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1、钢渣资源化综合利用处理工艺的现状与发展趋势分析钢渣是炼钢过程产生的大宗工业固体废物，根据目前国内外炼钢水平，其产量约为粗钢产量的10%15%。在我国，2016年全国粗钢产量超过8亿t,钢渣产生量约为9000万t,钢渣累积总量近10亿吨，但其综合利用率仅为22%,这与工信部早在“十二五”规划中就要求达到75%的综合利用指标，与部分发达国家在95%以上的综合利用率而基本排用平衡更是相去甚远。尽管研究人员已经开发出了近40种有关钢渣综合利用的方法，但到目前尚未找到大规模资源化利用钢渣的有效途径，在国内还是以回收废钢、磁选铁精粉以用作熔剂等钢厂内部循环利用为主，使用量有限，目前约有70%的钢渣处于堆存
2、和填埋状态。堆存或填埋的钢渣不仅浪费了资源，占用有限的土地，还会引起土壤、表层水和地下水污染等诸多环境问题，因此钢渣的开发利用十分迫切。另外，于2018年1月1日起施行的中华人民共和国环境保护税法明确规定，钢渣属于固体废物税目，税额为25元/吨，对露天堆存的钢渣雨季所造成的钢渣渗滤液每吨征收300元的环保税，未来钢渣处置将成为下一步工业固废处置的重点关注方向。1钢渣资源化利用背景1.l钢渣的资源化利用途径钢渣的资源属性即组成成分决定了其可能的用途。钢渣的主要成分为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁酸二钙、RO相（铁、镁、锦的氧化物）、游离氧化钙（ACaO）和游
3、离氧化镁（ffg）等，同时还含有10%左右的废钢资源。钢渣中含有CaOFeMn0、Mg0、Fe203等成分，可以作为钢铁烧结原料组成，如少量的铁酸钙能够改善烧结矿强度，镁、钙组成以固溶体形式存在，能够代替部分菱镁石、白云石、石灰石等熔剂。钢渣中含有10%左右的金属铁组成，经过破碎筛分磁选等处理后，可以分选出不同粒级的渣钢和磁选粉，渣钢可以返回炼钢利用，磁选粉返回烧结利用。钢渣中含有硅酸二钙和硅酸三钙组成，和硅酸盐水泥熟料有着相似的相同，可以作为生产水泥的原料，也可以应用于混凝土掺合料、干混砂浆等建材中。钢渣中的主要组成Ca0、A1203Si02和MgO等与传统的建筑瓷穆原料如黏土、石英和长石等
4、天然矿物相似，可以作为陶瓷制备的原料。钢渣中含有Si02和CaO,是微晶玻璃Ca0-A1203-Si02体系的主要组成部分，可以作为钢渣微晶玻璃制备的原料。钢渣碎石的颗粒形状、硬度和耐磨性比较适合道路材料的要求，因此可以用于道路的基层、面层及垫层，还可以用作工程回填用材料。钢渣含有大量的碱性氧化物而如CaO等组成，因而可通过化学反应作用来处理废水中的污染物，以及脱除烟气中S02等酸性气体污染物。钢渣中含有较高的Si、Mn.P及各种微量元素，可提供农作物生长所需的营养元素，同时钢渣中富含的CaO还能缓慢中和及改良土壤，因此可以做农田肥料使用。1.2钢渣的物理化学特性我国钢铁冶炼流程目前仍以长流程
5、转炉炼钢方式为主，占比90%左右，因此提高钢渣利用率主要关注转炉钢渣的处置利用。结合国外钢渣处置发展的经验和我国的国情，建材化利用是规模化消纳钢渣的主要途径。然而，建材化利用面临着以下问题：1）钢渣的稳定性不良。现代炼钢过程中为脱硫、脱磷常加入石灰和白云石等高钙、高镁材料做造渣剂，提高钢渣粘度进行溅渣护炉，保护耐火砖不受侵蚀，提高转炉炉龄。钢渣中的氧化钙、氧化镁不能和二氧化硅等酸性氧化物充分反应，而形成游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）,钢渣中的f-CaO和f-MgO遇水发生水化反应生成Ca（OH）2和Mg（OH）2,体积膨胀，造成钢渣稳定性不良。另外，钢渣中的C2S在钢渣冷却
6、过程中，其晶型由型向Y型转变使体积增大，也造成了钢渣的体积膨胀。若应用于道路、建材等行业，会出现膨胀开裂现象。2）钢渣中金属铁含量高。金属铁的存在，造成磨矿难度和能耗的增加，对颗粒均匀性造成不利影响，另外，在使用过程中也较容易出现铁锈现象，以上限制了尾渣的建材化利用；3）钢渣组成波动性高。受炼钢工艺、钢种特点、造渣制度等因素影响，钢渣的成分复杂、波动性大，尤其是钢渣中f-CaO含量各个批次会存在较大差异，增大了其使用难度。4）钢渣处置能耗较高。钢渣密度高于较砂石骨料，为3.5t/m3左右，是普通建材的1.21.4倍，导致钢渣在运输和使用时的能耗要增加10%左右。上述问题中，最关键的影响因素是钢
7、渣的稳定性和金属铁的回收问题。钢渣应用技术要求（GB/T325462016）中明确提到：胶凝材料和骨料（集料）用钢渣在使用前应经稳定化和除铁处理，其金属铁含量应不大于2.0%（用于抹灰砂浆时其金属铁含量应不大于1.0%）,且体积稳定性合格。为达到上述目的，通常采用两次处理法处理钢渣：第一步为稳定化处理，使钢渣实现稳定化，第二步为筛分及金属回收处理，是钢渣破碎分级和金属铁回收。2钢渣的处理工艺2.1钢渣的一次处理工艺钢渣的稳定化处理是把热态或熔融态钢渣处理经各种冷却工艺处理成常温块渣，以有利于钢渣的后续处理。目前国内外钢渣一次处理主要工艺有：热泼法、风淬法、滚筒法、粒化轮法、热闷法等，其中热泼法
8、、滚筒法、热闷法最为常用。表1综合比较了各种工艺的特点。冶金信息标准研究院曾统计过国内129家大中型钢企钢渣一次处理数据，采用热闷法的最多，有59家，占比45.7%;其次为采用热泼法的改进处理工艺“热泼闷渣法”，有51家,占比39.5%;第三是宝钢的滚筒法，有10家，占比7.8%o选择钢渣一次处理的工艺需要从钢渣的特性以及终端利用方式（组成、粒度要求等）、工艺节能环保参数、投资和运营成本等方面来综合考虑；例如，如果钢渣的流动性差，则不能使用滚筒法、风淬法、水淬法和粒化轮法，而盘泼法、热泼法和热闷法可以适用；如果从节能环保方面考虑，滚筒法和热闷法较为适宜。表1钢渣一次处理工艺对比序号方式工艺特点
9、和过程优点缺点举例I热闷法利用高温熔融钢渣的自身显热.工之操作比较荷单,能够处理粒度不够均匀.处理周期长,鞍钢遇水后产生的温度应力和游离氧较高减度的用渣.渣帙分离效后续破碎加工成较大.首钢化钙的水解作用使钢渣破裂.果好.钢渣活性较高.安定性较涟钢好能处理固态流.宝钢那钢2水淬法使高温熔融态钢激缓慢流出下排渣快.流程前单.占地少.投熔滑水淬时操作不当容易发美国伯利恒钢铁公M落时被高压水迸行切剂、击碎.并资成本较少.处理后的钢渣粒生爆炸.钢渣颗粒粒度均匀且高温熔渣遇水会点冷收缩形成度较小,性旋第定.性比较差,只能处理液态源.应力集中而破碎.再同时进行r热交换.使懦渣在水幕中发生粒化作用3热波法在钢
10、渣超过可淬温度时.用大他排渣速度快.冷却肘间fci.有利牛产设存报幅较大占地面唐钢的水向钢渣进行喷洒.所形成的机核化生产.处理能力大.枳大.破碎博工粉尘最大.蒸武钢二炼钢限度应力使钢渣破碎,游离M化钢渣活性较高,生产率高汽屈较大,对环境和节能两钙的水化也会使钢渣进一步破方面都不利.渣加工微大.裂.钢渣的安定性较差.4盘泼法将热态熔融钢渣例人渣罐中.运快速冷却.占地少.处理股大,渣盘易产生变形,工艺复杂,新H帙输到液盘边.冉用吊车把球中的枪尘少.钢激活性较好.钢渣安定性很差,投贤和运宝钢IM渣匀速倒入渣盘内得表面殿行费用大固后喷淋大最的水急冷.再候翻至渣车过程中喷水进行冷却.最后倒入水池中冉冷却
11、5粒化轮法把熔融态钢渣倒人在高速旋转的排渣速度快.适用于流动性好设备薛拗大.姓理.作fit大.沙钢粒化转轮上.使熔液破裂渣化唳的渣如高炉渣水量小时容易产生爆炸处大量水冷却.理率较低.粒度均匀性较差（9.5nun高达23）6滚用法高温液态钢渣在旋转的滚筒内.排渣快.占地面枳小.污染少.粒度大.不均匀（9.5mm的宝钢二炼钢以水做冷却介质.急冷固化、破渣粒性能稳定.达18%）活性差.设备投资韩国浦项碎大,只能处理液态渣印度JSW台湾中龙巴西CSP7风淬法用库缩空气做冷却介质.使液态安全高效.排渣快.r艺成熟,只能处理液态渣H本南管公司福山J钢渣急冷、改质、粒化.占地面积小.污染小流粒性能台湾中钢集
12、团稳定.粒度均匀且光滑（5mm）.投资少8转磔法安全性好.操作箭单.粒化效果投资成本高.只能处冏液态好稳定性好,硬性矿物活性渣.好.2.2钢渣的二次处理工艺钢渣经一次处理后需要再进行二次处理，其主要目的是使钢渣进一步达到合适粒度并回收其中铁资源。目前回收尾渣中金属铁及氧化物的方法主要包含三种：磁选、还原和氧化。磁选法应用较为广泛，还原法是利用高温下无机碳的还原作用将钢渣中氧化亚铁还原成单质铁，但整个过程需要较高温度，同时会产生温室气体，氧化法是将钢渣内部的非磁性FeO转化成磁性Fe304的工艺，仅是新的研究方向，暂时无法工业化应用。另外，也有钢渣重选和浮选的技术，但应用较少。钢渣磁选生产线的产
13、品主要是渣钢和磁选粉，前者返回炼钢利用，后者返回烧结利用，渣钢又分为大块渣钢及粒钢。渣钢和磁选粉的粒级和品位是因不同钢厂的回用冶炼要求而定，一般需要尽可能的保证渣钢和磁选粉的高品位。目前国内钢铁企业一般要求返回炼钢的渣钢TFe大于80%,返回烧结的磁选粉TFe大于40%。对于粒度，一般要求渣钢粒度大于30mm颗粒钢粒度530mm精矿粉粒度不大于8mm,尾渣粒度小于10mmo尾渣也可进一步深加工，如生产钢渣粉等。钢渣磁选二次处理工艺主要包括渣钢铁回收工艺、渣钢提纯工艺以及铁精粉提纯工艺等。风淬法、水淬法、粒化轮法和滚筒法处理后的钢渣，由于粒度不大，一般经脱水后直接磁选回收其中渣钢，不再进一步破碎
14、或只做简单破碎；热闷法和热泼法处理后的钢渣，由于粒度较大，需进行多级破碎、筛分和磁选。早期钢渣二次处理工艺主要为简单的破碎和筛分，目前大多升级为多级破碎、多级筛分和多级磁选，例如梅钢升级为3破7选5筛分，太钢为2破6选3筛分等。破碎、筛分及磁选多根据一次钢渣处理的情况来进行灵活调整。钢渣处理工艺经还常设置磨制环节，这是因为钢渣中的渣钢分离比较困难，尤其对于细粒钢渣，包裹有微细粒的金属铁或与金属铁连生的浮氏体及具有一定磁性的铁酸盐易进入磁性分离物中，导致磁性分离物中铁品位降低，增加磨制环节将可以进一步高效回收利用细颗粒钢渣中的金属铁。例如,单纯采用破碎机，即使把钢渣破碎到5mm粒径以下，也很难实
15、现渣钢有效分离，且选出的精矿粉品位一般低于45%o若在工艺中加入磨制工序，如自磨、棒磨或球磨，在相同粒径条件下，通过合理的磁选过程，基本可以获得TFe80%以上的粒钢、品位55%以上的精矿粉金属铁质量分数小于1%的尾渣。国内外常见的典型钢渣二次处理工艺流程见图1图3。图1冶建院锁式破碎棒磨流程图2济钢锁式破碎+锥式破碎流程UN图3首钢舞式破碎机脚惟破碎流程300mmW)T.35nmW)钢渣的破碎、磁选筛分工艺流程是回收渣钢的最基本流程，所用的破碎机包括颗式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机和双辐破碎机等，磁选机包括跨带式磁选机和电磁铁式磁选机，筛分设备包括格栅、单图2济钢颗式破碎+锥式破碎流程层
16、及双层振动筛等。其中几个关键设备如下：1）破碎机。一般选用液压颗式破碎机作为一级破碎设备，早在20世纪80年代我国引进了德国KHD公司的成套设备，其核心设备就包括带有液压保护的颗式破碎机，应用于鞍钢和首钢。目前，其国产化设备已经应用成熟，有二十多年的应用历史，完全可以取代国外进口设备。此种破碎机的选型需要考虑物料的最大给料粒度、给料量和排料粒度等指标综合考虑。如果采用两级颗式破碎机，一般一级进料口尺寸用400mm600mm,二级用250mm400mmo与颗式破碎机相比，圆锥破碎机也具有破碎效率高、处理量大、损耗低、维护简便的特点，不同的是圆锥破碎机一般用于中破或细破，破碎比较大，出料粒度更加均
17、匀。圆锥破碎机选型时应注意是否采用了液压调整排料口以及设置自动保护系统，以预防一旦有大块铁件等不可破碎物进入破碎腔时可自动调节动锥将其排出。2）磁选机。磁选设备有电磁自卸式除铁器、磁滚筒、单辐双辐磁选机及带磁机等。其中，带磁机的磁场强度、带速、悬的高度及角度可方便调整，以适应不同的粒径、品位及含水率的钢渣，因此成为钢渣二次处理的核心磁选设备，其国产化也较为成熟。3）棒磨机。棒磨机可以破碎剥离钢渣，在磨矿过程中具有一定的选择性磨碎作用，产品粒度均匀，过粉碎矿粒少，即可用于渣钢的提纯，也可用于钢渣的破碎。用于钢渣破碎时可将10mm80mm的钢渣破碎至10mm以下；用于渣钢提纯时可将粒级为10mm8
18、0mm、TFe为5060%的渣钢的提纯至TFe大于90%o综上，钢渣经过一次和二次处理，最后可以得到的尾渣其粒度一般小于10mm,金属铁含量在2%以下。若要制备钢渣微粉（比表面积至少为400m2kg）,后续还需要经过粉磨,目前，国内外应用较多的粉磨设备主要有管磨机、立磨、卧辐磨和挤压磨等，高效节能的粉磨设备是国内外设备厂家研究开发的重点。3钢渣的显热利用钢渣中不仅含有多种有益的矿物组分，而且含有大量显热资源。熔融钢渣的比热容约为1.2kj(kg),如果回收热量前后熔渣的温度分别以1400和400C计，则每吨钢渣可回收1.2GJ的显热，大约相当于41kg标煤热量。假如国内钢渣显热能够加以回收利用
19、，每年可节省370万t标准煤。当前主流的钢渣处理工艺使钢渣显热几乎未利用，未来钢渣的利用不仅要考虑钢渣组成的资源化，也应当考虑钢渣显热的资源化利用。钢渣的热能回收方法分为物理回收方法和化学回收方法。目前，钢渣热能物理回收方法有机械破碎法、风淬法、离心式回收方法。钢渣热能化学回收方式分为两种，一种是制氢法，一种是煤气化法。将钢渣的热量作为化学反应的热源进行热能回收，虽然国内外学者也都在此方面进行了相关研究，但以何种反应才能实现最佳热能回收的论述比较少。目前国内许多大型钢铁企业也在摸索和研发多种钢渣热能回收的工艺。20世纪90年代宝山钢铁公司从俄罗斯引进图拉法工艺装置后，在中国扩展应用到钢渣处理领
20、域中。有关公司在用该技术处理熔融钢渣过程中，对钢渣的显热加以回收利用，热回收率为30%左右。液态钢渣“高压风一导热油”热能回收装置是以高压风和导热油为传热介质，对钢渣的显热进行综合回收利用，热回收率高达60%o但由于工艺复杂、处理率低等原因均为推广应用。中冶建筑研究总院研究开发的钢渣辐压破碎一有压热闷技术，利用一次处理罐式热闷环节产生0.2MPa的不连续饱和蒸汽进行余热发电，实现钢渣资源与能源的一体化利用。总结：1）钢渣综合利用率较低，堆存或填埋的钢渣不仅浪费了资源，占用有限的土地，还会引起土壤和地下水污染等诸多问题。环境保护税法明确规定，钢渣属于固体废物税目，并对露天堆存钢渣雨季所造成的渗滤
21、液也她征收环保税，未来钢渣资源化处置将成为工业固废处置的重点关注方向。2）钢渣建材化利用是规模化消纳钢渣的主要途径。然而，建材化利用面临稳定性差、金属铁含量高等难题。为解决上述难题，通常采用两次处理法处理钢渣：第一步为稳定化处理，使钢渣实现稳定化，第二步为筛分及金属回收处理,是钢渣破碎分级和金属铁回收。3）选择钢渣一次处理的工艺需要从钢渣的特性以及终端利用方式（组成、粒度要求等）、工艺节能环保参数等综合考虑，如果钢渣的流动性差，可以采用盘泼法、热泼法和热闷法，如果从节能环保方面考虑，滚筒法和热闷法较为适宜；钢渣二次处理工艺主要为多级破碎、多级筛分和多级磁选,破碎、筛分及磁选多根据一次钢渣处理的情况来进行灵活调整。4）未来钢渣的利用不仅要考虑钢渣组成的资源化，也应当考虑钢渣显热的资源化利用，组成资源化和显热资源化的利用将受到社会和钢铁行业的广的重视，将是未来钢渣处置和综合利用的重要方向。
