冶金工业钢铁渣在城市建设中的应用

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  摘 要:钢铁渣是冶金工业生产的主要固体废弃物,在实现企业内循环的基础上,开发钢铁渣在城市建设中的综合利用技术对于防止环境污染和促进冶金工业的长期可持续发展有十分重要的意义。本文详细论述了钢铁渣在城市建设上的资源化再利用技术及产品。
  关键词:钢铁渣;城市建设;高附加值应用
  Abstract: Iron and steel slag is the main solid waste metallurgical industrial production, basic cycle in the implementation of the enterprise, the development of iron and steel slag in construction of city comprehensive utilization technology for the prevention of environmental pollution and promote the long-term sustainable development of metallurgical industry has very important significance. This paper discusses in detail the resources of iron and steel slag in the city building reuse technology and products.
  Keywords: Iron and steel slag; city construction; high value-added application
  
  中图分类号: F407.3 文献标识码:A
   中国,作为世界钢铁生产大国,粗钢产量连续16年居世界第一。进入21世纪以来,国内钢铁产业快速发展,粗钢产量以年均2位数增长。2012年,国内粗钢产量达到7.165亿吨,占全球总产量的46.3%。随着钢产量的大幅增长,中国钢铁工业的发展越来越受到资源短缺和环保要求逐渐严格的制约。钢铁工业要实现可持续发展,必须走发展低碳经济、循环经济的道路。而作为冶金工业的主要固体废弃物—钢铁渣,在钢铁冶炼生产过程中的产生量最大,其中高炉渣产生量为生铁产量的25%~50%,钢渣产生量为钢产量的12%~20%,如何提高钢铁渣的有效利用率,是发展循环经济、建设节约型社会和环境友好型社会应着重解决的一个现实问题。而随着钢铁渣处理工艺的不断创新,综合利用途径不断增多,利用规模不断扩大,技术水平逐步提高,钢铁渣在城市建设中得以越来越广泛地应用,为冶金工业固废在非工业领域的高附加值应用开辟了新天地。
  钢铁渣的组成及应用概述
  钢铁渣主要包含高炉矿渣和钢渣。高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出来的固体废物,钢渣是炼钢过程中产生的高温熔渣。
  钢铁渣按照物质性质可以分为两部分:金属物及非金属物。目前,钢铁渣的利用途径大致可分为内循环和外循环, 内循环是指钢铁渣的金属物部分在钢铁企业内部循环利用,作为烧结矿的原料或炼钢的返回料。钢铁渣的外循环主要指钢铁渣中的非金属物部分用于冶金行业以外的其他领域。(详见表1 钢铁渣主要利用途径)
  表1 钢铁渣主要利用途径
  
  
  2. 在城市建设中的应用
  在城市建设中,钢铁渣已经广泛地应用到很多领域,其中主要涉及建筑工程、市政工程,既包括道路、桥梁、铁路、机场等基础设施建设,也包括高楼、大厦、场馆等民用设施建设,甚至还包括绿化场地、污水处理厂等功能性设施建设。
  2.1 在建筑工程中的应用
  2.1.1 高炉渣
  (1)生产矿渣水泥。矿渣具有潜在的水硬胶凝性能,在水泥熟料、石灰、石膏等激发剂作用下,可显示出水硬胶凝性能,是优质的水泥原料。矿渣既可以作为水泥混合料使用,也可以制成无熟料水泥。
  ①矿渣硅酸盐水泥,是用硅酸盐水泥熟料与矿渣再加入3%~5%的石膏混合磨細,或者分别磨后再加以混合均匀而制成的。矿渣硅酸盐水泥简称为矿渣水泥。在磨制矿渣水泥时,高炉矿渣的掺入量对水泥的抗压强度影响不大,而对抗拉强度的影响更小,所以其掺入量可以加入到占水泥重量的20%~85%。这样,对提高水泥质量,降低水泥生产成本是十分有利的。
  ②石膏矿渣水泥,是将干燥的矿渣和石膏、硅酸盐水泥熟料或石灰按照一定的比例混合磨细或者分别磨细后再混合均匀所得到的一种水硬性胶凝材料。在配制石膏矿渣水泥时,高炉矿渣是主要的原料,一般配入量可高达80%左右。这种石膏矿渣水泥成本较低,具有较好的抗硫酸盐侵蚀和抗渗透性,适用于混凝土的水工建筑物和各种预制砌块。
  ③石灰矿渣水泥,是将干燥的矿渣、生石灰或消石灰以及5%以下的天然石膏,按照适当的比例配合磨细而成的一种水硬性胶凝材料。石灰的掺入量一般为10%~30%,它的作用是激发矿渣中的活性成分,生成水化铝酸钙和水化硅酸钙。石灰掺入量太少,矿渣中的活性成分难以充分激发;掺入量太多,则会使水泥凝结不正常、强度下降。石灰矿渣水泥可用于蒸汽养护的各种混凝土预制品,水中、地下、路面等的无筋混凝土和工业与民用建筑砂浆。
  (2)生产矿渣砖和湿碾矿渣混凝土制品
  ①矿渣砖,用矿渣加入一定量的水泥等胶凝材料,经过搅拌、成型和蒸汽养护而成的砖叫做矿渣砖。用87%~92%矿渣,5%~8%水泥,加入3%~5%的水混合,所生产的砖其强度可达到10MPa左右,能用于普通房屋建筑和地下建筑。
  ②湿碾矿渣混凝土,是以矿渣为主要原料制成的一种混凝土。通过将矿渣和激发剂(水泥、石灰和石膏)放在轮碾机上加水碾磨制成砂浆后,与粗骨料拌和而成。湿碾矿渣混凝土的各种物理力学性能,如抗拉强度、弹性模量、耐疲劳性能和钢筋的黏结力均与普通混凝土相似。而其主要优点在于具有良好的抗水渗透性能,可以制成不透水性能很好的防水混凝土;具有很好的耐热性能,可以用于工作温度在600℃以下的热工工程中,能制成强度达50MPa的混凝土。此种混凝土适宜在小型混凝土预制厂生产混凝土构件,但不适宜在施工现场浇筑使用。
  (3)生产矿渣微粉。
  高炉矿渣的潜在活性通过磨细机械激活,粒度越细,活性越大。当矿渣粉碎至超细粉(矿渣微粉),即比面积在4 500 cmz/g以上,能充分发挥出水淬矿渣潜在的水硬性。因此用作高强、超强水泥和混凝土中的掺合料时,矿渣必须为微粉,使用时添加高效减水剂、分散剂、表面活性剂,制品能产生高强度或超高强度的效果。矿渣微粉的应用在国外已十分广泛,它不仅仅局限于水泥、混凝土范畴,其它工业领域如沥青胶凝材料、工业填料、涂料、肥料等等也能应用。高炉矿渣经过超细磨,可作为生产矿渣微粉的主要原料。
  (4)生产矿渣纤维
  高炉矿渣中加人硼砂等辅料,经熔化、高速离心法或喷吹法制成的一种白色棉丝状矿物纤维材料,生产的渣纤维用于隔热、保温、填料等。方法具有熔融温度低、节能、产品用途广等特点。如果在倾倒的熔融炉渣中直接加人硅砂等原料,提高熔化温度形成玻璃液,生产玻璃棉、玻璃纤维,则市场前景也较好,经济效益更佳。
  (5)生产多孔陶粒及无机泡沫材料
  以高炉矿渣的骨料、粉料为基质,选用合适的结合剂(水玻璃、粘土粉等)、成孔剂(锯末、炭、废塑料泡沫等),混合成型(造粒)、干燥、烧成,制造多孔体陶粒,也可以采用人工发泡,制造轻质免烧陶粒。它可作为高等级公路的绝缘层、高层建筑中轻质混凝土骨料、绝缘轻质混凝土的主料等。
  高炉矿渣中90%为玻璃体,加入成孔剂(煤、炭、锯末、淀粉、碳酸钙、硝酸钠、SDS发泡剂)、高岭土,采用模压、挤压等方式成型以及合理的加热制度,可以制造多孔泡沫材料。如果利用液态炉渣,直接倒入预热的模具内,采取回火、真空等方法制造则更为经济。该制品具有优良的保温、隔热、隔音、耐火等特性,广泛用作轻质建材、石油、化工、冶炼、冷藏、船舶、发酵酿酒等工业上。
  2.1.2钢渣
  (1)钢渣生产水泥。在硅酸盐水泥中按一定比例掺入钢渣粉制成钢渣硅酸盐水泥、低热钢渣水泥、钢渣道路水泥等水泥。目前我国已有“钢渣硅酸盐水泥”、“低热钢渣矿渣水泥”、“钢渣道路水泥”、“钢渣砌筑水泥”的标准和产品。掺量在20%~50%之间。钢渣水泥具有水化热低、耐磨、抗冻、耐腐蚀、后期强度高等优点。
  钢铁渣生产用于水泥和混凝土的复合粉。根据国家标准生产的《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》和《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》的产品已在国内推广应用。由于矿渣粉的碱度低,大掺量时会出现钢筋锈蚀和碳化起砂等现象,因此需掺入碱性的钢渣粉,即可以改善单掺矿渣粉的缺点,又可发挥钢渣粉后期强度高、耐磨性好等优点。因此,21世纪钢铁渣复合粉是混凝土最佳掺合料。
  (2)钢渣用于公路材料。经稳定化处理后的钢渣可用于道路垫层、基层和面层,也可作沥青混凝土路面,提高公路抗压、抗折强度,改变公路抗弯沉性能。钢渣作道路材料是成熟的技术,国内在北京、太原、马鞍山、武汉等地都有应用的范例。
  (3)钢铁渣制砖。经稳定化处理后的钢渣和粒化高炉矿渣为主要原料掺入少量激发剂可产生建筑用砖,地面砖和砌块等建筑材料,其强度和耐久性高于粘土砖。目前,包头钢铁公司已建成年产1亿块砖的生产线,并且成品砖不但应用在企业内部,还成功应用到包头的市政道路建设中。
  (4)钢渣制备微晶玻璃
  由于生成微晶玻璃的化学组成有很宽的选择范围,钢渣的基本化学组成就是硅酸盐成分,其成分一般都在微晶玻璃形成范围内,能满足制备微晶玻璃化学组分的要求. 微晶玻璃由于其具有机械强度高、耐磨损、耐腐蚀、电绝缘性优良、介电常数稳定、膨胀系数可调、热稳定性和耐高温的特点,除广泛应用于光学、电子、宇航、生物等高新技术领域作为结构材料和功能材料外,还可大量应用于工业和民用建筑作为装饰材料或防护材料.
  2.2 在市政工程中的应用
  2.2.1 钢铁渣作道路材料
  钢渣经过稳定化处理后可以做道路垫层和基层,其强度、抗弯沉性、抗渗性均优于天然石材,有相应的行业标准“YB/T801 1993工程回填用钢渣”和“YB/T803 1993道路用钢渣”,还可代替细骨料作沥青混凝土和水泥混凝土路面材料,其防滑性、耐磨性、使用寿命均提高。用钢渣作筑路和回填料,要求粉化率不能高于5%团,要有合适的级配,最大块的直径不能超过30mm。最好与炉渣、粉煤灰和粘土混合使用。
  2.2.2 钢铁渣作酸性土壤改良剂
  钢铁渣中含有较高的钙、镁,因而可以作为酸性土壤改良剂。对于酸性土壤的改良多習惯采用施用石灰来调节其p H 值、改善土壤结构和增加孔隙度理化性状,但长期施用石灰会引起钙、镁、钾等元素失衡状态,降低镁的活度和植物有效性。而采用钢铁渣作为改良剂,用于其中含有一定量的可溶性的镁和磷,可以取得比施用石灰来进行改良酸性土壤更好的效果。
  2.2.3 钢铁渣作肥料
  钢铁渣既可以根据所含的成分不同生产氮磷钾硅肥料,还可以生产复合微量元素肥料,制约农作物的生长的因素已经转为氮磷钾以外的锌、锰、铁、硼、钼等微量元素。在钢铁渣中含有较多的铁、锰等对作物有益的微量元素,同时可以在钢铁厂出渣过程中,在高温熔融态的炉渣中添加锌、硼等的矿物微粉,使其形成具有缓释性的复合微量元素肥料。复合肥料作为基肥施用到所耕种的土壤里,可以解决长期耕作土壤的综合缺素问题,并增加作物内的微量元素含量水平,提高其品质。
  2.2.4 钢铁渣作为污水处理剂
  高炉矿渣是一种多孔质硅酸盐材料,对水中杂质有较好的吸附性能。研究表明,用废酸处理得到的聚凝剂具有化学吸附、物理吸附的双重作用。而钢渣在粉碎后有较大的比表面积,并含有与酸盐亲合力较强的Ca 和Fe,对废水中的酸有吸附和化学沉淀作用.钢铁渣在城市建设中的污水处理设施中被大量使用。
  3. 结语
   整个社会的科学发展,离不开工业生产与城市建设的有机结合,而冶金工业钢铁渣在城市建设中的广泛应用,正是“社会经济自然生态效益”的和谐统一,同时获得了较好的经济、环保和社会效益。这不仅是国家的行为,也是企业自身发展的必然趋势。相信不久的将来,工业生产与城市建设、社会发展必将走入一个良性循环。
  
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