（环境工程专业论文）钢渣的处理与综合应用研究.pdf

硕士论文钢渣的处理与综合应用研究 摘要 钢渣是一种工业废渣，堆放它们会压占大量的土地资源，造成水体和空气污染。 对钢渣进行回收利用不仅可以保护环境，还能充分利用自然资源，提高利用率。本课 题的研究目的是通过实验寻找能处理利用钢渣的工艺，解决钢厂的固体废弃物污染问 题。针对本课题所用钢渣的特性，寻找合理的应用方法。 为寻找合理的应用方法，首先要了解钢渣的性质，尤其是化学成分、化学性质和 矿物学成分，所以在实验之前，必须对钢渣进行相关的测试，经测定知道本钢渣中铁、 铝、硅、钙是主要元素，它们主要以各种矿物的形式存在，如硅酸二钙( c 2 s ) 、硅酸 三钙( c 3 s ) 、铁铝酸钙、水化硅酸钙( c s h ) 和氢氧化钙( c h ) 等，它们具有一定 的水化胶凝特性，可以用于工程建设。 针对钢渣的胶凝特性，可以将钢渣用作熟料制备钢渣水泥，石膏对其胶凝特性具 有一定的激发能力，按照水泥熟料的各种指标设计各物质问的配比，并参照国家标准 g b t1 7 6 7 1 1 9 9 9 规定的测试方法测试相关性能，通过分析发现钢渣已经发生一定程 度的水化，胶凝性能明显减弱，各项强度远小于国家标准的要求。所以利用钢渣生产 钢渣水泥的方法不可行，必须寻找其他利用方式。 由钢渣的化学成分可知，可以利用钢渣制备絮凝剂，但是在合成絮凝剂之前必须 使铁、铝溶解出来。经过参阅有关文献可知盐酸是最好的溶剂，并考查固液比、酸浸 温度以及酸浸时间对浸出率的影响，通过实验找到最佳浸出条件，即l g 钢渣加入 3 m o l l 的盐酸1 6 m l 在6 0 的条件下浸取2 h ，此时铁、铝的浸出率最大。然后外加 一定聚合度的硅酸进行聚合，即可制备絮凝剂。分别考察s i ：( f e + 砧) 、熟化聚合温 度和聚合p h 值对絮凝剂性能的影响，通过单因素实验和正交试验，发现最佳聚合工 艺，即s i ：( f 刮- a 1 ) 为3 ( 摩尔比) ，聚合温度为6 0 ，聚合p h 值为1 5 ，聚合时间 为2 h 以上。 在水处理中，絮凝剂的投加量和水样的p h 值都是影响絮凝效果的主要因素，为 寻找最佳使用条件分别考察絮凝剂对模拟废水以及大蒜废水的处理效果，主要考察指 标有浊度和c o d 的去除率。此次制备的絮凝剂聚硅酸氯化铝铁的最佳投加量为 1 2 0 m g l ，适用p h 值在7 0 - - 一8 0 之间，是一种非常经济的水处理剂。 利用工业废物生产工业产品实现以废制废的目的，不仅节约成本还可以治理环境 污染，是一种非常有潜力的方法。 关键词：钢渣，废物处理，制备，无机絮凝剂( p a f c s i ) ，水处理 硕士论文 a b s t r a c t s t e e ls l a ga so n eo fi n d u s t r i a lw a s t et o o ku pl a r g eq u a n t i t i e so fl a n dr e s o u r c e s ，a n d c a u s e dw a t e ra n da i rp o l l u t i o n t h er e c y c l i n go fs t e e ls l a gc a nn o to n l yp r o t e c tt h e e n v i r o n m e n t ，b u ta l s om a k eu s eo fn a t u r a lr e s o u r c e se f f e c t i v e l ya n dp r o m o t eu t i l i z a t i o n r a t i oo fr e s o u r c e s t h er e s e a r c hp u r p o s eo ft h i sp a p e ri st ol o o kf o rt h er e a s o n a b l em e t h o d o fr e u s i n gt h es t e e ls l a gc o m p r e h e n s i v e l yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，a n dt h e ns o l v et h e p o l l u t i o np r o b l e m i no r d e rt of i n dar e a s o n a b l em e t h o do fa p p l i c a t i o n , w em u s tf i r s tu n d e r s t a n dt h e v a r i o u sp r o p e r t i e so fs t e e ls l a g ，e s p e c i a l l yt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n , c h e m i c a lp r o p e r t i e s a n dm i n e r a l o g i c a lc o m p o s i t i o n s ob e f o r et h ee x p e r i m e n t ，r e l a t i v et e s t i n go nt h es l a gm u s t b ec o n d u c t e d b yt h ed e t e r m i n a t i o ni ts h o w st h a ti r o n 、a l u m i n u m 、s i l i c o na n dc a l c i u ma r e t h em a i ne l e m e n t sw h i c ha r em a i n l yi nt h ef o r mo fv a r i o u sm i n e r a l s ，s u c ha sc a l c i u m s i l i c a t e ( c 2 s ) 、t f i c a l c i u ms i l i c a t e ( c 3 s ) ，c a l c i u m s i l i c a t eh y d r a t e ( c s h ) a n dc a l c i u m h y d r o x i d e ( c h ) ，e ta 1 t h e s ee l e m e n t sh a v es o m ec e m e n t i t i o u sp r o p e r t i e so fh y d r a t i o na n d c a l lb eu s e di nb u i l d i n gm a t e r i a li n d u s t r y b e c a u s eo fi t sc e m e n t i t i o u sp r o p e r t i e s ，s t e e ls l a gc a nb eu s e da sc l i n k e rt op r e p a r et h e s t e e ls l a gc e m e n t c e m e n t i t i o u sp r o p e r t i e so fs t e e ls l a gc a nb ea c t i v a t e dt oac e r t a i nd e g r e e b yg y p s u m a c c o r d i n gt ov a r i o u si n d i c a t o r so fc e m e n t ，t h ep r o p o r t i o no fe a c hs u b s t a n c e w a sd e t e r m i n e d c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t hw a st e s t e di na c c o r d a n c ew i t h s t a t es t a n d a r dg b t17 6 71 19 9 9 t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts t e e ls l a gh a dh y d r a t e dt oa c e r t a i nd e g r e e i t sa c t i v i t yr e d u c e ds i g n i f i c a n t l ya n dt h ei n t e n s i t yi sm u c hl e s st h a nt h e n a t i o n a ls t a n d a r d t h e r e f o r e ，u s i n gs t e e ls l a gt op r o d u c es l a gc e m e n ti sn o tf e a s i b l e ，w e m u s tl o o kf o rs o m eo t h e rw a y s a st h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs t e e ls l a g ，i tc a nb ep r e p a r e df o rf l o c c u l a n t ，b u tb e f o r e t h a t ，i r o na n da l u m i n u mm u s tb ed i s s o l v e do u t r e f e r r i n gt ot h el i t e r a t u r e ，t h eb e s tm e t h o d w a su s i n gh y d r o c h l o r i ca c i d t h e nt h ei n f u e n c eo fs o l i d - l i q u i dr a t i o ，l e a c h i n gt e m p e r a t u r e a n dl e a c h i n gt i m eo nl e a c h i n gr a t ew a se x a m i n e d ，a n dt h e nt h eb e s tl e a c h i n gc o n d i t i o n s w a sf o u n d ，t h a tw a s ，u n d e rt h ec o n d i t i o no f6 0 a n d2 h , a d d i n g3m o l lo fh y d r o c h l o r i c a c i dt olgs l a g ，a l u m i n u ma n di r o nl e a c h i n gr a t ew a st h eh i g h e s t f l o c c u l a n tc o u l db e p r e p a r e da f t e rac e r t a i nd e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o no fs i l i c i c a c i dw a sa d d e d m a n y f l o c c u l a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sw a ss t u d i e d ， s u c ha ss i ： ( f e + a 1 ) ，c u r i n g p o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e a n dp o l y m e r i z a t i o n p hv a l u e t h r o u g hs i n g l e f a c t o r e x p e r i m e n t sa n do r t h o g o n a lt e s t , t h eb e s tp o l y m e r i z a t i o np r o c e s sw a sf o u n d ，n a m e l y s i ：( f e + a 1 ) w a s3 ( m o l a rr a t i o ) ，p o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r ew a s6 0 ，p hw a s1 5 a n d p o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o nt i m ew a sm o r et h a n2 h i nw a t e rt r e a t m e n t ，t h ed o s a g eo ff l o c c u l a n t sa n dp hv a l u eo fw a t e rs a m p l ea r et h e m a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tf l o c c u l a t i o n i no r d e rt os e a r c hf o rt h eb e s te o n d i t i o n , t h e e x p e r i m e n ts t u d yu s i n gs t e e ls l a gf l o c c u l a n tt op r o c e s ss i m u l a t e dw a s t e w a t e ra n dg a r l i c w a s t e w a t e rr e s p e c t i v e l y t h ei n d i c a t o r st u r b i d i t ya n dc o dr e m o v a le f f i c i e n c yw e r es t u d i e d r e s u l t ss h o wt h eb e s td o s a g eo ff l o c c u l a n t ( p a f c s i ) i s12 0 m g l ，p hr a n g ef r o m7 0t o8 0 ， s oi ti sav e r ye c o n o m i c a lw a t e rt r e a t m e n ta g e n t t u m i n gw a s t ei n t oi n d u s t r i a lp r o d u c t sc a na c h i e v e t h ep u r p o s eo fu s i n gw a s t et ot r e a t e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，i ti sa l s oak i n do fe c o n o m i ca n de f f e c t i v em e t h o dw h i c hh a sg r e a t s i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：s t e e ls l a g ，w a s t ed i s p o s a l ，p r e p a r a t i o n ，i n o r g a n i cf l o c c u l a n t ( p a f c s i ) ， l 场f e rt r e a t m e n t i u 声明户i 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：驻l 硼矿b , q 矽n 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：p 卅口年万月矽日 硕士论文钢渣的处理与综合应用研究 1 引言 1 1 研究背景 钢渣是指炼钢过程中排出的熔渣，主要包括金属炉料中各元素被氧化后生成的氧 化物，被侵蚀的炉衬料，补炉材料，金属炉料带入的杂质和为了调整钢渣性质而特意 加入的造渣材料等，如石灰石、白云石、铁矿石、硅石等。按照炼钢工艺钢渣可分为： 转炉渣和电炉渣；按照冶炼过程一般可分为：初期渣、精炼渣、粗钢渣和浇铸渣；按 照形成形态又可分为：水淬粒状钢渣、块状钢渣和粉状钢渣。 2 0 0 8 年我国粗钢产量将达n 5 4 亿t ，钢渣作为钢铁生产的副产物，其排放量约为 粗钢产量的1 5 2 0 ，2 0 0 8 年的排放量达l 亿t 。而且每年仍以数百万t 的排渣量递增， 大量钢渣堆积成渣山，不仅污染环境，而且还占用大量土地。若不综合利用，钢渣将 会占用越来越多的土地，影响钢铁工业的可持续发展。因此，有必要对钢渣进行减量 化、资源化和高价值综合利用研究。钢渣废料的资源化利用已经成为国内外的重要研 究课题。对钢渣进行综合利用不但能降低炼钢工业成本，带来直接经济效益，而且还 能保护环境，带来很大的环境效益。通过对钢渣的综合利用，越来越多的生产厂家意 识到，钢渣不再是炼钢厂单纯的副产品，而是可以再被利用的宝贵资源。2 0 世纪7 0 年代以来，世界各国都面临严重的资源不足和能源缺乏，然而钢渣的处理和利用技术 却得到了快速的发展。对于钢渣的处理工艺，由于炼钢设备，工艺布置，钢渣物化性 能的多样性及其利用上的多种途径，产生了多种处理方法。工业发达国家根据钢渣的 用途，炼钢工艺特点以及有利于提高炼钢生产能力来选择钢渣的处理工艺，从而保障 了钢渣综合利用率的不断提高，欧洲的钢渣利用率为6 5 ，而德国则高达9 3 。 由于对钢渣的综合利用能够节能降耗，符合国民经济可持续发展的需要。经过长 期的努力，我国钢渣资源化利用技术取得了突破性进展，钢渣已经成功地应用于水泥， 污水处理，农业生产，道路工程，冶金炉料和建材等领域。 1 2 钢渣的基本性质 1 2 1 钢渣的性质 钢渣的物化性质随化学成分的变化而变化，由于化学成分以及冷却条件不同造成 钢渣外观形态，颜色差异也很大。钢渣的主要化学成分有：c a o 、s i 0 2 、f e o 、a 1 2 0 3 、 m g o 等，成分随地区不同有所变化。一般碱度较低的钢渣呈灰色，碱度较高的钢渣呈 l 引言硕士论文 褐灰色，灰白色。钢渣块松散不粘结，孔隙较少，质地坚硬密实。钢渣中的含铁量比 较高，其密度为3 1 9 c m 3 3 6 9 c m 3 ，易磨性较差，易磨指数为：标准砂为l ，钢渣为 0 7 。但是钢渣的抗压性能好，压碎值为2 0 4 3 0 8 。我国主要钢厂转炉钢渣的化 学成分见表1 1 【l 】。 表i 1 转炉钢渣的化学成分 t a b 1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs l a g 1 2 2 钢渣的矿物组成 钢渣的主要矿物组成为硅酸二钙( c 2 s ) 、硅酸三钙( c 3 s ) 、钙镁橄榄石( c m s ) 、铁 酸二钙( c 2 f ) 、钙镁蔷薇辉石( c 3 m s 2 ) 、r o ( r 代表镁，铁，锰的氧化物所形成的固熔 体) 、游离石灰( f - c a o ) 等。钢渣的矿物组成决定了它具有一定的胶凝性，主要是其中 一些活性胶凝矿物的水化，当c a o 含量较高时，常生成c 3 s ，c 2 s 及铁铝酸盐。钢渣中 f - c a o ，m g o 含量较高，稳定性差，这是由于它们水化后生成体积膨胀率很大的物质 使混凝土构件的稳定性受到破坏。钢渣中铁和锰的含量也比较高，由于锰、铁离子具 有极化能力，对氧离子的亲和力很大，因此氧离子能脱离正硅酸钙( 锰) 四面体破坏正 硅酸盐结构，使四面体互相连接起来，生成巨大而复杂的硅氧团，从而降低其易磨性。 1 3 国内外钢渣利用的研究进展 1 3 1 钢渣返回冶金再用 钢渣返回冶金再用，包括返回烧结以及回收其中的铁。 钢渣中一般含有1 0 左右的金属铁，通过破碎磁选筛分工艺可以对其中的金属铁 进行回收，一般钢渣破碎的粒度越细，回收率越高。国外开展从钢渣中回收废钢铁的 研究较早，美国1 9 7 0 - 1 9 7 2 年间从钢渣中回收近3 5 0 万t 废钢，日本磁力选矿公司每年 能处理2 0 0 万t 钢渣，从中回收1 8 万t 企铁9 5 以上的粒铁。我国也有不少钢厂建立了钢 渣回收铁生产线【2 1 ，如鞍钢利用无介质自磨及磁选的方法回收钢渣中的废钢，武钢也 2 硕士论文钢渣的处理与综合应用研究 有相关的回收工艺。攀钢采用热焖工艺能使钢渣粉化率达到9 2 ，淘汰了传统的破碎， 磁选工艺，通过切割，自磨进一步提高了渣钢的品位及回收率；同时对铁渣进行打砸， 筛分和磁选，将铁块和废渣进行分离，再利用球磨和各种分选工艺对废渣进行深加工， 从而实现了铁资源的回收利用。 转炉钢渣c a o 的含量一般为4 0 - 5 0 ，i t 钢渣就相当于0 7 t - - 一0 7 5 t 石灰石。把钢 渣粉磨成小于1 0 m m 钢渣粉，便可代替部分石灰石用作烧结配料。在烧结矿中适量配 入钢渣后，不仅可以回收利用渣中钢粒、氧化钙、氧化铁、氧化锰( m n o ) 、氧化镁、 稀有元素( v ，n b ) 等有益成分，而且还能显著地提高了烧结矿的质量和产量。与此 同时水淬钢渣疏松，粒度均匀，料层透气性好，更有利于烧结造球及提高烧结速度。 此外，由于钢渣中铁和氧化亚铁的氧化放热，节省了钙、镁碳酸盐分解所需要的热量， 使烧结矿燃耗降低。钢渣中含有1 0 - 3 0 的铁、2 左右的猛元素，将其作为炼铁熔 剂，不仅可以回收钢渣中的铁，而且还可以把氧化钙、氧化锰等作为助熔剂，从而节 省大量石灰石、白云石资源。钢渣中的钙、镁等元素均以氧化物形式存在，不需要经 过碳酸盐的分解过程，因而还可以节省大量热能。钢渣也可以作为化铁炉熔剂代替石 灰石及部分萤石。使用证明【3 】，铁水含硫对铁水温度、炉渣碱度、熔化率及流动性均 无明显影响，在技术上是可行的。 土耳其等【4 】国进行钢渣回收应用的研究比较早，在过去的5 0 年内，他们对钢渣的 综合利用进行了广泛的研究，在1 9 9 9 年，一家钢渣处理厂开始投入运行，可以将不同 的钢渣用作烧结原料，充分的利用废物，保护环境的同时还节约了原料和费用。 1 3 2 利用钢渣制造微晶玻璃 由于生成微晶玻璃所用原料的化学组成具有很宽的选择范围，而钢渣的基本化学 组成就是硅酸盐，其成分一般都在微晶玻璃形成的范围内，所以钢渣能满足制备微晶 玻璃化学组分的要求。利用钢渣制备性能优良的微晶玻璃对于提高钢渣的利用率和附 加值，对减轻环境污染具有十分重要的意义。 我国学者张乐军【5 】利用粉煤灰和钢渣，采用烧结法制备出以透辉石的固溶体为主 晶相的微晶玻璃，钢渣和粉煤灰的利用率高达6 0 。制备的微晶玻璃可以作为一种很 好的建筑材料，为钢渣、粉煤灰等固体废物的资源化利用开辟了一条崭新的途径。 国外在这方面的研究也比较多，希腊学者k a r a m b e r ia 利用钢渣，电炉渣以及飞 灰等原料砸】，在1 4 5 0 。c 情况下加热2 h ，先后经过净化、成型和退火三个步骤。在5 5 0 c 的条件下退火2 h ，制成后利用x r a y 署l l s e m e d s 进行各种性能的测试，表明玻璃的晶 像和硬度主要取决于原料的结构和加热过程。 3 l 引言硕士论文 1 3 3 利用钢渣做建材 钢渣的矿物成分主要有硅酸三钙( c 3 s ) 、硅酸二钙( c 2 s ) 、钙镁蔷薇辉石( c 3 m s 2 ) 、 钙镁橄榄石( c m s ) 、铁酸二钙( c 2 f ) 、r o ( r 代表镁、锰、铁的氧化物所形成的固熔体) 、 游离石灰( f - c a o ) 等。钢渣的矿物学组成决定了它具有一定的胶凝性能，经过一定的 处理后便可以用作建材，主要应用方向有道路，制砖以及生产水泥。 同济大学的任传军教授【7 】等人研究将钢渣搀在沥青中用于铺设路面，并且对水稳 定性、高温稳定性以及抗裂性进行了测试。证明在加入钢渣的情况下沥青与集料的粘 附性，沥青混合料的水稳定性，高温稳定性，路面的抗车辙能力都有一定的提高。但 是由于钢渣中含有较多的f - c a o 和m g o ，所以易使道路出现膨胀开裂，针对这种情况 朱跃刚【8 】等研究出处理办法，通过严格控制所用钢渣的粒度、钢渣中f - c a o 的含量、 合理设置空隙以及利用钢渣化学反应过程中产生的胶体，在一定程度上改善了性能。 m a s l e h u d d i nm 等人【9 】将钢渣和普通石灰岩筑体进行比较，证明钢渣可以用于制造硅酸 盐水泥，同时发现钢渣用于道路建设后，道路的一些物理性能都有所提高，如耐久性， 抗压性能等，但是透水性以及单位重量却提高了。p e r v i z “1 0 】也研究了将钢渣掺和在 高温沥青中用于道路建设，各种数据表明力学性能都能达到一定的要求，并且电导率 也比不加钢渣的高。h i s h a mqh l 】等人研究发现，将钢渣代替黄沙用于道路建设既可 以节约矿产资源也起到了保护环境和节约成本的作用。 国内外关于利用钢渣生产水泥的研究比较多也比较早，钢渣中含有与硅酸盐水泥 熟料相似的硅酸三钙和硅酸二钙等成分，高碱度转炉钢渣中两者的含量在5 0 以上， 中、低碱度的钢渣中主要是硅酸二钙( c 2 s ) ，钢渣的生成温度一般在1 5 6 0 以上，而 硅酸盐水泥熟料的烧成温度在1 4 0 0 左右。钢渣的生成温度高，晶粒较大，结晶致密， 水化速度缓慢，因此可以将钢渣称为过烧硅酸盐水泥熟料。以钢渣为主要成分，加入 一定量的其他掺和料和适量激发剂，经磨细而制成的水硬性胶凝材料，称为钢渣水泥。 为了提高钢渣水泥的强度，有时还可加入一定量硅酸盐水泥熟料。莱阳钢铁在这方面 的研究较好，当钢渣矿渣水泥中掺入4 0 的钢渣，3 4 的水渣，2 0 的熟料和6 的激 发剂时，所得到的水泥的各种性能均能达至u 4 2 5 号水泥的国家标准要求。 希腊科学家t s a k i r i d i spe 等【1 2 】用钢渣做生料生产高强度水泥。m o i l s l l i a 【1 3 】研究利 用钢渣作为生料生产水泥，也得到比较好的产品。他们将钢渣与其他的原料混合经过 1 3 5 0 煅烧1 h ，然后加入3 的石膏，碾磨到3 3 0 0 c i i l 2 g ，生产的水泥能够达至u a s t m c 1 5 0 8 6 标准中i 型水泥的要求。但是钢渣的胶凝性能一般需要一定的激发才能发挥 出来，s l l icj 【1 4 】针对钢渣胶凝性能的激发进行了研究，研究发现在碱性激发剂的激 发下，钢渣的胶凝性能能够发挥出来。 但是无论是用作生料还是用作熟料，如果其中的f - c a o 或者m g o 的含量较高，将 4 硕士论文 钢渣的处理与综合应用研究 会严重影响其后期强度性能，为了提高产品的性能必须在f - c a o 和的含量上进行严格 的控制，或者进行必要的处理。土耳其学者a l t u nia 针对m g o 含量较高的钢渣【1 5 】用于 生产水泥进行了研究，表明生产的水泥的物理学性能和力学性能都能满足相关标准的 要求。 而在其他建材方面国内外进行的研究也比较多，s h iph 【1 6 】的研究表明，加入钢 渣可以降低砖的煅烧温度，所制砖的抗压性能满足c n s 3 3 1 9 建筑用普通砖的要求。 m e d h a ts t l 7 1 将钢渣、高岭土和花岗岩等混合制取耐酸浸砖，研究表明含钢渣3 0 的砖 能够满足e s s4 1 1 9 8 6 标准的要求。 1 3 4 用作废水处理吸附剂 在水处理方面钢渣主要是被用作吸附剂，因为钢渣疏松多孔，比表面大，具有一 定的吸附能力，并且钢渣的密度大，在水中的沉降速度快，易于固液分离，可以用作 吸附材料用于工业废水处理。刘盛余对钢渣吸附剂的吸附机理进行了研究，通过研究 证明钢渣表面带负电荷，对阳离子的吸附效果比较好。其吸附模式属于离子交换，吸 附作用主要是静电作用。钢渣对重金属离子进行选择性吸附，其选择性能与离子的电 价、电性、离子半径和水化热等因素有关【i 引，为钢渣作为吸附剂的利用提供了理论上 的指导。 2 0 世纪9 0 年代中期，国外的一些学者分别研究了钢渣吸附剂对废水中镍、磷酸根、 铵根离子等【1 9 】的吸附性能，已经有钢渣作为吸附剂去除废水中硝酸盐和磷酸盐以及钢 渣处理废水中铜离子、镍离子、铬离子、铅离子等的案例。国内也曾有钢渣对铜、铅、 铬、锌、砷等【2 0 。2 4 堙! 金属离子和有机物吸附特础2 5 】以及钢渣改性吸附性能的报道。 k a n ghj 2 6 】研究了钢渣对废水中铅离子的吸附作用以及影响因素。得到吸附能力 与温度，p h 值以及离子强度的关系。吸附能力随p h 值的升高而下降，随温度的升高 而升高。吸附的离子可以在一些物质的作用下解吸，比如e d t a ，这样钢渣可以被循 环利用节省原料。 王士龙【2 。7 】等人研究了钢渣对镍的去除作用，他们将浓度为2 0 0m g l 的含镍试液 1 0 0m l 置于2 5 0m l 锥形瓶中，加入o 3 9 钢渣，在振荡器上振荡4 0m i n ，稍放置，过滤， 然后测定滤液的p h 值和残余镍含量，按下式计算镍去除率： 去除率= ( c c 1 ) c * 1 0 0 $ ( 1 1 ) 式中：c 含镍试液浓度，m g l ； c i 处理后含镍试液浓度，m g l 。 他们分别就钢渣的用量、酸度、反应温度、接触时间、钢渣的细度以及镍的浓度 等因素进行了实验研究。得出钢渣对镍具有良好的吸附效果，对浓度在3 0 0 m g l 以内 的含镍试液，按照镍与钢渣重量比为1 1 1 5 投加钢渣进行处理，去除率达到9 9 以上， 5 1 引言硕士论文 可以达到排放标准。对酸度适应范围较宽，可直接处理p h 值大于3 的含镍废水。并且 对吸附机理进行了研究，认为钢渣具有一定的碱性和吸附能力，对废水中的镍既有化 学沉淀作用，又具有吸附作用。通过实验表明，对于0 3 搠渣用1 0 0 m l 蒸馏水振荡2 h 后的滤液，用0 11 0 0 m o l l 的h c i 标准溶液滴至酚酞终点消耗2 2 5 m l ，a p o 3 9 钢渣提供 了0 2 4 7 6 m m o l 的强碱碱度，使得镍离子可部分形成氢氧化镍沉淀。 但是至今为止，钢渣作为废水处理吸附剂的工业化开发与应用尚未进行。钢渣用 作吸附剂的核心问题是如何处理好钢渣的造粒问题。钢渣直接冷却后，块度极不均匀， 最大块度能达l m 以上，而且钢渣中由于含有少量的铁导致其脆性下降，韧性增强， 因此利用常规破碎技术，破碎后粒度不均匀，有不少会过磨，粒度难于控制，很难生 产出疏松多孔的钢渣产品，而且粉磨会破坏原有的孔隙结构，从而导致吸附效果下降。 钢渣在炼钢过程中处于熔融状态( 液态) ，具有液体的一些性质，有流动性，液体分子 间引力较小，此时容易切割，可无限分割，遇水急剧冷却凝固，如果处理方法适当， 在熔融状态下的粒化处理会比固态下容易得多。另外钢渣在液态下更容易控制粒度， 产品颗粒大小适宜，粒度均匀。再次，如果向液态熔液中添加改性剂和孔隙强化剂， 因液体具有流动性，混合比较均匀。因此，利用钢渣作吸附剂的开发关键在于如何能 在液态下对其进行直接造粒处理。 1 3 5 钢渣在农业方面的应用 钢渣中的钙、磷、硅等元素在冶炼过程中经过高温锻烧，其溶解度增大，容易被 植物吸收，所以可将钢渣用作具速效又有后劲的复合矿质肥料。目前，我国用钢渣生 产的磷肥品种有钙镁磷肥和钢渣磷肥。在我国关于钢渣用作农肥的报道有很多【2 8 弓。 李军等人分别研究了钢渣对水稻土p h 值，水溶态硅的动态，土壤和水稻植株中铁、 硅、锰的影响，水稻土硅素肥力以及水稻产量的影响。由于钢渣具有一定的碱性，施 用钢渣能使土壤p h 升高，土壤中水溶态硅和无定形硅的含量下降，而活性硅及有效 硅的含量上升，水稻植株含硅量增加，它们均随钢渣用量增加、粒度变细而增高。施 用钢渣降低了土壤中水溶态硅，d t p a f e ，d t p a m n 的含量，其变化随钢渣用量的 增加更为显著。但在钢渣用量一定时，却以中等粒度( 6 0 目) 处理降低程度最大。施用 钢渣还可以提高水稻植株体内硅的含量，降低水稻植株体内铁和锰的含量，其效果随 钢渣用量增加、粒度变细而更为显著。 1 3 6 钢渣在大气处理方面的应用 煤炭燃烧产生的尾气中，含s 0 2 、n o 。等多种大气污染物。燃煤所造成的大气污 染已成为制约我国国民经济和社会可持续发展的一个重要影响因素。利用廉价的工业 废渣脱硫，具有变废为宝，以废治废的优点。该法取材方便，不仅可以降低吸附脱硫 6 硕士论文钢渣的处理与综合应用研究 成本，而且还有明显的社会效益和环境效益。钢渣的碱性符合处理大气的要求，钢渣 中的碱性氧化物与废气中的酸性气体s 0 2 反应，从而达到净化气体的目的，所以该过 程不是简单的吸附过程而是化学反应过程。其处理效果与反应条件有关。付翠彦 3 2 - 3 4 l 等人研究了不同配比钢渣脱硫剂脱硫性能。证明钢渣能起到脱硫作用，若考虑经济成 本以及对粉煤灰的利用，在粉煤灰资源较多而钢渣资源较少的情况下，采用加粉煤 灰：钢渣为3 ：5 的配比效果也较好。 刘建忠【3 5 】等人的研究认为，钢渣属于钙基废弃物，并且钢渣中还含有碱性金属， 经过适当的配比，在一定的条件下，具有催化脱硫作用。经试验和初步应用表明脱硫 率可达到5 0 左右。而在湿法脱硫方面钢渣也被应用，将钢渣投入水中，水溶液显碱 性，含s 0 2 的气体显酸性，可以通过化学反应去除尾气中的酸性气体。在这方面于同 川【3 6 】、丁希楼【3 7 】等人做了详细的研究。讨论了吸收浆液的p h 值、液气体积比、浆液 浓度、气体中s 0 2 的进口体积分数等主要操作参数对脱硫率的影响。实验结果表明， 进口气体温度为2 0 。c ，钢渣浆液质量分数为2 ，液气体积比大于4 8 5 的情况下，脱硫 率可达到8 5 以上，钢渣中的m g o 、f e 2 0 3 对脱硫效果具有一定的促进作用。 1 3 7 利用钢渣生产化工产品 轻质c a c 0 3 是一种很重要的无机化工原料，可以广泛应用于制药、化妆品、塑料、 纸张、冶金等行业的生产中。传统轻质c a c 0 3 的生产方法为煅烧石灰石，然而煅烧石 灰石会释放出大量的温室气体c 0 2 ，还会浪费大量的煤炭资源。钢渣富含c a 、m g ，颗 粒较小，具有较高的反应活性和较快的反应速率【3 引，利用钢渣固定c 0 2 ，同时生产轻 质c a c 0 3 的研究国外进行的比较多，普遍认为钢渣能够固定的c 0 2 更岁”】。t e i rs 1 4 0 1 等和e l o n e v as 【4 l 】等通过实验证明，以醋酸为介质提取出钢渣中的钙离子，然后固定 气体c 0 2 生产轻质c a c 0 3 。l a c k n e rks 4 2 通过计算得到，c 0 2 的矿物碳酸化过程的反 应焓是负值，为放热反应，并且反应的g i b b s 自由能也是负值，这就说明c 0 2 与钙镁硅 酸盐之间的反应在常温常压下是可以进行的。适当提高反应温度可以提高反应速率但 是不可过高。利用这种方法可以处理大量的钢渣生产轻质c a c 0 3 ，不但不会放出c 0 2 而且还会固定大气中的c 0 2 ，并且节约能源和矿石资源，具有显著的经济效益和社会 效益。但是本工艺消耗了大量的醋酸和氢氧化钠，使其成本过高，同时生产的轻质 c a c 0 3 的纯度不够高，要想推广应用，还有大量的工作要做。 1 4 钢渣资源化利用面临许多难题 钢渣是一种“放错了地方的资源。钢渣的综合利用无论是对钢铁厂本身，还是 对国家、社会都具有十分重要的意义。尽管国内外做了大量的研究，但是还有一些问 7 1 引言硕士论文 题未能解决，主要问题是：返回冶金利用时利用量非常有限，并且对渣中p 、s 等元素 的含量也有严格限制，同时钢渣成份波动大，给生产控制带来一定困难；经过处理的 钢渣在道路建设中作为路面垫层使用，但由于f - c a o 、m g o 的含量过高，常常发生体 积膨胀，导致路面破坏；经过处理的钢渣在农业生产中用作农用肥料成本过高；在水 泥行业中作为水泥熟料利用量很小，而钢渣作为水泥混合材和混凝土掺合料使用存在 3 个主要性质缺陷：较低的水硬活性，过高的f - c a o 含量和过高的铁氧化物含量( 2 0 4 0 ) 。用作水泥混合材，钢渣本身活性不高同时又会影响水泥的稳定性等。在钢渣 的推广应用过程中，有不少用户对钢渣有一种恐惧的心理。钢渣的规模化应用还有赖 于钢渣的处理技术的发展，我们还要进一步加大钢渣处理技术方面的投入，同时借鉴 国外的技术成果比如德国【4 3 】和欧洲的部分国家，使我国的钢渣利用有更大的进步。 因此，要彻底解决钢渣污染，实现钢渣完全循环再利用的问题，还有很多课题要 研究，有许多问题要解决。随着科学技术的发展和社会的进步，钢渣将有更广阔的发 展和应用前景。根据我国现阶段的基本国情和目前钢渣的利用情况，应加强以下几个 方面的研究：( 1 ) 加强钢渣处理应用技术的研究。由于钢渣品位低，作烧结熔剂时增加 钢渣的用量必然会降低烧结矿的品位，影响炼铁生产。因此，应对钢渣处理技术进行 研究开发，提高钢渣的品位，充分利用钢渣中钙、铁、锰、镁等有益成分，推广钢渣 作冶炼( 高炉，烧结，炼钢) 熔剂的应用技术；( 2 ) 加强对不同地区钢渣的性质进行深 入了解，弄清各地区钢渣的特性，为钢渣的开发应用提供理论依据；( 3 ) 开展钢渣作 筑路、回填材料和河堤等地方的研究及推广应用工作。钢渣作基层材料，道路垫层， 其抗渗性和强度均优于天然石材；钢渣作回填材料，可节约天然石材的使用量，值得 大力推广；( 4 ) 要积极寻找和改进特殊的磨粉工艺和设备，提高钢渣的粉磨性能。 1 5 本课题的研究目的 钢渣作为工业废渣占用大量土地资源，对水和大气环境造成严重污染。对钢渣进 行回收利用可以保护环境，保护人类自身的健康以及有效利用自然资源。本课题的研 究内容是通过实验寻找能合理利用钢渣的工艺。根据目前的条件本论文研究了以下内 容： 1 在进行实验之前，必须知道钢渣的各种性质，比如物理性质，化学性质，矿 物成分等，钢渣的化学成分由厂家提供，同时我们利用实验室的条件测得其 矿物学成分。 2 由相关的测试可知，钢渣具有水化胶凝性能，所以设计试验利用钢渣制备矿 渣水泥，并按照相关的国家标准进行相关性能的测试，通过分析各个数据可 知，其各项指数都和国家的相关标准相差很大，所以利用钢渣制备水泥的方 硕士论文钢渣的处理与综合应用研究 法不可行。必须需找其他的处理办法。 3 钢渣的主要成分是制备无机絮凝剂的原料，所以可以利用钢渣制备絮凝剂， 但是在制备之前必须将其中的有效成分溶出，所以设计实验浸取其中的铁、 铝等元素。通过实验找到最佳浸出条件，使铁、铝的浸出率达到最高。 4 ，通过浸取钢渣可以得到铁和铝，利用工业水玻璃通过调节p h 值，可以得到一 定聚合度的聚硅酸，在一定条件下与浸取的铁、铝聚合，可以得到聚硅酸氯 化铝铁，通过实验找到最佳聚合条件，使絮凝剂的絮凝效果达到最优。 5 本论文也研究了絮凝剂在废水处理中的应用。通过实验分别考察絮凝剂的用 量以及溶液的p h 值对废水的浊度和c o d 去除率的影响，通过实验发找到最佳 使用条件。 9 2 钢渣的表征硕士论文 2 钢渣的表征 2 1 引言 进入二十一世纪，环境保护观念深入人心，保护环境成为每个人都关心的话题。 作为工业生产的大型企业，不仅生产着关系国计民生的产品，而且也是污染物重要的 排放源，所以每个企业都应该加大环保的投入，加快污染物的处理与应用研究。钢铁 企业每年都排放大量的废物，钢渣就是其中的一部分。受湖南某钢厂的委托，本课题 主要寻找钢渣的综合利用方法，在利用钢渣之前，一定要对它的各种性质进行表征。 尤其是化学成分和矿物成分，因为知道这两项参数，基本上就可以知道钢渣的化学性 质。这是寻找合理利用钢渣途径的前提。 2 2 实验 2 2 1 实验分析原理 1 x r d 分析原理 x 射线衍射仪可以记录多晶衍射角和衍射强度数据。在同等条件下获得的数据就 有很好的可比性，因此由该方法测得的晶粒尺寸可靠性较高。 晶体通过其中的原子对x 射线发生散射，产生衍射现象，这种衍射现象符合布 拉格方程， a = 2 d 盯s i n0( 2 1 ) 布拉格反射只有当满足了布拉格衍射角时出现，并产生一个锐峰。实际的晶体中， 微观应力和晶粒细化等都会引起衍射峰线的宽化，因此在无微观应力的晶体中，通过 衍射线条增宽，可以用s c h e r r e r 公式( 2 2 ) 判断微晶尺寸大小。 0 8 9 五 l o d h k l = 式中： f l ( 2 e ) c o s 0 ( 2 2 ) d h “一对应于( 1 1 l ( 1 ) 晶面的晶粒直径，i l i i l ； 0 入射光与某一组晶面所成的折射角； p 半峰值强度处所测量得到的衍射线条的宽化度，r a d ； 九单色x 射线波长，n m 。 硕士论文 钢渣的处理与综合应用研究 2 s e m 分析原理 扫描电子显微镜( s e m ) 是一种观察表面微观形貌的全能分析显微镜。从电子枪阴 极发出的直径2 0 n m - - - 3 0 n m 的电子束，受到阴阳极之间加速电压的作用，射向镜筒， 经过聚光镜及物镜的会聚作用，缩小成直径约几毫微米的电子探针。在物镜上部的扫 描线圈的作用下，电子探针在样品表面作光栅状扫描并且激发出多种电子信号。这些 电子信号被相应的检测器检测，经过放大、转换，变成电压信号，最后被送到显像管 的栅极上并且调制显像管的亮度。显像管中的电子束在荧光屏上也作光栅状扫描，并