李 宇，劉月明

北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京 100083

冶金行業(yè)是國民經濟的重要基礎工業(yè)，為我國經濟社會發(fā)展做出了重要的貢獻. 2020年我國鋼鐵行業(yè)粗鋼產量達10.65億噸，占世界產量的56.7%[1]；氧化鋁行業(yè)產量7100萬噸，占世界產量的53%[2]；鐵合金，銅等十種有色金屬產量分別達到3420萬噸和6188萬噸[3]，接近世界產量的一半.

當我國冶金行業(yè)提供了約占世界一半冶金產品的時候，也排放了約占世界一半的冶金固廢. 其中，每產1 t粗鋼、氧化鋁和粗銅將分別排放約150 kg鋼渣、1.5 t赤泥和2.2 t銅渣，每產1 t鎳鐵合金、硅錳鐵合金和鉻鐵合金將分別排放約6 t鎳鐵渣、1 t硅錳渣和1.2 t鉻鐵渣. 我國相應排放鋼渣約1.5億噸，赤泥約1.1億噸、銅渣接近2000萬噸[4]、鎳鐵渣超過3000萬噸[5]、硅錳渣和鉻鐵渣分別超過和接近1000萬噸[6]. 上述冶金固廢達到千萬噸乃至億噸的大宗量級別，總體利用率低于30%，總堆存量數十億噸，不僅占用大量的土地，還形成嚴重的安全和環(huán)境污染隱患. 作為一個工業(yè)制造大國，要實現工業(yè)系統(tǒng)的綠色發(fā)展，就亟需開展大宗冶金固廢資源化利用技術的研究和應用.

我國冶金工業(yè)的現狀決定了我國冶金固廢資源化利用的難度. 我國冶金行業(yè)產能不僅約占世界一半，數量巨大，而且分布集中，導致冶金渣排放集中，比如鋼鐵行業(yè)主要分布在環(huán)渤海、長江沿岸等區(qū)域；氧化鋁主要集中在山東、山西、河南等省份. 人類工業(yè)發(fā)展史上沒有出現過如此大規(guī)模和高度集中的冶金渣排放，西方冶金工業(yè)發(fā)達國家對冶金固廢利用的成熟技術難以解決我國大宗冶金固廢資源化利用的需求. 因此，我國大宗冶金固廢的資源化利用是一個具有國內重大需求的世界性難題，需要自主創(chuàng)新發(fā)展.

1 冶金固廢的大宗利用現狀

傳統(tǒng)大宗冶金固廢主要利用渠道是用于水泥、混凝土或道路工程等行業(yè). 鋼渣、赤泥、銅渣和部分鐵合金渣利用率低的主要因素在于其存在有害組分、膠凝活性低、成分波動大等資源稟賦差的特性，也存在固廢分布集中、產品市場受限等其他因素，從而很難實現在水泥和混凝土等領域的大量應用. 典型冶金渣的大宗利用現狀如下.

1.1 鋼渣的特點及大宗利用現狀

鋼渣種類多樣，除了轉爐煉鋼過程排放的轉爐鋼渣，其他還有電爐煉鋼過程排放的電爐鋼渣、不銹鋼冶煉過程排放的不銹鋼鋼渣，也有企業(yè)把鐵水預處理、精煉等煉鋼相關工藝排放的預處理渣、精煉渣、鑄余渣等也算作鋼渣. 部分鋼鐵廠將這些廢渣全部排放到渣場處理，不同的廢渣被混合，大大增加了鋼渣的利用難度.

在我國，目前約90%的粗鋼采用轉爐煉鋼工藝生產[1]，鋼渣中轉爐鋼渣對應占比接近90%. 鋼渣處理主要經過熱態(tài)鋼渣冷卻和冷渣破碎磁選工藝，以實現回收10%～15%具有經濟價值的鐵質組分，同時剩余85%左右難以利用的鋼渣尾渣. 通常所說的鋼渣即是指這部分磁選后的轉爐鋼渣尾渣.

轉爐鋼渣安定性不良的特點正是鋼渣難以利用的一個最重要因素. 相關研究表明：鋼渣尾渣含有安定性不良的游離氧化鈣和游離氧化鎂礦物，這些礦物在遇水后體積會膨脹為原體積的1.98倍和2.48倍，并且反應速度緩慢[7?8]. 如果這些礦物在建筑服役過程中發(fā)生水化，則會導致建筑出現開裂、鼓包甚至整體失去強度等. 為了更好的利用鋼渣，通常采用將鋼渣與粉煤灰、煤矸石或礦渣復合雙摻或三摻的辦法加入到水泥中，但鋼渣在水泥中的實際摻量仍然小于10%. 較少或不含水泥熟料的全固廢膠凝材料中氫氧化鈣類水化產物較少，將鋼渣作為原料應用到這些新的全固廢膠凝材料是提高鋼渣摻量的一個有效辦法[9]. 此外，將鋼渣磨細至比表為550 m2?kg?1或更細被認為能夠加速鋼渣中游離氧化鈣的反應速度，避免后期膨脹，有望成為鋼渣利用的有效途徑. 但是粉磨成本是關鍵，目前低成本粉磨技術仍在發(fā)展中.

不同區(qū)域的鋼渣成分變化大，根據鋼渣特性進行分類利用具有重要意義. 我國大部分區(qū)域的鋼渣中MgO質量分數為3%～6%，然而鞍山、唐山和邯鄲等地區(qū)部分鋼鐵廠的氧化鎂質量分數為7%～13%. 由于游離氧化鎂在水化后的體積膨脹率是2倍以上，反應更緩慢，還缺乏成熟的檢測方法，因此氧化鎂含量較高的鋼渣的安定性不良隱患較大，對其使用需要更加謹慎.

由于冶煉工藝不同，電爐鋼渣中的游離氧化鈣和游離氧化鎂含量相對較低，含鐵組分的磁選效率較差. 因此，電爐鋼渣直接用作骨料的前景優(yōu)于轉爐鋼渣. 發(fā)達國家工業(yè)發(fā)展較早，社會廢鋼蓄積量多，主要采用以廢鋼為主要原料的電爐煉鋼，電爐鋼渣數量較多，歐洲和美國排放鋼渣中超過一半的數量用于筑路，特別是瀝青路面，并取得很好的效果[10]. 我國鋼渣的類型與發(fā)達國家不同，以轉爐渣為主，電爐煉鋼比例僅為10%左右. 因此，我國在電爐鋼渣筑路方面起步較晚，目前研究多以轉爐鋼渣為主，研究已進入應用示范階段[11?12].

不銹鋼在電爐冶煉過程排放的鋼渣中Cr2O3質量分數在2.92%～10.4%之間，這也使得不銹鋼鋼渣目前難于直接摻入水泥或混凝土中. 保證不銹鋼鋼渣資源化產品的綠色安全是其大宗利用的先決條件. 從排渣前對高溫煉鋼熔渣進行調質，使更多的重金屬元素Cr、Mn等進入尖晶石等晶體結構中，從而能夠磁選分離或穩(wěn)定固結更多的重金屬元素，以保證磁選后尾渣的綠色安全[13]. 這已成為目前研究的熱點方向.

在固廢分布集中方面，以我國唐山市為例. 唐山市鋼鐵產量就超過了1.4億噸，超過了世界上其他國家的鋼鐵產量，因此，僅唐山市排放的相應鋼渣數量就超過了其他任何一個國家的鋼渣排放數量，達到2160萬噸；而美國和日本的鋼渣數量僅1320萬噸和1490萬噸（產渣量按照粗鋼產量質量分數的15%計算）[1]. 不僅如此，唐山市還有更大量的高爐渣、煤矸石、鐵尾礦等固體廢棄物排放，這些固體廢棄物在固廢建材市場也與鋼渣形成競爭.同時，唐山市的道路工程數量僅1.9萬km，即使考慮河北省，也才19.7萬km，仍然低于日本（122.5萬km）、美國（671.13 萬 km）等一個數量級[14?17]；唐山水泥產量僅3454.3萬噸，日本、美國及韓國的水泥產量為唐山的1.4～2.6倍[18?19]. 因此，這從量上也限制了鋼渣在道路和建筑工程上的應用. 其他冶金渣利用方面也存在類似的難題.

1.2 赤泥的特點及大宗利用現狀

我國赤泥以拜耳法赤泥為主，其組分以氧化硅、氧化鐵、氧化鋁、氧化鈉和氧化鈣為主，還含有 Cr、Cd、Mn、Pb或 As等重金屬元素. 其中，赤泥中氧化鈉質量分數在7%～16%，pH值為9.7～12.8[20].

赤泥的高堿性是其形成危害和難以資源化利用的主要原因[21]. 赤泥堿性物質分為可溶性堿和化學結合堿. 可溶性堿包括NaOH、Na2CO3、NaAl(OH)4等，通過水洗僅能去除部分可溶性堿，仍有部分殘留在赤泥難溶固相表面并隨赤泥堆存[22]. 結合堿多存在于赤泥難溶固相中，如方鈉石（Na8Al6Si6O24·(OH)2(H2O)2）、鈣霞石（Na6Ca2Al6Si6O24(CO3)22H2O）等[21]，這類含水礦物并不穩(wěn)定，存在一定的溶解平衡，從而導致赤泥仍然具有堿性但難以通過水洗直接去除.

在硅酸鹽水泥中，一方面游離的Na+會在毛細力作用下向外遷移，另一方面硅酸鹽水泥中大量的Ca2+進一步取代硅酸鹽中的Na+，加劇了Na+的溶出和返堿，這導致赤泥建材產品廣泛存在返堿防霜問題，因而產品中不能大量摻入赤泥[23]. 此外，水泥混凝土及制品中大量的Na+還會進一步與骨料中的SiO2發(fā)生堿骨料反應，生成水化凝膠而使得體積膨脹，材料結構被破壞，導致建筑產品開裂、耐久性能惡化. 因此，赤泥在普通水泥混凝土類建筑材料中難以大量利用.

道路工程中能夠大量使用赤泥作為原料[24]，但是赤泥僅是作為附加值較低的路基材料，運輸半徑小，而當地道路工程項目的數量有限，因此，該方法市場規(guī)模小，難以持續(xù)消納固廢. 同時，冶金固廢在道路工程中的應用還涉及冶金-環(huán)保-材料-交通等多個行業(yè)，對此沒有較為統(tǒng)一的認識，也缺乏相關應用標準的制定，這一定程度制約了該技術的應用.

如果將赤泥與高硅鋁的粉煤灰、煅燒煤矸石等進行混合[25?26]，可以制備出堿激發(fā)膠凝材料，能夠實現鈉離子較穩(wěn)定的固結. 但是，赤泥中的鈉離子僅是作為激發(fā)劑，赤泥的摻量低；更為關鍵的是，堿激發(fā)膠凝材料的研發(fā)整體上還處于實驗室到中試階段，仍然未能大規(guī)模應用.

目前對高鐵赤泥進行磁選并獲得鐵精粉的技術已成熟，該技術能夠實現赤泥的減量化，但是對磁選尾泥難以利用. 我國目前選鐵處理赤泥產能約1900萬噸，主要分布在廣西、山東、云南和山西等地. 磁選的鐵精粉（減排量）質量分數在10%～20%，鐵品位在47%～60%. 利潤主要受到鐵精粉價格的影響而波動，選鐵成本 60～150 元·t?1，鐵精粉售價50～350元·t?1. 此外從赤泥中首先提堿或提取有價元素等是赤泥規(guī)?；玫囊粭l重要途徑，但是赤泥濕法提取過程還會混入更多雜質甚至環(huán)境有害組分，這將使得尾泥更難以利用.

1.3 銅渣的特點及大宗利用現狀

現階段，銅渣主要消耗方向是回收有價金屬，代替砂石，制備水泥和其他建筑材料等，其他大宗利用方向還不多見[27]. 銅渣中銅利用率低于12%，鐵利用率低于1%[28].

銅渣化學組成中含有質量分數35%～45%的全Fe和約40%的SiO2，1.2%～4.6%的金屬Cu，還存在Pb、Zn、Ni等重金屬元素. 銅渣的化學組成決定了其礦物組成以鐵橄欖石為主，缺少膠凝活性，這一特點制約了其在水泥混合材或混凝土摻合料中的利用. 銅渣本身硬度較大，適合作為砂石骨料；但是為了提取其中質量分數0.8%～5%的銅元素，通常將其先粉磨至250目后進行浮選，這使得最終形成的浮選尾渣因太細而難以作為砂石骨料，也不能大規(guī)模用于道路工程.

將銅渣中化學組成超過一半的Fe2O3組分通過磁選或高溫過程還原回收是另外一條大宗利用的途徑. 然而銅渣中氧化鐵主要是以和氧化硅結合成橄欖石的形式存在，銅渣磁選難以分離；對銅渣進行熔融還原需要大量的氧化鈣等溶劑成分，渣鐵比高，這使得提鐵成本大大提高. 更為重要的是銅渣中存在銅、硫等煉鋼有害元素，這限制了其作為原料在鋼鐵行業(yè)中的大量應用.

1.4 鐵合金渣的特點及大宗利用現狀

鐵合金渣種類多，資源化利用的特點并不相同. 不同鐵合金渣的組成如表1所示，其中鎳鐵渣包括礦熱爐冶煉的電爐鎳鐵渣和高爐冶煉的高爐鎳鐵渣.

表1 典型鐵合金渣的成分（質量分數）Table 1 Composition of typical ferroalloy slags %

高爐鎳鐵渣的排渣工藝和成分接近普通高爐渣，但具有相對較高的氧化鋁和氧化鎂，其成分如表1所示. 相對電爐鎳鐵渣，水淬的高爐鎳鐵渣含有玻璃相，膠凝活性較高，因而獲得較好的利用，已廣泛用于水泥、混凝土行業(yè). 硅錳渣水淬后也能夠形成較多的玻璃相，具有一定的膠凝活性，也能用作水泥混合材或者混凝土摻合料，但較高的氧化錳含量制約了其廣泛應用[29?31].

將電爐鎳鐵渣、鉻鐵渣應用于砂石骨料領域是另外一條大宗利用的方法，電爐鎳鐵渣和鉻鐵渣的主要礦相分別為鎂橄欖石，以及鎂橄欖石和尖晶石，具有較高的硬度. 雖然這兩種鐵合金渣含有質量分數超過20%的氧化鎂，以及2%～10%的氧化鉻，對其安定性和浸出的實驗都表明安定性和重金屬浸出率均合格. 目前相關研究已進入到道路工程應用示范階段[32?33]. 此外，我國硅錳渣、鉻鐵渣集中分布在電力豐富的內蒙古、寧夏和山西等中西部地區(qū)，這些地區(qū)對水泥、混凝土和道路的需求量少，缺乏消納冶金渣的當地大宗市場，因此，市場因素也制約了鐵合金渣的大宗量利用.

2 大宗冶金固廢資源化利用的進展及趨勢

大宗量、低成本、綠色安全的資源化利用技術是解決大宗冶金固廢有效利用的重要途徑，也是研究的重點方向. 在我國，年使用量超過億噸及以上級別的大宗建筑材料如表2所示. 可見，砂石骨料和混凝土年使用量達到百億噸級，水泥和燒結磚瓦行業(yè)年使用量為10億噸級，而陶瓷和石材行業(yè)年產量為億噸級. 對于難以用于水泥、混凝土領域的冶金固廢，將其用于砂石骨料、陶瓷、石材等領域是其規(guī)?；玫男碌挠行緩? 在這些新領域的研究進展如下.

2.1 利用冶金制備人造砂石骨料技術

砂石骨料是我國使用量最大的建筑原材料. 由于國家對開山采石和河道挖砂的嚴格限制，傳統(tǒng)砂石料來源減少，近年來我國砂石料一直緊缺，長江流域中下游多數地區(qū)砂石價格上漲數倍并達到100～200 元·t?1，在廣東珠三角地區(qū)價格更是達到了235 元·t?1(按砂石堆積密度 1400 kg?m?3計算)[34?37].為此，國家大力推動建筑垃圾和尾礦砂骨料的技術應用. 但是工信部預計我國在2025年也僅有30%的砂石料由再生骨料構成，仍然有近150億噸的砂石料需要從天然礦物中獲得. 如果每年只要有10%左右的天然砂石料被人造砂石料替代，那么就能實現約10億～20億噸工業(yè)固廢的大宗資源化利用.

表2 我國大宗建筑材料的用量及價格Table 2 Amounts and costs of bulk building materials in China

燒結陶粒是一種能夠替代天然砂石料的陶瓷材料. 燒結陶粒以黏土、頁巖或固廢等為主要原料，經粉磨、成球和高溫燒結而成. 目前，利用煤矸石、粉煤灰等硅鋁質固廢作為原料燒制普通陶粒，或者協(xié)同利用污泥、鐵尾礦等作為燒脹陶粒配料的技術已經實現了工業(yè)化生產. 利用鋼渣、赤泥、鐵合金渣等制備陶粒的研究也系統(tǒng)開展[32,38?43]并在實驗室或小試試驗階段制備出了合格的陶粒產品.

燒結陶粒是一類陶瓷產品，因此通過原料配料設計，可以在1100 ℃左右的高溫燒結過程中，使鋼渣或赤泥中不穩(wěn)定的游離氧化鈣或鈉離子與原料中的氧化硅等組分反應，生成含鈣或含鈉的穩(wěn)定硅酸鹽礦物，從而實現游離的鈣、鎂或鈉離子在源頭被穩(wěn)定固結. 研究表明，鋼渣陶瓷中的氧化鈣/氧化鎂主要以輝石和鈣長石的形式析出[44]，而赤泥陶瓷中的氧化鈉主要以固溶形式進入到輝石和鈣長石晶體中，因而鈣、鎂或鈉離子被穩(wěn)定固結于礦物晶格中[45]. 已有研究表明[46]，當鋼渣粉粒度小于100 μm時，將其制備成陶粒后，其游離氧化鈣質量分數由2.22%降低為小于0.1%，其消除率超過95%，能夠從源頭上避免鋼渣安定性不良的問題.

現有利用固廢制備陶粒的技術以回轉窯工藝為主，單條線最大產能在年15萬噸左右，通常每方陶粒燒結能耗在40～70 m3天然氣，燒結成本高[47?48]，目前局限于生產價格較高的輕質燒脹陶粒，密度為 300～800 kg?m?3. 這類陶粒屬于功能性陶粒，具有優(yōu)良的保溫、隔熱、輕質等性能，能夠應用在墻體材料、輕質混凝土等領域，市場價格在400元·t?1以上. 而輕質陶粒主要以高硅高鋁的固廢為主，含鈣或含鐵的冶金渣僅作為熔劑成分[49?50]，摻入質量分數低于20%. 同時輕質陶粒的年市場容量為1000萬噸左右，產品市場受限，難以實現固廢的大宗利用.

替代普通砂石骨料需要更高密度的陶粒以及更低的生產成本. 提高單條陶粒生產線的產量和熱量利用效率是降低固廢陶粒生產成本的關鍵.鋼鐵行業(yè)中的球團工藝也是一種利用燒結過程將粉狀物料加工成塊狀物料的成熟工藝. 在球團礦生產中，年產量大于200萬噸的生產線通常采用帶式焙燒機的方式生產，其焙燒溫度1200～1300 ℃，每噸產品綜合燃耗標煤20～25 kg. 利用這一原理，北京科技大學與企業(yè)合作開發(fā)了利用焙燒工藝制備固廢陶粒的新技術，并已建成年10萬噸采用帶式焙燒機原理的固廢陶粒焙燒窯并投入運行[51?52].

采用焙燒機工藝對赤泥、鋼渣等固廢制備陶粒的工業(yè)化實驗數據表明，鋼渣陶粒中可摻入鋼渣質量分數40%～50%，赤泥陶粒中赤泥摻質量分數為50%～60%，其余可以分別協(xié)同利用尾礦、煤矸石、污泥等固廢. 鋼渣或赤泥為主要原料的固廢陶粒燒結溫度在1060～1150 ℃，每噸陶粒燒結消耗天然氣20 m3左右，制備的固廢陶粒堆積密度為 900～1200 kg?m?3，筒壓強度可達到 11.2 MPa.當該陶粒替代C30混凝土中的石子質量分數達60%～80%時，仍然能保證其力學性能不低于原混凝土力學性能. 這一技術為低成本制備固廢陶粒并替代天然砂石料提供了一條有效途徑，從而使得大宗量利用冶金渣成為可能.

2.2 利用冶金渣制備陶瓷材料技術

燒結磚瓦、陶瓷磚都屬于建筑陶瓷范疇，分別具有十億噸和億噸級市場的固廢消納能力. 普通的燒結磚瓦對技術工藝水平要求較低，更容易利用固廢. 由于建筑陶瓷多屬于氧化硅和氧化鋁為主要成分的石英-莫來石體系，因此高硅高鋁的固廢在陶瓷領域中更易于獲得利用. 目前利用煤矸石、粉煤灰、建筑渣土、尾礦等大摻量制備燒結磚瓦的技術已經成熟，在陶瓷磚制備過程中也獲得了工業(yè)化應用. 由于冶金渣含有較高的氧化鈣、氧化鎂或者氧化鐵等組分，因此冶金渣在陶瓷材料中摻入量較小.

要提高冶金渣在陶瓷中的摻量，需要設計出以更多高鈣、高鎂和高鐵礦物為主的陶瓷體系.以鈣長石、輝石等為主晶相的陶瓷體系能夠大摻量利用冶金渣，其中鈣長石中含有質量分數20.1%的氧化鈣，透輝石含有CaO和MgO質量分數為25.9%和18.5%，鈣鐵輝石含有CaO和FeO 質量分數為 22.6% 和 29.5%. 現有研究表明[53?56]，輝石質的鋼渣陶瓷具有優(yōu)良的力學性能. 鋼渣摻入質量分數為40%，此時制備的鋼渣陶瓷具有143 MPa的其抗折強度和0.02%的吸水率，其抗折強度超過國家標準的3倍以上. 對赤泥陶瓷析晶的研究表明[57?59]，當赤泥摻加質量分數為50%時析出更多的輝石，此時性能最優(yōu)；在氧化鋁和氧化鐵共同存在條件下，將優(yōu)先形成鋁硅酸鹽礦物，富裕的氧化鐵將獨立形成赤鐵礦. 對鎳鐵渣等的研究表明[60?61]，鎳鐵渣在組分上適合制備輝石質陶瓷，但氧化鎂含量增加會增加燒結溫度；電爐鎳鐵渣和高爐鎳鐵渣的混合摻入質量分數可達到65%，抗折強度高于90 MPa. 對不同冶金渣協(xié)同利用是提高冶金渣摻量并同時保證陶瓷性能的有效手段. 利用鋼渣、赤泥、鐵合金渣、煤矸石、粉煤灰和尾礦等固廢中的2種或多種制備了全固廢陶瓷，性能滿足相關標準要求. 目前，在山東已分別開展了摻入質量分數30%～50%的鋼渣和40%～60%的赤泥制備陶瓷磚和燒結磚的工業(yè)化試驗.

陶瓷材料對冶金渣中的重金屬的固結效果優(yōu)異. 對鋼渣、鉻鐵渣等研究[62?63]表明，輝石、尖晶石等礦物具有固溶重金屬離子的能力，陶瓷的重金屬溶出率低于國家標準1個數量級，而析出尖晶石礦物的陶瓷固結鉻和錳離子的性能更優(yōu). 對于赤泥中鈉離子固結的研究表明[46]，鈣長石具有最強的固結鈉離子能力；相對于未燒結的赤泥，摻入質量分數50%赤泥的陶瓷中的鈉離子和鉀離子溶出率降低了12倍.

銅渣的主要礦相是鐵橄欖石. 在燒結過程中，橄欖石在700～900 ℃分解形成赤鐵礦和石英. 高溫下赤鐵礦不與氧化鋁或氧化硅反應，而生成的二氧化硅能夠參與到陶瓷反應中，形成新的礦相，因此利用銅渣制備陶瓷具有很好的應用前景. 摻入質量分數50%～80%的銅渣能夠制備出性能優(yōu)良的銅渣陶瓷，相關研究進入到工業(yè)化試驗階段.

2.3 電爐熔渣調質制備砂石骨料技術

國內外不同研究機構對冶金熔渣余熱利用開展了大量的研究[64?66]. 采用“熱”“渣”耦合利用的冶金渣熔態(tài)改質方法是通過在熱態(tài)條件下調整熔渣的組成和結構，使得熔渣能夠直接制備成為高附加值材料的一種新方法[67].

如果能夠僅利用熔渣顯熱來熔解少量冷態(tài)改質劑，那么可以在熔渣排渣過程添加改質劑，利用熔渣排入渣包的沖擊力完成熔渣的改質和改質熔渣的均化. 但缺點是受熔渣顯熱熔解能力限制，熔渣組分的調整范圍小，調質渣的附加值較低，主要應用于提升渣的質量，比如改善安定性、粉化、重金屬濾出、膠凝活性低和易磨性差等[68]. 這類方法并沒有增加熔渣的利用途徑，而是改善了原有冶金渣用于水泥、混凝土、筑路等領域的利用效果.在鋼渣中噴入石英砂和純氧來改善鋼渣安定性，制備鋼渣砂石料的方法已獲得工業(yè)化應用[69].

相對轉爐渣，電爐熔渣無需濺渣護爐，堿度低，排渣溫度高，并且為連續(xù)排渣，因此電爐熔渣更適合熔態(tài)調質. 對電爐鋼渣排渣過程進行改質是一條改善其安定性的簡單有效途徑. 通過工業(yè)化試驗發(fā)現[70]，直接利用熔渣顯熱可以完全熔化質量分數為12.69%摻量的河沙，熔渣改質后具有較好的流動性. 鋼渣改質前后的堿度從2.4變?yōu)?.6，鋼渣中的游離氧化鈣質量分數從5.14%下降為0.76%，改質后鋼渣可用水泥混合材或者骨料使用.

由于氧化鈣與氧化硅的結合能力強于氧化鐵，對鋼渣改質還能夠釋放氧化鐵并形成更多磁性礦物，其改質機理如下[71,72]. 改質電爐熔渣組成、冷卻制度等將影響尖晶石礦物析出的晶體形狀和大小，從而影響后續(xù)磁選分離效率[73].

改質后的電爐渣中增加了含Mg、Mn、Cr的尖晶石礦物，不僅具有顯著提高的磁選率，回收了更多有價元素，而且因為磁選尾渣中減少了Mn、Cr等重金屬元素的含量，更有利于磁選尾渣的后續(xù)資源化利用. 對重金屬固結的研究表明[68,74]，Cr和Mn等重金屬固結效果最好的礦物正是尖晶石類礦物，因此，即使部分重金屬殘留在磁選尾渣中，如果以尖晶石結構的形式存在，那么也因重金屬穩(wěn)定固結而能夠安全應用于筑路等砂石骨料領域[75]. 據此，針對不銹鋼鋼渣中Mn、Cr等重金屬的源頭調控研究正在系統(tǒng)開展中.

2.4 利用冶金熔渣制備人造石材技術

近十年來我國利用熱態(tài)冶金熔渣直接制備微晶玻璃、巖棉的研究逐漸發(fā)展起來并成為研究熱點. 由于微晶玻璃、巖棉等組分與熔渣存在一定差距，需要添加質量分數10%以上的改質劑，同時微晶玻璃制備對成分均勻性要求嚴格，因此需要使用電爐作為額外的改質設備進行補熱并根據需要控制改質熔渣質量[76?77]. 目前圍繞高溫冶金渣熔態(tài)改質裝備與工藝、改質熔渣料性調整及質量控制、改質劑種類及提高成品率等方面開展了大量的研究[78?79]. 目前，在山西、內蒙和寧夏等鐵合金企業(yè)利用硅鐵熔渣或者硅錳熔渣制備巖棉方面已獲得了工業(yè)化應用，而熔渣微晶玻璃的研究仍然未能實現工業(yè)化.

微晶玻璃和巖棉在全國產量為百萬噸到千萬噸級，利用熔渣的市場空間仍然有限. 雖然熔渣巖棉技術獲得工業(yè)化應用，但是也因產品市場容量受限，難以復制推廣. 要利用千萬噸乃至億噸級的冶金渣，還需要開發(fā)新的熔渣產品市場.

大宗量利用熔渣需要兩個條件：一是大宗量的資源化產品出口；二是相對低廉的價格優(yōu)勢. 花崗巖是我國廣泛使用的大宗建筑材料，目前我國石材的產能超過1億噸. 隨著國家對生態(tài)環(huán)境的保護，大量天然石材的開采受到限制，石材短缺，價格上漲. 直接利用高溫熔渣制備人造石材則是一條熔渣大宗高值化利用的有效途徑.

如果微晶玻璃/鑄石要替代天然花崗巖，降低熔渣微晶玻璃/鑄石的成本是關鍵. 目前，相對70～150元·m2的低檔石材，利用熔渣制備鑄石的成本還需要進一步降低. 利用熔渣余熱熔解少量改質劑后直接制備鑄石，簡化熔渣改質工藝，避免復雜的改質劑與熔渣混溶補熱過程，是降低成本的有效途徑. 而選擇成分合適的冶金渣是實現以上低成本工藝制備鑄石的關鍵，也是這一技術有望突破的重要方向.

在熱處理方面，從工藝和處理成本角度，采用降溫過程一步法的“Petrurgic”工藝是一種較佳的選擇，如圖1所示. 研究表明，冶金渣微晶玻璃適合采用一步法制備，其中的 Cr2O3，Fe2O3，Mn2O3等金屬離子是其中最有效的晶核劑[80?81], 因此存在成核和析晶重合的溫度區(qū)間，如圖1中的成核析晶溫度TNG. 采用這一熱處理制度，利用鎳鐵渣、高爐渣、含鈦高爐渣、硅錳渣、鋼渣和粉煤灰等已制備了合格的實驗樣品[82?85]. 將熔渣簡單調質后采用“Petrurgic”工藝熱處理的方法能夠顯著降低鑄石成本，目前還需要進一步開展放大規(guī)模的實驗研究.

圖1 “Petrurgic”方法工藝. （a）形核及晶體生長速率曲線；（b）直接冷卻制度Fig.1 “Petrurgic” process: (a) nucleation and crystal growth rate curve; (b) direct cooling system

3 冶金固廢大宗資源化利用的發(fā)展趨勢

我國在工業(yè)固廢資源化利用方面進入了新的階段，冶金固廢資源化利用具有如下發(fā)展趨勢：

固廢的大宗量利用技術需求更加迫切. 隨著我國環(huán)保相關政策法規(guī)出臺和嚴格的監(jiān)督執(zhí)法，傳統(tǒng)簡單堆存、填埋在環(huán)境、安全、經濟等方面的成本越來越高. 大部分冶金企業(yè)將不會獲批廢渣填埋場，將廢渣轉交給專業(yè)渣場需要支付15～50元·t?1的費用，這部分堆存費成為了企業(yè)固定的環(huán)保負擔，將其轉變?yōu)橘Y源化利用的投資費用則是企業(yè)思考的重要方向. 對于大型冶金企業(yè)，“固廢不出廠”是企業(yè)對環(huán)保的要求，如何大宗消納這些固廢成為企業(yè)發(fā)展目標. 雖然冶金固廢企業(yè)對大宗建材領域并不熟悉，要理清適合市場及固廢特點的大宗資源化利用技術需要一定的時間. 但是，固廢大宗量消納的趨勢越來越明顯，大宗量固廢利用技術的轉化正迎來一個加速期.

固廢的協(xié)同利用是加快固廢資源化利用的有效途徑. 大型冶金企業(yè)或冶金產業(yè)聚集區(qū)通常會排放多類別固廢，將這些固廢協(xié)同利用，不僅能夠加大資源化產品中固廢的摻入量，獲得更多的稅費減免等政策優(yōu)惠，還因為固廢摻入量越大，噸產品避免堆存而獲得的補貼越多，生產成本將越低. 在多種固廢協(xié)同利用的同時，需要額外關注不同有害元素在產品制備和使用過程的耦合作用行為和賦存形式，保障固廢資源化利用過程的綠色化.

節(jié)能減排的固廢利用技術將成為關注的重點方向. 鋼鐵冶金熔渣的顯熱被認為是目前鋼鐵冶金行業(yè)最大的未利用的二次能源[86?87]. 按照利用熔渣3000萬t·a?1制備人造石材計算，每噸熔渣蘊含60 kg標煤的熱量，當石材中熔渣的摻入質量分數為90%時，節(jié)省1.62×106t標煤，即年減排CO2超過400萬噸. 除了直接利用熔渣制備石材等大宗量利用技術，利用熔渣協(xié)同處理危廢、固廢，在熔渣調質過程進行有價元素提取等也是具有前景的節(jié)能減排技術. 隨著社會和企業(yè)加強對碳減排技術的支持，對熔渣調質過程的裝備、耐火材料、在線檢測等瓶頸技術的研究將會加快推進.

固廢利用與智能化的結合將會加速. 一方面，冶金工業(yè)智能化的發(fā)展逐步取得成效，冶金主流程的大數據收集和挖掘等系統(tǒng)的完善也將帶動冶金渣利用的智能化發(fā)展. 另一方面，固廢理化性質存在波動性和差異性，不同區(qū)域市場對固廢產品的需求不同，因此，固廢資源化利用技術的個性化將是其發(fā)展的一個顯著特性. 通過智能化手段控制固廢產品質量，以及個性化產品的智能設計也將成為固廢利用技術發(fā)展的重要方向. 優(yōu)秀的固廢利用企業(yè)將借助這一結合，還能夠在發(fā)展固廢利用核心技術的同時通過互聯網服務于各地的產廢企業(yè).

固廢利用相關從業(yè)人員的思路將轉變發(fā)展.思路的轉變是推動固廢資源化利用的一個關鍵所在. 需要打破冶金的行業(yè)壁壘束縛. 冶金企業(yè)是社會“物質流”、“能量流”和“信息流”的一個單元，是工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的組成部分. 冶金渣的利用無非是將低值的非金屬組分流動起來，形成社會有效的物質流/能量流. 固廢資源化利用是冶金企業(yè)“綠色化”（全組分的物質流）、“智能化”（全流程的信息流）的必然途徑. 冶金行業(yè)對冶金渣在行業(yè)內的流動（利用）已經開展了大量工作，現階段需要從物質流角度思考固廢資源化利用，打破行業(yè)邊界，從更大系統(tǒng)的角度去突破創(chuàng)新.

需要把固廢當成資源而不是廢棄物. 一方面，當把固廢當資源的時候，企業(yè)會根據固廢的資源特性去分類管理，提高后續(xù)利用效率. 比如，鐵水預處理渣、精煉渣、轉爐鋼渣、電爐鋼渣分類管理，可以實現在提取片狀石墨、制備膠凝材料、混凝土摻合料和制備骨料等領域的分類利用；又如，對于產業(yè)聚集區(qū)不同煉鋼廠排放鋼渣，可以根據其安定性好壞，將安定性較差的鋼渣用于制備陶?；蛱沾桑瑢捕ㄐ宰詈玫匿撛糜谧鳛楣橇先ブ坊蚧炷猎系?，將安定性合格且膠凝活性好的鋼渣用于制備摻入水泥或混凝土的雙摻或多摻復合粉，從而實現冶金固廢的分質利用.

另一方面，當把固廢當成資源的時候，就會從源頭調質去思考如何提高固廢的資源價值，就會從包括冶煉工藝和固廢利用工藝的整個系統(tǒng)的經濟、環(huán)境和社會效益綜合最優(yōu)的角度，去主動調整冶煉過程，從而實現整個系統(tǒng)的進化發(fā)展.

4 結論

我國難利用的大宗冶金固廢主要有鋼渣、赤泥、銅渣和鐵合金渣. 這些冶金固廢年排放量在千萬噸甚至億噸級，大部分難以用于傳統(tǒng)的水泥、混凝土領域，需要新的大宗量資源化利用技術.

除了固廢用于水泥和混凝土領域外，砂石骨料、陶瓷材料、人造石材是另外具有億噸級乃至百億噸級市場的固廢利用大宗出口，開展利用固廢制備這類大宗材料的研究同樣具有重要意義.利用焙燒機工藝制備大宗量低成本人造砂石料、固廢陶瓷材料工業(yè)化、熔渣調質以及熔渣人造石材制備等研究取得進展并值得進一步關注.

固廢的大宗量利用技術、協(xié)同利用技術、節(jié)能減碳利用技術和與智能化結合技術是冶金渣利用的發(fā)展趨勢，而固廢利用相關從業(yè)人員的思路轉變將是推動固廢資源化利用的關鍵所在.