李全 周慶華 徐忠民 劉成 馬杰
（昆明鋼鐵控股有限公司 云南 昆明）
摘 要：我國鋼鐵冶金渣產(chǎn)生量較大，受利用技術(shù)、投資費用和深加工成本等因素的影響，鋼渣的綜合利用效率不高，目前大部分鋼鐵企業(yè)仍采用熱潑工藝回收有價金屬和向外處置利用的方式，與國家環(huán)境保護要求的工業(yè)固體廢物“零排放”還有很大差距，鋼渣處理工藝及資源化利用水平迫切需要提高。昆鋼多年來一直致力于鋼渣處理工藝技術(shù)的研究和應(yīng)用。本文簡要介紹了昆鋼鋼渣資源化利用和在水泥、混凝土中應(yīng)用的研究情況。通過熱悶及尾渣處理，鋼渣中的金屬有效回收，尾渣的穩(wěn)定性得到保證，可應(yīng)用在水泥和混凝土中。建議關(guān)注環(huán)境保護政策的變化對鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的影響，正視鋼渣資源化利用問題，采用先進的處理技術(shù)提高利用效率，降低成本，保持企業(yè)的核心競爭力。
關(guān)鍵詞：鋼尾渣；透水磚；鋼渣粉；摻和料；零排放
1 前言
鋼渣是煉鋼產(chǎn)生的工業(yè)固體廢物，主要來自煉鋼時加入的石灰石、白云石和鐵礦石等冶煉熔劑,調(diào)整鋼材性質(zhì)而加入的造渣材料,以及高溫下融化成的兩個互不熔解的液相爐料中分離出來的雜質(zhì)等，其產(chǎn)生量一般為粗鋼產(chǎn)量的12%-20%。鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的鋼渣是目前利用效率最差的大宗固廢之一，報表顯示綜合利用率接近100%，其實運出廠的綜合利用情況鋼企并不了解。當(dāng)前時期，國家正大力推進固體廢物循環(huán)利用，“無廢城市”的興起以及工業(yè)固體廢物資源綜合利用示范基地的建設(shè)，明確要求嚴(yán)格控制增量，逐步解決工業(yè)固體廢物歷史遺留問題，推動大宗固體廢棄物由“低效、低值、分散利用”向“高效、高值、規(guī)模利用”轉(zhuǎn)變，帶動資源綜合利用水平的全面提升。這就要求各鋼鐵企業(yè)把研究工業(yè)固體廢物產(chǎn)品開發(fā)、利用技術(shù)研究作為重點內(nèi)容，積極推動高爐渣、鋼渣等固體廢物的深度研究、分級利用、優(yōu)質(zhì)優(yōu)用和規(guī)?；茫鎸崿F(xiàn)工業(yè)固體廢物“零排放”，解決鋼鐵行業(yè)的高資源、高能耗的現(xiàn)狀，因此，深度研發(fā)工業(yè)固體廢物循環(huán)利用是新時代企業(yè)發(fā)展需要正視的和高度重視的課題。
近幾年，各鋼鐵企業(yè)主要研究的是使鋼渣盡量磨成細(xì)粉，金屬與渣分離，降低鋼渣中的游離氧化鈣（f-CaO），消除鋼渣的不穩(wěn)定性，盡可能多地回收鋼渣中的有價金屬，提高鋼渣的綜合利用率，但對紅態(tài)鋼渣進行處理到鋼渣粉在水泥混凝土中應(yīng)用的研究尚不夠系統(tǒng)和深入，因此，加強這方面的研究顯得十分必要，可靠的鋼渣處理利用工藝和生產(chǎn)出有市場需求、達到國家標(biāo)準(zhǔn)的鋼尾渣產(chǎn)品，短流程、低成本、高效率、高環(huán)保的鋼渣綜合利用途徑，是實現(xiàn)鋼渣“零排放”的關(guān)鍵。
2 昆鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣綜合利用情況
昆鋼有四個鋼鐵生產(chǎn)基地，目前主要有2座120t/a、8座50t/a的轉(zhuǎn)爐，2019年鋼渣產(chǎn)生量約110萬t左右，主要采用熱潑法和熱悶法兩種工藝進行處理，通過鋼渣磁選工藝處理回收鋼渣、水洗粒鐵、磁選鋼渣粉等含鐵原料返生產(chǎn)利用，廠內(nèi)平均綜合利用率為35.55%。磁選后的鋼尾渣部分供再生資源公司用于制作透水磚產(chǎn)品，在廠區(qū)、市政道路鋪設(shè)和工程中使用，利用率占鋼尾渣總量的4.29%；其余部分處置給附近有資質(zhì)的企業(yè)進行利用。
2.1 轉(zhuǎn)爐鋼渣成分分析
鋼渣礦物組成主要是硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鐵鋁酸鹽（C2AF）和少量的方鎂石（MgO）以及游離氧化鈣，鋼渣的化學(xué)成分主要有CaO、SiO2、Fe2O3、MgO等，此外還有少量Al2O3、MnO、P2O5等，鋼渣的成分復(fù)雜多變，不同鋼廠，采用煉鋼工藝不同，原料來源不同，鋼渣的礦物、化學(xué)成分含量存在差異，即使同一鋼廠，不同工藝的鋼渣也存在細(xì)微差異，見表1。
表1 轉(zhuǎn)爐鋼渣的主要化學(xué)成分分析（%）
|
項目 |
f-CaO |
f-MgO |
FeO |
TFe |
MFe |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
SiO2 |
P2O5 |
S |
MnO |
|
熱潑渣 |
5.9 |
0.058 |
— |
17.38 |
0.79 |
— |
44.08 |
8.37 |
1.2 |
9.59 |
3.46 |
0.27 |
3.42 |
|
熱燜渣 |
3.03 |
0.02 |
9.45 |
17.46 |
1.22 |
13.91 |
40.04 |
5.53 |
2.64 |
8.43 |
4.72 |
0.129 |
4.03 |
2.2 昆鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣綜合利用情況
昆鋼除新區(qū)生產(chǎn)基地采用鋼渣熱悶工藝外，其他三個生產(chǎn)基地均采用熱潑工藝處理鋼渣。2012年7月，新區(qū)40萬t/a鋼渣余熱自解熱悶及磁選加工生產(chǎn)線投產(chǎn)，將300-1600℃的轉(zhuǎn)爐固態(tài)或熔融鋼渣傾翻至熱悶池內(nèi)，先經(jīng)機械攪拌和人工打水使其初步冷卻固化破碎，并進行均熱醒渣處理后，再蓋上熱悶蓋進行間歇階段式自動打水噴霧悶渣，充分利用鋼渣自身的余熱將水汽化，產(chǎn)生飽和水蒸汽，促使鋼渣中f-CaO和f-MgO消解體積膨化而粉化，實現(xiàn)渣和鋼的有效分離，經(jīng)過磁選加工生產(chǎn)線處理回收有價金屬進行利用。熱悶后鋼渣f-CaO含量由4.46%降至2.96%，f-MgO含量由0.027%降至0.013%，熱悶前后鋼渣化學(xué)成分變化見表2。
表2 熱悶前后鋼渣化學(xué)成分對比（%）
|
項目 |
f-CaO |
f-MgO |
FeO |
TFe |
MFe |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
SiO2 |
P2O5 |
|
熱悶前 |
4.46 |
0.027 |
8.39 |
22.02 |
7.79 |
11.02 |
42.27 |
7.38 |
2.00 |
11.65 |
2.76 |
|
熱悶后 |
2.96 |
0.013 |
8.18 |
21.78 |
1.06 |
20.54 |
42.06 |
8.52 |
1.72 |
8.96 |
2.59 |
鋼渣利用方式首先進行廠內(nèi)循環(huán)利用，熱悶鋼渣和熱潑鋼渣經(jīng)磁選分類后，鐵塊返回轉(zhuǎn)爐使用，磁選粉作為燒結(jié)配料進行利用，其余產(chǎn)生的尾渣加工成微粉，可作為水泥或混凝土摻和料，處置給有資質(zhì)企業(yè)進行回收利用。
3 轉(zhuǎn)爐鋼尾渣綜合利用發(fā)展方向
隨著新修訂的《固廢法》實施和以后《環(huán)保稅法》對固體廢物環(huán)保稅的開征，以及《工業(yè)固體廢物資源綜合利用評價管理暫行辦法》要求工業(yè)固體廢物資源綜合利用需由第三方評價，工信部門審核符合產(chǎn)品利用目錄方可，加之生態(tài)環(huán)境主管部門督察監(jiān)管的日益嚴(yán)格，如接受鋼尾渣的企業(yè)貯存利用不能滿足國家和地方環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)的要求，產(chǎn)廢單位將面臨延伸追責(zé)和環(huán)保稅按產(chǎn)生量計稅的風(fēng)險。需要鋼鐵企業(yè)加強鋼尾渣綜合利用的研究，及時消除內(nèi)部處置方式單一、匱乏，外部處置渠道變窄后雙向擠壓產(chǎn)生的不利因素，解決鋼尾渣處置制約鋼鐵生產(chǎn)的瓶頸問題。
3.1 實施減量化原則，減少固體廢物產(chǎn)生量
“減量化、資源化、無害化”三R原則是固體廢物污染防治的根本途徑和治本之策，這其中最為根本的是實施減量化。因此，鋼鐵企業(yè)應(yīng)改進工藝技術(shù)，強化管理操作，開展清潔生產(chǎn)，努力降低消耗，提高資源利用率，采取綜合措施，高度重視少渣煉鋼技術(shù)的推廣應(yīng)用，從源頭減少總渣量。
3.2 實施資源化原則，提高固體廢物綜合利用
廢物是放錯了地方的資源，應(yīng)對固體廢物進行資源化利用。在資源日益匱乏的今天，鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的固體廢物處理應(yīng)立足于本廠內(nèi)綜合利用，一方面可以縮短固體廢物處理流程，避免產(chǎn)生二次污染；另一方面可以部分替代鐵礦石作為冶煉原料，緩解鐵礦石的高價對生產(chǎn)的影響，有效降低生產(chǎn)成本。
3.3 開展深加工處理，提高綜合利用價值
鋼鐵企業(yè)固體廢物除了立足于鋼鐵企業(yè)自身循環(huán)利用外，更重要的是向深加工方向發(fā)展，比如將高爐水渣和鋼渣制成礦渣微粉和鋼渣粉。高爐水渣是屬于硅酸鹽質(zhì)材料，具有潛在的水硬膠凝性能；鋼渣的主要礦物成分為硅酸三鈣和硅酸二鈣，其水化硬化過程和水化產(chǎn)物與硅酸鹽水泥熟料相似。根據(jù)水渣、鋼渣具有的水硬膠凝特性，將水渣和鋼渣加工磨細(xì)制成礦渣微粉和鋼渣粉，可等量取代10% ～ 30% 的水泥配制混凝土，這不僅提高水渣和鋼渣的綜合利用的附加值，而且是實現(xiàn)水渣、鋼渣零排放的有效途徑。有關(guān)水渣和鋼渣制粉的技術(shù)和要求，國家已制定《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》、《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》等多項國家標(biāo)準(zhǔn)。
4 昆鋼轉(zhuǎn)爐鋼尾渣的綜合利用及研究
鋼渣深加工處理和綜合利用一直是昆鋼關(guān)注的課題。多年來，幾代人堅持不懈地開展對鋼尾渣資源化利用研究和開發(fā)利用工作，為鋼尾渣的綜合利用奠定了基礎(chǔ)。鋼渣微粉作為水泥和混凝土的摻合料有著廣大的市場，是一種安全的利用方向，但由于受多方面因素的影響，目前昆鋼鋼渣實際利用率與先進同行業(yè)相比還有很大差距，昆鋼在擁有鋼鐵、水泥和混凝土生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，不斷開展鋼尾渣資源化利用協(xié)同研究和推廣應(yīng)用。
4.1 昆鋼轉(zhuǎn)爐鋼尾渣生產(chǎn)透水磚的運用
2015年6月，昆鋼工業(yè)廢渣資源再生利用年產(chǎn)3000萬塊標(biāo)磚生產(chǎn)線項目建成投產(chǎn)，年綜合利用轉(zhuǎn)爐鋼尾渣1.5萬t。采用鋼渣、水泥、粉煤灰等原料按一定配比壓制加工，生產(chǎn)的鋼渣標(biāo)準(zhǔn)磚、重型砌塊耐腐蝕，耐久性好，鋼渣透水路面磚強度在Cc30以上，透水系數(shù)（15℃）≥1.0×10-2cm/s，具有耐磨、抗滑，具備吸附水體中重金屬元素及緩慢調(diào)節(jié)水體酸堿度的特性，產(chǎn)品質(zhì)量經(jīng)云南省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測站檢驗合格，在辦公區(qū)域、小區(qū)、校園、廣場、城市道路建設(shè)中廣泛使用，為安寧市“文明城市”創(chuàng)建和海綿城市建設(shè)做出了積極的貢獻，也為鋼尾渣利用探索出一條綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展的途徑。所用鋼尾渣均進行無害性檢測評價，見表3。
表3 鋼尾渣檢測評價表
|
技術(shù)指標(biāo) |
標(biāo)準(zhǔn)要求 |
檢測結(jié)果 |
判定標(biāo)準(zhǔn) |
|
|
技術(shù)指標(biāo) （TCLP瀝出液） |
鎘 |
≤1mg/L |
＜0.0002mg/L |
《危險廢物鑒定標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》 （GB5085.3-2007） |
|
鋅 |
≤100mg/L |
0.048mg/L |
||
|
鉛 |
≤5mg/L |
＜0.001mg/L |
||
|
六價鉻 |
≤5mg/L |
0.111mg/L |
||
|
鎳 |
≤5mg/L |
＜0.04mg/L |
||
|
鋇 |
≤100mg/L |
13.2mg/L |
||
|
砷 |
≤5mg/L |
0.0006mg/L |
||
|
放射性 |
內(nèi)照射指數(shù) |
≤1 |
0.1 |
《建筑材料反射性核素限量》（GB6566-2010） |
|
外照射指數(shù) |
≤1 |
0.1 |
||
4.2 昆鋼鋼渣粉在混凝土中的應(yīng)用研究
昆鋼同時開展鋼尾渣資源化利用的研究，昆鋼嘉華、昆鋼鋼渣公司和混凝土公司將鋼尾渣經(jīng)過預(yù)處理磨細(xì)成粉，以鋼渣粉部分代替礦渣粉，進行鋼渣礦粉摻合料應(yīng)用研究。對加工的鋼渣粉進行膠凝材料化學(xué)性能、礦物組成、顆粒形貌等分析，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，參考周邊混凝土攪拌站配合比，進行C15、C20、C30、C40四個強度等級的混凝土實驗。采用《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測試樣力學(xué)性能，分析鋼渣粉摻入對混凝土流動性、泌水性、塌落度、抗壓強度、劈裂抗拉強度、水化產(chǎn)物的影響。通過實驗可知，鋼渣粉作為活性摻和料可部分替代礦渣粉。
4.3 昆鋼鋼渣粉在水泥熟料煅燒中的應(yīng)用研究
峨山公司將鋼尾渣作為配料進行水泥熟料煅燒試驗，分階段開展部分、100%替代銅渣試驗工作。采用Fe2O3含量在20%以上的鋼尾渣進行替代實驗，化學(xué)成分分析結(jié)果顯示MgO（7.5-8.5%）雖然偏高，但在替代銅渣配比不超4.0%的情況下，對熟料質(zhì)量影響不大。從質(zhì)量方面來看，使用鋼渣替代銅渣后，熟料質(zhì)量與使用前變化不大，鋼渣適用于熟料煅燒配料；從設(shè)備方面來看，由于鋼渣易磨性較差，隨著配比的增加，磨輥磨盤磨損量加大，對磨機工況影響相對較大。
4.4 昆鋼鋼渣和高爐渣做水泥、混凝土摻和料的試驗研究
昆鋼開展鋼渣微粉制備及和高爐渣復(fù)合做水泥、混凝土摻和料的試驗，對貯存時間較長的鋼尾渣取樣分析測定化學(xué)成分，游離氧化鈣含量相對當(dāng)期產(chǎn)生的鋼尾渣有下降，堿度也有所降低，見表4。
表4 鋼尾渣的主要化學(xué)成分分析（%）
|
項目 |
f-CaO |
FeO |
MFe |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
SiO2 |
P2O5 |
S |
MnO |
|
鋼尾渣1 |
2.1 |
7.54 |
0.84 |
14.17 |
34.64 |
5.69 |
2.5 |
12.96 |
2.21 |
0.2 |
5.69 |
|
鋼尾渣2 |
2.12 |
7.81 |
0.84 |
17.17 |
34.91 |
6.33 |
2.62 |
12.07 |
1.94 |
0.13 |
6.33 |
|
鋼尾渣3 |
3.22 |
10.51 |
0.72 |
14.84 |
37.09 |
6.67 |
1.6 |
8.43 |
2.51 |
0.14 |
6.76 |
|
鋼尾渣4 |
2.77 |
10.96 |
0.84 |
15.76 |
37.33 |
7.05 |
1.43 |
7.5 |
3.06 |
0.16 |
7.05 |
|
鋼尾渣5 |
2.56 |
10.42 |
0.98 |
13.27 |
35.06 |
7.78 |
3.28 |
12.24 |
2.23 |
0.12 |
7.78 |
對鋼尾渣進行粗加工，再次磁選回收有價金屬使鐵含量小于2%，進一步細(xì)磨進行化學(xué)分析，貯存期較長的鋼尾渣粉雖然安定性合格，但活性達不到技術(shù)要求，不能單獨摻入使用。因此，與高爐渣按1:1的比例配制加工復(fù)合微粉進行活性試驗，結(jié)果見表5。
表5：復(fù)合微粉的檢測報告
|
樣品名稱 |
鋼渣粉 |
||||
|
檢驗項目 |
用于混凝土技術(shù)指標(biāo) |
檢驗結(jié)果 |
單項判定 |
||
|
一級 |
二級 |
||||
|
比表面積/（m2/kg） |
≥350 |
516 |
合格 |
||
|
密度/（g/cm3） |
≥3.2 |
3.00 |
不合格 |
||
|
含水量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、% |
≤1.0 |
1.0 |
合格 |
||
|
游離氧化鈣含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/% |
≤4.0 |
0.18 |
合格 |
||
|
三氧化硫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/% |
≤4.0 |
1.12 |
合格 |
||
|
氯離子含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/% |
≤0.06 |
0.017 |
合格 |
||
|
活性指數(shù)/% |
7d |
≥65 |
≥55 |
82 |
合格 |
|
28d |
≥80 |
≥65 |
87 |
合格 |
|
|
流動度比/% |
≥95 |
95 |
合格 |
||
|
安定性 |
沸煮法 |
合格 |
合格 |
合格 |
|
從表中可以看出，檢測結(jié)果除密度不合格需改進外，其余指標(biāo)均達到《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》（GBT 20491-2017）標(biāo)準(zhǔn)。
5 結(jié)語
1）昆鋼鋼尾渣經(jīng)深加工處理后，基本性能滿足制備鋼渣微粉需要，可作為水泥和混凝土的摻合料。
2）昆鋼鋼渣的主要礦物組成和化學(xué)成分與建筑材料很相近,可廣泛用于建材、水泥、混凝土、道路等領(lǐng)域,是非常理想的二次資源。
3）在前期試驗研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展從鋼渣產(chǎn)生到產(chǎn)品全過程利用的系統(tǒng)研究，構(gòu)建從鋼鐵行業(yè)到建材行業(yè)的產(chǎn)業(yè)循環(huán)體系，探索一條技術(shù)可靠、低成本運行的新途徑，是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈效益最大化，可持續(xù)發(fā)展的一個必然選擇。
4）從實驗研究成果到實際生產(chǎn)應(yīng)用，還需要解決鋼尾渣深加工制備工藝選擇、開發(fā)拓展市場、利潤產(chǎn)生、綠色消費觀念倡導(dǎo)等關(guān)鍵問題，才能最終實現(xiàn)鋼尾渣資源化利用與產(chǎn)生社會效益的雙贏。
5）隨著國家環(huán)保政策的逐漸完善，以及工業(yè)固體廢物處置利用標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，具備領(lǐng)先工藝、設(shè)備、技術(shù)和豐富運營經(jīng)驗的鋼鐵企業(yè)將占據(jù)優(yōu)勢地位。
參考文獻
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