楊素潔，張 冰，楊亞?wèn)|，劉夢(mèng)茹，唐 剛，劉秀玉,2

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.南京工大開元環(huán)保科技(滁州)有限公司，安徽 滁州 239000)

0 引言

近年來(lái)，隨著鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，鋼渣作為煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，其產(chǎn)量也在不斷增加。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)鋼材產(chǎn)量超過(guò)12億t，而每煉制1 t鋼約產(chǎn)生0.1～0.2 t鋼渣。我國(guó)目前現(xiàn)存的鋼渣已超過(guò)2億t[1]，但其綜合利用率僅為22%左右，與《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》提出的我國(guó)鋼渣利用率提高到95%的目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)[2]。

我國(guó)鋼渣綜合利用率低下，大部分鋼渣仍采用露天存放的方式處理[3]，這不僅占用了大量土地，而且鋼渣中的化學(xué)成分還會(huì)污染周邊環(huán)境，因此如何高附加值地利用鋼渣已成為目前冶金行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。鋼渣的綜合利用不僅可以將其變廢為寶，提高資源的利用率，降低企業(yè)運(yùn)行成本，還可以有效緩解鋼渣造成的環(huán)境污染問(wèn)題，對(duì)冶金行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 鋼渣的來(lái)源及組成

1.1 鋼渣的來(lái)源

鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的熔渣[4]，其組成包括冶金原料中所含的Fe、Si、P等元素氧化后形成的氧化物，金屬爐料帶入的雜質(zhì)，加入的造渣材料以及侵蝕脫落的爐襯材料等。

1.2 鋼渣的主要成分

在煉鋼過(guò)程中，由于原料、煉鋼方法以及冶煉階段的不同，所產(chǎn)生的鋼渣成分以及含量也不盡相同，但鋼渣的成分主要為氧化鈣、氧化鎂、二氧化硅、赤鐵礦、方鐵礦、氧化錳、三氧化二鋁等[5]。

1.3 鋼渣的礦物組成

鋼渣的礦物組成一般為硅酸三鈣、鎂硅鈣石、硅酸二鈣、鐵鋁酸四鈣和含有鐵、磷氧化物的固熔體以及游離氧化鈣等。

2 鋼渣利用現(xiàn)狀及途徑

2.1 國(guó)內(nèi)外鋼渣利用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)處理鋼渣的技術(shù)主要有熱悶自解法、滾筒法、粒化法、風(fēng)淬法、熱潑法等[6]。在鋼渣綜合利用研究方面，我國(guó)開展得相對(duì)較晚。近些年，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)和固體廢棄物再利用的重視，鋼渣在筑路、建材以及混凝土等方面獲得了廣泛應(yīng)用，但其綜合利用率僅為22%左右。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早在二十世紀(jì)初就已開展了鋼渣綜合利用技術(shù)研究，國(guó)際權(quán)威部門對(duì)日、美、英、德等十幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家近幾年鋼渣綜合利用現(xiàn)狀的研究結(jié)果表明，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼渣利用率已接近100%，其他國(guó)家如俄羅斯的鋼渣利用率也已達(dá)到了40%。目前發(fā)達(dá)國(guó)家主要將鋼渣應(yīng)用于道路工程、農(nóng)肥、建材以及土木工程等領(lǐng)域。

2.2 鋼渣中的鐵回收技術(shù)

鋼渣中富含金屬鐵及其金屬氧化物，其中金屬鐵占10%左右。張朝暉等[7]以太鋼集團(tuán)臨汾鋼鐵有限公司產(chǎn)出的鋼渣為原料，采用濕式磁選實(shí)驗(yàn)開展了鐵回收技術(shù)研究，并系統(tǒng)研究了鋼渣在不同磨礦細(xì)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度下鐵精礦的鐵品位與回收率，結(jié)果表明：在磨礦細(xì)度-200目占70%時(shí)，鐵回收率約為64%，鐵品位為59%；磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.175 T時(shí)，鐵品位達(dá)到了66.75%。張彥龍等[8]以首鋼京唐公司轉(zhuǎn)爐脫磷鋼渣和無(wú)煙煤為原料，混合后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下通過(guò)微波加熱研究了不同條件下鐵的還原情況,結(jié)果表明：粒度0.15 mm鋼渣在還原溫度1 400 ℃、2倍碳當(dāng)量條件下保溫45 min，鐵回收率最高可達(dá)93.6%。

2.3 鋼渣用作礦山充填料

目前礦山充填料主要以水泥為膠結(jié)劑，充填過(guò)程中水泥需求量大、成本過(guò)高是亟待解決的難題，因此尋找新的膠結(jié)劑代替水泥是礦山充填領(lǐng)域的重要研究方向。有關(guān)研究表明，鋼渣粉磨后具有潛在水硬性，可作為礦山充填膠結(jié)劑的骨料，但由于鋼渣自身活性低、難粉磨的特點(diǎn)使其不能直接作為制備礦山充填料的生產(chǎn)原料，因此尋找合適的激發(fā)劑對(duì)鋼渣在礦山充填領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

張靜文等[9]以唐山石人溝尾礦為骨料，以唐鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣、粉煤灰、礦渣粉和脫硫石膏作為復(fù)合激發(fā)劑制備了全尾砂膠結(jié)充填料，研究結(jié)果表明：無(wú)熟料鋼渣膠凝材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73%～75%時(shí)，漿體流動(dòng)性能符合自流型膠結(jié)充填料的流動(dòng)性要求，可作為有效的礦山充填料。董培鑫等[10]以鋼渣與礦渣混合料作為活性材料，水泥熟料、二水脫硫石膏與芒硝混合作為復(fù)合激發(fā)劑，灰砂比1∶6的全尾砂作為骨料，采用正交設(shè)計(jì)在養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃、濕度為96%的恒溫恒濕條件下對(duì)9組充填材料試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，利用萬(wàn)能壓力機(jī)測(cè)試養(yǎng)護(hù)28 d后的充填材料試塊的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明：當(dāng)加入的鋼渣微粉、礦渣微粉、水泥熟料、脫硫石膏、芒硝的質(zhì)量比為20∶65∶12∶2∶1時(shí)，制備的全尾砂膠凝材料28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了2.78 MPa，滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的強(qiáng)度要求(28 d抗壓強(qiáng)度>2.5 MPa)。

2.4 鋼渣在肥料生產(chǎn)及土壤改良中的應(yīng)用

鋼渣中含有對(duì)農(nóng)作物有益的錳、鐵、硅、磷、鈣等微量元素，且其含有的有毒元素浸出測(cè)試結(jié)果也滿足毒性浸出標(biāo)準(zhǔn)(TCLP)的要求[11]，因而鋼渣具有作為農(nóng)業(yè)肥料的潛在價(jià)值。上海寶鋼新型建材科技有限公司以鋼渣為原料，在普通化肥表面附著一層鋼渣微粉包膜，從而延緩化肥營(yíng)養(yǎng)的釋放速度，這有利于延長(zhǎng)化肥的肥效期，提高化肥的利用率，增加農(nóng)作物產(chǎn)量；實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果表明：以寶鋼鋼渣制備的緩釋肥具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，能有效改善土壤環(huán)境，增強(qiáng)土壤肥力，并且生產(chǎn)成本低、無(wú)毒無(wú)害，是一種優(yōu)質(zhì)的綠色高效肥料。朱李俊等[12]以江西贛州某稀土礦區(qū)的土壤為研究對(duì)象，以寶鋼轉(zhuǎn)爐滾筒渣和有機(jī)肥為改良藥劑，通過(guò)6組對(duì)照實(shí)驗(yàn)研究了鋼渣和有機(jī)肥對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明：摻入2%純鋼渣能改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤pH，鋼渣中含有的一些特定元素(鐵、鈣等)對(duì)植物的萌芽有促進(jìn)作用，且后期搭配施用有機(jī)肥更利于植物的生長(zhǎng)。

2.5 鋼渣在筑路施工中的應(yīng)用

與普通碎石相比，鋼渣表現(xiàn)出的耐久性、抗凍融、滲透性以及抗破碎等物理特性使其更適用于道路工程，而且鋼渣多孔的特性保證其與瀝青之間有很好的黏附力，可用于制備優(yōu)質(zhì)瀝青混合料[13]。但鋼渣表面多孔、吸水率大等缺點(diǎn)使其不能完全作為路用集料。目前將鋼渣作為瀝青混合料骨料的相關(guān)研究已有不少成果。黃偉等[14]以SBS改性瀝青為膠結(jié)料、5～10 mm粒徑鋼渣為集料，采用Mclead法確定無(wú)鋼渣條件下集料和瀝青(碎石封層)的初步配合比，之后采用室內(nèi)正交試驗(yàn)、剪切與拉拔實(shí)驗(yàn)研究了鋼渣的摻入對(duì)碎石封層的影響，結(jié)果表明：當(dāng)5～10 mm粒徑鋼渣摻量不超過(guò)40%時(shí)，碎石封層脫石率降低，且碎石封層的抗拉拔和抗剪切性能均顯著提高。吳少鵬[15]研發(fā)了一種鋼渣瀝青瑪蹄脂混合料(SMA)技術(shù)，該技術(shù)以鋼渣作為SMA的骨料，用鋼渣與瀝青混合制備的“超級(jí)瀝青”可代替?zhèn)鹘y(tǒng)石材，其不僅抗變形能力強(qiáng)，還能降低15%左右的成本；目前，該技術(shù)已應(yīng)用于我國(guó)多條高速公路施工中，效果良好。張彥峰[16]以玄武石SMA-13、鋼渣SMA-13和石灰石SMA-13為原料設(shè)置了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，從低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及高溫穩(wěn)定性3個(gè)方面對(duì)比研究了這3種瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明：鋼渣SMA-13瀝青混合料水穩(wěn)定性符合規(guī)范要求，其在50、60、70 ℃三個(gè)不同溫度下保溫6 h的高溫穩(wěn)定性能最好；鋼渣SMA-13瀝青混合料相比其他兩種瀝青混合料抗彎強(qiáng)度更大，低溫抗裂性能更好。李婕[17]對(duì)湖南華菱鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的鋼渣按照馬歇爾方法進(jìn)行了配比分析，制備了鋼渣瀝青混合料，采用車轍實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模量實(shí)驗(yàn)、擺式摩擦儀分別研究了鋼渣瀝青混合料的高溫性能、抗變形能力以及抗滑性能，結(jié)果表明：鋼渣摻量為40%時(shí)，瀝青混合原料的穩(wěn)定性達(dá)到最大值，為7 532次/min；鋼渣摻量低于60%時(shí)，瀝青混合原料的抗滑性能增強(qiáng)。

2.6 鋼渣在混凝土中的應(yīng)用

殷學(xué)宇等[18]以萊鋼鋼渣和粗鋼渣為骨料，采用SEM、XRD等測(cè)試手段分析了鋼渣的化學(xué)組成和顆粒形態(tài)并研究了鋼渣對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)用渣粉代替10%礦渣時(shí)，混凝土強(qiáng)度得到了提高，7、28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了2.07%、7.05%；當(dāng)鋼渣替代礦渣比例高于10%低于50%時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度降低，但28 d抗壓強(qiáng)度提高。田進(jìn)[19]將不同比例的鋼渣微粉及鋼渣細(xì)粉分別作為摻合料及細(xì)集料加入混凝土中，突破了鋼渣無(wú)法作為摻合料和細(xì)集料同時(shí)應(yīng)用的技術(shù)瓶頸；在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探討了不同比例的鋼渣微粉、砂率對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)鋼渣微粉摻量為20%、砂率為0.38時(shí)，混凝土的各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)，其7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到23.76 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到25.25 MPa，56 d抗壓強(qiáng)度能達(dá)到30.56 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了中等強(qiáng)度混凝土的要求。樸星君等[20]以新余鋼廠產(chǎn)出的鋼渣粉、礦渣和河北冀北水泥廠生產(chǎn)的水泥為原料，按照不同比例制備了凈漿試樣，采用固液萃取法對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的凈漿試樣進(jìn)行了孔隙液相pH測(cè)試，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的純水泥、摻量30%的鋼渣粉、摻量30%的鋼鐵渣粉和摻量30%的礦渣粉的凈漿試樣pH分別為12.686、12.655、12.640、12.573；其中的鋼鐵渣粉由鋼渣粉和礦渣粉按一定比例混合而成，摻加鋼鐵渣粉的凈漿試樣pH介于單摻鋼渣粉和單摻礦渣粉之間；因此選用鋼鐵渣粉作為制備混凝土的骨料，既提高了混凝土的密實(shí)性，又保證了鋼渣粉維持混凝土內(nèi)部液相堿度的特性，避免混凝土中的鋼筋被銹蝕。OLONADE等[21]以碾碎篩分后吸水能力達(dá)19.3%的鋼渣作為結(jié)構(gòu)混凝土中部分砂土的替代材料，研究發(fā)現(xiàn)，隨著置換比的不斷增大，水灰比在一個(gè)恒定的坍落度值內(nèi)逐漸下降，有效提高了新拌混凝土和硬化混凝土的工程性能。

2.7 鋼渣在燒結(jié)材料中的應(yīng)用

鋼渣中含有一定量的鐵粉、CaO、MgO等有用成分，可作為燒結(jié)材料加以利用。CHUKWUDI等[22]以高嶺石黏土和鋼渣為骨料研究了陶瓷磚的燒結(jié)性能，結(jié)果表明：摻量20%～60%鋼渣所制備的陶瓷磚性能良好。ZONG等[23]以不銹鋼渣和SiO2、MgO等化學(xué)物質(zhì)為燒結(jié)原料制備了高附加值陶瓷，研究結(jié)果表明：制備的陶瓷主晶相為透輝石時(shí)，陶瓷的硬度和抗折強(qiáng)度均明顯增大；以不銹鋼渣為骨料制備的建筑陶瓷中鉻的溶出率僅為25.17 mg/kg，能有效降低鉻溶出對(duì)環(huán)境的污染，為鋼渣開發(fā)利用提供了新途徑。萬(wàn)新源等[24]以天然白云石為原料，在1 000 ℃下保溫3 h得到了輕燒白云石；以鋼渣為復(fù)合燒結(jié)劑，使用不同鋼渣添加量與輕燒白云石復(fù)合6 h，研究了鋼渣摻入對(duì)白云石熟料荷重軟化溫度以及燒結(jié)性能的影響，結(jié)果表明：加入鋼渣可促進(jìn)白云石的燒結(jié)，提高白云石熟料的收縮率；利用XRD圖譜分析得出，摻量2%鋼渣制備的白云石熟料荷重軟化溫度降低50 ℃左右，潰裂溫度在1 700 ℃以上。錢強(qiáng)[25]以攀鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣為原料，燒結(jié)原料中鋼渣、粉煤灰、電爐還原渣、生石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為36.44%、12.54%、18.88%、32.14%，通過(guò)水淬處理模擬了水泥熟料制備工藝，研究結(jié)果表明：以鋼渣、粉煤灰、電爐還原渣和生石灰為燒結(jié)原料燒結(jié)后得到的熟料活性增強(qiáng)，f-CaO含量明顯降低，成分與普通高爐渣相似，可作為水泥混合材料加以利用。

2.8 鋼渣在阻燃工程中的應(yīng)用

張浩等[26]以水、鋼渣、硅烷偶聯(lián)劑、微硅粉為原料發(fā)明了一種具有阻燃協(xié)同性能的鋼渣/微硅粉復(fù)合橡膠填料，極大地提高了橡膠的物理性能與阻燃性能，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)固體廢棄物的循環(huán)利用，降低了橡膠產(chǎn)業(yè)的成本。龍紅明等[27]以磁選熱悶渣、未磁選熱悶渣、風(fēng)淬渣、電爐渣為研究對(duì)象，三乙醇胺、無(wú)水乙醇、乙二醇按體積比為1∶1∶1制備了鋼渣助磨劑，將其與鋼渣混合研磨得到鋼渣超微粉，鋼渣超微粉再與天然橡膠、促進(jìn)劑、炭黑N220、硫磺、硬脂酸、ZnO復(fù)合制備鋼渣超微粉/橡膠復(fù)合材料，利用XRF、XRD、LPSA和FTIR等測(cè)試方法研究了鋼渣種類以及鋼渣助磨劑用量對(duì)鋼渣超微粉/橡膠復(fù)合材料的影響，結(jié)果表明：以磁選熱悶渣和未磁選熱悶渣為原料制備的鋼渣超微粉/橡膠復(fù)合材料燃盡時(shí)間分別為290～339 s、307～343 s，阻燃性能最優(yōu)；鋼渣超微粉/橡膠復(fù)合材料燃盡時(shí)間隨著鋼渣用量的增加小幅縮短，但仍高于空白橡膠材料樣品的燃盡時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼渣作為冶金行業(yè)中不可避免的大宗固廢，其高價(jià)值化綜合利用與生態(tài)環(huán)境、企業(yè)效益息息相關(guān)。目前的鋼渣多元化利用研究已取得了一些成果，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟，例如筑路及制備混凝土等，但鋼渣利用過(guò)程中仍有諸多問(wèn)題亟待解決，例如鋼渣安定性不良、活性低等。因此，應(yīng)在現(xiàn)有鋼渣利用技術(shù)的基礎(chǔ)上探索鋼渣的其他利用途徑，以提高其資源利用效率，使鋼渣成為我國(guó)寶貴的二次資源。