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(lǐng)域。鋼渣用途廣泛，利用技術(shù)不斷提高，但大宗量利用率不高。當(dāng)前國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推行節(jié)能減排。鋼渣資源化利用是最具節(jié)能減排、環(huán)保的措施之一，也是鋼鐵工業(yè)健康及可持續(xù)發(fā)展的原動(dòng)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(chǎn)品，鋼渣具有潛在水硬性膠凝材料。將鋼渣及微粉應(yīng)用于水泥中作為混合材料時(shí)，采用經(jīng)濟(jì)合理的活化方式和生產(chǎn)工藝對(duì)鋼渣進(jìn)行技術(shù)處理，使之活性提高，安定性合格，并將鋼渣資源化，大量應(yīng)用于水泥、水泥制品及環(huán)保等領(lǐng)域中。

關(guān)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(zhì)

1.1  鋼渣的分類(lèi)

根據(jù)煉鋼工藝的不同，鋼渣可以分為平爐鋼渣、轉(zhuǎn)爐鋼渣、電爐鋼渣。平爐鋼渣隨煉鋼過(guò)程中出渣時(shí)間先后可分為：初期渣、精煉渣和后期渣；轉(zhuǎn)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(yè)的主要是氧化鈣含量較高的平爐精煉渣、后期渣、轉(zhuǎn)爐后期渣、電爐還原渣。轉(zhuǎn)爐鋼渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，主要來(lái)自煉鋼過(guò)程鐵料中的雜質(zhì)、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(kāi)發(fā)利用的潛力很大。但由于鋼渣含有的化學(xué)成分較多，礦物組成復(fù)雜，給鋼渣處理加工和綜合利用帶來(lái)較大難度，目前，國(guó)內(nèi)鋼渣綜合利用率僅約22%，選擇適當(dāng)?shù)奶幚砑庸すに?，?shí)現(xiàn)鋼渣工廠化處理，形成多產(chǎn)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(zhì)

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

目前包鋼鋼渣以轉(zhuǎn)爐鋼渣為主，其主要礦物組成成份見(jiàn)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(jié)晶體，基本上不形成玻璃體。

包鋼鋼渣的化學(xué)成份波動(dòng)很大，同時(shí)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(dǎo)致質(zhì)量不穩(wěn)定和安定性不良的因素。隨煉鋼品種、原料種類(lèi)、配比和操作工藝的不同而變化。鋼渣本身具有獨(dú)立的水硬性，根據(jù)巖相分析結(jié)果看，鋼渣中的礦物相有部分和水泥熟料相似，但比熟料復(fù)雜且多。

1.3  鋼渣的處理工藝

根據(jù)轉(zhuǎn)爐渣破碎方式的不同，可將轉(zhuǎn)爐渣的處理工藝分為熱悶自解工藝和機(jī)械破碎工藝兩大類(lèi)。

僅通過(guò)利用熱態(tài)轉(zhuǎn)爐渣中大量游離的氧化鈣在水或大氣中水汽的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力和相變應(yīng)力使轉(zhuǎn)爐渣龜裂破碎，同時(shí)產(chǎn)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(dá)到轉(zhuǎn)爐渣?；Ч?。此法統(tǒng)稱(chēng)作轉(zhuǎn)爐渣穩(wěn)定化熱悶自解工藝，包括熱悶法、熱潑法、淺盤(pán)法（相同的原理，只是工藝路線(xiàn)、投資狀況、場(chǎng)地建設(shè)、針對(duì)的不同性能的鋼渣而采用不同的處理工藝）。

1.4  包鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣的處理工藝

熱悶-磁選加工聯(lián)合生產(chǎn)工藝是目前包鋼鋼渣主要的鋼渣處理工藝，流程見(jiàn)圖1。

圖1熱悶-加工聯(lián)合生產(chǎn)工藝圖

對(duì)于滿(mǎn)足條件的渣罐，主要采取熱悶-加工聯(lián)合生產(chǎn)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(yùn)輸時(shí)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(jìn)入加工線(xiàn)進(jìn)行加工。

2  包鋼鋼渣尾渣的粉磨特性

2.1  鋼渣尾渣

對(duì)于尾渣的利用，國(guó)內(nèi)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(chǎn)鋼渣微粉，其優(yōu)勢(shì)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(qiáng)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(shì)在于含有大量鐵氧化物固熔體，導(dǎo)致其形成硅酸鹽的活性成分不足，凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)。二是作為建筑材料的粗骨料和細(xì)集料使用，如商砼、筑路、基礎(chǔ)處理、制磚、墻體材料等，優(yōu)勢(shì)在于用量較大，相對(duì)技術(shù)要求不高，劣勢(shì)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(chǎn)，用于碳酸鈣的生產(chǎn)，用于礦渣棉的生產(chǎn)等等。四是用作煙氣脫硫劑，副產(chǎn)物的應(yīng)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?jī)?nèi)容

針對(duì)于目前尾渣儲(chǔ)存量巨大，綜合利用率較低的情況，我們對(duì)鋼渣尾渣進(jìn)行鋼渣粉相關(guān)的特性研究，希望可以為鋼渣粉的進(jìn)一步綜合利用提供理論依據(jù)和應(yīng)用方向。

2.2.1  研磨佳時(shí)間與比表面積的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)選取粒徑小于10mm的鋼渣尾渣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)小磨，進(jìn)行深度粉磨，在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的進(jìn)行取樣檢測(cè)，探究提升鋼渣粉品質(zhì)的研磨佳時(shí)間與比表面積的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

表2  鋼渣的粉磨時(shí)間與比表面積

（1）篩余

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)控制不同的粉磨時(shí)間（見(jiàn)表2），使用0.045mm的負(fù)壓篩進(jìn)行篩析。隨著粉磨時(shí)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(dāng)粉磨時(shí)間達(dá)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(wěn)定在20%左右。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：根據(jù)表2、表3，當(dāng)粉磨時(shí)間超過(guò)60分鐘后，通過(guò)增加粉磨時(shí)間來(lái)提高鋼渣微粉細(xì)度的效果不明顯。隨著粉磨時(shí)間的增加，鋼渣粉的比表面積增大，當(dāng)鋼渣粉在磨機(jī)內(nèi)部達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，此時(shí)繼續(xù)粉磨不僅會(huì)增加能耗和球耗，同時(shí)也容易損壞設(shè)備。通過(guò)篩余中的化學(xué)分析判斷：篩余中存在較多的金屬鐵和RO相，導(dǎo)致其篩余含量高；通過(guò)物相檢測(cè)，鋼渣粉細(xì)度越大，易磨性越差，越難粉磨。

表3  粉磨時(shí)間60分鐘時(shí)鋼渣粉的化學(xué)組成

（2）比表面積

根據(jù)表2，試驗(yàn)結(jié)果與分析表明：在30至60分鐘內(nèi)，隨粉磨時(shí)間的增加，比表面積增長(zhǎng)幅度較大，增長(zhǎng)幅度在30%左右，在90至120分鐘時(shí)，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(guò)粉磨時(shí)現(xiàn)象分析，在比表面積達(dá)到588m³/kg時(shí)出現(xiàn)糊球、粘磨的現(xiàn)象，說(shuō)明已經(jīng)達(dá)到了分散—團(tuán)聚的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。鋼渣粉在一定研磨體級(jí)配情況下，粉磨系統(tǒng)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(yàn)

試驗(yàn)選取4組粉磨時(shí)間為60分鐘的鋼渣粉進(jìn)行鋼渣粉的理化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4  鋼渣粉理化試驗(yàn)

（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(xué)成分、助溶劑的質(zhì)量、冶煉工藝。f-CaO遇水后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)釋放熱量在常溫下隨著固相化學(xué)反應(yīng)，其體積膨脹率達(dá)97.8%。當(dāng)f-CaO含量大于4%時(shí)，用作水泥等膠凝材料及道路材料、工程回填材料時(shí)，會(huì)造成體積安定性不良，應(yīng)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(xì)微的情況下遇水生產(chǎn)氫氧化鎂，反應(yīng)速度比較緩慢，只有在高溫、高壓的條件下才能加快反應(yīng)速度，其膨脹率達(dá)到了148%左右，常態(tài)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(tài)鎂橄欖石、鎂薔薇石的形式存在不影響體積安定性。

（2）流動(dòng)度比

包鋼鋼渣微粉的流動(dòng)度與水泥相似，見(jiàn)表4：綜合比較鋼渣粉的流動(dòng)度比均大于國(guó)標(biāo)要求的90%，本實(shí)驗(yàn)流動(dòng)度比均大于國(guó)標(biāo)要求的95%，符合下游水泥等企業(yè)的需求。

（3）活性

鋼渣粉的活性取決于處理工藝、物理和化學(xué)三個(gè)方面進(jìn)行分析研究，鋼渣粉用于水泥和混凝土摻合料的機(jī)理是：轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學(xué)成分、巖相、水化過(guò)程、水化產(chǎn)物及性能均與水泥熟料相似。

通過(guò)對(duì)鋼渣粉中各種元素的化學(xué)分析來(lái)計(jì)算鋼渣的堿度，來(lái)判斷鋼渣的活性情況，其質(zhì)量評(píng)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(shù)在2.4±0.3之間，屬于中堿度鋼渣，在生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)工藝和材料的手段加以調(diào)整，可以充分發(fā)揮其潛在的活性，提高產(chǎn)品的附加值。

3  結(jié)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(guān)，易磨性系數(shù)越小，其易磨性越好。

（2）鋼渣微粉的流動(dòng)度與水泥的流動(dòng)度相似，達(dá)到95%以上。

（3）安定性：通過(guò)理論計(jì)算和安定性檢查二者結(jié)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(guò)前實(shí)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，按照GB/T20491-2006中的技術(shù)要求，鋼渣粉達(dá)到了一級(jí)鋼渣粉的要求。

目前寶鋼、武鋼、沙鋼等鋼鐵企業(yè)已經(jīng)把鋼渣粉應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，在水泥和商品混凝土中摻入量達(dá)到了20%至40%，添加鋼渣微粉的復(fù)合水泥可以達(dá)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(xù)對(duì)包鋼鋼渣粉進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)鋼渣粉的品質(zhì)提升及應(yīng)用進(jìn)行深入研究，以實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品渠道利用和消化尾渣，為打造綠色建材、低負(fù)荷高性能材料提供技術(shù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)鋼渣尾渣的大量綜合利用和公司“零排放”的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱桂林、孫樹(shù)彬、李可等《科學(xué)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(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)》 2001年冶金能源環(huán)保技術(shù)會(huì)議論文集   中國(guó)金屬學(xué)會(huì)  2001.6  P_234—266  .

[3]蘇登成、唐興國(guó)、張同生等 《鋼渣活性激發(fā)技術(shù)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(xué)報(bào)  1997.7.7   P_35-45.