钢渣资源化综合利用处理工艺的现状与发展趋势分析

钢渣资源化综合利用处理工艺的现状与发展趋势分析

钢渣是炼钢过程产生的大宗工业固体废物，根据目前国内

外炼钢水平，其产量约为粗钢产量的10%〜15%。在我国，2016

年全国粗钢产量超过8亿t,钢渣产生量约为9000万t,钢

渣累积总量近10亿吨，但其综合利用率仅为22%,这与工信

部早在“十二五”规划中就要求达到75%的综合利用指标，与

部分发达国家在95%以上的综合利用率而基本排用平衡更是相

去甚远。

尽管研究人员已经开发出了近40种有关钢渣综合利用的

方法，但到目前尚未找到大规模资源化利用钢渣的有效途径，在

国内还是以回收废钢、磁选铁精粉以用作熔剂等钢厂内部循环利

用为主，使用量有限，目前约有70%的钢渣处于堆存和填埋状

态。堆存或填埋的钢渣不仅浪费了资源，占用有限的土地，还会

引起土壤、表层水和地下水污染等诸多环境问题，因此钢渣的开

发利用十分迫切。

另外，于2018年1月1日起施行的《中华人民共和国

环境保护税法》明确规定，钢渣属于固体废物税目，税额为25元

/吨，对露天堆存的钢渣雨季所造成的钢渣渗滤液每吨征收300

元的环保税，未来钢渣处置将成为下一步工业固废处置的重点关

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注方向。

1钢渣资源化利用背景

1.1钢渣的资源化利用途径

钢渣的资源属性即组成成分决定了其可能的用途。钢渣的

主要成分为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、钙镁橄榄

石、钙镁蔷薇辉石、铁酸二钙、R0相（铁、镁、锦的氧化物）、

游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）等，同时还含有

10%左右的废钢资源。钢渣中含有CaO、Fe、MnO、MgO、Fe203等

成分，可以作为钢铁烧结原料组成，如少量的铁酸钙能够改善

烧结矿强度，镁、钙组成以固溶体形式存在，能够代替部分菱

镁石、白云石、石灰石等熔剂。

钢渣中含有10%左右的金属铁组成，经过破碎筛分磁选等

处理后，可以分选出不同粒级的渣钢和磁选粉，渣钢可以返回

炼钢利用，磁选粉返回烧结利用。

钢渣中含有硅酸二钙和硅酸三钙组成，和硅酸盐水泥熟料

有着相似的相同，可以作为生产水泥的原料，也可以应用于混

凝土掺合料、干混砂浆等建材中。

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钢渣中的主要组成CaO、A1203、Si02和MgO等与传统

的建筑瓷砖原料如黏土、石英和长石等天然矿物相似，可以作

为陶瓷制备的原料。钢渣中含有Si02和CaO,是微晶玻

璃CaO-A12O3-SiO2体系的主要组成部分，可以作为钢渣微晶

玻璃制备的原料。

钢渣碎石的颗粒形状、硬度和耐磨性比较适合道路材料的

要求，因此可以用于道路的基层、面层及垫层，还可以用作工程

回填用材料。

钢渣含有大量的碱性氧化物而如CaO等组成，因而可通

过化学反应作用来处理废水中的污染物，以及脱除烟气中S02

等酸性气体污染物。

钢渣中含有较高的Si、Mn、P及各种微量元素，可提供

农作物生长所需的营养元素，同时钢渣中富含的CaO还能缓慢

中和及改良土壤，因此可以做农田肥料使用。

1.2钢渣的物理化学特性

我国钢铁冶炼流程目前仍以长流程转炉炼钢方式为主，占

比90%左右，因此提高钢渣利用率主要关注转炉钢渣的处置利

用。结合国外钢渣处置发展的经验和我国的国情，建材化利用是

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规模化消纳钢渣的主要途径。然而，建材化利用面临着以下问

题：

1）钢渣的稳定性不良。现代炼钢过程中为脱硫、脱磷常

加入石灰和白云石等高钙、高镁材料做造渣剂，提高钢渣粘度

进行溅渣护炉，保护耐火砖不受侵蚀，提高转炉炉龄。钢渣中

的氧化钙、氧化镁不能和二氧化硅等酸性氧化物充分反应，而

形成游离氧化钙［f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）,钢渣中的

f-CaO和f-MgO遇水发生水化反应生成Ca（OH）2

和Mg（OH）2,体积膨胀，造成钢渣稳定性不良。另外，钢渣中

的C2S在钢渣冷却过程中，其晶型由B型向丫型转变使

体积增大，也造成了钢渣的体积膨胀。若应用于道路、建材等

行业，会出现膨胀开裂现象。

2）钢渣中金属铁含量高。金属铁的存在，造成磨矿速度

和能耗的增加，对颗粒均匀性造成不利影响，另外，在使用过

程中也较容易出现铁锈现象，以上限制了尾渣的建材化利用；

3）钢渣组成波动性高。受炼钢工艺、钢种特点、造渣制

度等因素影响，钢渣的成分复杂、波动性大，尤其是钢渣中

f-CaO含量各个批次会存在较大差异，增大了其使用难度。

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4）钢渣处置能耗较高。钢渣密度高于较砂石骨料，为3.

5t/m3左右，是普通建材的1.2-1.4倍，导致钢渣在

运输和使用时的能耗要增加10%左右。

上述问题中，最关键的影响因素是钢渣的稳定性和金属铁

的回收问题。钢渣应用技术要求（GB/T32546—2016）中明确

提到：胶凝材料和骨料（集料）用钢渣在使用前应经稳定化和

除铁处理，其金属铁含量应不大于2.0%（用于抹灰砂浆时其

金属铁含量应不大于1.0%）,且体积稳定性合格。

为达到上述目的，通常采用两次处理法处理钢渣：第一步

为稳定化处理，使钢渣实现稳定化，第二步为筛分及金属回收

处理，是钢渣破碎分级和金属铁回收。

2钢渣的处理工艺

2.1钢渣的一次处理工艺

钢渣的稳定化处理是把热态或熔融态钢渣处理经各种冷

却工艺处理成常温块渣，以有利于钢渣的后续处理。目前国内

外钢渣一次处理主要工艺有：热泼法、风淬法、滚筒法、粒化

轮法、热闷法等，其中热泼法、滚筒法、热闷法最为常用。表1

综合比较了各种工艺的特点。

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冶金信息标准研究院曾统计过国内129家大中型钢企钢

渣一次处理数据，采用热闷法的最多，有59家，占比45.7%;

其次为采用热泼法的改进处理工艺“热泼闷渣法”，有51家,

占比39.5%;第三是宝钢的滚筒法，有10家，占比7.8%0

选择钢渣一次处理的工艺需要从钢渣的特性以及终端利

用方式（组成、粒度要求等）、工艺节能环保参数、投资和运

营成本等方面来综合考虑；例如，如果钢渣的流动性差，则不能

使用滚筒法、风淬法、水淬法和粒化轮法，而盘泼法、热泼法

和热闷法可以适用；如果从节能环保方面考虑，滚筒法和热闷

法较为适宜。

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表1钢渣一次处理工艺对比⑶

序号方式工艺特点和过程优点缺点小例

1热闷法利用高温熔融钢流的自身3.热.工/掾作比较简单.能够处理粒度不够均匀,处理周期长.鞍钢

遇水后产生的温度应力和源国辄较高碱度的钢港•渣快分离效后续破碎加匚成较大・首钢

化区的水解作用使钢造破裳.果好.钢渣活性较高.安定性较涟钢

好.能处理固态渣・宝钢

邢纲

2水淬法使高温培融态钢济级慢流出•下推渣快.旅程筒单.占地少.投熔清水淬时操作不当容易发美国侑利恒钢佚公，1

落时被高压水进行切割、击碎.并责成本较少,处理后的铜清粒土爆炸•钠清颗粒粒度均匀

且高温熔潸遇水会急冷收缩形成度较小,性能榜定.性比较差,只能处理液为渣・

应力集中而破碎,再同时进行r

热交换,使熔渣在水伸中发生粒

化作用.

3热泼法在铜渣超过可粹温度时.用大及排渣速度快.冷却时间短.布利生产设备损耗较大.占地面唐钢

的水向钢渣进行喷湎.所形成的于机械化生产.处理能力大.积大,破碎邮r粉尘贷大.蒸武纲二炼钢

温度应力使用流破碎,游高我化钢渣活性较高.生产率高汽也较大,用环境和节能两

钙的水化也会使钢酒进一步破方面都不利・渣加工成大.

裂.钢渣的安定性较差.

4盆泼法将热态熔融钢湎倒人渣罐中.运快速冷却.占地少.处理出大.清盘坊产生变形.r艺红杂.新H帙

输到液盘边.再用吊车把罐中的粉尘少.钢渣活性较好.钢渣安定性很差,投贲制运宝钢

钢渣匀速倒人渣盘内.待表面我行费用大.

周后喷淋大量的水急冷,再帔髭

至渣车过程中喷水送行冷却.最

后倒入水池中再冷却，

5粒化轮法把熔融态钢渣倒人在高速旋转的排液速度快.适用于流动性好设备磨损大.处理「.作at大.沙钢

转化转轮上•使培连破筏造化.喷的渣.加高炉迹•水贷小时容易产生爆蚱.处

大届水冷却.理率较低.粒度均匀性较差

（＞9.5mm高达29%）

6滚筒法高汨液态钢渣在旋抖的滚简内.擂渣快•占地面积小,污染少.粒度大,不均匀（＞9.5mm的宝钢二炼钢

以水做冷却介质.急冷固化、破渣粒性能稳定.达18%）活性差.设备投资韩国浦项

碎・大.只能处理液态渣・印度JSW

台湾中龙

巴西CSP

7风淬法用乐堀空气做冷却介质,使液态安全高效.推流快.工艺成熟,只能处理液态渣H本用管公司福山厂

钢渣急冷、改质、粒化，占地面根小.污染小•渣粒性能台湾中纲集团

稳定.粒度均匀且光滑（＜

5mm）.投资少。

8转碟法安全性好.操作蓟单.粒化效果投优成本高,只能处理液态

好.隹定性好.硬性矿物活性法.

好.

2.2钢渣的二次处理工艺

钢渣经一次处理后需要再进行二次处理，其主要

目的是使钢渣进一步达到合适粒度并回收其中铁资源°目前回

收尾渣中金属铁及氧化物的方法主要包含三种：磁选、还原和

氧化。磁选法应用较为广泛，还原法是利用高温下无机碳的还

原作用将钢渣中氧化亚铁还原成单质铁，但整个过程需要较高

温度，同时会产生温室气体，氧化法是将钢渣内部的非磁性FeO

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转化成磁性Fe304的工艺，仅是新的研究方向，暂时无法工业

化应用。另外，也有钢渣重选和浮选的技术，但应用较少。

钢渣磁选生产线的产品主要是渣钢和磁选粉，前

者返回炼钢利用，后者返回烧结利用，渣钢又分为大块渣钢及

粒钢。渣钢和磁选粉的粒级和品位是因不同钢厂的回用冶炼要

求而定，一般需要尽可能的保证渣钢和磁选粉的高品位。目前

国内钢铁企业一般要求返回炼钢的渣钢TFe大于80%,返回烧

结的磁选粉TFe大于40%。对于粒度，一般要求渣钢粒度大于

30mm、颗粒钢粒度5~30mm＞精矿粉粒度不大于8mm,尾

渣粒度小于10mnio尾渣也可进一步深加工，如生产钢渣粉

等。

钢渣磁选二次处理工艺主要包括渣钢铁回收工

艺、渣钢提纯工艺以及铁精粉提纯工艺等。风淬法、水淬法、粒

化轮法和滚筒法处理后的钢渣，由于粒度不大，一般经脱水后

直接磁选回收其中渣钢，不再进一步破碎或只做简单破碎；热

闷法和热泼法处理后的钢渣，由于粒度较大，需进行多级破碎、

筛分和磁选。早期钢渣二次处理工艺主要为简单的破碎和筛分，

目前大多升级为多级破碎、多级筛分和多级磁选，例如梅钢升

级为3破7选5筛分，太钢为2破6选3筛分等。破碎、

筛分及磁选多根据一次钢渣处理的情况来进行灵活调整。

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钢渣处理工艺经还常设置磨制环节，这是因为钢

渣中的渣钢分离比较困难，尤其对于细粒钢渣，包裹有微细粒

的金属铁或与金属铁连生的浮氏体及具有一定磁性的铁酸盐易

进入磁性分离物中，导致磁性分离物中铁品位降低，增加磨制

环节将可以进一步高效回收利用细颗粒钢渣中的金属铁。例如,

单纯采用破碎机，即使把钢渣破碎到5mm粒径以下，也很难

实现渣钢有效分离，且选出的精矿粉品位一般低于45%。若在

工艺中加入磨制工序，如自磨、棒磨或球磨，在相同粒径条件

下，通过合理的磁选过程，基本可以获得TFe80%以上的粒钢、

品位55%以上的精矿粉金属铁质量分数小于K的尾渣。国内外

常见的典型钢渣二次处理工艺流程见图1〜图3。

图1冶建院算式破碎+棒磨流程【闱

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式破碎机和双辐破碎机等，磁选机包括跨带式磁选机和电磁铁

式磁选机，筛分设备包括格栅、单图2济钢颗式破碎+锥式破

碎流程层及双层振动筛等。

其中几个关键设备如下：

1）破碎机。一般选用液压颗式破碎机作为一级破

碎设备，早在20世纪80年代我国引进了德国KHD公司的成

套设备，其核心设备就包括带有液压保护的颗式破碎机，应用

于鞍钢和首钢。目前，其国产化设备已经应用成熟，有二十多

年的应用历史，完全可以取代国外进口设备。此种破碎机的选

型需要考虑物料的最大给料粒度、给料量和排料粒度等指标综

合考虑。如果采用两级颗式破碎机，一般一级进料口尺寸用400

mmX600mm,二级用250mmX400mm。

与颗式破碎机相比，圆锥破碎机也具有破碎效率

高、处理量大、损耗低、维护简便的特点，不同的是圆锥破碎

机一般用于中破或细破，破碎比较大，出料粒度更加均匀。圆

锥破碎机选型时应注意是否采用了液压调整排料口以及设置自

动保护系统，以预防一旦有大块铁件等不可破碎物进入破碎腔

时可自动调节动锥将其排出。

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2）磁选机。磁选设备有电磁自卸式除铁器、磁滚

筒、单幅双辐磁选机及带磁机等。其中，带磁机的磁场强度、带

速、悬的高度及角度可方便调整，以适应不同的粒径、品位及

含水率的钢渣，因此成为钢渣二次处理的核心磁选设备，其国

产化也较为成熟。

3）棒磨机。棒磨机可以破碎剥离钢渣，在磨矿过

程中具有一定的选择性磨碎作用，产品粒度均匀，过粉碎矿粒

少，即可用于渣钢的提纯，也可用于钢渣的破碎。用于钢渣破

碎时可将10mm~80mm的钢渣破碎至10mm以下；用于渣

钢提纯时可将粒级为10mm〜80mm.TFe为50〜60%的渣

钢的提纯至TFe大于90%o

综上，钢渣经过一次和二次处理，最后可以得到的

尾渣其粒度一般小于10mm,金属铁含量在2%以下。若要制备

钢渣微粉（比表面积至少为400nl2/kg）,后续还需要经过粉磨,

目前，国内外应用较多的粉磨设备主要有管磨机、立磨、卧转

磨和挤压磨等，高效节能的粉磨设备是国内外设备厂家研究开

发的重点。

3钢渣的显热利用

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钢渣中不仅含有多种有益的矿物组分，而且含有大

量显热资源。熔融钢渣的比热容约为1.2kJ/(kg­℃),如

果回收热量前后熔渣的温度分别以1400℃和400℃计，则每

吨钢渣可回收1.2GJ的显热，大约相当于41kg标煤热量。

假如国内钢渣显热能够加以回收利用，每年可节省370万t

标准煤。当前主流的钢渣处理工艺使钢渣显热几乎未利用，未

来钢渣的利用不仅要考虑钢渣组成的资源化，也应当考虑钢渣

显热的资源化利用。

钢渣的热能回收方法分为物理回收方法和化学回

收方法。目前，钢渣热能物理回收方法有机械破碎法、风淬法、

离心式回收方法。钢渣热能化学回收方式分为两种，一种是制

氢法，一种是煤气化法。将钢渣的热量作为化学反应的热源进

行热能回收，虽然国内外学者也都在此方面进行了相关研究，

但以何种反应才能实现最佳热能回收的论述比较少。目前国内

许多大型钢铁企业也在摸索和研发多种钢渣热能回收的工艺。

20世纪90年代宝山钢铁公司从