特殊結(jié)構(gòu)，被作為21世紀(jì)的新材料。美、日、英、德等發(fā)達(dá)國家在建筑工程中使用高性能混凝土已顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，不但經(jīng)濟(jì)合理，而且應(yīng)用新型的現(xiàn)代混凝土科學(xué)技術(shù)來增加混凝土結(jié)構(gòu)的安全使用壽命，同時(shí)便于施工，節(jié)省施工成本，降低混凝土成本和工程造價(jià)等。

高性能混凝土被認(rèn)為是新型高技術(shù)混凝土，是今后混凝土的發(fā)展方向，不但是因?yàn)樗哂辛己玫哪途眯裕ぷ餍院蛷?qiáng)度，而且在工程應(yīng)用中具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。配制高性能混凝土必須摻入鋼渣微粉，只用水泥、砂、石、減水劑和水不可能配制出強(qiáng)度好、工作性好、耐久性好的混凝土。因此鋼鐵渣粉具有廣闊的市場。

3.4 混凝土攪拌站

提高混凝土的強(qiáng)度，改善工作性和耐久性只靠高標(biāo)號水泥不行，而應(yīng)摻入活性礦物摻合料和外加劑。其中礦物摻合料多采用硅灰、細(xì)磨粉煤灰，沸石粉等。由于我國硅灰資源有限，沸石粉和粉煤灰的活性較低，近幾年國內(nèi)大力開展礦渣微粉、鋼渣微粉和復(fù)合粉摻合料的開發(fā)和應(yīng)用。

鋼渣微粉在混凝土中的應(yīng)用之所以能如此迅速地推廣開來，主要是由摻合料，因其化學(xué)活性不象水泥那么高，所以在攪拌后的最初兩小時(shí)內(nèi)混凝土的流變性易于控制，尤其能明顯地減少其坍落度損失，對施工非常有利。

對混凝土的顯著增強(qiáng)作用也是摻鋼渣微粉混凝土的一大特性，由于鋼渣微粉的超細(xì)化，填充了水泥粒子的空隙，使混凝土更加密實(shí);再加上鋼渣微粉中的活性SiO2和Al2O3與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生二次水化，產(chǎn)生硅酸鹽凝膠，使硅酸鹽凝膠數(shù)量比普通水泥混凝土中多許多，所以摻鋼渣微粉的混凝土的后期強(qiáng)度(28天、60天)要比普通水泥混凝土高許多(抗壓強(qiáng)度比約為130%)。

此外，在混凝土中摻入鋼渣微粉，大大提高了混凝土耐久性，由于鋼渣微粉顆粒呈球狀，表面光滑致密，并具有活性，將其摻入水泥中，水化時(shí)活化SiO2、Al2O3與水泥中 C3S、C2S水化產(chǎn)生的 Ca(OH)2反應(yīng)，進(jìn)一步形成水化硅酸鈣產(chǎn)物。眾所周知，混凝土中石子的空隙是由砂來填充，而砂的空隙由水泥來填充，由于鋼渣微粉比水泥還細(xì)，所以它又填充了水泥的空隙，增加了密實(shí)度，產(chǎn)生的微細(xì)結(jié)構(gòu)與孔結(jié)構(gòu)均比普通水泥石細(xì)得多，這樣就大大減小離子擴(kuò)散率，獲得優(yōu)良的抗侵蝕性和耐久性。

4 討論

鋼渣微粉在混凝土中摻量可高達(dá)20%～40%，也就是說每立方混凝土中鋼渣微粉可以等量取代100 kg以上的水泥，鋼渣微粉出廠價(jià)為(130～140)元/t，水泥出廠價(jià)為360元/t，這樣每立方混凝土可以節(jié)省20元以上，高強(qiáng)度等級的混凝土節(jié)省更多。以一個(gè)年產(chǎn)量15萬m3～20萬m3的中型混凝土供應(yīng)商為例，如果使用鋼渣微粉，一年可以節(jié)省約300萬元。

綜上所述，鋼渣微粉生產(chǎn)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益，符合國家產(chǎn)業(yè)政策，產(chǎn)品具有廣闊市場，建議有關(guān)部門盡早立項(xiàng)。

5 結(jié)論

1)鋼渣微粉的生產(chǎn)能夠充分利用廢渣中的礦物活性生產(chǎn)建材摻合料，進(jìn)一步回收了鋼渣中的有用金屬，變廢為寶，可有效解決安鋼鋼渣尾渣的排放污染問題;實(shí)現(xiàn)安鋼鋼鐵渣 “零排放”，為鋼鐵企業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)和清潔生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

2)鋼渣微粉與礦渣微粉復(fù)合制成鋼鐵渣復(fù)合微粉，是鋼渣微粉的延伸，可進(jìn)一步開辟安鋼鋼鐵渣利用的新途徑。

3)安鋼可利用自身的原料優(yōu)勢，迅速占領(lǐng)豫北微粉區(qū)域市場，可取得顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。對安陽市甚至河南省建材工業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)整具有重大意義。

［1］ 馬忠民，翟國營，劉三軍.安鋼鋼鐵渣循環(huán)利用方案探討，河南冶金，2010，18(5):26 －29.

FEASIBILITY INVESTIGATION ON STEEL SLAG POWDER PRODUCTION

Yu Mingxing Liu Jingdong Guo Yuan Zhang Han

(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

The paper introduces the principle of steel slag powder technology and analyses its utilization at home and abroad from technology and market.It also puts forward utilization scheme and investigates feasibility in Anyang Steel.

steel slag powder production feasibility

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聯(lián)系人:劉敬東，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司綜合利用開發(fā)公司;

2011—12—26