钢厂高温炉渣的再利用
若风
中国地质大学（北京）
材料科学与工程学院
1003102X班
学号：100310222X
摘要：
众所周知，人类使用钢材的历史已经很长了，钢材在我们的生活中发挥了巨大的作用。但是钢在生产的过程中，也就是炼钢的时候，钢厂会消耗大量的能源，同时也会产生高污染的炉渣，现在的人类对解决这种高污染的炉渣还没有成熟的技术，只能把这大量的炉渣堆放在一些没有人居住的地方。当今社会又是一个高速发展的信息社会，每天对钢材的需求量多到无法想象，所以炉渣的量也会多到无法想象的地步。这么多的炉渣，放到哪里都是会对环境造成不可忽略的影响的。本文针对钢厂高温炉渣的再利用问题，做出一些介绍。
关键词：钢厂炉渣，成分，再利用，价值
钢材这种材料我们大家应该都不陌生，它存在于几乎我们生活中的每个角落，大到我们住的楼房和汽车，小到我们用的桌子椅子水龙头，都有钢材的成分。而凭我们的常识，我们知道，钢材不是从土里长出来的，也不是像石头一样遍地都是，更不是像下雨一样从天而降的，而是人们通过提炼铁矿石，控制铁中铁和碳的比例，从而制造出来钢材。所以钢材属于人工合成材料，在合成的过程中，需要消耗很多宝贵的化石资源，或者有时候是间接地消耗化石资源。而且不只是单纯的消耗，同时还要产生具有高污染性的炉渣。
炉渣是炼钢过程金属料(铁水和废钢等)中的杂质被氧化剂氧化而生成的氧化物再与造渣剂和炉衬发生物理化学反应而形成的产物的总称。炉渣密度低于钢液，通常覆盖在钢液表面。在冶炼过程中，由于大量气体的产生，熔池发生强烈搅拌，熔渣和钢液往往又处于相互混合状态，这种混合程度越发展，熔渣对钢液的精炼作用就越快。由于渣和钢间的连续不断反应，熔渣的组分和性质在熔炼过程中也不断变化，而熔渣的性质直接关系到钢液的最终质量，炼钢行业有句名言：炼钢即炼渣。可见炉渣对炼钢的重要性。
炼钢的主要任务是最大限度地去除钢水中的有害杂质(硫、磷、气体和夹杂物等)，这主要是依靠炉渣的精炼作用，所以在熔炼过程中要不断地控制和调整炉渣的成分和温度。
炼钢过程中炉渣具有下列功能：
(1)去除有害杂质元素和非金属夹杂物，达到精炼目的；
(2)在氧化期能保证从炉气到钢液有一定的传氧速度；
(3)能阻止炉气和大气中的N2、O2和H2向钢液传递；
(4)在浇铸时，炉渣对钢包中钢液起隔热保温作用，阻止钢液急剧降温。
成渣过程：向炼钢炉内加入金属料的同时加入造渣剂(石灰、石灰石、铁矾土、萤石、铁矿石和砂子等)，当炉料经一段时间加热、逐渐熔化，金属料中的杂质元素(Si、S、P等)和铁元素氧化后生成氧化物，石灰等造渣剂便开始溶解于这些氧化物而生成初期渣，随着金属料中大量杂质元素的氧化，石灰等溶解于氧化物的量也激增，这时熔渣的成分也随之不断改变。炉内成渣过程的快慢取决于炉料的块度，向炉内供氧、供热的强度和熔池搅拌强度等因素。为了缩短冶炼时间以提高产量，采取提高温度，改变炉渣成分等措施加速成渣过程，尽早发挥炉渣的冶炼作用。
随着炉温不断升高，钢液的脱碳反应加剧，形成大量CO气体，这时极易诱发泡沫渣，对冶炼过程有很大影响，需要注意控制。氧气转炉内的泡沫渣可造成猛烈喷溅，引起氧枪粘钢粘渣，平炉冶炼时的泡沫渣会阻碍钢液的加热和升温，而使炉内的热反射到炉顶和炉壁，造成炉衬过热而加速损坏。但是在电弧炉中的泡沫渣会包围住电弧，减少电弧向炉衬辐射的热量，有利于炉渣吸热和钢液升温，因此提高了用电效率。初期渣大都属于高(FeO)、含大量表面活性物质(PO34-、F-、SimOyn-)的不均质炉渣(含有未熔化的石灰颗粒)，此种渣液同高碳钢液发生碳的氧化反应生成大量CO小气泡，于是就产生泡沫渣。
减轻泡沫渣生成的措施有：
(1)控制脱碳速率；
(2)向渣中加入助熔剂(火砖块等)；
(3)限制渣中活性物质浓度的急剧增加。
说了这么多，相信我们对炉渣能有一个初步的认识了。那么钢厂的高温炉渣到底有什么用呢？
我们可以从钢厂炉渣中回收有用金属。
炉渣用硫酸浸取,浸取液采用EDTA络合滴定分析元素组成，颗粒粒径分布采用标准筛筛分，分析化学组成和微观结构分别采用XRF。结果表明，铝的最大提取率为86.20%，条件为:H
2SO4浓度4
mol/L，固液比1:5条件下在80℃浸取24
h。在同一条件下铁获得最大提取率为94.3%
[1]。
据近几年的文献说，炉渣在中国生产的数量大约是每年1.2-1.6亿吨，炉渣已经引起了许多严重的环境问题[2]。那时候的中国还没发展到现在的信息时代，对于刚才的需求量应该比现在会少的多得多了，那么现在的炉渣生产数量应该是可想而知的。大量的炉渣不但占地面积大，而且里面的有毒有害物质还会慢慢渗入土壤，对土地和地下水造成污染。
炉渣里面的成分包括40-60%的二氧化硅，18-38%的氧化铝，2-7%的氧化铁和1-4%的氧化钙[3]。我们都知道，铝是食品污染源之一，炉渣里面含有大量的铝，如果渗入到地下水中，就会对一些人们的饮用水造成影响，后果是不堪设想的。
所以，从炉渣里面提取铝元素这项研究，不但可以变废为宝，赚取利益，而且为保护环境也做出了贡献。保护环境就相当于是为全人类谋福利，这一举几得的事儿，我们何乐而不为呢？
其实炉渣这种东西不只有这一个用途，变废为宝的方法有很多。
对炉渣还可以进行钙钛矿选矿。具体方法如下:采用预处理方法对矿物表面进行改性，然后再用浮选方法回收钙钛矿。运用混合试剂Hc（用量为47.6kg/t）预处理并经一次粗选（药剂制度为：水玻璃2500g/t，CMC100g/t，羟肟酸700g/t，2#油20g/t）后，可得到TiO2品位为30～31％，TiO2回收率为33～35％的精矿指标。若采用“磨矿—预处理—一粗三精二扫—精矿再磨—再预处理—再一粗三精二扫”的闭路流程，可得到的钛精矿指标为：TiO2品位40.33％，TiO2回收率30.02％。在此基础上，增加精选作业次数至四次，即采用“磨矿—预处理——粗四精二扫—精矿再磨—再预处理—再一粗四精二扫”的闭路流程可继续提高钛精矿的质量至TiO2品位43.01％，TiO2回收率29.89％。此外，又对选别流程做了一定的探索性优化试验。预处理之所以能改善钙钛矿的浮选指标，原因在于Hc试剂可选择性溶解矿石表面的Ca2+，使钙钛矿所受的抑制作用大大减弱，而脉石仍会受到强烈的抑制作用，从而增大了钙钛矿与脉石的可浮性差异[4]。
炉渣还可以做水泥混合材料，当做建筑材料。
粉煤灰和炉渣具有一定的火山灰活性，将这些废渣用作建筑材料，是大量消耗废渣，减少其对环境污染的一种有效途径，同时也可提高企业的经济效益，是企业新的经济增长点。
但是粉煤灰掺量对不同水胶比混凝土强度有很大的影响。
作为水泥混合材的试验结果表明：当地排放的粉煤灰属于高钙灰，SO3含量超标，不宜单独用作水泥混合材，但适量的该粉煤灰与其他废渣混合使用，可以作为水泥混合材。炉渣的CaO和SO
3及烧失量含量均低，经磨细后完全可以作为水泥混合材使用。由于粉煤灰的CaO、SO3含量高，而炉渣CaO和SO3含量低，故两种废渣混合使用，可克服粉煤灰CaO和SO3含量高的缺陷。在单独使用炉渣或复合使用粉煤灰和炉渣作为水泥混合材时，在满足水泥性能要求的前提下，均存在最佳的石膏掺量。
作为混凝土掺合料的强度试验结果表明：随着粉煤灰掺量增大，高水胶比混凝土强度降低幅度明显大于低水胶比混凝土的强度降低幅度
[5]。
炉渣还可以和蛭石、磷灰石、方解石以一定的配比共同去除富营养化水中的磷。
水体富营养化已造成严重的水污染。据统计世界上40%、我国65%的湖泊和水库已发生不同程度的富营养化。水体富营养化的重要控制因素是磷。目前,国内外对富营养化湖泊的治理方法主要有:工程措施、物理化学法、生物法等。然而,这些方法的除磷结果虽达到降磷效果,但磷含量仍然在爆发富营养化底线(0.01—0.02mg/L)以上,不能真正解决水体富营养化问题。根据晶体生长和矿物学思想,利用蛭石、磷灰石、方解石和炉渣对人工配水和生活污水进行了除磷实验研究。研究结果表明,这些材料都对水体中的磷具有不同程度的去除作用,其中炉渣和磷灰石的除磷效果最好,降磷至水体富营养化临界值以下。
炉渣的除磷:对不同浓度的人工配水和校内的生活污水进行了批实验和柱实验,以及温度、pH影响的实验。结果表明除磷效果很好,一定条件下,出水磷含量可降至水体富营养化临界值以下。存在问题是出水pH值高。
蛭石的除磷:经过膨化的蛭石除磷效果明显,降磷可接近水体富营养化底线。但问题是,除磷后溶液pH值高,除磷效果不稳定。方解石的除磷:初始含磷浓度和温度影响方解石除磷效果,当配水含磷浓度3mg/L以上、溶液含钙离子、氟离子、加热条件下,除磷后磷浓度可降至0.026mg/L,接近水体富营养化底线。问题是初始含磷浓度3mg/L以下除磷效果不明显。
磷灰石的除磷:在配水中加入钙离子、氟离子除磷效果明显且稳定,特别是对低浓度含磷(如1mg/L,0.5mg/L)配水除磷效果仍好,接近富营养化底线。加热后或溶液pH=10时,磷灰石降磷至富营养化临界值以下。根据资料,这是目前含磷污水处理含磷量最低值。除磷过程pH值基本不变。对除磷产物进行了红外光谱、拉曼光谱、扫描电镜和透射电镜测试分析。认为其产物是类似于磷灰石的物质,但结晶程度不高。磷灰石起到晶芽的作用。方解石无晶芽作用。总之,碱性条件下在含磷溶液中有钙离子、氟离子,以及磷灰石晶芽存在时,除磷后使溶液磷含量降至富营养化底线以下,在实验室条件下基本解决了水体的富营养化问题。以上除磷原理,实质是钙-磷化学沉淀结晶的过程，而非物理吸附除磷[6]。
炉渣还可以以微粉的形式作为高性能混凝土的掺料，使其各方面性能都有所提高。
攀钢高炉渣由于含24％左右的TiO2，极大地限制了它在胶凝材料中的应用，已成为在制约攀钢生产的“瓶颈”。但是根据攀钢高炉渣微粉的特性、及其在高性能混凝土中应用技术，以期为攀钢高钛型炉渣在混凝土中应用开拓一个新方向。
攀钢高钛型高炉渣由于TiO2的含量高，严重的降低了高钛矿渣微粉的水化活性和易磨性。高钛矿渣微粉水化活性指数仅为80.4％，而普通高炉渣为108％。同时，在相同粉磨条件下，高钛矿渣微粉的细度、粒度分布与普通高炉渣也有明显不同。与普通高炉渣微粉相似，高钛矿渣微粉与水泥、外加剂有较好的相容性。试验同时指出，高钛矿渣的掺入，明显提高了胶砂流动性，减少了流动度的经时损失，延缓了水泥凝结时间。当水泥一定时，外加剂的品种和掺量是影响体系相容性的主要原因。掺入20％高钛矿渣微粉，采用1.2％的高效减水剂可以得到塌落度、扩展度较大且损失较小的高性能混凝土，120分钟时，塌落度为190mm、扩展度为415mm，流出时间为15s，符合泵送混凝土的要求。利用磨细的高钛矿渣等量取代10-30％的硅酸盐水泥，并掺入高效减水剂和外加剂UA，在水灰比为0.26时，可以配置出初始塌落度大于230mm，120min后，塌落度仍大于190mm，7天强度大于70Mpa，28天强度大于80Mpa的高性能混凝土。从高钛矿渣混凝土工作性和强度综合评价，高钛矿渣掺量为20％时，混凝土性能最佳。不同配比、不同水化龄期的试样显著结构表明：高钛矿渣增强的机理主要是微粉的填充效应和胶凝效应[7]。
高炉渣生产绿色建材,既节约资源,保护环境,又具有良好的经济效益,同时具有巨大的发展潜力和广阔的发展前景。龙钢高炉渣的主要成分CaO、SiO2、Al2O3的含量比较稳定。从龙钢高炉渣样品的质量指标计算结果可知,龙钢高炉渣水硬性系数,水硬活性很好,具有较高的活性,能够满足水泥配料的要求。尽管龙钢高炉渣能够满足配置高炉渣水泥的要求,但是质量不是很高。在实验室用球磨机对龙钢高炉渣样品进行易磨性试验,得到龙钢高炉渣的粉磨功指数,在水泥熟料的粉磨功指数范围内,属于易磨的高炉渣。按照火山灰及其强度测试要求,龙钢高炉渣在和石灰的配比比较大的时候,火山灰性反应的强烈。通过对碱激发剂的掺入量和水胶比对初凝时间的影响实验分析,表明如果要发挥碱激发高炉渣混凝土的作用,在实验室和工程中必须对碱激发剂采取措施。高炉渣细度的减小虽然可以延长初凝时间,但是对混合料的力学性能产生一定影响,试验表明高炉渣的细度在500m2/kg左右时,混合料的初凝时间比达到最佳。碱激发剂掺入量相同时,两种激发剂都产生了很高的早期强度,试验表明水玻璃对高炉渣的激发效果比NaOH好。当高炉渣的比表面积达到500m2/kg时,产生的抗压强度最大,当比表面积为630m2/kg时,早期抗压强度高,但是后期强度不足。通过正交试验设计碱激发高炉渣标准砖的配方,检测高炉渣砖的抗压和抗折强度,确定了实验室生产碱激发高炉渣标准砖的最佳配方
[8]。
现在我们可以看出，炉渣的再利用方法还真是不少，与其让大量的炉渣占有我们的陆地面积，不如把它们变废为宝，好好的利用。这样不但可以少浪费土地，还可以为保护环境做出贡献。而作为材料人的我们，开发研究炉渣保护环境更是我们义不容辞的责任。
参考文献：
[1]
李进平,侯浩波,甘金华.从沸腾炉渣中浸取有价金属[J].中山大学学报(自然科学版),2007,46(增刊):270-271
[2]
A.Seidel,Y.Zimmels,R.Armonb.Mechanism
of
bioleaching
of
coal
fly
ash
by
Thiobacillus
thiooxidans
[J].Chemical
Engineering
Journal,2001,83:
123-130
[3]
MATJIE
RH.Extraction
of
alumina
from
coal
fly
ash
generated
from
a
selected
low
rank
bituminous
South
African
coal
[J].Minerals
Engineering,2005,18(3):
299-310
[4]
贺成红.攀枝花高炉渣中钙钛矿选矿试验研究[D].昆明：昆明理工大学，2002
[5]
张超.粉煤灰和炉渣作水泥混合材及粉煤灰掺量对不同水胶比混凝土的强度影响研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012
[6]
许虹.矿物及炉渣在水体除磷中的作用及其机理研究[D].北京：中国地质大学（北京），2006
[7]
敖进清.高钛型高炉渣微粉特性及其在高性能混凝土中的应用[D].武汉：武汉科技大学，2002
[8]
王军.高炉渣生产绿色建材的基础研究[D].西安：先建筑科技大学，2010
点击咨询