國內(nèi)外鋼渣資源化利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

宋 贊

鋼渣是煉鋼過程中的副產(chǎn)品，其產(chǎn)量為粗鋼產(chǎn)量的10%-20%。2018年我國粗鋼產(chǎn)量9.28億噸，產(chǎn)鋼渣1.21億噸。國外發(fā)達(dá)國家在鋼渣利用方面已達(dá)到排用平衡；而國內(nèi)鋼渣相對利用率只有約25%，使用量有限（主要以回收金屬鐵做為燒結(jié)和高爐熔劑，做為煉鋼添加料等鋼廠內(nèi)部循環(huán)利用方式為主）。目前約有70%的鋼渣處于堆存和填埋狀態(tài)，存在占用大量土地、環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等問題。

進(jìn)入“十三五”，國家發(fā)展改革委和工業(yè)和信息化部把冶金渣，特別是轉(zhuǎn)爐鋼渣、電爐鋼渣的綜合利用作為重點(diǎn)，并對大宗固體廢物的開發(fā)利用所涉及的新工程項(xiàng)目給予資金支持，評選各種示范企業(yè)和工業(yè)園區(qū)建設(shè)，產(chǎn)業(yè)政策也都在向鋼渣開發(fā)利用行業(yè)傾斜。特別是2019年1月9日，國家發(fā)展改革委和工業(yè)和信息化部聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展的通知》，吹響了推進(jìn)冶金渣深度處理、高效利用的號角。

國外鋼渣利用的研究開展比較早，為實(shí)現(xiàn)不同煉鋼工藝鋼渣利用最大化，國外鋼鐵企業(yè)和下游制造商緊密合作，拓展了多種類鋼渣使用領(lǐng)域。其中日本鋼渣有效利用率在95%以上，歐洲鋼渣利用率也在90%以上，本文對日本、歐洲和國內(nèi)鋼渣的利用情況進(jìn)行匯總分析，希望對我國的鋼渣利用有指導(dǎo)和借鑒作用。

1.日本鋼渣資源化利用情況

日本鋼渣大部分是粉碎后磁選回收廢鋼，剩余尾渣幾乎全部用于水泥、道路工程、混凝土骨料和土建材料等方面，其中，路基材料使用量達(dá)到了鋼渣總量的30%。

1.1 復(fù)合路基料的開發(fā)

由于鋼渣水硬性和單軸抗壓強(qiáng)度都較小，不能直接作為上層路基料使用，因此，開發(fā)了將鋼渣與混凝土再生料結(jié)合的復(fù)合路基料。通過運(yùn)用混凝土再生料未反應(yīng)水泥的再硬化特性，混凝土再生料的堿性刺激導(dǎo)致渣潛在水硬性早期顯現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)鋼渣混合物性值穩(wěn)定。日本北九州市土建工程材料，按混凝土再生料45%、鋼渣30%和高爐渣25%的比例配合，開發(fā)了具有與常規(guī)HMS25同等性質(zhì)的復(fù)合路基料。

1.2 修復(fù)海域環(huán)境

鋼渣中含有CaO，利用鋼渣固化作用，可將封閉性海域營養(yǎng)富化的磷元素變成磷灰石，從而增強(qiáng)海域的強(qiáng)度。鋼渣中含有大量海藻生長所需的二價(jià)鐵(FeO)和SiO2，可將鋼渣作為在營養(yǎng)貧化海域制造海藻場的基質(zhì)材料和肥料。

鋼渣可用來抑制富營養(yǎng)物的產(chǎn)生，改善海域水質(zhì)和水底狀況。鋼渣呈堿性并含有鐵，具有抑制沉積在封閉型海域中淤泥狀水底的硫化物還原為硫化氫的功能。同時(shí)，還抑制硫化氫造成的氧消耗，防止海底缺氧。JFE鋼鐵公司、新日鐵住金等鋼鐵企業(yè)已經(jīng)采用了此法改善日本近海。

利用鋼渣造人工礁由JFE鋼鐵公司成功開發(fā)，將鋼渣粉碎回收部分廢鋼鐵后，通過噴吹CO2與尾渣中CaO反應(yīng)形成CaCO3帶孔塊狀物，將其沉入近海海底，海藻類附在帶孔漁礁上生長，有利于改善海洋生態(tài)環(huán)境，該法現(xiàn)已在日本近海推廣。

1.3 制造肥料

新日鐵住金公司生產(chǎn)的爐渣供給肥料廠作為鈣肥、磷酸肥及含鐵的特殊肥料的原料，將爐渣肥料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)既提高了產(chǎn)量又改良了土壤。因?yàn)殇撛锈}、鎂、硅酸、氧化鐵、錳、硼等多種元素，還含有能立刻顯示出效果的堿性成分鈣和緩慢生效的堿性成分磷酸鈣，與普通肥料相比，具有持續(xù)改良酸性土壤的效果。

2.歐洲鋼渣資源化利用情況

歐洲的鋼渣資源化利用目前重點(diǎn)在建筑和建材行業(yè)，在水泥、混凝土、路面和建材制品中的廣泛應(yīng)用是發(fā)展方向。鋼渣在德國的利用情況最具代表性。在德國，減少廢棄堆放的鋼渣量是鋼鐵工業(yè)發(fā)展目標(biāo)之一，有關(guān)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)都在積極開發(fā)鋼渣深度加工和質(zhì)量控制技術(shù)，研究拓寬鋼渣的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.1 建筑材料應(yīng)用

鋼渣作為建筑材料廣泛應(yīng)用于土木工程、水利工程及鐵路工程等，安定性是應(yīng)用領(lǐng)域最重要的指標(biāo)。對于安定性好的鋼渣，德國采用超慢冷卻，獲取了直徑為100mm-500mm的粒度，滿足了水利工程所需的粗粒徑。

德國萊歇（Loesche）公司在比利時(shí)沙勒羅瓦（Charleroi）開展鋼渣處理項(xiàng)目，生產(chǎn)高性能新型建筑材料-碳化石/磚（Carbstone）。該項(xiàng)目用破碎機(jī)對鋼渣進(jìn)行預(yù)處理，隨后使用改進(jìn)的萊歇磨機(jī)對鋼渣進(jìn)行研磨，生產(chǎn)超細(xì)礦物添加料，同時(shí)回收高純度金屬。超細(xì)礦物添加料與水和添加劑混合攪拌成型，然后經(jīng)高壓蒸壓碳化處理后得到建筑材料。

2.2 廢水處理和填料處理應(yīng)用

鋼渣具有良好的過濾性能，對廢水中的雜質(zhì)顆粒、溶解性有機(jī)物和部分重金屬具有良好的去除作用。鋼渣因含有75%的堿性氧化物顯堿性，同時(shí)鋼渣經(jīng)粉磨后表面積較大，決定了鋼渣可以通過化學(xué)反應(yīng)和吸附作用處理廢水中的污染物。所以，鋼渣應(yīng)用在重金屬離子廢水、有機(jī)染料廢水、無機(jī)非金屬廢水處理方面有很好的效果。

在歐洲，鋼渣用作填料強(qiáng)化人工濕地脫氮除磷效果，小型垂直流人工濕地分別以鋼渣和傳統(tǒng)材料礫石作填料處理生活污水，見表1。用鋼渣作填料處理的水質(zhì)明顯好于礫石，鋼渣對磷元素的吸附效果尤其明顯。

表1 鋼渣和礫石填料的處理效果

3.國內(nèi)鋼渣資源化利用情況

3.1 鋼渣的內(nèi)部循環(huán)利用

3.1.1 回收金屬鐵。通過破碎磁選篩分工藝回收各種粒度的金屬鐵是大部分國內(nèi)中小型鋼鐵企業(yè)利用鋼渣的主要手段，其余鋼渣則外賣或堆存渣場。

3.1.2 燒結(jié)熔劑。燒結(jié)礦中配加鋼渣代替熔劑，不僅可回收鋼渣中的殘鋼、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化錳等有益成分，而且可以提高燒結(jié)礦的質(zhì)量。燒結(jié)礦中適量配入鋼渣后，能使結(jié)塊率提高，粉化率降低，成品率增加；再加上水淬鋼渣疏松、粒度均勻、料層透氣性好，也有利于燒結(jié)造球及提高燒結(jié)速度。此外，由于鋼渣中Fe和FeO的氧化放熱，節(jié)省了燒結(jié)礦中鈣、鎂碳酸鹽分解所需要的熱量，使燒結(jié)礦燃料消耗降低。高爐使用配入鋼渣的燒結(jié)礦，盡管鐵品位略有降低，煉鐵渣量略有增加，但由于強(qiáng)度高，粒度組成有所改善，高爐操作順行，焦比有所降低。我國首鋼、馬鋼、太鋼、沙鋼唐鋼、河鋼邯鋼等鋼廠均利用鋼渣做燒結(jié)礦熔劑。

3.1.3 高爐熔劑。國內(nèi)一些鋼鐵企業(yè)將鋼渣做熔劑應(yīng)用于高爐冶煉，實(shí)踐證明鋼渣做高爐熔劑主要優(yōu)點(diǎn)：1）回收利用了渣中大量的金屬鐵，減少了燒結(jié)礦和石灰石用量；2）太鋼、美國內(nèi)陸鋼公司等企業(yè)的實(shí)踐證實(shí)：鋼渣中因含有較多的Mn和MnO，能使高爐的流動(dòng)性和穩(wěn)定性變好，不僅提高了料柱的透氣性，還能使高爐的脫硫能力提高3%-4%；3）經(jīng)濟(jì)效益好。國內(nèi)馬鋼、太鋼等高爐大量應(yīng)用轉(zhuǎn)爐鋼渣做熔劑，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1.4 煉鋼添加料。轉(zhuǎn)爐煉鋼使用含磷較低的高堿度返回鋼渣并配合使用白云石，可以使煉鋼成渣早，減少初期渣對爐襯的侵蝕，有利于提高爐齡，降低耐火材料消耗，同時(shí)可替代部分螢石。鋼渣中含40%-50%的CaO、6%-10%的MgO等，利用鋼渣中的殘鋼、氧化鐵、氧化鎂、氧化鈣、氧化錳等有益成分，通過適當(dāng)?shù)墓に?，合理地將鋼渣返回轉(zhuǎn)爐利用，可有效促進(jìn)轉(zhuǎn)爐冶煉過程的前期化渣，降低輔料的消耗，達(dá)到增加效益的目的，而且鋼渣的返回利用不會對鋼水質(zhì)量發(fā)生負(fù)面影響。

3.2 鋼渣的外部循環(huán)利用

3.2.1 鋼渣微粉。鋼渣微粉是鋼渣經(jīng)過加工、篩選、干燥后磨細(xì)并摻加適量的外加劑加工混合而成的產(chǎn)品。研究表明，在混凝土攪拌過程中摻加適量的鋼渣微細(xì)粉取代部分水泥，可以提高其結(jié)構(gòu)的致密度和力學(xué)強(qiáng)度，這一穩(wěn)定可靠的性能已被上海寶冶鋼渣公司在道路、場坪、制品等多方面廣泛應(yīng)用。而且摻鋼渣微粉可使混凝土抗凍性能大幅提高，當(dāng)鋼渣微粉摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，其抗折強(qiáng)度比普通基準(zhǔn)混凝土提高約30%，脆度系數(shù)降低30%，耐磨性能提高13%以上。

3.2.2 道路工程或回填材料。鋼渣因其容重大、強(qiáng)度高、硬度大、耐磨性能好等特性，被廣泛應(yīng)用于道路工程中。鋼渣在鐵路和公路路基、工程回填、修筑堤壩、填海造地等工程中使用，國內(nèi)已有相當(dāng)廣泛的實(shí)踐，例如北京國家體育館在工程施工過程中就大量使用了鋼渣作為回填材料，回填的鋼渣全部來源于首鋼煉鋼過程中廢棄多年的煉鋼剩余渣。經(jīng)過加工處理后的鋼渣按照試驗(yàn)配比與少量水泥及其他輔料配制而成，其密度、含水率、放射性等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合國家規(guī)范要求。國家體育館建設(shè)工程使用大量鋼渣作為回填材料的施工經(jīng)驗(yàn)，為鋼渣作為回填材料進(jìn)行地基處理提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

3.2.3 鋼渣瀝青混凝土。根據(jù)鋼渣屬于堿性集料、具有多孔的物理特征，通過特殊方式破碎，經(jīng)過試驗(yàn)和優(yōu)化與瀝青的配比設(shè)計(jì)，研制出劈裂強(qiáng)度比高、殘留穩(wěn)定度大、抗車碾等物理性能好的鋼渣瀝青混凝土，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣瀝青混凝土具有良好的熱穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗滑性能，對提高我國瀝青路面的耐久性和降低工程造價(jià)發(fā)揮了極為重要的作用。此外，鋼渣也可以用于瀝青混凝土的骨料，以代替石質(zhì)骨料，節(jié)省自然資源（石材），提高鋼渣再生利用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.2.4 農(nóng)用肥料。鋼渣中的鈣、硅、磷等在冶煉過程中經(jīng)過高溫鍛燒，其溶解度大大改善，容易被植物吸收，可用作有速效又有后勁的復(fù)合礦質(zhì)肥料。目前，我國有鋼渣磷肥和鈣鎂磷肥。衡量用作磷肥的鋼渣質(zhì)量，取決于有效P2O5含量，在煉鋼過程中，提高有效P2O5的含量是提高鋼渣磷肥質(zhì)量的關(guān)鍵。馬鋼生產(chǎn)的鋼渣磷肥不僅在酸性土壤施用效果好，在缺磷的堿性土壤上施用也可獲得增產(chǎn)，不僅在水田施用效果好，在旱田肥效也有作用。

3.2.5 廢水處理吸附劑

鋼渣具有比表面積大、疏松多孔且在水溶液中易水解電離出Ca2+、Fe2+、OH-、羥基化基團(tuán)SOH等性質(zhì)，能很好地去除廢水中重金屬離子，且效率較高。國內(nèi)曾有鋼渣對銅、鉛、鉻、鋅、砷等重金屬離子和有機(jī)物吸附特征以及鋼渣改性吸附性能的報(bào)道。

3.2.6 制備微晶玻璃等陶瓷產(chǎn)品。微晶玻璃由于具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨損、耐腐蝕、電絕緣性優(yōu)良、介電常數(shù)穩(wěn)定、膨脹系數(shù)可調(diào)、熱穩(wěn)定和耐高溫等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光學(xué)、電子、宇航、生物等高新技術(shù)領(lǐng)域作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料外，還可大量應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑作為裝飾材料或防護(hù)材料。利用鋼渣制備性能優(yōu)良的微晶玻璃對于提高鋼渣的利用率和附加值，減輕環(huán)境污染具有重要的意義。我國這方面研究起步較晚，但已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。據(jù)報(bào)道，湖南大學(xué)、武漢理工大、華中科技大學(xué)等已利用鋼渣成功研制出性能優(yōu)良的建筑微晶玻璃。

3.2.7 鋼渣高附加值利用。鋼渣的高附加值利用是近年來鋼渣利用研究的熱點(diǎn)。該類研究針對鋼渣含有多種有價(jià)組分的特點(diǎn)，將其材料化，制備成具有特定功能的材料，如利用其制備鋰離子電池陽極材料、制備水處理劑等。這類研究將有效拓展鋼渣高附加值利用的途徑，大大提升其利用的附加值。

4.結(jié)語

（1）從國外鋼渣應(yīng)用情況可知，鋼渣資源化利用呈現(xiàn)多元化趨勢，各國結(jié)合鋼渣實(shí)際成分和性能等情況，開發(fā)了獨(dú)具特色的鋼渣產(chǎn)品。日本主要將鋼渣應(yīng)用于復(fù)合路基料、海洋領(lǐng)域、凈化材料和工業(yè)化肥等，歐洲將鋼渣應(yīng)用在建筑材料、廢水處理和填料處理等行業(yè)。

（2）在現(xiàn)行鋼渣利用模式下，國內(nèi)鋼渣資源化技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用取得了一定的成績，在一定規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了鋼渣的有效利用。但是，總體而言，我國鋼渣的利用率還不高，鋼渣穩(wěn)定可靠應(yīng)用還存在制約因素。例如鋼渣作冶金原料時(shí)，由于鋼渣成分波動(dòng)大，給生產(chǎn)控制帶來一定的困難；鋼渣作建筑材料時(shí)，由于鋼渣的膨脹性，不能完全代替水泥；鋼渣磷肥由于應(yīng)用成本太高，難以推廣；鋼渣作廢水處理吸附劑尚難投入實(shí)際工業(yè)應(yīng)用；鋼渣制備微晶玻璃還停留在研究階段。

（3）隨著鋼鐵工業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展，鋼渣應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷調(diào)整。今后鋼渣應(yīng)用將更加突出高質(zhì)量和綠色環(huán)保的特性，并向大宗量、多途徑、高附加值利用方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)略