范子英

（包鋼冶金渣（綠化）公司）

摘 要：目前鋼渣綜合利用方向主要有回收渣鋼、燒制熟料及混合材、回填材料、道路碎石骨料等領域。鋼渣用途廣泛，利用技術不斷提高，但大宗量利用率不高。當前國家鼓勵發展循環經濟，推行節能減排。鋼渣資源化利用是最具節能減排、環保的措施之一，也是鋼鐵工業健康及可持續發展的原動力。包鋼鋼渣每年排放鋼渣，大部分用作路基填充材料、鋼渣磚等附加值較低的產品，鋼渣具有潛在水硬性膠凝材料。將鋼渣及微粉應用于水泥中作為混合材料時，采用經濟合理的活化方式和生產工藝對鋼渣進行技術處理，使之活性提高，安定性合格，并將鋼渣資源化，大量應用于水泥、水泥制品及環保等領域中。

關鍵詞： 包鋼鋼渣尾渣；粉磨特性；鋼渣粉

1  包鋼鋼渣的理化性質

1.1  鋼渣的分類

根據煉鋼工藝的不同，鋼渣可以分為平爐鋼渣、轉爐鋼渣、電爐鋼渣。平爐鋼渣隨煉鋼過程中出渣時間先后可分為：初期渣、精煉渣和后期渣；轉爐鋼渣可分為：前期渣和后期渣；電爐鋼渣可分為：氧化鋼渣和還原鋼渣。用于建材行業的主要是氧化鈣含量較高的平爐精煉渣、后期渣、轉爐后期渣、電爐還原渣。轉爐鋼渣是轉爐煉鋼過程中產生的副產物，主要來自煉鋼過程鐵料中的雜質、助熔劑、爐襯侵蝕及造渣材料，其主要成分為鈣、硅、鐵、鎂、鋁、錳鈦等的氧化物及其生成的其他礦物，開發利用的潛力很大。但由于鋼渣含有的化學成分較多，礦物組成復雜，給鋼渣處理加工和綜合利用帶來較大難度，目前，國內鋼渣綜合利用率僅約22%，選擇適當的處理加工工藝，實現鋼渣工廠化處理，形成多產品渠道利用和消化尾渣，最大限度提高利用率是必然選擇。

1.2  包鋼鋼渣的理化性質

從外觀形貌上看，未經磁選的轉爐渣及原渣顏色呈黑色，氣孔分布較多，肉眼可見不同粒度的金屬鐵鑲嵌于渣基體內。破碎后有不同數量的金屬鐵解離，原渣硬度較大。經磁選除鐵后的轉爐渣外表呈灰色，肉眼較難發現大尺寸金屬鐵存在，但破碎后鋼渣內部仍然呈深灰色，氣孔數量顯著減少，硬度有所降低。

目前包鋼鋼渣以轉爐鋼渣為主，其主要礦物組成成份見表1。

表1  包鋼鋼渣的礦物組成

包鋼鋼渣的主要礦物相組份為：硅酸三鈣、硅酸二鈣、橄欖石、鐵酸二鈣、薔薇輝石、RO相、尖晶石、鐵鋁酸鈣等。從鋼渣的礦物組成中可知：鋼渣中全部是晶體礦物，不論急冷還是慢冷均為結晶體，基本上不形成玻璃體。

包鋼鋼渣的化學成份波動很大，同時還夾雜著未融化的石灰顆粒和被腐蝕的耐火材料顆粒等，都是導致質量不穩定和安定性不良的因素。隨煉鋼品種、原料種類、配比和操作工藝的不同而變化。鋼渣本身具有獨立的水硬性，根據巖相分析結果看，鋼渣中的礦物相有部分和水泥熟料相似，但比熟料復雜且多。

1.3  鋼渣的處理工藝

根據轉爐渣破碎方式的不同，可將轉爐渣的處理工藝分為熱悶自解工藝和機械破碎工藝兩大類。

僅通過利用熱態轉爐渣中大量游離的氧化鈣在水或大氣中水汽的作用下發生化學反應，產生的熱應力、化學應力和相變應力使轉爐渣龜裂破碎，同時產生大量的常壓飽和蒸汽滲入爐渣中，使渣中游離氧化鈣消溶成氫氧化鈣造成體積膨脹，達到轉爐渣粒化效果。此法統稱作轉爐渣穩定化熱悶自解工藝，包括熱悶法、熱潑法、淺盤法（相同的原理，只是工藝路線、投資狀況、場地建設、針對的不同性能的鋼渣而采用不同的處理工藝）。

1.4  包鋼轉爐鋼渣的處理工藝

熱悶-磁選加工聯合生產工藝是目前包鋼鋼渣主要的鋼渣處理工藝，流程見圖1。

圖1熱悶-加工聯合生產工藝圖

對于滿足條件的渣罐，主要采取熱悶-加工聯合生產工藝，避免鋼渣被水浸泡而破壞鋼渣的潛在特性，為尾渣的綜合利用盡可能留出空間。但由于包鋼鋼渣受出渣配罐運輸時間的影響，仍有部分鋼渣溫度較低不具備熱悶條件，采用熱潑處理后進入加工線進行加工。

2  包鋼鋼渣尾渣的粉磨特性

2.1  鋼渣尾渣

對于尾渣的利用，國內有很多研究成果，相較而言具有可行性的有以下幾種，一是生產鋼渣微粉，其優勢在于鋼渣中主要成分是硅鈣，與水泥熟料成分接近，具有較高強度和潛在活性，提供了作為水泥高活性混合材、商混高活性摻合料和礦渣微粉混合材的必然性。劣勢在于含有大量鐵氧化物固熔體，導致其形成硅酸鹽的活性成分不足，凝結時間長。二是作為建筑材料的粗骨料和細集料使用，如商砼、筑路、基礎處理、制磚、墻體材料等，優勢在于用量較大，相對技術要求不高，劣勢在于替代品多，鋼渣陳化處理要求高。三是作為功能材料的原料如用于微晶化耐磨材料生產，用于碳酸鈣的生產，用于礦渣棉的生產等等。四是用作煙氣脫硫劑，副產物的應用于鹽堿地的土壤改良，但大面積使用有待延伸。

2.2  主要研究內容

針對于目前尾渣儲存量巨大，綜合利用率較低的情況，我們對鋼渣尾渣進行鋼渣粉相關的特性研究，希望可以為鋼渣粉的進一步綜合利用提供理論依據和應用方向。

2.2.1  研磨佳時間與比表面積的關系

實驗選取粒徑小于10mm的鋼渣尾渣進入實驗小磨，進行深度粉磨，在不同時間節點的進行取樣檢測，探究提升鋼渣粉品質的研磨佳時間與比表面積的關系。實驗結果如下：

表2  鋼渣的粉磨時間與比表面積

（1）篩余

通過本實驗控制不同的粉磨時間（見表2），使用0.045mm的負壓篩進行篩析。隨著粉磨時間的增加，鋼渣粉的篩余量逐漸下降，每30分鐘下降幅度在33%左右，當粉磨時間達到60分鐘后，篩余量下降逐漸平緩，下降幅度在1.6%左右，篩余基本穩定在20%左右。實驗數據表明：根據表2、表3，當粉磨時間超過60分鐘后，通過增加粉磨時間來提高鋼渣微粉細度的效果不明顯。隨著粉磨時間的增加，鋼渣粉的比表面積增大，當鋼渣粉在磨機內部達到一種動態平衡時，此時繼續粉磨不僅會增加能耗和球耗，同時也容易損壞設備。通過篩余中的化學分析判斷：篩余中存在較多的金屬鐵和RO相，導致其篩余含量高；通過物相檢測，鋼渣粉細度越大，易磨性越差，越難粉磨。

表3  粉磨時間60分鐘時鋼渣粉的化學組成

（2）比表面積

根據表2，試驗結果與分析表明：在30至60分鐘內，隨粉磨時間的增加，比表面積增長幅度較大，增長幅度在30%左右，在90至120分鐘時，其比表面積增加幅度在8.3%左右，其增加幅度與初期相比幅度不明顯。通過粉磨時現象分析，在比表面積達到588m³/kg時出現糊球、粘磨的現象，說明已經達到了分散—團聚的動態平衡狀態。鋼渣粉在一定研磨體級配情況下，粉磨系統在30至60分鐘之間存在最佳的篩余和比表面積。

2.2.2  鋼渣粉理化試驗

試驗選取4組粉磨時間為60分鐘的鋼渣粉進行鋼渣粉的理化實驗。實驗結果見表4。

表4  鋼渣粉理化試驗

（1）安定性

f-CaO是影響安定性的重要因素之一,鋼渣粉中f-CaO含量取決于生鐵的化學成分、助溶劑的質量、冶煉工藝。f-CaO遇水后進行化學反應釋放熱量在常溫下隨著固相化學反應，其體積膨脹率達97.8%。當f-CaO含量大于4%時，用作水泥等膠凝材料及道路材料、工程回填材料時，會造成體積安定性不良，應禁止使用。綜合比較，包鋼鋼渣粉中的f-CaO含量均低于4%。

MgO是影響安定性的另一重要因素，氧化鎂顆粒在非常細微的情況下遇水生產氫氧化鎂，反應速度比較緩慢，只有在高溫、高壓的條件下才能加快反應速度，其膨脹率達到了148%左右，常態下可影響體積安定性20年。包鋼鋼渣中氧化鎂主要以化合態鎂橄欖石、鎂薔薇石的形式存在不影響體積安定性。

（2）流動度比

包鋼鋼渣微粉的流動度與水泥相似，見表4：綜合比較鋼渣粉的流動度比均大于國標要求的90%，本實驗流動度比均大于國標要求的95%，符合下游水泥等企業的需求。

（3）活性

鋼渣粉的活性取決于處理工藝、物理和化學三個方面進行分析研究，鋼渣粉用于水泥和混凝土摻合料的機理是：轉爐鋼渣的化學成分、巖相、水化過程、水化產物及性能均與水泥熟料相似。

通過對鋼渣粉中各種元素的化學分析來計算鋼渣的堿度，來判斷鋼渣的活性情況，其質量評定方法：堿度B=CaO總量 / (P₂O₅總量 + SiO₂總量)。包鋼鋼渣粉的堿度系數在2.4±0.3之間，屬于中堿度鋼渣，在生產過程中通過工藝和材料的手段加以調整，可以充分發揮其潛在的活性，提高產品的附加值。

3  結論

（1）易磨性與鋼渣密度、RO相、金屬鐵含量以及顆粒的大小有關，易磨性系數越小，其易磨性越好。

（2）鋼渣微粉的流動度與水泥的流動度相似，達到95%以上。

（3）安定性：通過理論計算和安定性檢查二者結果相符。

（4）活性:鋼渣的比表面積越大、微小顆粒越小，其活性就越高。

（5）通過前實驗驗數據可以看出，按照GB/T20491-2006中的技術要求，鋼渣粉達到了一級鋼渣粉的要求。

目前寶鋼、武鋼、沙鋼等鋼鐵企業已經把鋼渣粉應用于實際生產，在水泥和商品混凝土中摻入量達到了20%至40%，添加鋼渣微粉的復合水泥可以達到425#和525#的要求，添加在混凝土中的效果也十分明顯。下一步將繼續對包鋼鋼渣粉進行試驗，對鋼渣粉的品質提升及應用進行深入研究，以實現多產品渠道利用和消化尾渣，為打造綠色建材、低負荷高性能材料提供技術依據，實現鋼渣尾渣的大量綜合利用和公司“零排放”的目標。

參考文獻：

[1]朱桂林、孫樹彬、李可等《科學選擇鋼渣處理工藝加快鋼渣綜合利用》.

[2]朱桂林、趙群等 《冶金渣資源化利用現狀和發展趨勢》 2001年冶金能源環保技術會議論文集   中國金屬學會  2001.6  P_234—266  .

[3]蘇登成、唐興國、張同生等 《鋼渣活性激發技術研究》.

[4] 唐明述等《鋼渣中MgO、FeO、MnO晶體與體積安定性》  硅酸鹽學報  1997.7.7   P_35-45.