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    鋼鐵冶金渣的資源化利用

    2016/12/21

      摘 要: 開展冶金渣資源化利用, 對于減少冶金渣棄埋用占地和防止環境污染, 促進我國鋼鐵工業的持續高效發展具有重要意義.通過對我國冶金渣資源化綜合利用的現狀、目前存在的主要向題以及未來發展趨勢的分析, 得出了在不斷完善現有冶金渣資源化利用方法的同時, 還應進一步研究和開發利用冶金渣生產具有高附加值制品的結論.

      關鍵詞: 冶金渣; 資源; 水泥; 鉀肥; 原料

      我國是一個鋼鐵工業大國,2002 年的鋼產量已經達到了1 億7000多萬t [l] 。在鋼鐵生產過程中,要產生大量的冶金渣。根據相關資料介紹,目前我國的各種冶金渣排放量已經達到了6 700×10 4 t [2] 。而且隨著我國鋼鐵產量的進一步提高,其排放量還在不斷地增加。因此,如何有效地綜合利用這些冶金渣,減少棄埋用占地和防止環境污染,對于進一步促進我國鋼鐵工業的持續高效發展具有重要意義 [3] 。本文就冶金渣的資源化利用現狀,目前存在的主要問題以及未來的發展趨勢進行討論。

      1 冶金渣的資源化利用現狀

      為了有效地利用鋼鐵生產過程中所排放出來的各種冶金渣,目前,已經進行了諸多的研究。研究內容主要集中在以下幾個方面

      高爐水渣的主要化學成分為CaO和SiO 2 喚,約占其總量的70 %一80 %。由于水冷(急冷)條件抑制了鈣鋁黃長石(Q 2 AS ),鎂黃長石(Q 2 MS 2 ),鈣長石(CS 2 )和硅酸二鈣(C 2 S)等礦相的形成,進而形成多賄潛在水硬膠凝性能的玻璃體礦相結構,這些礦相在水泥熟料、石灰和石膏等激發劑的作用下,可以顯示出水硬膠凝性能并產生強度,因此,水渣是生產水泥的良好原料。

      目前,使用高爐水渣研制開發出的礦渣水泥主要有以下幾種:

      (1) 礦渣硅酸鹽水泥。礦渣硅酸鹽水泥是用硅酸鹽水泥熟料和顆粒狀高爐水渣加3 % 一5 %的石膏混合磨細制成的水硬性膠凝材料。用高爐水渣生產的水泥牌號一般在400號以上,但其早期強度較低。

      (2) 石膏礦渣水泥。石膏礦渣水泥是由質量分數為80%左右的高爐水渣,加質量分數為15% 左右的石膏和少量的硅酸鹽水泥熟料或石灰混合磨細制得的水硬性膠凝材料。這種石膏礦渣水泥成本較低,具有較好的抗硫酸鹽侵蝕和抗滲透性,適用于混凝土的水工建筑物和各種預制砌塊。

      (3) 石灰礦渣水泥。石灰礦渣水泥是將干燥后的顆粒狀高爐渣、生石灰、消石灰以及質量分數為5 % 的天然石膏,按適當的比例配合磨細而成的一種水硬性膠凝材料。 該水泥適用于蒸汽養護的各種混凝土預制品,水中地下路面等的無筋混凝土和工業與民用建筑砂漿。

      目前使用轉爐渣研制開發出的冶金原料主要有以下幾種:

      (1) 燒結礦熔劑。利用轉爐渣中的CaO,代替部分石灰石作燒結熔劑使用。燒結礦中加入適量的轉爐渣后,有利于燒結造球和提高燒結速度。另外, 轉爐渣中的Fe 和FeO的氧化放熱,可以補償鈣、鎂碳酸鹽分解時所需要的熱量, 有利于降低燒結礦的燃料消耗。

      (2) 高爐或化鐵爐熔劑。將轉爐渣作為高爐或化鐵爐熔劑直接使用,不但可以節省大量的石灰石和白云石,而且還可以節省大量的熱能。但是,由于目前高爐多利用高堿度燒結礦或熔劑性燒結礦冶煉,已經基本上不用石灰石和白云石,因此轉爐渣直接返回高爐代替石灰石和白云石的使用將受到限制。

      (3) 作煉鋼返回渣。將轉爐終渣作為下一爐冶煉時的初渣使用,可以使冶煉初期成渣快,減少初期渣對爐襯的侵蝕;另外,目前普遍采用的濺渣護爐工藝,也消耗了大量的轉爐渣,大幅度地降低了耐火材料的消耗 [l2-17] 。

      1 .3 用作道路和建筑材料

      由于冶金渣的物理性能與天然巖石相近,因此,冶金渣在道路和建筑方面的應用范圍較廣,用量也較大一般多用于公路、機場以及一些地基工程的建設等。

      (1) 礦渣磚。礦渣磚是用高爐水渣加入一定量的水泥等膠凝材料,經過攪拌、成型和蒸汽養護而成的建筑用磚,主要用于普通房屋建筑和地下建筑,實際上相當于將高爐水渣代替部分砂石使用。

      (2)礦渣混凝土。礦渣混凝土是以高爐水渣為原料,配入激發劑(例如水泥熟料、石膏以及石灰等),放入輪碾機中加水碾磨與骨料混合而成。這種混凝土適宜在生產小型混凝土預制件時使用,不適宜在施工澆筑現場使用。

      (3)地基用碎石。由于冶金渣的強度與天然巖石的強度大體相同。因此冶金渣碎石的顆粒強度完全可以滿足地基工程的需要。另外,冶金渣還具有密度大、表面粗糙、耐磨性能好、與瀝青結合牢固等一系列優點,因而被廣泛地應用于鐵路和公路路基的施工以及工程回填。但是,用轉爐渣作筑路和回填料時,為了防止渣中自由氧化鈣水化引起的體積膨脹,需要對轉爐渣進行陳化,一般要求其粉化率不能高于5 % (質量分數)。

      1.4 生產農用肥料和土壤改良劑

      由表1 和表2 可知,冶金渣是一種以CaO、SiO 2 為主要成分,同時還含有其他多種成分的復合礦物。

      另外,其中還含有Zn 、Cu 等微量元素,對農作物的生長具有促進作用。利用冶金渣中含有的一些農作物生長所需的有效成分,可以生產農用肥料和土壤改良劑 [18,19] 。

      (1) 生產磷肥。對于未經爐外脫磷處理的鐵水,經轉爐吹煉后,爐渣內的P 2 O 5 的含量一般可達w(P 2 O 5 )=4 %一7 %。這些爐渣具有一定的肥效,特別適用于缺磷的堿性土壤使用。

      (2) 生產硅肥。硅是水稻生長所需量大的元素。由表2 可知,轉爐渣中的SiO 2 含量一般在w(SiO 2 )=15%左右,將其磨細至0.246mm以下,即可作為硅肥使用。

      (3)作酸性土壤改良劑。轉爐渣中含有較高的CaO和MgO,將其磨細后可作為酸性土壤的改良劑。

      2 存在的主要問題以及未來發展趨勢

      由上面的分析可知,有關冶金渣的資源化利用已經進行了諸多的研究,并且取得了一些成果。但是,尚存在著一些問題,主要集中在以下幾個方面:

      (1)開發產品的附加值較低。目前,除了一部分作為冶金溶劑使用外,冶金渣基本上還是用于代替部分砂石而使用的,即主要用于水泥生產或作為建筑材料來使用,雖然作為農用肥料和土壤改良劑進行了一些研究和開發,但還只是簡單地利用了冶金渣中的一些有效成分,如CaO,MgO,SiO 2 和P 2 O 5 ,因此肥效低,應用范圍較小。另外,雖然目前冶金渣己經被應用于水泥生產,但冶金渣的活性要遠低于硅酸鹽水泥的活性。

      (2)冶金渣的潛熱沒有得到充分的利用。冶金渣從爐內或罐內排放時的溫度一般在1300一1600℃,而在目前的所有利用方法當中,冶金渣在高溫時的這部分潛在熱能均沒有得到合理的利用。

      為了解決冶金渣資源化利用過程中存在的問題,進一步拓展冶金渣資源化的應用領域和應用范圍,未來的冶金渣資源化應用研究應主要集中在以下幾個方面:

      (1)激發冶金渣活性。過去,冶金渣資源化利用較為成功,且用量較大的是在水泥生產方面。但是由于冶金渣的附加值較低,在水泥生產過程中冶金渣所顯現的活性很低,因此,冶金渣高附加值利用的關鍵是激發冶金渣的活性,使之達到或接近硅酸鹽水泥的活性。在過去的研究過程中,激發冶金渣活性的主要手段是通過控制添加物改變其化學組成,通過控制冷卻速度改變其礦物構成以及控制相關的生產工藝過程。

      目前,則主要是通過機械方法激發冶金渣的活性,提高其水硬膠凝性能.機械激發活性的原理是通過機械方法降低冶金渣的顆粒粒度,提高其比表面積,增加新生顆粒的內能和表面能;同時,使晶體結構和表面物理化學性質發生變化,從而使冶金渣中礦物與水接觸面積增加,提高礦物與水的水化反應速度。

      (2)生產緩釋性鉀肥。利用冶金渣生產緩釋性鉀肥,是近年來資源化利用冶金渣的一種新興技術。所謂的“緩釋性肥料”,是指難溶于水,而易溶于從植物根部分泌出來的檸檬酸溶液的肥料。這種肥料由于難溶于水、易溶于檸檬酸溶液,因此可以從根本上減少因灌溉用水和雨水等所引起的肥料流失。而且,隨著植物的成長發育和從根部分泌出來的檸檬酸的增加,對肥料的吸收量增加,從而從根本上滿足了植物的需要。

      氮、磷、鉀是促進植物生長發育和增產的三大元素。植物在生長期對鉀肥的需求量相對較少,而在植物的結果期則需求較多。因此,一般要求鉀肥的肥效要長,即要求其要具有緩釋性。我國的農業生產對鉀肥需求量較大 [20, 21] ,預計到2010年我國的鉀肥需求量將達到750×10 4[22] ,而我國的鉀肥生產量只占其中10 %左右。目前,在農業生產中,實際使用的鉀肥主要有:硫酸鉀、氯化鉀、鉀鎂肥、草木灰以及生物鉀等 [23一 25] 。

      生產緩釋性鉀肥主要使用的是鐵水預處理時所產生的脫硅渣。這種渣的主要化學成分為SiO 2 和CaO ,向其中添加K 2 CO 3 或KOH合成鉀肥時,可利用脫硅渣的余熱形成CaO-SiO 2 -K 2 O三元渣系。通過對相圖的研 究 分 析 得 知[26], CaO-SiO 2 -K 2 O 三 元 渣 系 中 的 含 鉀 化 合 物 較 多 , 主 要 有K 2 O·CaO ·SiO 2 ,K 2 O·2CaO·9SiO 2 ,2K 2 O·CaO·3SiO 2 ,K 2 O·3CaO·6SiO 2 ,K 2 O·CaO。6SiO 2 ,K 2 O·2CaO·2SiO 2 ,以及4K 2 O·CaO·10SiO 2 等。與其對應的爐渣堿度CaO / SiO 2 波動在0.093一0.93之間,w (K 2 O)波動在7%一32 %之間,一般認為,根據含鉀化合物的種類以及K 2 O含量的不同,其溶解特性,即緩釋性會有明顯的差異。 因此,通過控制CaO-SiO 2 -K 2 O三元渣系的化學組成以及冷卻速度是生產緩釋性鉀肥的重要手段。

      3 結語

      冶金渣的資源化利用對于減少棄埋用占地、防止環境污染以及促進我國鋼鐵工業的持續高效發展具有重要意義, 目前的冶金渣資源化利用主要集中在礦渣水泥生產、冶金返回料利用以及道路和建筑用材料等方面, 所生產制品的附加值較低, 而且冶金渣的物理化學潛熱沒有得到充分利用.未來冶金渣高效資源化利用的發展方向在于開發附加值較高的產品。在水泥生產過程中, 使用激發活性冶金渣以及利用脫硅渣生產緩釋性鉀肥是未來冶金渣高效資源化利用的重要發展方向。

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