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【摘 要】钢铁渣是钢铁冶金牛产的主要固体废弃物，开发冶金炉渣的综合利用技术对于防止环境污染和促进冶金工业的民期可持续发展有十分重要的意义。钢铁渣的理化特性进行了简要的介绍，详细论述了其在农业生产上的资源化利用技术以及施用钢铁渣肥料后的上壤环境效应。钢铁渣应用于农业生产可以使其含有的有益元素得到充分利用，不会对农产品及上壤环境造成危害，而且通过在钢铁渣中加入添加剂合成新型农业肥料可以有效地提高钢铁渣肥料的附加值，更好地满足农业生产的高产和优质的需求。
【关键词】钢铁渣；农业；再利用；环境效应
作为冶金工业的主要固体排放物，钢铁渣的产生量是最大的，其中高炉渣产生量为生铁产量的25%～50%，炼钢渣的产生量为钢产量的15%～20%。以2003年为例，我国的各种钢铁渣的排放量己经达到了1亿t。
现在，国外一些主要钢铁生产国家的钢铁渣己经基本实现了全部利用，如美国的利用率超过了98%，德国和日本达到了95%以上，而我国同国外先进国家相比，在钢铁渣综合利用方面还有较大的差距。根据有关文献报道[1，2]，日前我国高炉渣的利用率为75%，钢渣利用率为36%。随着近儿年国内钢铁产量的迅速增加，炉渣的综合利用率有下降的趋势，如何提高我国钢铁渣的有效利用率是冶金和环保工作者的一个重要课题。
钢铁渣的综合利用日前主要用于水泥生产、筑路材料、玻璃生产、冶金返回料及农业生产等几个方面，其中在农业生产再利用方面，国外如德国、日本、美国等国开发应用较早，钢铁渣在农业生产上应用的比例也较大，其中德国己经达到了18%[3]，而我国在此方面应用还很少。由于钢铁渣中含有硅、钙、铁、锰、磷等大量对农作物有益的元素，同时除个别
采用特殊方法冶炼的高炉渣和特钢冶炼钢渣外，在高炉渣和钢渣内含有的有害重金属杂质及放射性元素含量均符合国家农业应用标准要求，因而非常适于农业生产，对于改良土壤、满足农作物营养需求等方面十分有益。我国应提高开发钢铁渣的农业资源化再利用技术的重视程度，扩大其应用范围，减少废渣的堆弃量，以促进冶金生产与环境的和谐发展[3，4]。
1钢铁渣的理化特性
高炉渣排放物结构主要取决于其冷却条件。缓冷的炉渣具有相对均衡的结品结构。缓冷得到的高炉渣主要排放物为钙铝黄长石、镁黄长石、钙长石、硫化钙、硅酸一钙等；在水淬急冷条件下得到的高炉渣中，由于急冷阻止了排放物结品，因而形成大量的无定型活性玻璃网络体结构[5]。
转炉钢渣的排放物结构主要取决于其化学组成。当炉渣的碱度（RCao/RSiO2）<1.8时，主要矿物为CMS（镁橄欖石），C3MS2（镁蔷薇辉石）；碱度为1.8～2.5时，主要矿物为C2S（硅酸二钙），CAF（铁酸二钙）及RO相（以FeO为主的Fe，Mn，Mg一价金属氧化物固体；碱度为2.5以上时，主要矿物为C3S（硅酸二钙），C2S，C2F及RO相；此外，钢渣中还含有少量的游离氧化钙[6]。
2农业资源化利用技术
如前所述，钢铁渣中含有大量的有益于植物生长的有益元素如Si，Ca，Mg，P等，而A大部分高炉渣和钢渣内的有害元素含量符合有关农用标准要求，因而非常适合用于生产农业肥料[7]。在国外，利用钢铁废渣作农业肥料的国家很多，应用较多的国家有德国、俄罗斯、法国、美国等，通过几十年的施用实践证明钢铁废渣用于农业生产是十分有效的。
2.1用作土壤改良剂。
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习惯采用施用石灰来调节其pH值、改善土壤结构和增加孔隙度理化吐状，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[8]。
2.2生产钢渣磷肥。
当采用中高磷铁水炼钢时，在不加莹石造渣条件下所得到的钢渣可以用于制备钢渣磷肥。钢渣中的磷几乎不溶于水，而具有较好的构溶性，可在植物根际的弱酸环境下溶解而被植物吸收，因而钢渣磷肥是一种构溶性肥料。由于钢渣中的氟离了容易进入a-3CaO晶格中，起到稳定晶格的作用，会形成构溶率低的氟磷灰石[Ca10F2（P2O5）6，因此要求钢渣中F质量分数应<0.5%，而目钢渣中CaO/SiO2：和SiO2/P2O5值越大，其P2O的构溶率越大[9，10]。钢渣磷肥不仅在酸性土壤单施用效果好，目在缺磷的土壤单施用也有增产效果，在水田和旱田里均可取得较好的肥效。
2.3生产硅肥。
硅是水稻生长的必需元素，它有提高其抗病虫害的能力。高炉渣和含SiO2超过15%的钢渣经磨细到0.250mm以下，即可作为硅肥用于水稻田。钢铁渣中的硅是呈构溶性的，枸溶率可以达80%以上，根据有关栽培试验[11]，在施用钢铁渣合成的硅肥的水稻生产中取得了增产12.5%～15.5%的效果。
2.4生产钾肥。
利用钢铁渣生产缓释性钾肥，是近年来资源化利用钢铁渣的一种新兴技术。其生产工艺为在炼钢铁水进行脱硅处理时，将碳酸钾（K2CO3）连续加入到铁水包内，在向包内吹入的氮气的搅动下融入炉渣中，铁水脱硅处理后的炉渣经冷却后磨成粉状肥料[12]。
所合成的无机钾肥中K2O质量分数可达到20%以上，肥料由玻璃态和结品态的物质组成，其中品态物质主要为FCa2Si2O。这种肥料难溶于水，而可以溶于如柠檬酸等弱酸中，是一种具有缓慢释放特性的肥料。
日本肥料与种了研究陇会对这种肥料与其他的商业硅钾肥进行了施用效果的调查研究，对比的农作物有稻米和甘蓝、菠菜等蔬菜，结果表明施用此种肥料的作物产量要好于其他种类的肥料，并于2000年制定有关标准，推广应用。
2.5生产复合微量元素肥料。 施用微量元素肥料的重要性己逐渐被人们所重视，随着化肥施用技术的发展，制约农作物的生长的因素己经转为氮磷钾以外的锌、锰、铁、硼、钳等微量元素。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[13]。复合肥料作为农业基肥施用到所耕种的土壤中，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。采用钢铁出渣过程中在线添加的生产工艺可以充分利用高温炉渣中蕴含的热能，避免再次加热熔化的能量消耗，起到节能和环保的效果。
3施用钢铁渣的土壤环境效应
3.1对土壤pH值的影响。
根据Ldpez等对西班牙北部地区施用转炉钢渣3年后的测试报告[14]，当施用量为100～750kg/km2时，土壤的pH值随着施用量的增加而从原4.75增加到6.22。张玉龙等的盆栽试验结果也得到了土壤pH值随钢渣用量增加而逐渐增高的结果[15]，并与钢渣粒度有关，相关的结果。这是由于由钢铁渣合成的农业肥料是一种碱性肥料，在土壤里水解后形成的OH-离了吸附了土壤中的H+离了，从而引起土壤的pH值变化。
3.2对土壤中Ca2+，Mg+，Al3+等离子的影响。
施用钢渣后土壤中Ca扩和Mg+离了的有效浓度有显著的增加，而A广离了的浓度降低，这是由于钢渣中含有一定的水溶性的钙、镁氧化物，增加了土壤中的相应元素的含量，而其中的一部分钙镁离了与土壤中的铝酸根离了反应形成不溶性的铝酸盐，降低了土壤中的可交换态铝的浓度，这有利于消除铝对土壤的毒害作用。土壤中的Si，Fe，Mn的有效含量的变化规律取决于土壤的pH值的情况，在土壤的pH值较高时降低了它们在土壤中的有效含量[16]。
3.3对土壤中的Pb，Hg，Cr等重金属含量的影响。
由于在所选用的用于农业生产的钢铁渣中的重金属含量非常低，符合相关农用标准，因此从各种栽培试验和实际施用效果的研究中均未发现施用钢铁炉渣肥料后引起土壤中的重金属含量的增加，因而使用成分含量符合有关标准的钢铁渣合成的农业肥料是安全的，不会引起土壤和水环境的一次污染。
3.4对土壤物理性质的影响。
根据太钢在山西省的5年施用试验的测试结果[17]，施用钢铁渣肥料对土壤的空隙度有不良影响，土壤的水分常数的变化与渣肥的使用没有相关性。
4结论
（1）利用钢铁渣合成农业肥料是冶金固体废物综合利用的一项重要技术，可以使渣中含有的大量对土壤和农作物有益的元素得到充分利用，并对增加钢铁渣的再利用率、减少堆弃占地及对环境的污染具有现实意义。
（2）在利用钢铁渣合成农用肥料时需要严格化验其有害元素含量，使用符合农用标准的钢铁渣作为生产原料，同时选择适宜的颗粒度，防止其对农作物及耕种土壤造成污染和对土壤的理化性状产生不利影响。
（3）在各种钢铁渣农业利用技术中，通过在钢铁生产过程中向渣中在线加入添加剂合成钾肥及微量元素肥料可以提高钢铁渣再利用的附加值，并使高温熔渣中蕴含的大量潜热得到充分利用。
（4）施用钢铁渣肥料对土壤的pH值、钙镁铝铁锰等阳离了在土壤单的有效浓度等有不同程度的影响，使用时应根据耕种土壤的具体情况合理安排肥料的施用量、注意均衡施肥，以取得良好的效果。
参考文献：
[1]朱桂林，孙树杉.钢铁渣综合利用的现状及高价值利用新进展[A].2003年冶金能源环保生产技术会议文集[C]北京：中国金属学会.2003.18-23.
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[3]张均林，吴奕新.钢渣综合利用优化方案的试验研究[J].新型建筑材料，2008（7）：79-81.
[4]张海保，万太林，十放.钢渣处理与利用的工艺方法.黑龙江环境通报，1999，23（2）：39-40
[5]吴启兵，杨家宽，肖波，等.钢渣热态资源化利用新技术[J].工业安与环保，2001（9）：11-13.
[6]朱桂林，孙树杉.冶金渣资源化利用的现状和发展趋势[J].中国资源综合利.2007，3（9）：29-32.
[7]宋业文.舒红.李东雷.等.高炉废渣在水稻施肥上的利用[J].环境保护.1999.3：43-44.
[8]卢红霞.李利劍等安钢高炉渣的性能及利用研究[J].河南冶金.2002，15（2）：15-17
[9]Isoo T，Takahash I T， OKamoto N， etal， Development of large steelmaking slag blocks using a new carbonation process[J]. Advances in Cement Research， 2008， 12（3）： 97-101.
[10]Lonescu D， Meadow croft T R. Earlv age hydration kinetics of steel slags[J]. Advances in Cement Research， 2001， 13（1）： 21-30.
[11] Agarwal G Speyer RF. Devitrifying Cupola slag for Use in Abrasive Products. JOM， 1992， 44（3）：32-37
[12]Tatsuhito Takahashi， Yabuta. New Applications for Iron and Steelmaking Slag[J]. NKK Technical Review， 2002.87： 38-34.
[13]曹志栋，谢良德.宁钢滚简法液态钢渣处理装置及生产实绩[J].宁钢技术.2001（3）：1-5.
[14]Ldpez FA， Balczar N， Formoso A， etal.. The Recycling of LD Converter Slag by Use as a liming Agent on Pasture Land[J].Waste Management and Resesrch，1995，13： 555-568.
[15]张玉龙，刘鸣达，王耀晶，等.施用钢渣对上壤和水稻植株中硅、铁、锰的影响[J].上壤通报，2003，34（4）：308-311.
[16]张春雷.国内外钢渣再利用技术发展动态及鞍钢开发钢渣产品的探讨.鞍钢技术，2003（40）：5-9
[17]杨玉霞，李爱群.利用冶金渣研制渣肥的探讨[J].太钢利技，2000.4：85-91.
【关键词】钢铁渣；农业；再利用；环境效应
作为冶金工业的主要固体排放物，钢铁渣的产生量是最大的，其中高炉渣产生量为生铁产量的25%～50%，炼钢渣的产生量为钢产量的15%～20%。以2003年为例，我国的各种钢铁渣的排放量己经达到了1亿t。
现在，国外一些主要钢铁生产国家的钢铁渣己经基本实现了全部利用，如美国的利用率超过了98%，德国和日本达到了95%以上，而我国同国外先进国家相比，在钢铁渣综合利用方面还有较大的差距。根据有关文献报道[1，2]，日前我国高炉渣的利用率为75%，钢渣利用率为36%。随着近儿年国内钢铁产量的迅速增加，炉渣的综合利用率有下降的趋势，如何提高我国钢铁渣的有效利用率是冶金和环保工作者的一个重要课题。
钢铁渣的综合利用日前主要用于水泥生产、筑路材料、玻璃生产、冶金返回料及农业生产等几个方面，其中在农业生产再利用方面，国外如德国、日本、美国等国开发应用较早，钢铁渣在农业生产上应用的比例也较大，其中德国己经达到了18%[3]，而我国在此方面应用还很少。由于钢铁渣中含有硅、钙、铁、锰、磷等大量对农作物有益的元素，同时除个别
采用特殊方法冶炼的高炉渣和特钢冶炼钢渣外，在高炉渣和钢渣内含有的有害重金属杂质及放射性元素含量均符合国家农业应用标准要求，因而非常适于农业生产，对于改良土壤、满足农作物营养需求等方面十分有益。我国应提高开发钢铁渣的农业资源化再利用技术的重视程度，扩大其应用范围，减少废渣的堆弃量，以促进冶金生产与环境的和谐发展[3，4]。
1钢铁渣的理化特性
高炉渣排放物结构主要取决于其冷却条件。缓冷的炉渣具有相对均衡的结品结构。缓冷得到的高炉渣主要排放物为钙铝黄长石、镁黄长石、钙长石、硫化钙、硅酸一钙等；在水淬急冷条件下得到的高炉渣中，由于急冷阻止了排放物结品，因而形成大量的无定型活性玻璃网络体结构[5]。
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2农业资源化利用技术
如前所述，钢铁渣中含有大量的有益于植物生长的有益元素如Si，Ca，Mg，P等，而A大部分高炉渣和钢渣内的有害元素含量符合有关农用标准要求，因而非常适合用于生产农业肥料[7]。在国外，利用钢铁废渣作农业肥料的国家很多，应用较多的国家有德国、俄罗斯、法国、美国等，通过几十年的施用实践证明钢铁废渣用于农业生产是十分有效的。
2.1用作土壤改良剂。
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习惯采用施用石灰来调节其pH值、改善土壤结构和增加孔隙度理化吐状，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[8]。
2.2生产钢渣磷肥。
当采用中高磷铁水炼钢时，在不加莹石造渣条件下所得到的钢渣可以用于制备钢渣磷肥。钢渣中的磷几乎不溶于水，而具有较好的构溶性，可在植物根际的弱酸环境下溶解而被植物吸收，因而钢渣磷肥是一种构溶性肥料。由于钢渣中的氟离了容易进入a-3CaO晶格中，起到稳定晶格的作用，会形成构溶率低的氟磷灰石[Ca10F2（P2O5）6，因此要求钢渣中F质量分数应<0.5%，而目钢渣中CaO/SiO2：和SiO2/P2O5值越大，其P2O的构溶率越大[9，10]。钢渣磷肥不仅在酸性土壤单施用效果好，目在缺磷的土壤单施用也有增产效果，在水田和旱田里均可取得较好的肥效。
2.3生产硅肥。
硅是水稻生长的必需元素，它有提高其抗病虫害的能力。高炉渣和含SiO2超过15%的钢渣经磨细到0.250mm以下，即可作为硅肥用于水稻田。钢铁渣中的硅是呈构溶性的，枸溶率可以达80%以上，根据有关栽培试验[11]，在施用钢铁渣合成的硅肥的水稻生产中取得了增产12.5%～15.5%的效果。
2.4生产钾肥。
利用钢铁渣生产缓释性钾肥，是近年来资源化利用钢铁渣的一种新兴技术。其生产工艺为在炼钢铁水进行脱硅处理时，将碳酸钾（K2CO3）连续加入到铁水包内，在向包内吹入的氮气的搅动下融入炉渣中，铁水脱硅处理后的炉渣经冷却后磨成粉状肥料[12]。
所合成的无机钾肥中K2O质量分数可达到20%以上，肥料由玻璃态和结品态的物质组成，其中品态物质主要为FCa2Si2O。这种肥料难溶于水，而可以溶于如柠檬酸等弱酸中，是一种具有缓慢释放特性的肥料。
日本肥料与种了研究陇会对这种肥料与其他的商业硅钾肥进行了施用效果的调查研究，对比的农作物有稻米和甘蓝、菠菜等蔬菜，结果表明施用此种肥料的作物产量要好于其他种类的肥料，并于2000年制定有关标准，推广应用。
2.5生产复合微量元素肥料。 施用微量元素肥料的重要性己逐渐被人们所重视，随着化肥施用技术的发展，制约农作物的生长的因素己经转为氮磷钾以外的锌、锰、铁、硼、钳等微量元素。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[13]。复合肥料作为农业基肥施用到所耕种的土壤中，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。采用钢铁出渣过程中在线添加的生产工艺可以充分利用高温炉渣中蕴含的热能，避免再次加热熔化的能量消耗，起到节能和环保的效果。
3施用钢铁渣的土壤环境效应
3.1对土壤pH值的影响。
根据Ldpez等对西班牙北部地区施用转炉钢渣3年后的测试报告[14]，当施用量为100～750kg/km2时，土壤的pH值随着施用量的增加而从原4.75增加到6.22。张玉龙等的盆栽试验结果也得到了土壤pH值随钢渣用量增加而逐渐增高的结果[15]，并与钢渣粒度有关，相关的结果。这是由于由钢铁渣合成的农业肥料是一种碱性肥料，在土壤里水解后形成的OH-离了吸附了土壤中的H+离了，从而引起土壤的pH值变化。
3.2对土壤中Ca2+，Mg+，Al3+等离子的影响。
施用钢渣后土壤中Ca扩和Mg+离了的有效浓度有显著的增加，而A广离了的浓度降低，这是由于钢渣中含有一定的水溶性的钙、镁氧化物，增加了土壤中的相应元素的含量，而其中的一部分钙镁离了与土壤中的铝酸根离了反应形成不溶性的铝酸盐，降低了土壤中的可交换态铝的浓度，这有利于消除铝对土壤的毒害作用。土壤中的Si，Fe，Mn的有效含量的变化规律取决于土壤的pH值的情况，在土壤的pH值较高时降低了它们在土壤中的有效含量[16]。
3.3对土壤中的Pb，Hg，Cr等重金属含量的影响。
由于在所选用的用于农业生产的钢铁渣中的重金属含量非常低，符合相关农用标准，因此从各种栽培试验和实际施用效果的研究中均未发现施用钢铁炉渣肥料后引起土壤中的重金属含量的增加，因而使用成分含量符合有关标准的钢铁渣合成的农业肥料是安全的，不会引起土壤和水环境的一次污染。
3.4对土壤物理性质的影响。
根据太钢在山西省的5年施用试验的测试结果[17]，施用钢铁渣肥料对土壤的空隙度有不良影响，土壤的水分常数的变化与渣肥的使用没有相关性。
4结论
（1）利用钢铁渣合成农业肥料是冶金固体废物综合利用的一项重要技术，可以使渣中含有的大量对土壤和农作物有益的元素得到充分利用，并对增加钢铁渣的再利用率、减少堆弃占地及对环境的污染具有现实意义。
（2）在利用钢铁渣合成农用肥料时需要严格化验其有害元素含量，使用符合农用标准的钢铁渣作为生产原料，同时选择适宜的颗粒度，防止其对农作物及耕种土壤造成污染和对土壤的理化性状产生不利影响。
（3）在各种钢铁渣农业利用技术中，通过在钢铁生产过程中向渣中在线加入添加剂合成钾肥及微量元素肥料可以提高钢铁渣再利用的附加值，并使高温熔渣中蕴含的大量潜热得到充分利用。
（4）施用钢铁渣肥料对土壤的pH值、钙镁铝铁锰等阳离了在土壤单的有效浓度等有不同程度的影响，使用时应根据耕种土壤的具体情况合理安排肥料的施用量、注意均衡施肥，以取得良好的效果。
参考文献：
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[9]Isoo T，Takahash I T， OKamoto N， etal， Development of large steelmaking slag blocks using a new carbonation process[J]. Advances in Cement Research， 2008， 12（3）： 97-101.
[10]Lonescu D， Meadow croft T R. Earlv age hydration kinetics of steel slags[J]. Advances in Cement Research， 2001， 13（1）： 21-30.
[11] Agarwal G Speyer RF. Devitrifying Cupola slag for Use in Abrasive Products. JOM， 1992， 44（3）：32-37
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