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钢渣

钢渣

钢渣（英文名：Steel slag），是钢厂在炼钢过程中排出的工业固体废弃物，是钢铁行业的主要大宗固废之一，其化学组分与水泥类似，是一种具有潜在活性的胶凝材料，约占钢产量的12%-15%，主要包括转炉渣、电炉渣、铸余渣、平炉渣等，其中转炉渣呈椭圆形结构，电炉渣则是片状结晶结构。

钢渣是使用转炉、电炉、平炉等炼钢排出的渣，主要由钙、铁、硅、镁等氧化物组成，质地坚硬，难磨，钢渣可在钢厂内循环利用；例如对钢渣进行还原改性回收铁和渣，再通过进一步加工处理制备出目标产品，如微晶玻璃、保温材料等。也可应用于烧结材料，如陶瓷砖、水泥等。另外钢渣还可用于橡胶填料。钢渣的处理工艺主要有冷弃法、热泼法、盘泼法、热闷法、水淬法、滚筒法和风淬法等。

基本组成

化学成分

钢渣的主要化学成分为氧化钙(CaO)、二氧化硅(SiO2)、氧化铁(Fe2O3)、氧化铝(Al2O3)和氧化镁(MgO)，并含有微量的MnO、P2O5和TiO2。钢渣的化学成分变化很大，CaO含量约为20%~55%，SiO2含量约为10%~24%。

矿物成分

钢渣的矿物组成有硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)、钙镁橄榄石(CaMg[SiO4])、氢氧化铝铁四钙(C4AF)、高铁酸二钙(C2F)、Mg2+、Fe2+、Mn2+的氧化物固溶体、游离氧化钙(f-CaO)等。

主要性质

钢渣冷却后，其颜色由本身的碱度决定，通常情况下，钢渣碱度低呈现为灰色，钢渣碱度高表现出褐灰色。渣块松散不粘结，质地坚硬密孔隙较少。其密度为3.0~3.5g/cm3，由于含铁导致其较难磨，易磨指数为0.7（标准砂为1）。渣坨和渣壳结晶细密、界限分明、断口整齐。自然冷却的钢渣堆放一段时间后发生膨胀风化，变成土块状和粉状。

钢渣有较好的抗压性能，压碎值为20%~32%，出渣温度高达1400~1600℃，蕴含着大量的热能。熔融钢渣的比热容约为1.2kJ/(千克℃)，如果回收热量前后熔渣的温度分别以1400℃和500℃计，则每吨钢渣可回收1.2GJ的显热，大约相当于41kg标准煤完全燃烧后所产生的热量。

主要类别

由于炼钢过程中使用的原料和冶炼工序多种多样，钢渣的矿物组成不尽相同。大部分钢渣可分为三大类：氧气转炉渣（Basic 氧工业电炉 slag）、高炉渣（Blast furnace slag）和电弧炉渣（Electric arc furnace slag）。转炉渣略微具有椭圆形结构，电炉渣则是片状结晶结构。其中转炉渣最多，约占中国钢渣总量的70%。

钢渣处理工艺

钢渣的处理工艺主要有冷弃法、热泼法、盘泼法、热闷法、水淬法、滚筒法和风淬法。目前中国钢渣处理主要以热闷法、热泼法、滚筒法三种工艺为主，风淬法在韩国应用较多，冷弃法主要应用于日本，德国、加拿大、英国、印度等国家钢渣主要采用热泼法处理。

冷弃法

冷弃法是指钢渣从炼钢炉进入渣罐后，直接运至渣场，然后泵水加速钢渣的淬化，进行钢渣处理。其优点是设备及投资少，缺点是处理后的钢渣块度大，而且渣钢粘的渣比较多；渣场占地面积大；陈化时间长，通常要陈化一个月以上；尾渣综合利用不大方便。

热泼法

热泼法是将高温热态钢渣倒入渣罐内，通过渣罐车运输到渣处理车间，然后将罐中的渣铺摊在固定的渣处理场地上，向表面喷洒一定量的冷却水，完成快速冷却，同时在温度骤降产生极限应力的作用下，钢渣快速开裂，加快破碎。等到大多数水分蒸发完，用铲车进行翻混，然后多次喷洒适量的冷却水，大约两到三天后钢渣彻底凝固，用铲车装运到下一处理车间进行再破碎和磁选。热泼法的优点是，处理后的钢渣粉化膨胀率达到97%以上，能够更好地实现渣铁分离。缺点是渣处理占地面积大，耗水量大，而且中间过程铲车的二次装运会产生大量粉尘和蒸汽，无组织排放，对环境污染严重；渣铁分离难，热泼渣粒度不均匀，容易结块等。

盘泼法

盘泼法是将熔融钢渣倒人渣罐，运到盘泼车间，倒入受渣浅盘，形成100mm厚渣层，再洒水急冷，使钢渣冲却并破裂，温度降到500℃时，倒入受渣车，第二次洒水冷却，温度降到90一200℃，倒人渣池，冷却至70℃，用抓斗抓出，送后一道工序。处理后的渣，大部分粒径为30mm以下的碎块或碎粒。

热闷法

热闷法是将热态渣通过渣罐车或渣罐吊倒入闷热池 ( 或闷罐) ，然后进行喷水、封罐、热闷，反复热闷12小时左右。在封闭的空间内产生大量蒸汽，同时具有一定的温度和压力，经过物理化学反应，使饱和水蒸气与渣中游离的金属氧化物反应，达到破碎、粉化的目的。该工艺的主要特点是处理周期短，与现代炼钢节奏匹配；处理过程自动化程度高；处理过程烟气有组织排放，运行过程环保达标；粉化率高，便于后续破碎筛分磁选。

水淬法

水淬法的处理方法是液态渣在流动下降过程中被压力水切割破碎，高温熔渣遇水急冷收缩产生应力集中而破裂，并在水幕中粒化。水淬法的有点是能更好的节省处理场地，设备投资小，对环境的污染程度较轻。缺点是易发生爆炸，钢渣粒度无法保证均匀性，只适合液态渣的处理。

滚筒法

滚筒法处理流程：热熔钢渣-滚简装置-链板输送机振动给料器-渣钢分离-分流-外运。滚筒法钢渣处理率85%以上，处理过程清洁环保，处理后的钢渣稳定性好，可直接用于制造产品。滚筒法主要在宝钢和马钢应用

风淬法

风淬法处理流程：热熔钢渣-渣罐中间包-风淬粒化器-皮带带至堆场进行后续分选。该工艺具有金属回收率低，占污染大，处地小，理率低的特点，适用流动性好的渣，流程短，钢渣呈球形颗粒，粒度均匀，属中砂和粗砂范围，风淬法主要在马钢和石钢应用。

主要加工工艺

钢渣一般需要二次加工以后才能进行应用，普遍的加工方式一般为将钢渣破碎、粉磨、分拣挑选以及陈化堆存。

破碎

钢渣多成块状，且硬度大，采用破碎比大、耐用的颚式破碎机对钢渣进行粗碎，进入粗碎的钢渣粒度一般在300mm左右。粗碎过后粒度小于100mm的钢渣进入细碎碎石机（如圆锥式破碎机），否则返回粗破。细破后如果粒度能达到相应磨机的入磨粒度要求，那么可以直接送入磨机内进行研磨，否则需要送入细粒破碎机进行二次破碎。

粉磨

仅仅通过破碎机无法将钢渣彻底打碎，还需将钢渣进行研磨，常用磨机有：钢渣球磨机、钢渣棒磨机和钢渣立磨机。目前不少钢渣微粉生产企业采用多段联合粉磨工艺，主流工艺有：轧机+球磨；棒磨+立磨；立磨+球磨等。磨机的选择应根据实际生产需求具体选择，如对钢渣成品均匀度要求较高，则可选择钢渣棒磨机；若对钢渣研磨成品需求为粉状，则可选择多段粉磨工艺设备；若要尽可能提高钢渣粉活性则可采用超细球磨技术。

分选

钢渣一般含有10%-30%的金属铁，其回收不但可以提高钢铁冶金原料的利用率，为钢铁企业带来巨大的经济效益，同时也是钢渣综合利用的先决条件。国内钢铁企业采用的钢渣选铁工艺方法一般为多段破碎和磁选相结合。其中：磁选机有悬挂式永磁除铁器、平板磁选机、强磁磁选机、永磁筒式磁选机、管式磁选机等；筛子有格筛、单层振动筛和双层振动筛；设备之间用皮带运输机和提升机连接。

陈化处理

钢渣中存在f-CaO，将f-CaO消除的最好方式就是将钢渣陈化堆存，使得钢渣性能趋于稳定，以便下一步的处理与应用。虽然陈化处置是消除膨胀组分的简单有效方法，但是陈化需经历漫长的过程。陈化处置时会占用大量堆放场地，且在陈化过程中钢渣膨胀粉化，活性有所降低。为了缩短陈化时间，日本开发了温水陈化、蒸汽陈化和蒸汽加压陈化法。现已有多家钢铁公司建有蒸汽陈化钢渣设施。

钢渣利用

利用价值

钢渣的出渣温度高达1400℃~1600℃，蕴含着大量的热能。熔融钢渣的比热容约为1.2kJ/(千克℃)，如果回收热量前后熔渣的温度分别以1400℃和500℃计，则每吨钢渣可回收1.2GJ的显热，大约相当于41kg标准煤完全燃烧后所产生的热量。同时，钢渣含有金属铁，可以作为铁资源回收；由于含有硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)及铁铝酸盐等矿相，使得钢渣具有一定的胶凝活性，具有胶凝材料使用价值。

钢渣综合利用技术

利用概况

日本、德国钢渣利用率超过95%，日本钢渣的主要利用途径包括外销、自用和填埋。德国的钢渣主要用于土木建筑、磷肥和钢厂内循环。美国的钢渣利用率超过98%，其中用于烧结和高炉再利用、筑路方面利用的钢渣用量占总钢渣利用量的65%以上。瑞典通过钢渣改性技术，将钢渣用于水泥的生产。加拿大处理后的钢渣主要用于道路建设。阿拉伯地区利用电炉钢渣作为混凝土掺合料配制出属性更好的混凝土。中国钢渣利用率约30%。

工业

钢厂内循环利用；对钢渣进行还原改性回收铁和渣，再通过进一步加工处理制备出目标产品，如微晶玻璃、保温材料等。在冶炼造渣过程，钢渣在钢液表面处于喷溅状态，有部分钢液以钢珠形态和钢渣粘附包裹在一起，随渣排出。所以，钢渣中含有约5%~10%的金属铁以及20%左右的含铁相，冷却粒化后的钢渣经过破碎、筛分、磁选选出渣钢和磁选粉。通过工艺控制可以获得铁品位＞85%的渣钢，直接返回炼钢。获得铁品位＞40%磁选粉，可直接返回烧结使用。同时获得金属铁低于2%的尾渣，根据产品性能要求，通过不同的处理手段，制备出不同性能的产品。但是由于钢渣中仅含有20%~30%左右的含铁相，超过70%的钢渣尾渣不能在钢厂内循环。

应用于烧结材料，如陶瓷砖、水泥等。在硅酸盐水泥中按一定比例掺入钢渣粉可制备出钢渣硅酸盐水泥、低烧钢渣水泥、钢渣道路水泥等水泥品种。目前中国已有《钢渣硅酸盐水泥（GB13590）》《低热钢渣矿渣水泥（YB/T057）》《钢渣道路水泥（YB4098）》《钢渣砌筑水泥（YB4099）》的标准和产品。由于掺钢渣的水泥自身性能特性，其只能用于要求较低的建筑物。另外钢渣还可用于橡胶填料。

道路材料

钢渣拥有较高耐磨性和硬度，处理后安定性良好的钢渣尾渣可用于道路垫层、基层和面层，也可作沥青混凝土路面，提高公路抗压、抗折强度，改变公路抗弯沉性能。用做道路材料是大量消纳钢渣的一种有效途径，但随着时间的延长，钢渣中f-CaO的会慢慢消解，导致地基开裂，出现安全事故。

钢渣砖制备

经稳定化处理后的钢渣和粒化高炉矿渣为主要原料掺入少量激发剂可产生建筑用砖，地面砖和砌块等建筑材料，其强度和耐久性高于粘土砖。钢渣用做骨料制备钢渣砖，会导致砖体开裂粉化，破坏钢渣砖强度。

环境工程

钢渣中含有大量的碱性氧化物，既能与废水或土壤中的重金属离子发生化学反应，也可用于CO2的捕集和封存，是处理废水的理想吸附剂。

农业

钢渣作为碱性渣可以用于酸性土壤中，其中的CaO、MgO可改良土壤土质。钢渣中含有丰富的Ca、Si、P等元素和各种微量元素，有利于作物的生长，且高温煅烧后的钢渣中这些元素的溶解度大大提高。

发展趋势

应用趋势

由于钢渣含有金属铁，使得钢渣可以作为铁资源回收的物质；由于含有C3S、C2S及铁铝酸盐等矿相，使得钢渣具有一定的胶凝活性，具有胶凝材料使用价值。如果能够实现钢渣废热、铁资源、尾渣的回收利用，是实现钢铁企业节能减排、增效降碳的重要手段，并助力“双碳”目标的实现。

面临挑战

钢渣的稳定性不良

在潮湿的环境下，钢渣中的游离氧化钙( f - Cao)遇水生成氢氧化钙[Ca (OH) 2 ]体积增大达1-2倍；当钢渣内含硫量\u003e 3%时，钢渣中的硫化亚铁[ FeS]和硫化亚锰[MnS ]与水生成氢氧化铁胶体[ Fe (OH) 2 ]和氢氧化锰[Mn (OH) 2 ] ，体积将分别增大35%-40%及25%-30%；硅酸盐晶体转化钢渣中的硅酸二钙在500～845℃温度区间内，由α及β型向γ型晶体转变，体积增大10%-20%，致使钢渣碎裂。