钢渣的利用
钢渣二次利用最好的途径就是用作高炉、转炉原料,在钢铁厂内循环使用。此外,钢渣还可用于道路工程、建材原料、钢渣肥料及填坑造地等。
1、钢渣用于冶金原料
1)钢渣用作烧结材料宝钢、济钢、鞍钢等公司的实践表明:烧结矿中配加钢渣代替熔剂,不仅可回收利用钢渣中残钢、FeO、CaO、MgO、MnO等有价成分,还可用作烧结矿的增强剂。烧结矿中适量配人钢渣后,可显著改善烧结矿的质量,使转鼓指数与结块率提高,
风化率降低,成品率增加。此外,由于钢渣中Fe与FeO的氧化放热,节省了烧结矿中钙、镁碳酸盐分解所需要的热量,使烧结矿燃料消耗降低。高炉使用配入钢渣的烧结矿,由于烧结矿强度高,粒度组成改善,尽管铁品位略有降低,渣量略有增加,但高炉操作顺行,对其产量提高、焦比降低很有利。烧结中配加钢渣应注意磷的富集问题。按照宝钢的统计数据,烧结矿中钢渣配人量增加10kg／t,烧结矿的磷含量将增加约0、0038％,而相应铁水中磷含量将增加0、0076％。比较可行的措施就是控制烧结矿中钢渣的配入比例,另外可以在生产中有针对性地停配钢渣一个时期,待磷降下来后在恢复配料。
2)钢渣用作高炉熔剂
钢渣直接返回高炉作熔剂的主要优点就是利用渣中CaO代替石灰石,节约了熔剂消耗,但由于目前高炉大都使用高碱度烧结矿,基本上不加石灰石,所以钢渣返回高炉的用量受到限制。但对于烧结能力不足的高炉,用钢渣作高炉熔剂的价值仍很大。此外,钢渣中较高的铁含量可代替部分铁矿石;钢渣中的MgO可置换部分白云石,增加炉渣的流动性与稳定性。钢渣中的MnO可回收进入铁水。
3)钢渣用作炼钢返回渣料
钢渣返回转炉冶炼能提高炉龄、促进化渣、缩短冶炼时间,又可降低副原料消耗,并减少转炉总的渣量。日本住友金属与歌山厂在160吨转炉采用返回转炉渣与白云石做造渣剂。钢渣粒度为15～50 mm。在吹炼开始3 min内全部加入,吨钢加入量20 kg到130 kg。为防止渣量过大而引起喷溅,采用低枪位操作。为了吹炼稳定,白云石分批加入。可以提前化渣。减少了石灰与萤石用量,转炉渣总量减少最高达60％。首钢电进行过转炉返回钢渣试验。吨钢加渣25～30 kg,块度小于50mm,钢渣通过炉顶料仓加入。结果表明,初渣成渣快,终渣化得透。试验中70％的炉次无须加萤石,石灰用量减少10％。返回渣配加白云石,终渣较粘,倒炉后可以形成渣壳于炉壁,提高了转炉炉龄。宝钢在国内率先开发了转炉脱磷脱碳的双联法工艺。即在转炉内进行铁水脱磷处理,出半钢后在进行脱碳处理,可以稳定地生产磷含量低于80 ppm的超低磷钢。在双联法工艺中,由于脱磷负荷主要由脱磷炉分担,因此脱碳炉的钢渣磷比较低,可以返回脱磷炉造渣,回收了资源,并降低了副原料单耗。
2、钢渣用于道路工程
钢渣用于筑路就是钢渣综合利用的一个主要途径。欧美各国钢渣约有60％用于道路工程。钢
渣碎石的硬度与颗粒形状都很符合道路材料的要求,与粉煤灰、高炉水渣、水泥、石灰等配料后,可用作道路的基层、垫层及面层。如宝钢在三期工程主干道纬十一路采用钢渣三渣在道路基层施工中进行试验。试验道路第一段采用水淬钢渣、粉煤灰与石灰三渣混合料,第二段采用粒铁回收后的规格渣、粉煤灰与石灰三渣混合料。对比路段采用天然碎石、粉煤灰与石灰三渣与高炉水渣、粉煤灰与石灰三渣。相比天然碎石三渣与高炉水渣三渣,钢渣三渣基层具有较高的承载力,铺筑沥青面层后,经一年行车考验,路面平整无裂纹,与其它路段无区别。此外,钢渣还可以用于沥青混凝土路面。钢渣在沥青混凝土中有很高的耐磨性、防滑性与稳定性,就是公路建设中有价值的材料。国外曾在用沥青混凝土铺筑的试验路面上进行了路面抗防滑轮胎磨损试验,一种就是用硬质天然碎石为骨料,另一种就是用钢渣为骨料。结果表明
钢渣路面较天然硬质岩抗磨性好,另外钢渣的防滑性也较好。钢渣还适用于冬季修补路面的热拌沥青拌合料,因为钢渣冬季不结冰、热耗低、容重大、固定性好,用于修补路面时修补处能很好地固定在原位。
3、钢渣用于生产建材
1)钢渣生产水泥
由于钢渣中含有与水泥相类似的硅酸三钙、硅酸二钙及铁酸钙等活性矿物,具有水硬胶凝性, 因此可以成为生产无熟料水泥或少熟料水泥的原料,也可以作为水泥掺合料。水泥熟料就是由石灰石、黏土与铁粉等高温焙烧而成。每分解1吨石灰石需耗能2100 KJ,排放440 kg CO2,因此钢渣用于水泥生产可以有效降低能耗,减少温室气体排放。目前的钢渣水泥品种有:无熟料钢渣矿渣水泥、少熟料钢渣矿渣水泥、钢渣沸石水泥,钢渣矿渣硅酸盐水泥、钢渣矿渣高温型石膏白水泥与钢渣硅酸盐水泥等。水泥标号从275、325提高到425以上,并制订了相应的国家标准与行业标准。钢渣水泥不仅具有与矿渣水泥相同的物理力学性能,还具有水化热低、耐磨、抗冻、耐腐蚀、抗折强度高等优良特性。
2)钢渣用作混凝土掺与料
钢渣形成于炼钢高温,因此渣中的硅酸二钙与硅酸三钙矿物结晶完整,晶粒粗大致密,水化硬化速度较慢。为了提高钢渣的水硬活性,需要用特殊的磨粉工艺与设备。粉磨过程不仅就是颗粒减少的过程,还伴随着晶体结构及物化性质的变化。粉磨能量中一部分转化为物料新颗粒的内能与表面能,同时产生晶体晶格的位错、缺陷或在表面形成易溶于水的非晶态结构,加速水化反应。试验证明,钢渣粉比表面积在450 m2／kg以上时粒径为0—30um的颗粒量占80—95％,颗粒正态分布50％的粒径为4—6um。钢渣粉用作混凝土掺与料在胶材总量为320 ~480 kg／m3时,取代水泥量10一40％,可以配制C40一C70的混凝土。用钢渣粉配制的混凝土具有较高的耐磨性、抗炭化性,水化热低,抗折强度高,韧性好,但早期强度低,如果采用钢渣与矿渣双掺粉,强度可以提高到C80等级。目前,各种复杂建筑工程如高层建筑、跨海大桥、海底隧道、海上石油平台、核反应堆等施工难度大,对混凝土提出了新的要求。钢铁渣掺入可以生产高性能混凝土,因此钢铁渣具有很好的前景。
3)钢渣生产建材制品
将具有活性的钢渣与粉煤灰等按一定比例配合、磨细、成型与养护,即可生产出不同规格的砖、瓦、砌块与板等各种建材制品。生产建材制品的钢渣,要主要控制f-CaO含量与碱度。
4、钢渣用于地基回填与软土地基加固
钢渣做地基回填料主要控制钢渣在地基的膨胀性能,钢渣的膨胀性能就是长期的,主要与钢渣的物化性质有关。堆放一年以上的钢渣大部分已经完成膨胀过程,块度在200 mm以下,可以作为回填料,一般回填经过8个月后基本稳定。在一般回填工程中,地基下沉量就是很大的,采用钢渣作地基回填料,减少了地基的下沉值,对工程就是有利的。但在回填时要注意钢渣铺设的均匀性,才可避免地基的不均匀下沉。近年来国内钢渣做为回填材料已经大规模的开展。钢渣桩加固软土地基就是在软地基中用机械成孔后填人钢渣形成单独的桩柱。当钢渣挤入软土时,压密了桩问土。然后钢渣又与软土发生了物理与化学反应,钢渣进行吸水、发热、体积膨胀,钢渣周围的水分被吸附道桩体中来,直到毛细吸力达到平衡为止。与此同时,桩周围的软土受到脱水与挤密作用。这个过程一般需要3—4周才能结束。钢渣人土后水化后经过凝结、硬化,产生强度,提高了地基加固的复合效果,这样就加固了软土地基。
5、钢渣用于生产钢渣肥料与土壤改良剂
钢渣中含有P、Si、Ca、Mg等元素,可有不同的用途。P与Si就是水稻生长必需的元素,钢渣中含SiO2约10～15％,经磨细至60目以下,即可作为硅肥用于水稻田,每亩施用100 kg,可增产水稻10％左右。中高磷铁水炼钢时得到的钢渣可以用于制备钢渣磷肥,其成分除被作物吸收的磷元素外,还有镁、硅、锰等多种元素,对农作物也有很好的肥效作用,所以钢渣磷肥就是
一种多营养成分的化学肥料。钢渣磷肥不仅在酸性土壤中施用效果好,在缺磷的碱性土壤施用也有增产效果,并且施用于水田与旱田。钢渣中磷含量不能太低,一般至少
要在4％以上。此外,钢渣因为呈碱性,钢渣磨细后还可用作酸性土壤改良剂,同时也利用了钢渣中硅、磷等有益元素。由于各钢铁企业原料不同,有的钢厂钢渣中含有其它微量元素,此类钢渣用于生产肥料或土壤改良剂时,必须进行严格的浸出试验与生物毒理学的研究,以免对人体与环境造成危害。
6、钢渣在海洋工程的应用
冶金渣在海洋工程方面的应用就是一个比较新的领域,但可以预见有广阔的前景。日本自上世
纪九十年代开始加强该领域的理论与应用研究,取得了一定的进展。在钢渣方面,在海洋工程方面的应用有以下两点:
1)人造岩块
日本NKK公司将钢渣做成岩块放在海洋里作为人工礁石。钢渣岩块有下列两方面用途:
一就是可以吸收CO2,制作岩块所用CO2可以用工业尾气,l mol(56 g)CaO可以吸收44 g的CO2,钢渣中如果CaO含量为50％,与CO2的反应率为50％,则一吨钢渣可以吸收200 kg的CO2,这对减少二氧化碳温室气体排放有很大的前景;二就是钢渣岩块在海水中可以促进海洋植物的生长。试验表明,钢渣比较适合植物的生长,这主要归结于钢渣具有气孔、表面粗糙度适当与化学稳定性好等特点。
2)钢渣促进海水吸收温室气体
研究表明,铁、硅与磷等元素在海水中对浮游生物的生长有促进作用,钢渣中的铁以浮氏体或铁酸钙形式存在,硅则以硅酸二钙或硅酸三钙的形式存在,而磷主要以磷酸三钙或磷酸四钙的形式,还有一部分固溶于硅酸二钙或三钙中。磷在海水中的溶解速度与钢渣中的磷含量无关,而只与磷在钢渣的相成分有关。因此可以将钢渣作为藻类的营养物。而浮游生物的生长要依赖于光合作用,光合作用中将从大气中吸收CO2,因此通过钢渣的促进作用可以使海洋吸收大量CO2,从而改善温室效应。该方面的研究目前还处于实验室研究阶段,还没有大规模的应用报道。