双碳目标下钢渣处理技术综述及展望

现有的主流钢渣处理技术主要包括有压热闷、常压热闷和滚筒法，下面进行简单介绍。

钢渣罐式有压热闷技术主要包括钢渣辊压冷却粒化和有压热闷两个过程。钢渣辊压冷却粒化是通过打水冷却和机械破碎，使得高温钢渣快速冷却并粒化，为后续有压热闷工序创造适当的温度和粒度条件。有压热闷过程是把一定温度和粒度的钢渣倒进密闭罐，然后向密闭罐内打水，通过钢渣自身的余热使打入密闭罐内的水蒸发产生高温高压的饱和水蒸气，这可以使钢渣中所含的游离氧化钙（f-CaO）快速反应生成Ca(OH) ₂ ，消除尾渣安定性不良的缺点。同时是实现钢渣的渣铁分离和进一步降温。钢渣罐式有压热闷处理工艺流程见图1，即钢渣经由渣罐倾翻车倒进破碎床，同时进行辊压破碎和打水冷却作业，完成钢渣的粒化和降温工作。破碎降温后的钢渣运至热闷区的压力设备内，密闭后进行打水作业。液态水遇到高温钢渣变成水蒸气，从而产生较高的压力，使钢渣中f-CaO快速消解，完成钢渣的稳定化处理，并使钢渣粉化，完成渣铁分离。

钢渣池式热闷工艺是将400~1650 ℃的钢渣分批次倒进热闷池后，采用搅拌机械对钢渣进行搅拌，之后装置盖对热闷池进行密闭，最后通过控制系统向热闷池打水进行钢渣热闷，其处理示意见图2。该工艺类似于在密闭环境下对钢渣进行热泼并喷水，这样既可以使钢渣因为温度应力而碎裂，降低钢渣粒度，又可以消解钢渣中f-CaO，提高钢渣尾渣稳定性，利于后续建材化利用。池式热闷周期8~12 h，装置内温度降至60 ℃，打开装置盖，用挖掘机将钢渣铲出后进行后续的筛分、磁选，获得渣钢、磁选粉和安定性合格的尾渣。该工艺对钢渣物理状态也没有要求，熔融态、半熔融态和固态均可。但是该工艺热闷周期长，热闷压力低，导致生产效率较低；处理后钢渣粒度分布范围广。

滚筒粒化处理技术是将流动性良好的钢渣通过渣罐经由渣槽进入滚筒内，液态钢渣在水和机械力的作用下冷却粒化，然后运输至渣场进行磁选回收废钢，工艺流程见图3。由于该工艺需要钢渣具有良好的流动性，即钢渣温度高，含有的热量多，打水冷却过程中产生大量的蒸汽，但这些蒸汽可以从滚筒底部放空，所以也不会引发爆炸，安全可靠。由于用水量大，大部分尘泥沉底，所以滚筒法处理钢渣产生的尾气含尘量低，相比于其它处理方法可减少对环境的污染。该工艺最大的不足是 只能处理流动性良好的钢渣，无法对固态甚至是半熔融态的钢渣进行处理；另外，该工艺技术含量高，设备复杂，投资和运行成本均较高。

从以上现在应用的钢渣处理技术可以看出，其处理的主要目的均是实现钢渣中金属铁和尾渣分离及利用。其共性是热态钢渣按照一定的方式进行冷却、粒化，处理过程主要是以物理法为主。尽管上述处理技术已经实现了工业化的生产运营以及推广应用，但是“双碳”背景下，如何最大程度上实现高温熔融钢渣中金属铁、尾渣和热能的回收，是急需并且必须突破的技术。综合国内外相关文献，本文认为同时实现上述三方面应用的钢渣处理技术主要从以下三个方向进行研究合突破，主要包括（1）熔融钢渣提铁：即利用钢渣自身热量，通过外加还原剂实现钢渣中铁的还原；（2）熔融钢渣调质改性制备高附加值材料：即利用钢渣自身热量，以目标产品为基础，通过添加改性剂，实现高附加值材料的制备，如高品质胶凝材料、微晶玻璃等；（3）高温钢渣余热回收：即通过物理或化学手段实现钢渣所含热能的回收，同时回收钢渣尾渣。

钢渣中的铁元素主要以铁氧化物和金属铁两种形式存在，全铁含量大于20%。目前采用的破碎、筛分、磁选的物理方法仅能回收钢渣中部分铁元素，大部分的铁元素仍存在尾渣内未能有效的回收，存在着巨大资源浪费问题。因此，如何提取氧化物中的铁是需要解决的难题，急需熔融钢渣提铁技术的突破。

在转炉炼钢过程中，钢渣中 Fe ₂ O ₃ 、Fe ₃ O ₄ 可以通过式化学方程式（1）~（3）被金属铁（MFe）还原为FeO，所以，钢渣中的含铁相基本为FeO，少量存在Fe ₃ O ₄ 。

图4给出了含铁氧化物和C在不同温度下的生成自由能，即铁的Ellingham 。图4的结果表明从理论上讲，钢渣中铁氧化物在大于900 ℃的高温条件下铁氧化物可以被还原成金属铁，即通过化学方程式（4）和（6）的反应FeO被碳还原为MFe。国内多家研究单位针对该技术进行了实验研究，其中有华南理工大学、北京科技大学以及中冶建筑研究总院及等单位。

华南理工大学殷素红等人以煤粉等为还原剂分别对马钢、韶钢和宝钢钢渣的钢渣进行还原提铁研究。实验在1500 ℃的温度条件下进行，当单纯采用煤粉作为还原剂的情况下，只有马钢钢渣能够熔融，这主要是马钢钢渣熔点低于韶钢和宝钢钢渣。研究认为对于熔点低的钢渣，在还原提铁实验中可进一步降低熔融温度。为了降低钢渣熔点同时调控钢渣渣的化学组成，采用含有还原物质又含有改性物质的煤矸石对钢渣进行还原改性。结果表明马钢、韶钢和宝钢的钢渣都可以熔融，同时钢渣的化学组成也得到调整。主要是煤矸石中SiO ₂ 含量较高，降低了钢渣的碱度，从而降低了钢渣的熔点有利于反应的进行。图5为马钢、韶钢和宝钢钢渣中回收的金属铁的图片。

北京科技大学苍大强教授等人研究了钢渣碱度对金属铁回收的影响。具体实验过程如下：首先将钢渣破碎成直径约5 mm颗粒，将钢渣和还原剂、调质剂等进行混匀，将混匀后的物料放置于（φ70 mm×120 mm）的MgO坩埚中，然后将坩埚移置于硅钼棒井式炉中，升温至1550 ℃并保温5 min。实验完成后将熔渣倒出自然冷却至室温，然后进行渣铁分离。结果表明随着钢渣碱度的增大，铁回收率及金属化率呈先升后降的趋势，当碱度为1.1时，铁的回收率和金属化率达到较大，分别为95.8%和99.2%。中冶建筑研究总院孙树杉教授等人采用30 kg电极炉进行熔融钢渣还原提铁实验。实验过程焦炭、煤粉为钢渣还原剂，粉煤灰、铝钒土以及石英砂等酸性材料为钢渣的调质剂。图6为实验用电极炉和获得的金属铁，通过该实验证明了钢渣中铁元素还原沉积的可行性。

熔融钢渣的调质改性目的主要是利用钢渣自身热量，以目标产品成分为基础，通过改性剂的加入，实现利用钢渣自身热量和外加调制剂的加入制备出高附加值产品。熔融钢渣的调质改性后的钢渣多用于制备胶凝材料，也可以用于制备微晶玻璃等高附加值产品。

由于钢渣中含有大量的类似水泥熟料的矿物，如硅酸三钙、硅酸二钙等，提铁后的尾渣大多用于制备胶凝材料，如钢铁渣复合粉等产品。但由于钢渣中含有较多的非活性物质如RO相、橄榄石等，且硅酸三钙、硅酸二钙等高活性物料含量低，导致其早期胶凝性远低于硅酸盐水泥熟料。因而，研究人员在熔态条件对钢渣构成进行调整，改善钢渣的矿物组成，提高钢渣的早期强度，以利于高性能胶凝材料的制备。华南理工大学李建新等人对熔融态下重构钢渣的胶凝性进行了研究。在炼钢转炉排渣的同时，将一定比例的电炉还原渣和煤渣加入到渣罐中，利用熔融钢渣的余热对钢渣的组成和结构进行在线重构。结果表明，重构处理明显降低了钢渣中f-CaO的含量，改善了钢渣的易磨性和压蒸安定性，使钢渣粉的28 d活性指数提高了10%~20%。中冶建筑研究总院胡天麒等通过在熔融态钢渣中加入改性材料和还原剂进行重熔，获得早期强度较高的钢渣。

微晶玻璃又称玻璃陶瓷，是将特定组成的基础玻璃，在加热过程中通过控制晶化而制得的一类含有大量微晶相及玻璃相的多晶固体材料。微晶玻璃的性能指标往往优于同类玻璃和陶瓷，其中CaO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ 系微晶玻璃是研究得较为深入的一类微晶玻璃。钢渣中含有较多的钙硅铝氧化物，从成分上讲和CaO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ 系微晶玻璃较为接近。苍大强等以钢渣为原料进行了微晶玻璃的制备实验。分别制备了碱度（CaO/SiO ₂ 质量比）为 0.5、0.6 和 0.7 的微晶玻璃，并研究了在不同热处理条件下三种微晶玻璃的结构与性能的变化规律。研究结果表明微晶玻璃的力学强度主要受基础玻璃烧结性能和内部晶体组织结构的影响。在充分提高微晶玻璃烧结性能、控制析晶的基础上，是能够获得优于天然石材性能的钢渣微晶玻璃。此外，研究结果还表明随着热处理温度的升高或晶化保温时间的延长，辉石/黄长石比例降低，说明高温条件有利于黄长石晶体的生长。上述结果表明，在满足成分要求的基础上为提高辉石相在微晶玻璃中的比例，应尽量采用低温热处理工艺。即通过调控手段的改变，可以制备出性能优良的微晶玻璃制品。

目前，国内外文献报道的钢渣余热回收按能量回收方式可以分文物理法和化学法，物理法主要有风淬法余热回收、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，化学法主要有甲烷循环反应、甲烷重整制氢、煤气化制煤气等工艺。但上述工艺仅停留在实验室阶段或是运行几年后由于各种原因而停滞。近年来钢渣余热回收研究的也不少，如2015 年，日本学者在实验室条件和半工业化条件下分别研究了高温钢渣余热回收效果。其主要思路是熔融钢渣先经双辊挤压和破碎后，再经立式炉窑进行余热回收。半工业化的实验结果表明4.8 t钢渣，当初始温度为1100 ℃，鼓风流量为7200 Nm ³ /h，得到的热空气温度最高可达700 ℃。若以实际使用温度超过140 ℃热量回收，则相对于熔融炉渣总热量的相对值的热量回收率为43％。2021年，张添华等人对1150 ℃左右的粒化钢渣进行了鼓风余热回收研究（图7），1150 ℃的钢渣2~5 t在鼓风流量为7 800~26 000 Nm ³ /h条件下进行余热回收，最优条件下得到的钢渣余热回收率高达70%以上。尽管上述实验半工业化的实验结果较好，但是到目前为止还未真正实现工业化。但是从余热回收工艺也可以看出，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。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。

钢渣是金属铁、尾渣和热能的载体，钢渣的资源化利用和其处理技术密切相关。在“双碳”背景下，应重点关注并加强熔融钢渣中金属铁、尾渣和热能的全量化回收和利用，加强钢渣处理新技术研发，如熔融钢渣还原提铁、制备高附加值材料和余热回收等技术，以期实现钢渣最大资源化利用，促进节能降碳，助力“碳达峰、碳中和”目标的实现。