贾国良 樊康 贾宜川
目前，大宗工业固废主要作为原材料或混合材料用于建材行业的水泥、混凝土等，是规模化利用工业固体废弃物的主要技术和途径，但总体来讲，还处于低端的应用，高附加值技术得不到广泛推广，利用大宗工业固废作为原材料制备高端产品的难度依然很大。水泥、混凝土等建材行业可以大量消纳工业固废，但由于受建材行业产能严重过剩的影响，大宗工业固废在建材行业的规模化应用也受到很大限制，同时，随着建材标准的提升，为保证产品性能和质量，水泥、混凝土生产过程中掺入的固废量逐渐减少，特别是最近出台的《硅酸盐水泥》（GB175-2023），将钢渣不再列入生产水泥采用的混合材料中，这就意味着今后钢渣不能作为原材料用于生产水泥，将严重影响钢渣资源化的综合利用。
钢渣是转炉、电炉、精炼炉熔炼过程中排出的由金属原料中的杂质与助熔剂、炉衬形成的以硅酸盐、铁酸盐、氧化物为主要成分的熔渣，主要包括转炉渣、电炉渣、铸余渣、平炉渣等。每生产1t粗钢，产生100~150kg的钢渣，近年来我国钢渣的年产生量基本维持或超过1亿t。加之其资源化利用率低，导致每年有7000万t左右的钢渣堆弃。这不仅占用大量土地，也会造成土壤、空气、水体的污染。
钢渣主要由Ca、Si、Fe、Mn、Al、Mg、P、O等组成，其矿相主要包括硅酸二钙（C2S）、硅酸三钙（C3S）、RO（R代表镁、铁、锰的氧化物所形成的固熔体）、铁酸二钙（C2F）、自由氧化钙（f-CaO）、金属铁（MFe）等。由于钢渣含有金属铁，使得钢渣可以作为铁资源回收的物质；由于含有C3S、C2S及铁铝酸盐等矿相，使得钢渣具有一定的胶凝活性，具有胶凝材料使用价值。
通过查阅钢渣处理及资源化利用文献可知，我国钢渣处理大体上经历了3个阶段。第1阶段主要发生在1950年到1980年的30年时间里，这一阶段，钢渣产出后被直接堆弃在渣场。由于其资源化利用率几乎为0，长时间无序堆弃，造成土壤、水体、空气的极大污染。第2阶段主要发生在1980年到2005年的二十多年的时间里。这一阶段，钢渣通过简单的手动或机械磁选回收渣钢用于炼钢，部分尾渣用做道路材料。由于缺乏成熟的钢渣处理技术和必要的标准，导致钢渣使用中问题频出。如宝钢上世纪80年代在室内体育馆的建设过程中使用了钢渣，导致了地基的开裂。第3阶段从2015年开始，这一阶段的钢渣经过处理后部分得到了资源化利用，但利用率也一直很低，2005年仅为10%左右，现在也只有30%左右。
1 钢渣利用
根据钢渣的特性可知，钢渣含有金属铁和含铁相、硅酸盐类等胶凝活性物质。所以，我国的钢渣利用主要围绕这两个特点进行。
1）钢厂内循环
在冶炼造渣过程，钢渣在钢液表面处于喷溅状态，有部分钢液以钢珠形态和钢渣粘附包裹在一起，随渣排出。所以，钢渣中含有约5%~10%的金属铁以及20%左右的含铁相，冷却粒化后的钢渣经过破碎、筛分、磁选选出渣钢和磁选粉。通过工艺控制可以获得铁品位＞85%的渣钢，直接返回炼钢。获得铁品位＞40%磁选粉，可直接返回烧结使用。同时获得金属铁低于2%的尾渣，根据产品性能要求，通过不同的处理手段，制备出不同性能的产品。对于钢厂来讲，固体废弃物的钢厂内循环是其追求的目标。但是由于钢渣中仅含有20%~30%左右的含铁相，超过70%的钢渣尾渣不能在钢厂内循环。
2）水泥制备
在硅酸盐水泥中按一定比例掺入钢渣粉可制备出钢渣硅酸盐水泥、低热钢渣水泥、钢渣道路水泥等水泥品种。目前我国已有《钢渣硅酸盐水泥（GB13590）》、《低热钢渣矿渣水泥（YB/T057）》、《钢渣道路水泥（YB4098）》、《钢渣砌筑水泥（YB4099）》的标准和产品。由于掺钢渣的水泥自身性能特性，其只能用于要求较低的建筑物，目前新出台的《硅酸盐水泥》（GB175-2023）更是不利于钢渣在水泥中的利用。
3）道路用材料
由于钢渣拥有较高耐磨性和硬度，处理后安定性良好的钢渣尾渣可用于道路垫层、基层和面层，也可作沥青混凝土路面，提高公路抗压、抗折强度，改变公路抗弯沉性能。用做道路材料是大量消纳钢渣的一种有效途径，但随着时间的延长，钢渣中f-CaO的会慢慢消解，导致地基开裂，出现安全事故。
4）钢渣砖制备
经稳定化处理后的钢渣和粒化高炉矿渣为主要原料掺入少量激发剂可产生建筑用砖，地面砖和砌块等建筑材料，其强度和耐久性高于粘土砖。钢渣用做骨料制备钢渣砖，会导致砖体开裂粉化，破坏钢渣砖强度，引发安全事故。尽管钢渣利用途径较多，但是我国钢渣的资源化利用率还不到30%，导致我国在钢渣资源化利用方面压力较大。
2 钢渣利用途径探讨
1）钢渣处理利用存在问题
作为钢厂产量较大的一种二次资源，钢渣有作为铁回收、尾渣利用和热能回收的潜力。但目前的钢渣处理工艺和资源化利用途径只关注了钢渣物质的回收，如渣钢、磁选粉、尾渣。但在高温冶金渣余热余能的高效转化、余热余能回收的高效利用方面关注度不够，特别是高温钢渣余热回收技术及装备有待突破。在钢渣处理过程中，不同企业采取的工艺技术和水平存在一定差别，部分企业处理后的钢渣存在游离钙镁氧化物超标，钢渣安定性不合格的问题。使用安定性不达标的钢渣用于道路、房屋等建设，就会出现道路、地面、砖开裂等一系列问题。这些失败的案例对企业自身带来了经济损失，更为钢渣的资源化利用造成了严重的负面影响。同时，我国循环经济发展处于起步阶段，对于用钢渣制备的产品，客户还缺乏足够的认识，接受度较差。另外，钢渣的资源化利用往往是跨行业领域，即钢渣是钢铁行业固废，而实际应用客户往往是建筑、交通等行业，导致钢渣产品的市场认可度差。钢渣制品附加值低，资源综合利用缺乏可操作的政策支持等也是导致钢渣资源化利用受限重要原因。
2）钢渣资源化利用途径探讨
目前，国内约50%的钢铁企业仍采用落后的热泼工艺，环保不达标，处理后钢渣安定性差，导致钢渣尾渣产品存在体积膨胀开裂等问题，资源化利用水平低。尽管剩余的50%左右的钢渣经过罐式有压热闷、池式热闷、滚筒、风淬等工艺进行了处理，但这些工艺处理的着力点都是基于钢渣粒化和f-CaO的消解，便于后续的破碎筛分磁选，得到渣钢、磁选粉和尾渣。
虽然钢渣资源化利用的技术也不少，但其大批量规模化应用的主要是用于胶凝材料的生产，产品附加值低，受水泥行业市场行情上下波动，导致钢渣资源化利用的经济效益较差。在当前双碳目标下，急需对钢渣处理新技术和资源化利用途径进行探讨和优化。《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》明确指出，到2025年，钢渣等大宗固废的综合利用能力显著提升，利用规模不断扩大，新增大宗固废综合利用率达到60%，存量大宗固废有序减少。因此，作为大宗固体废弃物之一的钢渣的资源化利用刻不容缓。
从前面的分析可以知道，钢渣是热、铁和硅酸盐物质的载体，其资源化利用既包括热能的利用也包括物质的利用，笔者认为利用钢渣热量对其进行还原改性回收铁和尾渣、同时回收钢渣余热和利用钢渣特性对钢铁企业的CO2进行捕获是未来钢渣处理和资源化利用比较有前景方向。
（1）熔融钢渣还原改性：利用钢渣自身温度高（1600℃）的特点，向其中加入还原剂，进行熔渣钢渣的还原改性，实现铁的还原和尾渣物相的重构。这种工艺可以实现钢渣中“热”“铁”“渣”的综合利用。其中，“热”的利用是指采用钢渣出炉时的显热为钢渣中铁的还原和物相重构提供热量；“铁”的利用是指将钢渣中的5%~30%左右的铁氧化物还原成金属铁并回收利用；“渣”的利用是指根据目标产品的不同，通过不同改性材料重构钢渣物相，制备出高附加值制品，如微晶玻璃、保温材料、岩棉等。
（2）高温钢渣余热回收：目前，文献报告的钢渣余热回收技术有风淬法余热回收、双内冷转筒粒化热能回收、机械搅拌法余热回收、“连铸-连轧”干式粒化和余热锅炉熔渣热能回收、离心法余热回收等工艺。但上述工艺仅停留在实验室阶段或由于各种原因运行几年后而停滞。
总之，国内外在钢渣余热回收技术上还没有重大突破。但是从余热回收工艺可以看出，要想实现余热的回收，首先需要将钢渣进行粒化，然后再采用合适的换热介质与钢渣进行充分换热，从而达到钢渣余热回收的目的。如现在的熔融钢渣罐式有压热闷工艺，通过钢渣与水换热，获得具有一定温度和压力的水蒸气来实现钢渣余热的回收。还有日本学者报道的，粒化后的钢渣与空气进行热交换，获得一定温度的高温空气从而实现高温钢渣的余热回收。
在“双碳”目标下，高温钢渣余热回收必将是未来钢渣处理利用的重要方向。
（3）CO2捕获：其实质是利用CO2与钢渣中含有的游离的CaO和MgO发生反应，生成碳酸盐。这不仅可以实现钢渣中物相的重构，还捕获了CO2，使其固定于钢渣中。目前，钢渣用于CO2捕获的方法主要包括湿法和干法，尽管现在多处于研究阶段，但在“双碳”背景下，未来有关这方面的研究可能将会大量涌现。
从上述分析可知，实现高温钢渣“热”“铁”“渣”全部资源化利用的最优工艺是利用熔融钢渣自身热量，进行熔融钢渣的还原改性，分离铁和尾渣。其中铁在钢厂内循环；高温尾渣采用合适的工艺技术（如连铸-连轧”干式粒化和余热锅炉工艺）进行余热回收，冷却后的尾渣用于制备高附加值产品。笔者认为这是未来钢渣处理的最优路径，因为这既实现了钢渣余热的利用和回收，又实现了铁和尾渣的综合利用，提高钢渣的资源化利用，助力“双碳”目标的实现。
在“双碳”目标下，钢铁企业会越来越重视钢渣的处理与利用工作，同时应加强钢渣余热回收方面的研究和投入，关注钢渣新型处理工艺开发和高附加值产品制备，以期实现“热”“铁”和“渣”的全部资源化利用。未来钢渣处理的最优路径是先对钢渣进行还原改性回收铁，然后采用连铸-连轧”干式粒化和余热锅炉等工艺对高温尾渣进行余热回收，最后对冷却后的尾渣进行资源化高附加值利用，这可以实现熔融钢渣“热”“铁”和“渣”的全部资源化利用。