我國高爐?；V渣資源化利用的研究進(jìn)展

摘 要： 高爐粒化礦渣是高爐礦渣經(jīng)過水的急冷而得到的一種具有很高潛在活性的玻璃體結(jié)構(gòu)材料。我國的高爐?；V渣的化學(xué)成分大致相同，但活性卻相差甚遠(yuǎn)。文章分析高爐?；V渣的化學(xué)成分和水化活性。從而綜述了我國高爐粒化礦渣資源化利用的現(xiàn)狀和進(jìn)展，指出我國的高爐?；V渣具有很大的潛力。

關(guān)鍵詞： 高爐?；V渣；水化活性；資源化利用；進(jìn)展

　　我國2005年鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到3.5億噸，排出高爐粒化礦渣達(dá)到1 億噸。經(jīng)過多年的努力，我們主要開發(fā)了礦渣水泥、混凝土摻和料，少量用于生產(chǎn)礦渣微粉、礦渣纖維、筑路填料等等。高爐?；V渣的資源化利用可以大大減少占地和環(huán)境污染，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但是按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求實(shí)現(xiàn)高爐粒化礦渣的無害化和資源化，實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，還需要我們加大高爐粒化礦渣綜合利用的研究，特別是在非建材領(lǐng)域的利用研究。

1 高爐粒化礦渣的性質(zhì)

　　在高爐（熔礦爐）內(nèi)，因焦炭燃燒，礦石（人造塊礦）、石灰石、螢石等原料在1500℃的高溫中熔融，這時氧化鐵失去氧被還原成生鐵，與生鐵同時排放出的非金屬生成物即高爐爐渣。高爐粒化礦渣是高爐礦渣從爐中排出而直接傾倒入水池急驟冷卻熔融而得到的，呈1-3mm 玻璃顆粒狀，是一種具有很高潛在活性的玻璃體結(jié)構(gòu)材料。

1.1化學(xué)組成

　　由于高爐礦渣的生成原料中，石灰的主要成分為氧化鈣（CaO）、鐵礦石和焦炭中含有二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3）、氧化鎂（MgO），這些都構(gòu)成了高爐礦渣的主要化學(xué)成分。表1 為我國主要鋼鐵企業(yè)的高爐粒化礦渣的主要成分。

1.2礦渣活性與水化機(jī)理

　　如表1 所示，高爐礦渣的化學(xué)組成雖然大致相同，然而其活性的波動卻十分明顯。潘慶林[1，2]研究了上海梅山鋼鐵公司的礦渣后發(fā)現(xiàn)，在沒有化學(xué)激發(fā)劑存在的條件下，梅鋼的礦渣的水化合物是水化硅酸鈣CSH( c)、水化硅酸二鈣2CaO·SiO2·(2-4)H2O 和鈣鋁黃長石Ca2Al(Al,Si)2O7。

　　初期的水化過程是礦渣中的Ca2+等網(wǎng)絡(luò)改變體陽離子與水中的H+ 之間的置換，隨著這種置換反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中的pH 值不斷升高，當(dāng)pH 達(dá)到一定程度時，礦渣顆粒表面的H4SiO4的溶解度將提高，溶解了各種形態(tài)的硅酸離子和溶液中的Ca2+、OH- 反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠。

2 水淬礦渣綜合利用現(xiàn)狀

　　隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論的提出和應(yīng)用，水淬礦渣的處理和綜合利用工作取得了很大進(jìn)展。國內(nèi)各大鋼廠分別在建材、道路工程、化工等各方面進(jìn)行了有益的嘗試。

2.1 生產(chǎn)礦渣水泥及水泥、混凝土的摻和料

　　國內(nèi)利用礦渣生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥，是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，約占已經(jīng)利用礦渣的78%左右。

　　礦渣水泥[3，4]與普通水泥比較，具有水化熱低、密實(shí)性好、抗硫抗堿腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是保水性差、早期強(qiáng)度低、凝結(jié)時間長、不適合低溫施工、施工需要養(yǎng)護(hù)。這些都是急需克服和改善的缺陷。

　　由于礦渣水泥中各物料間易磨性的差別等原因，礦渣水泥的強(qiáng)度等級比較低，礦渣摻和量（15%～50%）也很低，即使[5]是采用礦渣與熟料分別粉磨后再混合，或者單獨(dú)作為水泥和混凝土摻和料（即取代水泥用量）的生產(chǎn)工藝，礦渣的摻和量也只能達(dá)到20%～70%。但是利用水淬礦渣加工成摻和料水泥、無熟料水泥或少熟料水泥，節(jié)省資源，大大減輕了水泥生產(chǎn)行業(yè)的環(huán)境污染，我們有必要研究像節(jié)能免燒水泥等產(chǎn)品和技術(shù)，并加大推廣力度，提高礦渣利用率。

2.2 生產(chǎn)礦渣微粉

與鋼渣粉類似，水淬礦渣的潛在活性可以通過機(jī)械激活即磨細(xì)來產(chǎn)生，粒度越細(xì)，活性越大。當(dāng)?shù)V渣粉碎至比表面積在450cm2/g 以上，水淬礦渣潛在的水硬性就能充分發(fā)揮出來。因此用作高強(qiáng)、超強(qiáng)水泥和混凝土中的摻和料時，礦渣必須為微粉，使用同時添加高效減水劑、分散劑、表面活性劑，制品才能產(chǎn)生高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度的效果，礦渣微粉也可以達(dá)到高摻量。礦渣微粉的應(yīng)用已十分廣泛，它不僅僅局限于水泥、混凝土范疇，其它工業(yè)領(lǐng)域如瀝青膠凝材料、工業(yè)填料、涂料、肥料等等也能應(yīng)用[6-8]。

2.3 生產(chǎn)無機(jī)涂料

　　利用水淬礦渣粉與堿、水玻璃、外加劑、顏料制備無機(jī)環(huán)保涂料。在堿性條件下，礦渣水化為硅酸鈣凝膠和沸石類的水化產(chǎn)物，形成固體的結(jié)構(gòu)十分致密，用它制備的無機(jī)涂料具有高強(qiáng)、快硬、耐洗刷、耐水、耐堿、耐凍等優(yōu)良性能，產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，尤其突出的是天然、無毒、無污染的環(huán)保安全性能，且制作簡單、原料來源廣、價格便宜，有較強(qiáng)的市場競爭優(yōu)勢，是我國涂料研究和發(fā)展的方向，目前的缺陷是施工需要濕養(yǎng)護(hù)以及控制不當(dāng)容易“泛堿” [9]。

2.4 生產(chǎn)礦渣無機(jī)膠凝材料

　　采用比表面積300cm2/g左右水淬礦渣細(xì)粉，選擇合適的激發(fā)劑，以10% 的硅酸鹽水泥進(jìn)行改性，可以得到干燥收縮率小、早期強(qiáng)度高的礦渣膠凝材料，完全可以代替水泥膠砂材料。武鋼冶金渣公司與武漢大學(xué)于2004年就進(jìn)行了鋪筑鋼渣礦渣水泥混凝土試驗(yàn)路段，應(yīng)用效果較理想。

　　在瀝青混凝土中，如果在瀝青砂漿、瀝青膠漿或者瑪蹄脂中加入適量的高活性礦渣細(xì)粉，此時礦渣粉不僅能發(fā)揮出較強(qiáng)的物理吸附作用，提高材料整體的粘聚力、抗剪切強(qiáng)度，而且礦渣細(xì)粉還與瀝青中環(huán)烷酸等酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)吸附作用，在界面上生成不溶于水的環(huán)烷酸鈣等化合物，使填料與瀝青牢固、穩(wěn)定地粘結(jié)在一起，可有效防止水分浸入填料與瀝青膜之間的界面，防止瀝青膜從顆粒表面剝離，顯著提高了膠凝材料對水的穩(wěn)定性、耐熱性。研究及檢測數(shù)據(jù)證明，水淬礦渣細(xì)粉在瀝青質(zhì)膠凝材料中能起到優(yōu)異的作用[10]。

　　在礦渣細(xì)粉的基質(zhì)中，加入水剝離、纖維、橄欖石，可以制取熱震穩(wěn)定性極好的保溫材料（適于中、低溫的急冷急熱場所）；在礦渣細(xì)料中加入纖維（石棉）、無機(jī)結(jié)合劑，噴涂在鋼材建筑上，作為隔熱、防火涂層；在堿性條件下，礦渣細(xì)粉作膠凝材料可以代替高鋁水泥或特種作業(yè)（廢棄物）下作為凝固劑的使用[11]。

2.5 水淬礦渣在道路基層中的應(yīng)用

　　對寶鋼水渣及其混合料的物理力學(xué)性能進(jìn)行了較系統(tǒng)的測試。比較了各類水渣混合料的物理力學(xué)性質(zhì)，總結(jié)回歸了混合料強(qiáng)度隨齡期的成長規(guī)律，并對比國內(nèi)類似水穩(wěn)定性基層混合料的強(qiáng)度，表明其在道路工程中有應(yīng)用前景[12，13]。

2.6生產(chǎn)礦渣纖維

　　水淬礦渣中加入硼砂等輔料，經(jīng)沖天爐高溫熔化，熔體經(jīng)過高速離心機(jī)甩絲，生產(chǎn)的礦渣纖維用于隔熱、保溫、填料等 [14]。如果在傾倒的熔融爐渣中直接加入硅砂等原料，提高熔化溫度形成玻璃液，生產(chǎn)玻璃棉、玻璃纖維，則市場前景也較好，經(jīng)濟(jì)效益更佳。

2.7 合成多功能用途的硅灰石

　　水淬爐渣中，配入助熔劑白云石，可以在低溫下熔化、低溫下晶化合成工業(yè)用硅灰石，生產(chǎn)成本低[15]。硅灰石作為一種用途極廣的新興工業(yè)原料，有工業(yè)“萬金油”之稱。采用爐渣人工合成硅灰石，是水淬爐渣資源深度開發(fā)的較好途徑。

2.8用作污水處理劑

　　水淬礦渣是一種多孔質(zhì)硅酸鹽材料，對水中雜質(zhì)有較好的吸附性能。研究[16，17]表明，用廢酸處理得到的聚凝劑具有化學(xué)吸附、物理吸附的雙重作用，能夠在多種污水處理中使用。武鋼冶金渣公司利用水淬礦渣和鋼渣生產(chǎn)新型高分子絮凝劑聚硅硫酸鐵的技術(shù)取得了很大成功，還申請了國家專利。

2.9 制造鈣硅肥料及農(nóng)田利用

　　長期以來我國農(nóng)田耕作主要以化肥為主，有機(jī)肥的使用的減少使得作物必須的元素越來越匱乏，特別是南方的土壤缺硅很嚴(yán)重。水淬礦渣中大部分硅酸鹽是植物容易吸收的可溶性硅酸鹽，因此水淬礦渣是一種很重要的鈣硅肥料。

　　在農(nóng)田利用方面，水淬礦渣可以用作改良土壤的礦物肥料、農(nóng)藥的載體、被污染（有機(jī)物、重金屬等）的土壤的生態(tài)修復(fù)材料，也可用作土壤的pH 調(diào)節(jié)劑、微生物載體等方面。

2.10 制造多孔陶粒及無機(jī)泡沫材料

　　以水淬礦渣為骨料，粉料為基質(zhì)，選用合適的結(jié)合劑（水玻璃等）、成孔劑，混合成型（造粒）、干燥、燒成，制造多孔體陶粒，也可以采用人工發(fā)泡，制造輕質(zhì)免燒陶粒[18]。它可作為高等級公路的絕緣層、高層建筑中輕質(zhì)混凝土骨料、絕緣輕質(zhì)混凝土的主料、無土栽培技術(shù)中的培養(yǎng)基料、污水處理站的預(yù)處理材料等。

　　水淬礦渣中90% 為玻璃體，加入成孔劑、高嶺土，采用模壓、擠壓等方式成型以及合理的加熱制度，可以制造多孔泡沫材料。該制品具有優(yōu)良的保溫、隔熱、隔音、耐火等特性，廣泛用作輕質(zhì)建材、石油、化工、冶煉、冷藏、船舶、發(fā)酵釀酒等工業(yè)上。泡沫材料的生產(chǎn)與使用在國內(nèi)才剛剛興起，它的用途將會越來越廣。

2.11用作玻璃原料，制備微晶玻璃等

　　水淬礦渣用作玻璃原料，可以降低熔融溫度，促進(jìn)玻璃液的均化、澄清作用。

　　我國從20 世紀(jì)70 年代初到90 年代末，相繼在許多地方進(jìn)行了利用水淬礦渣生產(chǎn)以β-硅灰石為主晶相的微晶玻璃試制[19]。近年來，武漢理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海硅研所等單位的科研人員，經(jīng)過大量的研究試驗(yàn)，取得了一定成果，對微晶玻璃的生產(chǎn)工序控制漸趨成熟[20]。微晶玻璃被稱作跨世紀(jì)的新材料，具有許多優(yōu)異性能，是一種新型高檔的建筑裝飾材料，也廣泛用于化工、電子、航空航天、國防等工業(yè)領(lǐng)域作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料[21]。目前國內(nèi)從事微晶玻璃生產(chǎn)的廠家已有十多家，生產(chǎn)規(guī)模小、投資少，經(jīng)濟(jì)效益高。

2.12透水磚等環(huán)保材料的研制

　　透水磚分為陶瓷類透水磚和混凝土類透水磚。我們在合適的工藝參數(shù)條件下，可得透水系數(shù)為0.10cm ／ s，抗壓強(qiáng)度為12.1MPa 的陶瓷透水磚，該種透水磚需要經(jīng)過爐窯燒制，投資和成本大，廣泛用于衛(wèi)生間等室內(nèi)場所[22]?；炷令愅杆u一向被業(yè)界認(rèn)為是鋪設(shè)路面的革新材料，這種透水性強(qiáng)、施工方便的混凝土透水磚可以有效地改善城市排水循環(huán)，減少污染、解決城市“熱島效應(yīng)”。同時還能降低市政工程費(fèi)用[23]。

　　在國外，混凝土透水磚被廣泛地利用在的城市路面、機(jī)場、鐵路建設(shè)中，我國在南京、北京等地有廠家生產(chǎn)該種磚。

3 結(jié) 語

　　我國的水淬礦渣的研究應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，為其綜合利用提供了多種途徑，有些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。但這些技術(shù)還有待進(jìn)一步研究和提高：礦渣微粉的高效粉磨技術(shù)以及生產(chǎn)設(shè)備如何國產(chǎn)化問題，礦渣微粉應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)問題；微晶玻璃生產(chǎn)中如何降低熔化晶化溫度和時間、提高產(chǎn)品率降低生產(chǎn)成本；適合不同土壤的多功能復(fù)合鈣硅礦渣肥料的制造及推廣應(yīng)用工作等等。

　　水淬礦渣是一種優(yōu)質(zhì)的二次“資源”。由于各種原因，它的綜合利用率還不高（接近于60%），仍有大量的礦渣僅作為簡單的粗放式利用甚至直接堆棄。這樣不但占有大量良田，而境。因此，我們必須加大開發(fā)和制造高附加值產(chǎn)品的投入，加快其先進(jìn)適用技術(shù)推廣工作，以期獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，為我國的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和和諧社會建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

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