文/ 北京瀚川鑫冶工程技術有限公司 張建國

轉(zhuǎn)爐渣的應用及其發(fā)展方向論述

The Application of Converter Slag and Its Development Direction

文/ 北京瀚川鑫冶工程技術有限公司 張建國

本文簡單概述了轉(zhuǎn)爐渣應用發(fā)展過程及我國現(xiàn)行的利用狀況，對轉(zhuǎn)爐渣的幾種典型工藝處理方法進行了對比論述，簡述了各自的優(yōu)缺點，并較為詳細論述了轉(zhuǎn)爐渣目前的幾種應用方向；并進一步指明，未來對轉(zhuǎn)爐渣利用，應著力于通過科學而合理的改性而提升渣的資源稟賦，由此建立轉(zhuǎn)爐渣大宗量、多途徑、可循環(huán)利用的模式，實現(xiàn)真正意義上的轉(zhuǎn)爐渣高效利用與全部利用，這是轉(zhuǎn)爐渣未來利用的大趨勢。

轉(zhuǎn)爐渣 資源 綜合利用

轉(zhuǎn)爐鋼渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中產(chǎn)生的廢渣，主要來源于鐵水與廢鋼中所含元素氧化后形成的氧化物，金屬爐料帶入的雜質(zhì)，加入的造渣劑(如石灰石、螢石、硅石)、氧化劑、脫硫產(chǎn)物和被侵蝕的爐襯材料等。據(jù)統(tǒng)計資料，我國粗鋼產(chǎn)量占全球粗鋼產(chǎn)量的比例提高至45.5%，排放的轉(zhuǎn)爐渣量約8 000多萬噸。當前國內(nèi)積存的轉(zhuǎn)爐鋼渣已有2億多噸以上。

在轉(zhuǎn)爐渣規(guī)?；贸跗冢捎玫氖俏醇犹幚淼拇址攀街苯永?，在含鐵組分回收后，尾渣大都用于建筑回填、鋪路、填海造地等。后來發(fā)現(xiàn)，一些用于建筑領域的利用技術實施后問題很多，甚至事故頻發(fā)，以致轉(zhuǎn)爐渣大宗量規(guī)?；眉夹g長時間難以突破。一直到20世紀80年代，對轉(zhuǎn)爐渣的利用技術，無論國內(nèi)、國外，均無重大進展，規(guī)?；玫哪Ｊ讲⑽唇?。一些西方國家政府不得已開始采用對企業(yè)進行補貼的負經(jīng)濟效益方式加以利用，以解決其帶來的環(huán)境污染問題。其主要原因在于：此前的很多基礎研究多致力于熔渣的冶金性能，關注其冶金功用，而對凝渣本身的物理化學特性及資源化利用過程中的行為等均不清楚，相關基礎研究非常薄弱，很多今天看來是顯而易見的道理，在當時卻困惑了冶金、環(huán)境乃至材料方面的專家多年。

直到20世紀80年代以后，關于轉(zhuǎn)爐渣堿度高、自由氧化鈣高、亞穩(wěn)相多(因快冷過程相的非平衡演化導致)，以及其時效分相導致氧化鈣游離及結構的重組與破壞等等，這些帶有本質(zhì)性的系列問題才基本清晰。

一、轉(zhuǎn)爐渣利用技術

1.轉(zhuǎn)爐渣穩(wěn)定化預處理技術

為解決上述轉(zhuǎn)爐渣利用問題，人們認識到：轉(zhuǎn)爐渣組成與物性的不合理，使其無法直接利用，只有將轉(zhuǎn)爐渣出爐后先進行預處理，預處理好的渣一方面利于其中含鐵組分的回收，另一方面要保證其組成與結構的基本穩(wěn)定。具體包括：首先將出爐渣進行預處理，或“穩(wěn)定化”處理，其主旨是預先消除或消解以自由及游離氧化鈣為主的亞穩(wěn)相，使轉(zhuǎn)爐渣在被利用前組成與結構基本穩(wěn)定，并利于渣、鐵分離。其次，將預處理好的轉(zhuǎn)爐渣依據(jù)需要，進行資源化利用。

為此，相繼開發(fā)出轉(zhuǎn)爐渣的多種預處理技術，如熱潑法、熱悶法、盤潑法、滾筒法、風碎法等。這類可稱之為兩步法的轉(zhuǎn)爐渣利用技術，一直延續(xù)到今天，并仍起著主導作用。下面對一些代表性的渣預處理技術的優(yōu)缺點進行簡單的對比分析。

(1) 預熱自解熱悶法

此法是較早開發(fā)的轉(zhuǎn)爐渣預處理技術，也是國內(nèi)鋼企最早采用及引進的處理工藝。原理是將出爐渣置于可封閉罐內(nèi)，利用出爐渣自身的顯熱與潛熱，噴水對其作用，產(chǎn)生帶壓蒸汽，從而對鋼渣強行“消解”。

其優(yōu)點是：對欲處理鋼渣沒有特殊要求，鋼渣消解較徹底，渣鐵易于分離，回收鐵組分后的尾渣礦物組織比較穩(wěn)定、均勻，利于后續(xù)粗放式利用。缺點是：間歇性處理，處理效率很低，占用處理場地大，處理時間偏長，綜合處理成本偏高，安全性控制要求也較高。因此，該工藝不太適合鋼產(chǎn)量大的企業(yè)，目前一些企業(yè)在產(chǎn)能擴張后，摒棄了該工藝。

（2）水淬法

液態(tài)高溫渣在流出、下降過程中，被壓力水分割、擊碎、速凝，在水幕中進行?；Ｋ愎に嚂驘掍撛O備工藝布置、排渣特點不同而不同。如盤潑一水淬法，滾筒一水淬法等。

盤潑法優(yōu)點是：用水強制快速冷卻，處理時間短，生產(chǎn)能力大，處理過程粉塵少，鋼渣粒度小，可減少破碎、篩分的工作量，便于金屬料回收；鋼渣游離氧化鈣含量較低，改善了鋼渣的穩(wěn)定性，有利于綜合利用。缺點是：設備投資比較大；處理過程蒸汽直接排放量較大，對廠房和設備壽命有一定影響；操作工藝比較復雜；對鋼渣的流動性有一定要求，粘度高、流動性差的鋼渣不能用該方法處理。

滾筒水淬法是將熔渣以適宜流速進入滾筒，在離心力和噴淋水作用下，熔渣被水激散并凝成小塊而被收集。在滾筒內(nèi)同時完成冷凝、破碎及渣、鋼分離。寶鋼經(jīng)過多年探索，將1995年從俄羅斯拉烏爾鋼鐵公司引進的滾筒技術進行了多項改進，成功應用于寶鋼、馬鋼等企業(yè)。改進后技術兼具工藝簡化、流程短、設備布局緊湊、占地小等優(yōu)點。

水淬法目前是我國采用較多的方法之一。該類方法優(yōu)點是，處理量大、效率較高，處理后的鋼渣游離氧化鈣較低、?；^為均勻且粒度分布較為理想，自由氧化鈣消解也較為理想，渣中鐵較少氧化，多以二價鐵或金屬鐵存在，利于后續(xù)磁選分離。缺點是，對渣流動性要求較高，因冷卻速度快，其結構內(nèi)應力較大，化學活性相對較高，并存在時效相變的潛在機制。

（3）風碎法(鋼渣風碎?；夹g)

將出爐熔渣倒入中間罐，運到風淬裝置處進行處理。處理時，熔渣流被高速噴出氣流打碎并呈拋物線運動，最終落入水池并被捕集。用于風碎的氣體可以是空氣、惰性氣體或高壓蒸汽等，被加熱的氣體可通過另外熱交換裝置進行熱量回收。該法處理獲得的渣粒粒徑較小、粒徑分布范圍較窄，此法處理的渣冷凝速度最快，自由氧化鈣消解也最為徹底，各晶相分布均勻，晶粒非常細小，顆粒硬度較大，相對其他處理方式，凝渣的結構內(nèi)應力最大，往往會在一周內(nèi)或稍長時間出現(xiàn)時效相變與結構重組，重組后的主晶相主要是硅酸二鈣，且晶粒變大。

圖-1 某鋼廠轉(zhuǎn)爐鋼渣處理車間

2.轉(zhuǎn)爐渣的應用

(1) 轉(zhuǎn)爐渣在筑路方面的應用

轉(zhuǎn)爐渣作為道路建筑集料，美國和日本等認為轉(zhuǎn)爐渣集料力學性能較軋制碎石好，不但耐磨，而且具有一定的水化活性，適合作為瀝青混合料骨料和基層集料，并制定了轉(zhuǎn)爐渣道路集料的技術標準和施工規(guī)范。目前，美國轉(zhuǎn)爐渣產(chǎn)量的約20%用于瀝青混凝土集料，德國約95%轉(zhuǎn)爐渣的用作道路集料。

國內(nèi)轉(zhuǎn)爐渣集料的研究雖取得了一定成果，但研究的不夠系統(tǒng)，并且由于各個鋼廠原材料的礦物成分和冶煉工藝不盡相同，排放的轉(zhuǎn)爐渣成分也有所區(qū)別，因此成果不能在各個地區(qū)通用。馬鋼、武鋼和柳鋼做了許多有益的嘗試，但均未能在在國內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模應用。寶鋼經(jīng)過不懈努力，終于成功地開發(fā)出彩色轉(zhuǎn)爐渣混凝土路面磚，在2010年上海世博會中大顯身手，60%以上的透水和透氣路面均使用此磚。

目前，我國道路建設中的路基和路面材料仍是轉(zhuǎn)爐渣大宗量應用的一個重要領域。但目前借助冷卻介質(zhì)進行穩(wěn)定化處理的轉(zhuǎn)爐渣應用于道路建設材料、特別是路面材料，其時效穩(wěn)定性仍難以滿足高質(zhì)量工程的要求。

(2) 轉(zhuǎn)爐渣作為鋼渣微粉的應用

將轉(zhuǎn)爐渣磨細為符合應用規(guī)定的鋼渣微粉并摻和在水泥中應用，已成為國內(nèi)外研究與應用的一個熱點。國內(nèi)一般認為轉(zhuǎn)爐渣在生料中的摻量以10%～15%為宜，但也有專家認為摻量可達20%～30%。與用作筑路材料相比，轉(zhuǎn)爐渣微粉的附加值相對較高，但仍屬大宗量低附加值利用的范疇。

隨著轉(zhuǎn)爐渣處理技術的發(fā)展，我國主要鋼鐵企業(yè)均將轉(zhuǎn)爐渣微粉作為轉(zhuǎn)爐渣大宗量利用的方向之一。然而，應該看到，目前轉(zhuǎn)爐渣微粉的規(guī)模化利用受到兩大因素制約：①以介質(zhì)冷卻為主導的轉(zhuǎn)爐渣穩(wěn)定化處理技術無法徹底解決組織穩(wěn)定性差以及組分不合理問題，所以其只適合于工程質(zhì)量要求較低的項目，發(fā)展空間因此受到制約；②轉(zhuǎn)爐渣自身成分波動較大，加之采用的是非平衡變化處理過程，其組織與結構性能波動也很大。會因冶煉時間、地點不同，所煉鋼種不同，入爐原料組成波動或種類、配料不同等諸多影響因素的不確定，而很難實現(xiàn)對轉(zhuǎn)爐渣成分、組織性能實現(xiàn)穩(wěn)定化、均勻化的有效控制，進而在對其進行大宗量利用時就很難實現(xiàn)對其質(zhì)量實現(xiàn)穩(wěn)定化、標準化控制。所以，中國目前正在制定用于混凝土的《鋼鐵渣粉》的國家標準，力圖通過“標準”來實現(xiàn)對質(zhì)量的控制，但實際上很難做到。也就是說，轉(zhuǎn)爐鋼渣微粉作為水泥摻和料加以利用，同樣存在其資源稟賦不理想的問題。

(3) 轉(zhuǎn)爐渣的內(nèi)部循環(huán)利用

內(nèi)部循環(huán)是鋼鐵企業(yè)一直重視和普遍采用的轉(zhuǎn)爐渣利用方式。轉(zhuǎn)爐渣作冶煉熔劑返回燒結工序，可以回收轉(zhuǎn)爐渣中鈣、鎂、錳、釩、鐵的氧化物和稀有元素等成分，能大量節(jié)約石灰石、螢石等造渣劑用量，降低焦比，提高利用系數(shù)，降低成本。因此，世界上幾個產(chǎn)鋼大國一直堅持轉(zhuǎn)爐渣返回做熔劑，而且占轉(zhuǎn)爐渣資源化綜合利用的比例較大，目前美國把轉(zhuǎn)爐渣配入燒結和高爐等再利用，利用率大約為56%，德國約為24%，日本約為19%，但磷元素的循環(huán)富集限制了其大比例利用。

轉(zhuǎn)爐渣中含有大量的Fe(約20%左右)及其他有用組分，若其外部循環(huán)必然造成這些金屬資源的極大浪費；若其內(nèi)循環(huán)則受制于轉(zhuǎn)爐渣中較高的磷含量，因此，轉(zhuǎn)爐渣脫磷一直是鋼鐵企業(yè)普遍關注的問題。目前，國內(nèi)外尚沒有可靠的、經(jīng)濟的和適合產(chǎn)業(yè)化推廣的轉(zhuǎn)爐渣脫磷技術。近年來出現(xiàn)的轉(zhuǎn)爐渣改性技術著眼于轉(zhuǎn)爐渣組織的重構，以提高其資源稟賦，有望從磷富集和分離的角度解決這一難題。因此，著力研發(fā)基于熱態(tài)轉(zhuǎn)爐渣改性處理的磷富集和分離技術，對提高轉(zhuǎn)爐渣內(nèi)循環(huán)利用比例、有效回收轉(zhuǎn)爐渣中的Fe等有價組分，具有重要的意義。

（4）轉(zhuǎn)爐渣制備微晶玻璃

利用廢渣制備微晶玻璃起于高爐渣。1959年，前蘇聯(lián)學者最先在實驗室制備成功。歐美、日本等國對廢渣微晶玻璃的工藝技術進行了改進，解決了廢渣微晶玻璃化的一些關鍵性技術問題。與國外相比，我國轉(zhuǎn)爐渣微晶玻璃應用研究起步較晚，利用高爐渣、礦渣和尾礦制備微晶玻璃也取得了一定的成績。但與高爐渣、礦渣和尾礦相比，轉(zhuǎn)爐渣應用性能更差，制備微晶玻璃難度更大，國內(nèi)外報道不多。

利用轉(zhuǎn)爐渣制備的微晶玻璃具有很高的耐磨性、輕質(zhì)高強、很好的熱性能和化學耐腐蝕性能等，可以代替鑄石和陶瓷用作建筑材料、裝飾材料和化工機械材料等，市場容量非?？捎^，是轉(zhuǎn)爐渣高附加值利用領域之一。但是，轉(zhuǎn)爐渣具有化學成分復雜(尤其鐵的含量很高)、熔化溫度高和晶化時間長等特點，用其制備微晶玻璃的工藝相對復雜，成本高，制成的微晶玻璃顏色較深，應用范圍較窄，因此目前轉(zhuǎn)爐渣在制備微晶玻璃中的利用比例一直很低。

但是，轉(zhuǎn)爐渣用來替代現(xiàn)有原料制備微晶玻璃的市場前景是巨大的。其關鍵是如何低成本解決轉(zhuǎn)爐渣中鐵分離、降低熔化溫度和控制晶化時間的問題，而這些問題均涉及轉(zhuǎn)爐渣資源稟賦的改善。通過轉(zhuǎn)爐渣的熱態(tài)改性技術，選擇合適的改性劑對渣中的物相構成進行重構，可以從根本上改善轉(zhuǎn)爐渣的資源稟賦，使其適合微晶玻璃的生產(chǎn)。因此，熱態(tài)轉(zhuǎn)爐渣改性，將是轉(zhuǎn)爐渣用于微晶玻璃制備領域最合適的技術。

（5）轉(zhuǎn)爐渣高附加值利用

轉(zhuǎn)爐渣的高附加值利用是近年來轉(zhuǎn)爐渣利用研究新出現(xiàn)的熱點。該類研究針對轉(zhuǎn)爐渣含有多種有價組分的特點，或?qū)⑵洳牧匣苽渚哂刑囟üδ艿牟牧?，如利用其制備鋰離子電池陽極材料、制備水處理劑。這類研究將有效拓展轉(zhuǎn)爐渣高附加值利用的途徑，大大提升其利用的附加值，但困難依然是如何解決轉(zhuǎn)爐渣低資源稟賦的瓶頸問題。

二、 轉(zhuǎn)爐渣利用的發(fā)展趨勢

目前，以賦予轉(zhuǎn)爐渣較好資源特性為目標的轉(zhuǎn)爐渣熱態(tài)改性研究，正成為國內(nèi)外研究熱點。由此構筑開發(fā)未來轉(zhuǎn)爐渣利用技術的前沿，并日漸成為主流趨勢。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐渣利用模式將發(fā)生根本性的變革，以提升轉(zhuǎn)爐渣的資源特性為主旨，從本質(zhì)上解決其劣質(zhì)資源稟賦問題，并向大宗量、多途徑、高附加值利用方向發(fā)展。

與現(xiàn)行預處理技術不同，其特點為：

（1）改性是以提高轉(zhuǎn)爐渣資源稟賦為目的，而不是僅僅考慮改性后渣的結構穩(wěn)定性與渣鐵簡單分離問題。

（2）因改性是為獲取渣的某種用途或賦予其某種資源特性而進行，所以改性方法具有多樣性與針對性

（3）渣的結構穩(wěn)定性可以直接通過改性而較好地解決，因而無需再通過現(xiàn)行水“消解“方式來解決問題。

不足之處是，因為針對性強，某些改性方式的普適性和一些利用技術的移植性相對較差。這種以提高轉(zhuǎn)爐渣資源稟賦為主旨的轉(zhuǎn)爐渣熱態(tài)改性研究國內(nèi)起步也相對較早，2003年以來，安徽工業(yè)大學、寶鋼、馬鋼、北京科技大學等進行過相應的研究或合作，并都取得一些較好的階段性成果，所以，以賦予轉(zhuǎn)爐渣較好資源特性為目標的轉(zhuǎn)爐渣熱態(tài)改性研究，將逐步形成轉(zhuǎn)爐渣利用技術研發(fā)的主流趨勢，由此構建轉(zhuǎn)爐渣大宗量、多途徑、可循環(huán)利用的新模式，實現(xiàn)真正意義上的轉(zhuǎn)爐渣高效利用與全部利用，將是轉(zhuǎn)爐渣未來利用的大趨勢。

三、 結束語

綜上，在現(xiàn)行轉(zhuǎn)爐鋼渣利用模式下，開拓了轉(zhuǎn)爐渣很多利用途徑，也取得了很多矚目的成就，在一定規(guī)模上實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐渣的有效利用。但也毋庸諱言，轉(zhuǎn)爐渣真正意義上的大宗量、高效利用技術至今未能有效突破，尤其在我國超大鋼鐵產(chǎn)熊下，轉(zhuǎn)爐渣的問題處于亟待徹底解決、而又一時無法解決的尷尬局面。

盡管轉(zhuǎn)爐渣現(xiàn)行預處理技術多達十幾種，但本質(zhì)都是通過消解預處理解決轉(zhuǎn)爐渣結構穩(wěn)定問題，而無法賦予轉(zhuǎn)爐渣較好的資源特性，即轉(zhuǎn)爐渣仍然是“劣質(zhì)資源稟賦”，所以，現(xiàn)行的預處理技術無論如何先進，仍無法、也不可能使轉(zhuǎn)爐渣在低成本、大宗量、多途徑利用技術上出現(xiàn)根本性的突破。從這個意義上講，革新現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐渣利用模式的局限，是實現(xiàn)未來轉(zhuǎn)爐渣利用技術突破的關鍵。

[1]舒型武.鋼渣特性及其綜合利用技術[J]。有色冶金設計與研究，2007，28(5)：3l一34.

[2]趙費軾等.德國冶金潦及其綜合利用情況[J].硅酸鹽通報，2006，25(6)：165—170.

[3]李丙明.低堿度鋼渣配鋪復含膠凝材料研究[D].西安：西安建筑科技大學，2∞9.

[4]甘萬貴.武鋼鋼渣用作瀝青混凝土集料研究[J].武鋼技術，2006，44(5)：55—58.