杨双平1’2，李三军1，刘新梅1
(1．西安建筑科技大学冶金丁程学院，陕西西安710055；
2．西安交通大学材料科学与工程学院，陕西西安710049)
摘要：介绍了冶金弃渣的来源、分类、物质组成以及产出现状，并概括了国内外炼钢方面冶金弃渣综合利用方法的新进展，并分析了这些方法的优点与局限，提出了以后可能的研究方向。
关键词：冶金弃渣；综合利用；进展；前景
中图分类号：X757文献标识码：A文章编号：1002—1043(2008)03—0059-04
Reutilization and perspectives of the metallurgical waste slag
YANG Shuang-ping1’2，LI San-junl，Liu Xin-meil
(1．School of Metallurgical Engineering，Xi’an university of Architecture and
Technology，Xi’an 7 1 0055，China；2．School of Materials Science and Engineering，
Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)
Abstract：This paper presents the sources，classification，composition and present situation of the metallurgical waste slag．It also summarized the new development of the methods in reutilization of the metallurgical waste stag in steel making。analyzed the advantages and limitations of these methods，and finally proposed the possible direction of the study on this area．
Key words：metallurgical waste slag；reutilization；development；prospeetives
1 冶金弃渣的产生现状
据资料反映[1]，目前我国每年的矿石采掘总量已达50亿t，工业固体废弃物的产生量已达8亿t，累计堆存量超过67亿t，占用土地达到65412万m2，年产量最大的是矿山开采和以矿石为原料的冶炼工业产生的固体废弃物，超过工业固体废弃物产生量的80％以上。在钢铁冶炼中，炉渣的产出量按重量计特别是按体积计时都超出金属的许多倍，一般说来，按重量计约为3-5倍、按体积计约为8～10倍。这些冶金弃渣的堆放不仅要占用大量土地，而且污染环境，特别是有害、有毒金属对地表和地下水源的污染严重威胁着千百万人的身体健康。冶金弃渣的丢弃同时也会使一些有用组分分散，造成资源浪费。
金属的火法冶炼过程是一个复杂的物理化学过程，冶炼出金属后所排放出的弃渣多为复杂的混合物或化合物，其组成主要来自矿石、熔剂和燃料灰分中的造渣成分。由于火法冶金的原料和冶炼方法种类繁多，因而炉渣的类型很多，成分非常复杂。但总的说来。炉渣是各种氧化物的熔体，这些氧化物在不同的组成和温度条件下可以形成化合物、固溶体、溶液以及共晶体等。除了氧化物以外，炉渣还可能含有其他化合物，如氟化钙，氯化钠，硅酸盐等。这些化合物有的来自原料，有的是作为助熔剂加入的。而炉渣中含量最多的氧化物通常只有3种，其总量可达80％以上。对钢铁冶金和有色冶金中的大多数炉渣说来这3种氧化物是Ca0、Si02，Al203或FeO，对某些有色冶金炉渣则为Ca0、Al203、Si02，另外矿石中的其它金属元素也以各种形式存在于炉渣中。
2国内外冶金弃渣综合利用方法
国外发达国家十分重视矿产资源中伴生金属的综合回收，以污染防治战略取代以末端处理为主的污染治理战略，联合国规划署称这种新战略为“清洁生产”战略。我国政府在1994年通过的《中国21世纪议程》中对清洁生产也做出了定义和要求幢]，并于1999年将伴生金属矿的科学综合利用课题列入国家“211工程”重点项目予以实施。专家预测，通过深入对共生金属矿的综合利用科研攻关，我国共生金属矿的开发与综合利用必将展现出更加广阔的诱人前景。
由于黑色金属和有色金属渣中成分的不同，它们的处理方法也各不相同，按处理过程发生的物理化学变化可以分为物理处理方法和化学处理方法。
2．1 物理处理方法
物理处理方法主要是利用了冶金弃渣的机械强度，将其作为支撑的骨架[3]。目前对冶金弃渣的物理处理方法包括：作为矿山坑井的回填物、代替石子铺路、作为水质净化剂等。
2．1．1作为矿山坑井的回填物
矿山在开采出矿石以后，为了稳定山体和地表的强度，防止由于坍塌造成地面下沉而对周围的建筑或其它设施带来损失，必须对开采完的矿山坑井进行回填。目前，几乎所有矿山都面临着坑井回填的问题。冶金弃渣作为稳定性较高的固体物质，完全可以作为填充物回填到矿山坑井中[4]。但是目前的有些回填技术达不到无害化的要求和标准，存在对环境和地下水污染的可能，而且有些弃渣中的有价金属未被回收，造成资源的浪费。
2．1．2冶炼渣代替石子铺路
经处理后的钢渣具有较好的稳定性，可用于道路的基层、垫层及面层。钢渣与沥青有很好的亲合眭，与部分天然石料相t昆可铺筑高质量柔性道路。磨光石试验表明钢渣沥青路面防滑性好，不易开裂、拉裂，轮碾试验表明，承重层变形小，道路工作寿命长。钢渣有很好的抗冻解冻性，适应寒冷气候开放道路的使用。钢渣在路基垫层中应用，其粒度应控制在60 mm以下，自然堆放或稍加喷淋3个月以上其粒度基本符合要求，其粉化率亦不断下降，稳定性提高[5]。
2．1．3生产喷磨除锈剂
由于多数火法冶炼弃渣是在高温熔融状态下，经过复杂的造渣反应，生成十分稳定的2Fe0·Si02、CaO·FeO·Si02、2CaO·Si02等盐类共熔体，没有游离的Si02，冷却后硬度高、含灰量低，这种性能比常用作防腐除锈的黄砂好，故可以代替黄砂作防腐除锈剂使用[6]。沈阳冶炼厂很早就对这项用途进行研究，并经山海关造船厂的试验，认定是一种可取代石英砂的磨料，质量能够达到瑞典质量标准Sa2—2(1／2)级，如有特殊要求可以达到Sa3级。日本钢管公司也把风淬转炉渣开发成船用喷磨料[7]。
2．1．4水质净化剂
研究表明只要抑制渣中S和P的逸出，冶炼弃渣可以用作水质净化剂。1990～1991年日本在实际海域进行的试验确认，炼钢渣对海水有净化效果，且对海底生物没有坏的影响。对炼钢渣净化海水和海底的机理，日本广岛大学正在研究中。目前，在水质净化方面，用钢渣做吸附剂处理含锌，含砷废水通过试验证明亦可以运用。
除以上介绍之外，冶金弃渣还可以用作彩色砂料、生产炉渣矿棉等[8]。
2．2化学处理方法
化学处理方法就是利用化学的方法提取出冶金弃渣中的有价成分，或者改变冶金弃渣中的物质组成，将其变成另一种有用的物质，从而达到冶金弃渣综合利用的目的。化学处理法可以针对不同弃渣的特性安排不同的工艺，而且用化学法处理得到的产品一般具有较高的附加值，因此适用范围广、处理量大、经济效益高。
2．2．1从7台金弃渣中提取有价金属
地球上的多数矿物为多金属的复合共生矿，尤其是有色金属矿，在冶炼中提取出目的金属以后，其它的有价金属一般都进入渣中。这部分有价金属如不加以回收势必造成资源的浪费和对环境的污染。世界各国都对矿物的综合利用进行了深入的研究。据统计，世界上已利用的64种有色金属中有35种是作为副产品回收的，有色金属冶炼企业通过综合回收创造的产值占总产值的比重为：铜系统约占25％，铅系统约占12％，锌系统约占20％～25％。通过综合利用使有色金属产量增长20％～30％。
2．2．2钢渣用作烧结熔剂和高炉熔剂
用于烧结熔剂和高炉熔剂的渣主要为炼钢过程中产生的钢渣。钢渣中含有钙、镁、锰、铁等有益成分，其中Ca0和FeO为主要成分，钢渣返回烧结矿生产和高炉炼铁，不仅回收了渣中粒铁、有效金属氧化物，而且充分利用了渣中的CaO，从而节约部分石灰，降低烧结矿成本，达到化害为利、变废为宝、再资源化利用的目的。钢渣熔点低，烧结中易生成液相，有助于加速粘结成块和混合造球。
2．2．3冶金弃渣熔制彩色玻璃体
冶金炉渣和玻璃同属于硅酸盐材料体系，具有共同的多相平衡的热力学相图基础，它们的主要差异在于各自在相图中的化学成分范围不同，例如CaO-Fe-Si02和FeO-Na2O-Si02三元系。靠近硅酸亚铁的化学成分范围属于有色金属冶金炉渣形成的区域，而在鳞石英或硅酸钠的化学成分附近则是玻璃的形成区域。当在CaO-FeOSi02三元系中引入Na20或在FeO-Na2O-Si02三元系中引入CaO而构成CaoFeO-Na2O-Si02四元系时，炉渣和玻璃的这种差异就会进一步缩小。国内外冶金工作者对用冶金弃渣生产玻璃材料进行了大量研究，研究表明用冶金弃渣制成的玻璃材料具有优良的机械力学性能、耐磨性能和耐腐蚀性能。有良好的应用前景[9-10]。
冶金渣除可以直接用于玻璃体的生产外，某些含有有色金属元素的特殊冶金渣还可以作为玻璃的着色剂用于玻璃的生产，同时利用了渣中的CaO、MgO等有用成分[11]。
2．2．4含铁渣的利用
大多数有色冶金企业排放的冶炼渣、化工厂排放的弃渣及其烟尘中都含有大量的铁，如铜、镍冶炼厂排放的弁渣(ω(Fe)=35%～45％)和硫酸厂排放的硫酸烧渣(ω(Fe)=35％—60％)等，对于这部分含铁的渣，国内外对其进行了深入的研究，研究方向主要为生产铁系化工产品如制备用做颜料的氧化铁黄和氧化铁红，制备聚铁混凝剂、硫酸亚铁等和还原回收金属铁，如直接还原提铁，前者本文不作详细介绍，将直接还原提铁介绍如下：
利用硫酸烧渣，进行了煤基直接还原生产直接还原团块的研究[12]，提出了润磨造球一预热焙烧一磁选一冷固结成型的工艺流程。在还原温度1 200℃，还原焙烧时间2 h的条件下，可获得含铁品位90％左右，金属化率94％，铁回收率90％的直接还原铁粉，直接还原铁粉冷固成型后可作电炉炼钢原料。
国内有多人发明了用分级磁选的流程处理低品位含铁渣(如：钢渣、硫铁矿烧渣、铝土矿溶出废渣)的方法[13]，获得w(Fe)>55％，ω(S)<0．4 %的铁精矿，铁收得率达80％以上，得到的铁精矿经烧结后团矿，可作为高炉原料。
2．2．5冶金渣生产水泥
利用冶金弃渣生产水泥是目前研究最多、最深入的一种弃渣利用方法。冶金炉渣的化学成分随矿石品位和冶炼的不同可在很大范围内波动。但总的来讲，大部分冶金炉渣属于硅酸盐材料，其主要成分有：Si02、CaO、A1203、MgO、FeO及MnO等，其中Al203含量高、SiO2含量低的渣活性高、质量好，适合于水泥的生产，这部分渣主要是炼铁高炉渣和炼钢渣。钢渣水泥的早期强度、凝结时间，强度等都接近一般通用水泥，有些甚至能达到625号的性能，而且具有后期强度高、耐磨、抗蚀等多种优良性能。这种水泥适用于一般道路、农田水利工程等[14]。
2．2．6生产建筑材料
冶金渣含Fe0、CaO、Si02等化合物，可作为生产砖、砌块等建材的原料。我国很早就有利用工业废渣生产建筑用材料的研究和实践。
2．2．7生产农业肥料
在很多冶金渣中都含有P、Ca、Si等农作物生长所需的元素，经过适当处理可以用作为农业肥料或添加剂。如炼钢转炉渣中大约w(P2O5)=1%，w(CaO)=50％，可以用于农业生产磷肥，也可以用作酸性土壤改良剂。钢渣磷肥被作为农业肥料已有百余年的历史。特别是法国、德国等含磷铁矿比较丰富的国家，钢渣磷肥所占比重一直很大，占磷肥总量的13％～16％[15]硅肥是一种以含氧化硅(Si02)和氧化钙(CaO)为主的矿物质肥料，它是水稻等作物生长不可缺少的营养元素之一。发达国家如日本已将钢渣矿渣的硅酸质确定为普通肥料，我国南方地区至少有3 000万亩水稻田土壤缺硅。钢渣粒度<4 mm，并含有一定数量小于150 μm的极细颗粒，是农业上理想的土壤改良剂。
2．2．8制造电焊条
钢铁冶炼炉渣中含有大量的氧化钙，稳弧性能较好，含有大量熔点为1 200℃的钙、硅、铝混合物，造渣及流动性能也较好，含有硅、镁、钛等成分，合金性能好；而锰、钙又有利于脱硫脱磷。适量加入锰铁、硅铁脱氧，淀粉、木屑造气，磨细到120目，与水玻璃混匀压涂到H08A焊芯上，即可制成优质焊条。原料成本可降低50％以上[16]
3冶金弃渣综合利用的前景展望
矿业及其后续产业是国民经济建设的强大支柱，与其将冶金弃渣排放后再利用，不如组织无废生产，或在工业区域内建立生产综合体，使各物质流在生产过程中循环，不向自然界排放废物。只有这样做才能最有效地保持人类生存空间，造福子孙后代。今后冶金弃渣的综合利用研究发展的可能方向为：
(1)综合利用要求尽量开发无二次固体废弃物排放的洁净冶金新工艺，提高资源综合利用的整体科技水平，提高产品的附加值；
(2)进一步加强对冶金弁渣物性的深入了解，对冶金弃渣的利用应有系统的科学和工程研究规划，为多途径利用冶炼渣(如物理方法、化学方法、生物方法等)提高资源化水平奠定基础；
(3)对不同冶金弃渣进行跨行业集成化，使其达到互补综合利用；
(4)开发低污染、低成本、低能耗、短流程的弃渣处理新工艺与装备及其高效控制技术，努力使二次资源的利用变为有利可图的环保产业；
(5)积极开展冶金渣利用的技术、经济与环境评价，为冶金渣科学综合利用提供指导与评判标准。
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