郑志辉¹ 李保海¹ 盛强² 李国超² 申琪²

（1首钢股份公司迁安钢铁公司  河北省迁安市

2北京鼎盛成包装材料有限公司迁安分公司  河北省迁安市）

摘要：在国家“绿水青山，就是金山银山”的引领下，建设绿色钢铁是世界钢铁工业发展的方向。首钢迁安钢铁公司是大型钢铁企业，近些年来在节能减排、资源利用等方面取得了阶段性成果。通过行业间协作，技术创新，建设绿色循环产业园，实现钢渣的资源化、再利用和产品化，综合利用率达到75%以上。

关键词：钢渣 ；绿色发展；综合利用；行业协作

1 国内钢渣综合利用现状

2017年，我国粗钢产量约为8.32亿吨，钢渣产出量约1.66亿吨。钢渣因其自身的安定性不良，易磨性差，活性较低等原因，成为钢铁渣资源化利用难度最大的一类固体废物。在钢铁企业，一般都采用“破碎-筛分-磁选-渣钢/渣钢粉回收”工艺处理钢渣，金属回收率可达85%；但大部尾渣外销于建材企业或用于制作钢渣水泥、水泥混合材、砂石骨料、混凝土掺合料等，但综合利用率不足40%。

2 迁钢钢渣概况

2018年，迁钢年粗钢产量741万吨，固体二次资源产生量为436万吨，吨钢固体二次资源产生量为589Kg/t，其中炼铁工序吨钢产生量362.6 Kg/t；炼钢工序吨钢产生量204Kg/t（钢渣产出量为144Kg/t）；热轧工序吨钢产生量15.5 Kg/t。返生产利用率23%，综合利用率为99.05%。

3 迁钢钢渣综合利用情况

3.1 钢渣加工中心综合利用概况

钢渣加工中心主要功能是处理转炉热泼渣、炉下渣、铸余渣和脱硫渣，年处理能力120万吨。2018年产生转炉渣92万吨，铸余渣3.5万吨，脱硫渣15万吨。经过落锤破碎线、钢渣破碎磁选线、自磨提纯线、水洗球磨生产线、滚筛处理线以及罩车火焰切割线的加工处理，分选加工获得了品位40-85%的渣钢，回收利用渣钢约16万吨，尾料社会化利用。工艺流程如图所示。

图1：转炉渣处理工艺流程图

图2：铸余渣处理工艺流程图

图3：脱硫渣渣处理工艺流程图

3.2 钢渣制作干混砂浆技术

自主研发，以处理后的钢渣尾渣，代替天然砂，制备干混砂浆。2006年，首钢建立了年产30万吨的钢渣干混砂浆生产线，产品应用在奥运场馆建设、首都机场航站楼改造等工程中。

图4：钢渣制作干混砂浆工艺流程图

图5：干混砂浆生产现场

4 钢渣的基本特性

    钢渣是钢铁冶炼过程中所产生的，由造渣材料、冶炼材料、元素化学反应产物、熔损耐火材料和金属混合物形成的高温熔体。经冷却后形固态物质，以硅酸盐、铝硅酸盐为主要成分。根据炼钢工艺的不同，可分为转炉钢渣、电炉钢渣、精炼钢、预处理渣、铸余渣等。其中，钢渣占比较高，主要成分包括硅酸二钙（Ca₃SiO₅）、硅酸二钙（Ca₂SiO₄）、橄榄石（CaRS）、蔷薇辉石（Ca₃RS₂）、RO相。

4.1钢渣一次处理工艺

表1：钢渣一次处理工艺对比

4.2迁钢转炉钢渣物性

    迁钢采用210吨顶底复吹氧气转炉炼钢，钢渣主要来源于转炉工序，是转炉炼钢工艺不可缺少的副产物。转炉炼钢主要原料是铁水和废钢，辅料主要有石灰、轻烧白云石和矿石。炼钢过程中，通过顶部氧枪吹入氧化，与铁水中的碳、硅、锰、磷、硫以及铁元素等金属元素反应生成氧化物，在1600-1700℃的温度下，与加入炉内的辅料发生化学反应，形成1600℃以上的液态钢渣，经风淬或水渣形成固态钢渣。

4.2.1 钢渣的化学成分

表2：钢渣的化学成分（2019年1月10日）

4.2.2钢渣的矿相组织

转炉钢水熔池温度高，炉渣碱度和温度也高，钢渣的主要矿相为硅酸二钙（简写C₂S）和硅酸三钙3CaO•SiO₂（简写C3S），约占65%，以铁酸钙2CaO•Fe₂O₃（简写为C₂F）和RO相为结合相，约占30%，并含有5-7%MgO结晶相和一定数量的游离氧化钙。水泥熟料矿相为C₂S和C₃S含量约占75%，铝酸三钙和铁铝酸四钙的含量约占22%。从矿相组织来看，水泥熟料与钢渣矿相很接近。

图6：转炉钢渣矿相组织

4.2.3钢渣与水泥熟料形成温度对比

转炉炼钢过程中，转炉终点熔池温度为1650-1700℃，水泥熟料的生成温度范围一般为1300～1450℃烧成。钢渣生成温度明显高于水泥熟料的生成温度，对钢渣的活性存在不利的影响。

表3：钢渣熔炼过热度

4.3钢渣微粉制作水泥掺合料试验研究

协同建筑行业研究院联合进行试验，依照国标《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》GB/T20491-2017和《钢铁渣粉》GB/T28293-2012分别对水渣、钢渣和脱硫渣进行单独试验，完成了钢铁渣的试验。主要测试了带铁量、密度、粉磨及比表面积试验、XRF分析（化学分析）、XRD分析（晶像分析）、放射性实验、游离氧化钙含量（≤4%）、安定性、流动度比（≥95%）基准水泥、活性指数等9项试验测试。

（1）基本试验情况

表4：钢渣和脱硫渣基本试验情况

(2)放射性试验

表5：钢渣和脱硫渣放射性检测结果

(3)化学成分

表6：XRF分析

(4)安定性

表7：安定性分析

(5) 普通水泥活性指数：

表8：活性指标分析

试验表明：依据GB/T20491-2017《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》要求，三氧化硫含量≤4.0%，氯离子含量≤0.06% 。脱硫渣SO₃含量为4.37%，超过标准要求；两种钢渣氯离子含量超过标准要求，主要原因是冷却水质的问题；MgO含量均大于5%，需要做压蒸法安定性试验；放射性检测合格。

将钢渣样品磨细至比表面积400㎡/kg和450㎡/kg转炉渣的7天活性指数均不合格，28天活性指数差距不大，均判定为二级钢渣粉。脱硫渣磨细后7天活性指数均达到一级钢渣粉指标要求，但28天强度增长缓慢，达到二级标准要求，判定为二级钢渣。

5 钢铁渣复合粉试验研究

经试验研究，钢铁粉复合料中钢渣粉掺合比50%，达到G75级水泥标准；钢渣粉掺合比33%，达到G95级水泥标准；脱硫渣粉掺合比33%，达到G85级水泥标准。

5. 1矿渣粉基本情况

表9：矿渣粉指标分析

5.2 试验配比

钢铁渣配比原则：矿渣粉分别与GZ转炉渣粉和GS脱硫渣粉按不同比例进行混合成钢铁渣粉，配比情况。

表10：矿渣粉与钢渣粉、脱硫渣粉配比

5.3 钢铁渣活性指标

表11：矿渣粉与钢渣粉、脱硫渣粉复合粉活性指数

6 在水泥混凝土及制品的应用

钢铁渣复合粉是水泥原材料之一。另外，其下游混凝土及其制品中还需要大量的砂石骨料，按1吨水泥需要6吨的砂石骨料计算，我国每年大约需要132亿吨的砂石骨料。2014年，联合国环境规划署发布的《砂子，比你想象的更稀缺》报告提到，全球每年有超过400亿吨的砂子和砾石（颗粒稍大的砂子）被开采出来。砂石资源的短缺、环境的束缚，将使利用尾矿砂、废石、煤矸石、粉煤灰、钢渣等制备粗细骨料大有可为。

在新型墙体材料方面，随着国家“一带一路”、“雄安新区”、“特色小镇”、“海绵城市”等政策因素的带动，我国各地基础设施建设将不断加大，同时伴随着绿色建材、绿色建筑、绿色工厂、建筑节能、海绵城市、装配式建筑、美丽乡村的深入推广，新型墙材的市场需求也必将进一步增加，利用大宗工业固废制作的透水砖、路面砖、免烧砖、蒸压砌块、石膏砌块、泡沫陶瓷、仿古砖、景观砖、文化工艺品、雕刻品、防水防腐防火保温一体化的装配式墙材、屋面等产品也将大有可为。

7总结与展望

(1) 钢渣的主要矿相为硅酸二钙（简写C₂S）和硅酸三钙3CaO•SiO₂（简写C₃S），约占65%，以铁酸钙2CaO•Fe₂O₃（简写为C₂F）和RO相为结合相，约占30%，并含有5-7%MgO结晶相和一定数量的游离氧化钙。试验表明，不适合单独作胶凝材，可以作复合料使用。含50%钢渣粉的钢铁渣粉和含33%脱硫渣粉的钢铁渣粉，满足生产二级以上水泥要求。

（2）在当前炼钢工艺中，在实现冶金效果同时，优化工艺，为钢渣后续综合利用提供保障，是冶金科研人员攻关的方向。

（3）脱硫渣不仅可以用于钢铁渣粉，也可用于湿法脱硫和二氧化碳的减排吸附。

（4）随着国家对自然资源的保护，钢铁行业大宗固废钢的综合利用将有很高的发展前景。

参考文献

[1] 欧阳东，谢宇平，柯俊元，转炉钢渣的组成、矿物形貌及胶凝性能[J]，硅酸盐学报，1991，19（6）：488~494。

[2] 张作顺等 国内钢渣处理方法及资源化利用的研究进展。

[3] 廖洪强 首钢节能减排与资源综合利用新技术开发及其产业化。