吳 龍， 郝以黨， 閭 文， 孫樹衫

(中冶建筑研究總院有限公司，中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司，北京 100088)

鋼渣處理利用新技術(shù)對有色冶煉渣處理的借鑒

吳 龍， 郝以黨， 閭 文， 孫樹衫

(中冶建筑研究總院有限公司，中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司，北京 100088)

冶煉渣作為金屬冶煉時伴生的副產(chǎn)物，由于綜合利用率較低，大量堆置，污染環(huán)境，浪費資源。本文以冶煉渣中產(chǎn)生量較大的鋼渣為對象，介紹了其處理技術(shù)、資源化利用技術(shù)和運營模式，為有色冶煉渣的處理利用提供借鑒。

冶煉渣； 鋼渣； 有色金屬冶煉渣； 資源利用

隨著有色冶煉行業(yè)的迅速發(fā)展，冶煉有色金屬時排放的廢渣大量堆置，對土壤、地下水等生態(tài)環(huán)境造成污染和危害，嚴重威脅著人類健康。目前，我國有色冶金廢渣的堆放量已超過1億t，占地近萬畝，而且還在以每年3 000萬t的速度逐年增加。我國有色冶金廢渣的綜合利用率較低，平均約為45%。

為建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會，國家發(fā)改委和工信部在“十二五”規(guī)劃中提出：重點發(fā)展先進、節(jié)能、無污染的有色冶煉渣綜合利用工藝，生產(chǎn)消納渣量大、附加值高的產(chǎn)品，實現(xiàn)有色冶煉渣清潔化高價值綜合利用，力爭到“十二五”末使冶煉渣的綜合利用率提高到75%，并預(yù)計投入170億元用于建設(shè)一批重點工程。

本文對冶煉渣中的鋼渣的處理利用新技術(shù)進行介紹，以期為有色冶煉渣的處理利用提供借鑒。

1 鋼渣的處理工藝

鋼渣為煉鋼時排放的副產(chǎn)物，冶煉1 t鋼約產(chǎn)生120～150 kg鋼渣，2014年我國粗鋼產(chǎn)量為8.23億t[1]，鋼渣總產(chǎn)生量約1.15億t。近幾年來由于采用先進的處理工藝和高價值利用技術(shù)，鋼渣利用率已由“十一五”的10%提高到22%。目前國內(nèi)鋼渣的處理工藝有以下幾種。

1.1 熱潑處理工藝

圖1為鋼渣熱潑工藝，該工藝是將熱態(tài)鋼渣從煉鋼車間運至熱潑場，傾翻落地，噴水冷卻，然后用鏟運車將冷卻的鋼渣運至鋼渣破碎-篩分-磁選生產(chǎn)線。

圖1 鋼渣熱潑處理

該工藝是二十世紀七十年代引進國外生產(chǎn)線后發(fā)展的鋼渣處理工藝，存在的問題是：投資大，冷卻時間長，占地多，破碎工作量大，金屬回收難，對環(huán)境污染嚴重，工藝設(shè)備多，生產(chǎn)操作人員多，鋼渣不穩(wěn)定等，故應(yīng)用受到限制。

1.2 風(fēng)淬處理工藝

風(fēng)淬處理工藝是中冶建筑研究總院和馬鋼鋼研所上世紀八十年代研發(fā)的鋼渣粒化工藝。該工藝是在水淬工藝原理上發(fā)展的一種方法，但比水淬工藝技術(shù)進步，克服了水淬時爆炸的不安全因素。但風(fēng)淬工藝和水淬工藝一樣要求鋼渣的流動性好，以保證風(fēng)淬的處理率。由于冶煉工藝進步造成鋼渣粘度增大，風(fēng)淬處理率越來越低。其次，風(fēng)淬處理的尾渣利用途徑少，金屬回收率低，只有馬鞍山鋼鐵公司一家使用。

1.3 滾筒法處理工藝

二十世紀九十年代，寶鋼從俄羅斯引進滾筒法處理工藝：熔融鋼渣緩慢傾倒在接渣槽內(nèi)，液態(tài)渣經(jīng)接渣槽底部的流渣孔流到有一定落差的高速旋轉(zhuǎn)的滾筒內(nèi)，經(jīng)過葉輪的機械作用和鋼球的破碎作用成為小顆粒，同時用高壓水急速冷卻，冷卻的渣經(jīng)鏈板機輸送至堆場。近幾年寶鋼在此基礎(chǔ)上又進行改進，在滾筒內(nèi)加入鋼球，增強破碎作用。圖2為鋼渣滾筒法處理。

圖2 鋼渣滾筒法處理

圖3 鋼渣熱悶處理

該工藝存在以下問題：由于鋼渣的堿度大、流動差，處理率僅為20%～40%，仍有60%～80%的鋼渣需采用熱潑法處理；處理后的鋼渣顆粒單一，利用途徑窄，利用率低；鋼和渣粘連包裹在一起，廢鋼回收困難；鋼渣經(jīng)粒化處理后，結(jié)晶致密，難磨細，用于水泥生產(chǎn)時增加電耗。該工藝在寶鋼系統(tǒng)建有生產(chǎn)線。

1.4 熱悶處理工藝

中冶建筑研究總院經(jīng)過20余年不斷地技術(shù)創(chuàng)新，現(xiàn)已實現(xiàn)熔融鋼渣直接熱悶處理，即將1 600 ℃以上的鋼渣運至熱悶處理生產(chǎn)線，直接傾翻至熱悶裝置中，蓋上裝置蓋，噴水產(chǎn)生蒸汽對鋼渣進行消解處理，8～12 h后裝置內(nèi)溫度降至60 ℃，打開裝置蓋，將鋼渣鏟出輸送至篩分磁選提純加工生產(chǎn)線。圖3為熱悶生產(chǎn)工藝。

該工藝的先進性是利用鋼渣本身的余熱產(chǎn)生蒸汽消解鋼渣中游離的氧化鈣和氧化鎂，保證了鋼渣在建材中的安全應(yīng)用；同時利用鋼渣中各礦物冷卻收縮應(yīng)力、相變應(yīng)力和化學(xué)反應(yīng)膨脹應(yīng)力的不同，實現(xiàn)渣鐵分離；熱悶處理后的鋼渣顆粒小于10 mm的占60%以上，簡化了回收鋼渣中金屬鐵的破碎磁選工序，并為鋼渣粉磨及其它應(yīng)用節(jié)省能源[2-4]。該工藝還實現(xiàn)了廠房內(nèi)蒸汽的有組織排放和回流水的循環(huán)利用。目前國內(nèi)已建成鋼渣熱悶處理生產(chǎn)線近50條，年處理鋼渣近4 000萬t。該技術(shù)連續(xù)4年被列入國家先進污染防治示范技術(shù)名錄和國家鼓勵發(fā)展的環(huán)境保護技術(shù)目錄。

1.5 鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶新技術(shù)

2007年至2009年，中冶建筑研究總院開展了鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶(簡稱有壓熱悶)新一代工藝技術(shù)的研發(fā)，進行了實驗室模擬試驗以及關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計。2011年河南濟源鋼鐵和廣東珠海粵裕豐鋼鐵兩家公司開始建設(shè)鋼渣有壓熱悶生產(chǎn)線，并于2012年底全部投入生產(chǎn)運行。河北滄州中鐵裝備材料制造公司的有壓熱悶線也于2014年底投產(chǎn)運行。

有壓熱悶技術(shù)主要包括鋼渣輥壓破碎和余熱有壓熱悶兩個階段。圖4為鋼渣有壓熱悶的兩個關(guān)鍵設(shè)備輥壓破碎機和有壓熱悶罐。熔融鋼渣運輸至有壓熱悶現(xiàn)場，首先傾倒至輥壓破碎區(qū)，使用輥壓破碎機對鋼渣進行破碎處理，該設(shè)備按照一定的方式在鋼渣上行走，對倒入輥壓區(qū)的熔融鋼渣進行輥壓，同時配合打水作業(yè)[5-6]。鋼渣受到輥壓力和冷卻應(yīng)變力作用而破碎，使鋼渣初步冷卻并破碎粉化。輥壓處理后的鋼渣經(jīng)轉(zhuǎn)運臺車及吊裝設(shè)備運輸至有壓熱悶罐內(nèi)，再進行打水熱悶。

圖4 鋼渣有壓熱悶主要裝備

有壓熱悶罐工作壓力約0.2～0.4 MPa，高的熱悶壓力提高了水蒸氣在鋼渣體系中的滲透速率，使水蒸氣與鋼渣充分接觸，加速了水蒸氣與鋼渣中游離鈣鎂氧化物的反應(yīng)。有壓熱悶時間較傳統(tǒng)熱悶大大縮短，處理時間僅需3 h，生產(chǎn)效率大幅提高。處理后鋼渣粒徑小于20 mm的在70%以上，渣鐵分離效果好。實現(xiàn)了熱悶處理線的裝備化和自動化，減少了生產(chǎn)現(xiàn)場操作人員，提高了勞動生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)運行成本。

輥壓破碎處理處于半封閉狀態(tài)，且設(shè)置除塵裝置，能夠滿足煙塵排放標準。有壓熱悶罐處理是在全密閉體狀態(tài)下進行的，實現(xiàn)了煙塵的有組織排放，比以往鋼渣處理技術(shù)潔凈化程度更高，更加環(huán)保。此外，有壓熱悶罐處理過程在封閉罐體內(nèi)產(chǎn)生大量蒸汽，可望進行整合發(fā)電，為鋼渣顯熱的回收利用創(chuàng)造了條件。

2 鋼渣中金屬鐵提純工藝技術(shù)

鋼渣中約含10%的殘鋼。由于在冶煉造渣過程中，鋼渣在鋼液表面處于噴濺狀態(tài)，有部分鋼液以鋼珠形態(tài)與鋼渣粘附包裹在一起，隨渣排出，造成鋼渣中殘鋼回收困難。研發(fā)的棒磨機破碎、剝離、提純渣鋼的新工藝，回收的鋼渣鐵品位大于85%，可直接返回?zé)掍?；磁選粉鐵品位大于60%，可直接返回?zé)Y(jié)使用；尾渣的金屬鐵小于2%，用于生產(chǎn)建材。棒磨機渣鋼提純工藝流程見圖5。

3 鋼渣資源化利用技術(shù)

鋼渣中含有水硬性物質(zhì)硅酸三鈣C3S和硅酸二鈣C2S，兩者含量在50%以上，而鋼渣的生成溫度在1 600～1 700 ℃，比硅酸鹽水泥熟料的燒成溫度高200～300 ℃，因此鋼渣常被稱為“過燒的硅酸鹽水泥熟料”。其兩者不同點在于，鋼渣中C3S和C2S結(jié)晶致密、晶粒粗大，固熔少量其他礦物；其次，鋼渣中含有游離氧化鈣和游離氧化鎂，影響鋼渣的體積安定性，限制了鋼渣的應(yīng)用。鋼渣經(jīng)過熱悶處理后，消解了其中的游離氧化鈣和游離氧化鎂，保證了鋼渣的安全使用。

根據(jù)鋼渣的水硬膠凝性、耐磨、水化熱低、后期強度不斷增長等的特點，鋼渣現(xiàn)已實現(xiàn)了多途徑、體系化應(yīng)用。

圖5 棒磨機渣鋼提純工藝流程

3.1 鋼渣返回?zé)Y(jié)用作熔劑

鋼渣中含有鈣、鎂、鐵等，粒度在0～10 mm、含磷低的鋼渣可以部分用于燒結(jié)配料，從而降低燒結(jié)礦成本，達到變廢為寶、資源二次利用的目的。

3.2 鋼渣作水泥混合材

鋼渣中含有水硬性礦物硅酸三鈣C3S和硅酸二鈣C2S，還含有少量金屬鐵及鐵氧化物，可以在水泥生料配料時代替石灰石和鐵質(zhì)校正劑，還可用作水泥混合材，節(jié)約資源，降低水泥成本，改善水泥性能。

3.3 鋼渣用于道路材料

鋼渣作道路墊層、基層材料，其強度、抗沉彎性、抗?jié)B性均優(yōu)于天然石材；鋼渣替代碎石作砼骨料用于道路面層，可提高防滑性、耐磨性。其在市政、公路等工程建設(shè)中應(yīng)用，不僅節(jié)約工程投資，而且避免了開采石材對環(huán)境造成的破壞，具有推廣應(yīng)用價值。

3.4 鋼渣生產(chǎn)鋼鐵渣粉用作混凝土摻合料

鋼渣粉中的C3S、C2S、f-CaO水化可以釋放出Ca(OH)2，促進礦渣粉的水化反應(yīng)，保證體系的堿度。礦渣粉可以吸收鋼渣粉水化產(chǎn)生的Ca(OH)2，利用自身水化產(chǎn)生的收縮降低體系因鋼渣粉中組分后期水化膨脹造成開裂的風(fēng)險，同時鋼渣粉中少量f-CaO、f-MgO水化膨脹特性可補償混凝土自身及磨細礦粉摻入所增加的收縮，減少混凝土開裂風(fēng)險。鋼渣粉磨生產(chǎn)鋼鐵渣粉，實現(xiàn)了鋼渣與礦渣的優(yōu)勢互補，是鋼渣高價值利用的途徑。

目前，鋼鐵渣粉作混凝土摻合料已成功地應(yīng)用在福建下白石特大橋、武漢南太子湖大橋、武漢墨水湖大橋、武漢世貿(mào)錦繡長江、浙江蕭山國際機場T3航站樓及隧道工程、浙江新世界財富中心等大型工程中，時間較長的已有幾十年的時間。其各項性能優(yōu)于常用普通混凝土，并且顯示出較好的經(jīng)濟效益。鋼鐵渣粉在混凝土攪拌站使用，按每方混凝土摻入量180 kg(約占膠凝材料50%)，預(yù)計可降低混凝土原材料成本5～10元/m3，如果將2014年全國產(chǎn)生的1.15億t鋼渣中的5 000萬t用于生產(chǎn)鋼鐵渣粉，可生產(chǎn)1.5億t鋼鐵渣粉，節(jié)約混凝土原材料成本近10億元[7]。

4 鋼渣綜合利用的運營模式

我國冶金渣處理和運營方式有兩種：由冶金企業(yè)建設(shè)、負責(zé)運營和冶金企業(yè)排渣、由鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)或個體、私營企業(yè)建設(shè)、運營。

以上兩種方式的弊端是：冶金企業(yè)建設(shè)運營費用由企業(yè)負擔(dān)，管理責(zé)任不明，影響企業(yè)技術(shù)進步。由鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)或個體、私營企業(yè)建設(shè)運營，環(huán)保和資源利用方面人才不足，難以正確有效地對處理設(shè)施進行科學(xué)合理的運行管理，污染嚴重，資源不能100%利用。

世界公認的有效方法是由專業(yè)環(huán)保設(shè)施運營管理公司對冶煉渣的處理和資源化實施專業(yè)化管理。隨著冶金企業(yè)產(chǎn)能的擴大，以及國家節(jié)能減排工作的不斷深入，冶金固體廢物合理處置與資源化利用的壓力越來越大。中國冶金科工集團有限公司嘗試利用資金和技術(shù)優(yōu)勢投資冶金企業(yè)固體廢物處理項目并長期運營管理的商務(wù)新模式，現(xiàn)已初見成效。

2008年以來，中冶建筑研究總院有限公司以設(shè)計、設(shè)備總成，EPC和BOO方式推廣鋼渣“零排放”技術(shù)，與新余鋼鐵公司、萍鋼九江鋼鐵公司、天津無縫鋼管公司、廣東珠?；浽ＸS鋼鐵公司、寶鋼湛江鋼鐵基地等簽訂了冶煉渣綜合利用投資運營協(xié)議和環(huán)保綜合運營框架協(xié)議。并組建了專業(yè)運營公司，其專業(yè)性強，管理經(jīng)驗豐富，可保證鋼鐵渣“零排放”，環(huán)保達標，使上級環(huán)保部門易于管理和控制。這種運營方式結(jié)構(gòu)的調(diào)整，保證了鋼鐵渣的資源化利用。

5 鋼渣處理利用新技術(shù)和運營模式對有色冶煉行業(yè)的借鑒

2014年，我國有色金屬冶金廢渣的產(chǎn)生量在3 000萬t以上，其中火法冶煉產(chǎn)生的廢渣以銅渣，鉛渣、鉻渣以及鎳渣為主。銅渣在1 000萬t以上，銅渣鐵含量通常達30%～40%，銅含量0.5%～2.1%，其他成分主要為CaO和SiO2；鉛渣約400萬t，主要成分有SiO2、FeO、CaO和ZnO，占鉛渣總量的90%；鉻渣150余萬噸，主要成分為CaO和MgO，含10%～20%的Fe2O3，以及7%～9%的鉻；鎳渣150萬t，成分主要為FeO、SiO2，其中TFe含量約40%，SiO2含量30%～50%[8-11]。

粗略計算，上述四種工業(yè)渣年產(chǎn)生量近2 000萬t，平均鐵含量約30%，若能有效利用可獲得300萬t的鐵原料以及1 500余萬噸的無機非金屬材料。可見這些廢渣是一筆價值可觀的資源。

綜上所述，冶煉渣不是絕對的廢物，而是放錯位的資源，只要對其進行深入研究，拓展利用途徑，其可成為可利用的寶貴資源。

5.1 鋼渣熱悶技術(shù)的借鑒

鋼渣熱悶技術(shù)利用鋼渣本身的余熱，在熱悶過程中各礦物間產(chǎn)生復(fù)雜的相變，利用在相變過程中不同礦物的冷卻收縮應(yīng)力、相變應(yīng)力和化學(xué)反應(yīng)膨脹應(yīng)力，實現(xiàn)金屬與渣的分離，為金屬的提取和廢渣的再利用節(jié)能降耗。有色冶煉渣特別是火法冶煉渣，和鋼渣產(chǎn)生過程一樣，都經(jīng)歷由高溫到低溫的過程，因此可以借鑒鋼渣熱悶技術(shù)，通過熱悶，實現(xiàn)金屬與渣的分離、有價金屬的提取、尾渣的安全利用。

5.2 鋼渣中金屬鐵提純技術(shù)的借鑒

有色冶煉渣和鋼渣一樣都存在渣包裹金屬、金屬包裹渣的問題，簡單處理提取的金屬中渣含量高，不利于金屬的利用，因此可通過棒磨提純技術(shù)，提高金屬的品位，減少金屬在回收利用時廢渣造成的能源消耗。

5.3 鋼渣利用技術(shù)的借鑒

關(guān)于有色渣的資源化利用國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，一方面是提取渣中的有價金屬，另一方面是利用其中鈣、鎂、鋁、硅元素的氧化物，制備水泥、陶瓷以及玻璃等無機材料，但由于其含有較高的MgO和游離鈣等，導(dǎo)致綜合利用率較低。

針對上述問題，結(jié)合鋼渣利用的研究過程，提出幾點建議供參考：廢渣首先根據(jù)特性進行分類，再通過不同途徑利用，如MgO和游離鈣含量較高的廢渣，利用其膨脹性能用作膨脹劑；MgO和游離鈣含量稍低的用于砂漿等的體積補償收縮；MgO和游離鈣含量更低、體積膨脹率在可控范圍內(nèi)的，用于水泥混合材及其它建材制品等。通過多途徑、體系化的應(yīng)用，實現(xiàn)冶煉渣的綜合利用。另外，研究開發(fā)不同廢渣的潛在特性，利用各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，變廢為寶。

5.4 鋼渣綜合利用運營模式的借鑒

有色冶煉渣中的金屬價值較高，其已逐步被企業(yè)所認識，并被簡單地回收利用。但由于技術(shù)或經(jīng)濟等原因，提取金屬后的廢渣主要堆棄處理，造成資源浪費，并污染環(huán)境。對此，可通過成立專業(yè)環(huán)保設(shè)施運營管理公司進行專業(yè)化運作，不僅可為企業(yè)創(chuàng)造效益，還能減輕企業(yè)發(fā)展的負擔(dān)，為企業(yè)、社會做出貢獻。

6 結(jié)論

本文以鋼渣為對象，介紹了鋼渣處理工藝的發(fā)展過程、鋼渣利用技術(shù)和鋼渣綜合利用的運營模式，以期為我國有色冶煉渣的綜合利用提供借鑒：

(1)熱悶技術(shù)可應(yīng)用于火法冶煉渣的處理，通過液態(tài)渣的自身余熱實現(xiàn)金屬與渣的分離，是一種清潔、節(jié)能、環(huán)保的處理技術(shù)；

(2)棒磨技術(shù)可提高金屬品位，為金屬的再利用提供保證；

(3)冶煉渣的利用應(yīng)進行分類，多途徑體系化地應(yīng)用，以提高綜合利用率；

(4)冶煉渣的綜合利用只有通過專業(yè)企業(yè)處理，才能實現(xiàn)資源高附加值和“零排放”。

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Disposal and utilization new technology for steel slag and its reference to non-ferrous smelting slag

WU Long, HAO Yi-dang, Lü Wen, SUN Shu-shan

Smelting slag is the by-product of metal smelting. Due to the low utilization rate, a large amount slag is under storage which lead to pollution of environment and waste of resources. Taking a large amount steel slag produced in smelting as object, the processing technology, resource utilization technology and operation mode were introduced in this paper, the results provided reference to the disposal and utilization of non-ferrous smelting slag.

smelting slag; steel slag; noferrous smelting slag; resource utilization

吳龍(1985—)，男，安徽亳州人，工學(xué)博士，高級工程師，主要從事冶金固廢資源循環(huán)利用研究。

2015-08-13

X756

B

1672-6103(2016)01-0062-06