冶金炉渣的研究及综合利用思路

2011-02-28姚艳玲

制造业自动化 2011年2期

姚艳玲，周俊

YAO Yan-ling1，ZHOU Jun2

（1.包头职业技术学院，包头 014030；2.西北工业大学航空学院，西安 710072）

0 引言

随着我国冶金行业的迅猛发展，累积堆存和新增的冶金产生的固体废弃物也日益增加，不仅占地多、严重污染周边环境，而且浪费了大量资源。其中各种冶炼渣是主要的废弃物，主要包括高炉渣、转炉渣、电炉渣和炉外精炼渣等。对环境的治理是实现社会持续发展的重要手段。固体废弃物的处理是环境治理的重要方面，冶金工业作为一个固体废弃物排出量较大的工业部门，其治理程度直接影响到环境治理水平，进行这方面的研究符合国家的产业政策，有广阔的发展前景。近几年冶金技术发展迅速，工艺过程中产生了越来越多的冶炼渣，这部分废弃物的有效利用值得我们去进一步研究。

1 冶金炉渣利用的必要性

随着冶金行业的快速发展，各国的矿产资源也在日益减少。同样，中国矿产资源也面临着严重的危机。如何能更好的利用有限的资源创造更多的财富是我们时刻要重视的。

钢铁工业是原材料工业，也是基础工业。它的发展是和整体经济发展规模和速度相适应的。钢铁产品又是用途广、用量大的材料，钢铁工业和各经济部门的发展密切相关，各经济部门使用钢材的和品种质量是不尽相同的，因此产业结构的变化和发展将直接影响到钢铁工业的发展速度和产品结构。在快速发展中的中国，基础设施、工业、建筑业发展较快，钢材消费量增长较快。所以冶金行业产生的炉渣也就相应的较多。如何更好的利用这些弃渣是值得我们研究的。

企业的原料条件不同，冶炼工艺不同，炉渣的产出量和炉渣成分也不同，不同的企业可能采用不同的炉外精炼设备，其精炼渣会有所不同，特钢企业还可能在连铸之后，设有电渣炉等进一步的精炼设备，产出的还有电渣冶炼废渣，因而有必要从系统利用的角度出发，进行炼钢炉渣的综合利用研究。

2 冶金渣的综合利用状况

钢铁冶金工业遍及全国各主要城市，所产生的固体废物占固体废物总量的18%，渣中含有各种有用元素如Fe、Mn、Cr、Mo、Ni、AI等金属元素和Ca、Mg、Si等非金属元素，是一项可再利用的大宗二次资源。

钢铁冶金工业所产生的固体废物主要有高炉渣、钢渣、铁台金渣等，中国钢铁渣堆弃量约3亿，占地3万亩。2002年全国钢产量总计约为8389万吨，但缺乏全量和高附加值的利用技术，特别是对共生复合矿渣中共生的金属元素的分离和利用以及通过共生元素的分离全面经济地对炉渣进行综合利用缺乏系统研究，平均利用率约为60%。下面我们就冶金炉渣目前的综合利用情况作一下总结和分析。

3 高炉渣的综合利用

高炉渣是钢铁冶金工业中数量最多的一种渣。目前，80%以上的高炉渣得到了利用，但利用的主要途径是生产水泥和筑路材料。高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。高炉矿渣还可用来生产一些用量不大，但产品价值高，又有特殊性能的高炉渣产品。如矿渣棉及其制品、微晶玻璃、热铸矿渣、矿渣铸石及硅钙渣肥等。

1）生产矿渣棉

矿渣棉是以矿渣为主要原料，经熔化、高速离心或喷吹制成的一种白色棉丝状矿物纤维材料。它具有质轻、保温、隔音、隔热、防震等性能。许多单位已将矿渣棉制成各种规格的板、毡、管壳等。

2）生产微晶玻璃

微晶玻璃是近几十年发展起来的一种用途很广的新型无机材料。高炉渣微晶玻璃与同类产品对比，具有配方简单、熔化温度低、产品物化性能优良及成本低廉等优点，除用于耐酸、耐碱、耐磨等部位外，经研磨抛光是优良的建筑装饰材料。采用机械化压延成型工艺，还可生产大而薄的板材。

3）生产硅肥

硅肥是一种以含氧化硅（SiO）和氧化钙（CaO）为主的矿物质肥料，它是水稻等作物生长不可缺少的营养元素之一，被国际±壤学界确认为继氮（N）、磷（P）、钾（K2O）后的第四大元素肥料

4）生产高炉渣微粉

所谓高炉渣微粉是指高炉水渣经烘干、破碎、粉磨、筛分而得到的比表面积在3000cm2/g以上的超细高炉渣粉末。

4 钢渣的综合利用

钢渣是炼钢过程排出的废渣。炼钢过程是除去生铁中的碳、硅、磷和硫等杂质，使钢具有特定性能的过程，也是造渣材料和冶炼反应物以及熔融的炉衬材料生成融合物的过程。因此，钢渣是炼钢过程中的必然副产物，其排出量约为粗钢产量的15%～20%，钢渣目前的利用率只有大约36%。

钢渣的利用途径：

迄今，人们已经开发了多种有关钢渣的综合利用途径，主要包括回收废钢铁和钢粒、冶金、建筑材料、农业利用、回填等几个领域。

1）从钢渣中分选网收废钢和钢粒

钢渣中一般含7%～10%的废钢，经破碎、磁选、筛选等分选技术可回收其中90%以上的废钢及部分磁性氧化物。磁选出的渣钢，一般含铁在55%以上。利用价值很高。

2）钢渣用做冶炼熔剂

钢渣常含有很高的CaO、铁分及一定比例的MgO、MnO。若用于炼铁，一些成分能有效地降低熔剂、矿石的消耗及能耗。有资料报道，作为熔剂用于高炉冶炼和烧结的钢渣量，以美国为最多，占钢渣总量的56%以上。

3）钢渣用做筑路材料

钢渣具有容量大、呈块状、表面粗糙、稳定性好、不滑移、强度高、耐磨、耐蚀、耐久性好、与沥青胶结牢固等特点，被广泛用于各种路基材料、工程回填、修砌加固堤坝、填海工程等方面代替天然碎石。

4）生产水泥

钢渣生产水泥，主要指用它做原料配制水泥生料。

5）生产钢渣砖

钢渣砖是以粉状钢渣和水淬钢渣为主要原料，掺入部分高炉水渣或粉煤灰和激发剂（石灰、石膏粉），加水搅拌，经轮碾、压制成型、蒸养而制成的建筑用砖。

5 目前炼钢渣利用思路的不足

1）炼钢炉渣利用的主要难点在于炉渣的碱度过高，渣中含有大量的自由氧化钙和氧化镁，不宜作为水泥、建材和工程回填材料，在近年来我国转炉炼钢企业普遍采用溅渣护炉等技术后，转炉炉渣中自由氧化镁进一步升高，精炼渣的碱度更高，炉渣的自由氧化钙也更高，因而将炼钢过程的转炉钢渣和精炼渣直接作建筑材料不是最佳途径。另外，钢渣不易磨，直接用于水泥生产会降低生产能力。

2）钢渣在企业内部回用是一种理想的方法，但在目前的回用方法中，作烧结溶剂和高炉炼铁熔剂虽然有积极的报道，但烧结和炼铁过程无法脱磷，钢渣的循环，必然使铁水的磷含量不断提高，给下一步的炼钢增加负担，要求炼钢工序消耗更多的石灰，产出更大的渣量满足脱磷要求，所以从工艺全盘考虑是不一定合理的。另外，高炉的冶炼实践表明，入炉品位提高1%，焦比降低2%，产量降低3%，钢渣的铁含量仅为10%～15%，钢渣的配入必然大大降低高炉入炉料品位，在高炉焦碳价格居高不下的今天，钢渣作为烧结和高炉熔剂的做法，也是不一定合理的。

3）将钢渣用作铁水预处理渣剂，不仅可以利用渣中的铁氧化物，也可以利用渣中的熔剂，是一种合理的回用方式，但不能解决现代炼钢工艺中不同阶段的炉渣的回用问题。

4）目前钢渣利用的主要思路仍然集中在回收渣中废钢，选出精矿，尾渣作建筑材料。这事实上是一种末端治理手段。

6 炼钢炉渣综合利用设计

根据冶金炉渣性能分析，从现实的环保要求出发，我们可以提出炉渣梯级回收利用的新概念。根据钢铁企业炼钢工序不同阶段产出钢渣的特性，利用梯级回用的方法，使炼钢炉渣尽量在炼钢工艺中循环利用，发掘其最大冶金潜能，实现最大限度的回用，提高炼钢造渣材料的利用效率，减少造渣材料消耗，减少炉渣的外摊，从而实现对炼钢炉渣的资源化利用和生态工业的要求，提高企业的经济和社会效益。其转炉和电弧炉冶炼工艺的炉渣梯级利用思路示意图如下所示：

图1 电弧炉冶炼工艺的炉渣梯级利用

通过梯级利用，炼钢过程产生的炉渣大部分都返回上一级炼钢工序，一方面变废为宝，使原本当作废弃物排出的炉渣作为造渣材料返回利用，充分利用了其潜在的冶炼潜能，代替了一部分原料，优化了炼钢工艺，同时降低了成本，提搿了经济效益；另一方面，炉渣的梯级利用减少了炉渣的最终排出量，实现了少渣生产，减少了废弃物的产生，降低了冶金工业对环境的污染。这符合我国对于工业走可持续发展道路的思路，刘予实现“绿色冶金”清洁生产有重要的意义。

1）梯级利用的工艺方法

对钢渣返回利用可通过下述技术方案予以实现，钢铁冶炼过程中，将后步工序产出的炉渣逐级返回应用到前面工序，在返回过程中，可配入调整剂，调整剂为石灰、石灰石或铁矿石等。

2）具体实施方式：

高炉、转炉流程中，将电渣炉产出的炉渣返回到精炼炉，精炼炉产出的炉渣返回到转炉和铁水预处理脱硫，将转炉特别是脱碳转炉产出的炉渣返回到铁水预处理脱磷。电弧炉钢铁冶炼过程中，将电渣炉产出的炉渣返凰到精炼炉，精炼炉产出的炉渣返回到电弧炉。以上弃渣返回利用过程中，脱碳渣和精炼渣用量为30%～100%。由于后步工序炉渣的产出量比较小，其返回应用不一定能替代全部原上部工序的造渣材料。渣量不足部分，依造渣要求，由石灰、粘土砖块、白云石、萤石等补充。

通过梯级回用，预计可达到如下效果：

1）利用钢铁废弃渣，减少钢铁企业固体废弃物排放。

2）减少石灰和其他原料消耗，减少成本消耗。

3）由于LF精炼渣、电渣重熔炉渣甚至转炉渣等均为预熔渣，具有优良的冶金反应性能，可明显改善炼钢过程的动力学条件。通过LF精炼渣和电渣重熔炉渣均为预熔渣的应用，替代外购预熔渣，具有明显的经济效益。

4）通过综合应用，可改善炼钢操作，使冶炼时间缩短，供电效率提高，炉龄提高等。

5）由于最终排出炉渣的反应更加充分，稳定性更好，更易在建筑材料方面获得应用。