液態鋼渣改性的研究現狀及探討
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【摘 要】文章對液態鋼渣改性的技術方法進行了分析，指出了液態鋼渣改性技術存在的問題，提出了鋼渣改性技術應用研究方面的新觀點。
【關鍵詞】液態鋼渣;鋼渣改性;鋼渣調質;高溫改性;易磨性
【中圖分類號】X757 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0121-02
鋼渣是生產鋼鐵的過程中，由于造渣材料、冶煉材料、冶煉過程中混入的爐體材料和各種金屬雜質所混合成的高溫固溶體，經過破碎、選取金屬鐵后的尾渣大多應用于建材行業。
鋼渣尾渣的利用一直是世界性難題，隨著國家對固廢的嚴格管理，鋼鐵企業已經將鋼渣的開發利用作為重點工作。鋼渣主要礦物包括硅酸三鈣、硅酸二鈣、鐵酸鈣及RO相等，其中硅酸三鈣和硅酸二鈣具有較好的膠凝活性，但由于鋼渣中存在f-CaO，其含量在鋼渣中占0～10%，f-CaO遇水后發生反應生成Ca（OH）2，這個反應會使鋼渣體積膨脹，對水泥安定性產生影響，加上鋼渣相比高爐礦渣的膠凝礦物總體含量少、難磨，制約了鋼渣在建材與道路工程中的使用。因此，如何提高鋼渣活性，擴大鋼渣在建材行業的應用，成為許多科研工作者的研究任務。
提高鋼渣活性的研究方向很多，其中之一就是利用液態鋼渣的高溫，加入調質補充材料，使得鋼渣和調質材料反應生成更多的活性礦物，從而提高鋼渣的活性。
1 當前液態鋼渣改性的技術方法
許多人對液態鋼渣的改性提出了不少的思路、方法，并開展了試驗研究，其中有不少方法還申請了專利。這里重點分析介紹這些專利方法。
（1）專利申請號CN104016600A一種鋼渣高溫改性方法，采用富硅質材料對鋼渣高溫重構改性，利用富硅材料固定f-CaO，生成更多的C3S、C2S，得到高活性易磨的類水泥熟料。
（2）專利申請號102503193A一種熱態保溫處理鋼渣制備類水泥熟料的工藝方法，將硅鋁質的調整劑加入液態鋼渣中，經過保溫處理，通入氮氣攪拌均勻，使鋼渣生成類水泥熟料。
（3）專利申請號CN101792274A對中堿度鋼渣進行在線高溫重構的鈣硅鋁質性能調節材料及其應用，使用石灰和礦渣、少量輔助材料加入液態鋼渣中，增加了活性硅酸鹽礦物的含量，得到的改性鋼渣活性指數大于85%。
（4）專利申請號CN104673965A一種液態鋼渣在線改性方法，將碳酸鹽物質作為改質劑加入液態鋼渣中，改善了鋼渣易磨性。
（5）專利申請號CN108658483A一種鋼渣還原回收鐵及二次渣制備輔助性膠凝材料的方法，在液態鋼渣中加入還原劑及組分調整材料，可以還原80%以上的鐵，改性鋼渣28 d的活性指數為77%～108%。
除了這些專利，還有一些研究實驗也展示了很好的方法或思路。殷素紅等人研究還原重構鋼渣，試驗結果表明，鋼渣中鐵化合物的還原率近100%，尾渣玻璃體含量高達73%～97%，活性大大提高[1]。吳龍等人也做了類似的試驗研究，試驗表明，在加入改性材料后，對熔融鋼渣進行還原處理，可以回收鋼渣中90%的鐵（選出料含金屬鐵90%以上），同時生成高活性的尾渣，尾渣中氧化鐵僅3%，活性超過了基準水泥[2]。
2 液態鋼渣改性方法存在的問題
從理論上看，這些專利方法思路都很好，但是結合實際發現，這些技術方法存在一些問題，如果要推廣應用必須解決這些問題。
2.1 難以達到硅酸鹽礦物反應所需溫度
硅酸鹽礦物反應所需溫度為1 350 ℃左右，大多數改性方法基本上不能達到這個反應溫度。
可以作一個簡單的測算：高溫的液態鋼渣中加入常溫態的調質改性材料，在沒有化學放熱、吸熱的情況下，以液態鋼渣溫度1 500 ℃計算，若加入10%的調質改性材料，整體渣溫相應下降10%，為1 350 ℃左右;若加入20%的調質改性材料，整體渣溫則在1 200 ℃左右。所以，從理論上看，加入的調質改性材料超過10%時，由于溫度低，鋼渣改性反應是不能進行的。上述的推算還是建立在調質改性材料均勻進入到液態鋼渣的理想狀態下，實際上如果不均勻，局部的渣溫會更低。
在生產實踐中，一般渣罐內部沒有保溫材料，渣溫下降比較快，正常情況下液態鋼渣溫度一般在1 450～1 500 ℃。
有個別專利方法采取加碳質材料進行保溫、升溫，但是如果沒有吹氧，很難實現保溫、升溫的目的。其實即使吹氧，由于碳質材料的存在，存在很大的安全隱患;同時，由于氧氣溫度低的問題，常溫的氧氣也可能帶走更多的熱量，當然這一點有待實踐證明。總的說來，如果對液態鋼渣升溫，鋼渣改性的成本需要做認真的核算。
2.2 調質材料與液態鋼渣不能均勻混合
上面也提到過，如果調質改性材料均勻地與液態鋼渣混合，在渣溫、反應時間足夠的前提下，就可以完成鋼渣的改性目的。但是，由于液態鋼渣的流動性不好，在沒有外力的情況下是不可能均勻混合的。
從控制成本的角度，調質改性材料加入渣罐中，只能借助液態鋼渣的沖擊力進行攪拌、混合，如果用外力攪拌，無論是采用機械攪拌還是氣力攪拌，都會大大增加鋼渣改性成本，同時加大安全風險。
所以，不均勻性是鋼渣改性過程中反應不完全的主要原因，也是鋼渣改性技術碰到的難題之一。簡單的沖擊力決定了改性材料與液態鋼渣不能實現均勻混合，最終只有部分鋼渣參與完成改性，只能增加少量的硅酸鹽活性礦物。
2.3 鋼渣改性的經濟性
如上所述，改性面臨溫度、均勻性兩個關鍵問題，如果要解決，投入的成本是比較高的，需要結合改性后鋼渣性能優化等受益比較，計算鋼渣改性的經濟性，這也決定了改性技術是否可以推廣應用。而且，必須盡量利用本地廉價的鈣、硅、鋁資源，否則改性成本高，就失去經濟價值。 3 對液態鋼渣改性技術應用研究的幾個觀點
對液態鋼渣改性有許多的思路、方法，但是大多數處于研究階段，實際上，國內沒有一個改性技術能夠成功應用于生產。
對于企業來說，實用性、經濟性是第一位的。因此，我們在液態鋼渣改性技術應用研究方面應當注意以下幾點。
3.1 應當優先解決鋼渣的易磨性差問題
從前面的分析看，我們不能將鋼渣改性的目標定位于全面提高鋼渣活性，期盼改性后鋼渣的活性接近水泥熟料。
從實踐看，水泥等行業不喜歡大量使用鋼渣的首要原因是鋼渣的易磨性差，其次是鋼渣的體積穩定性不佳。易磨性差導致生產中粉磨電耗急劇增加。例如，某水泥廠的某型立磨，粉磨高爐水渣時臺時產量為120 t，而粉磨鋼渣時的臺時產量卻只有55 t，對生產成本產生了很大的影響。
所以，改善鋼渣的易磨性成為解決鋼渣利用問題的最關鍵環節，鋼渣的改性必須有針對性地解決這個問題，而不是面面俱到地按水泥熟料成分配入調質材料。
易磨性與鋼渣的礦物組成及結構有關，含有金屬鐵、RO相、鐵酸鈣等高硬度礦物，在預粉磨盡量除鐵的前提下，如果盡量避免生成RO相、鐵酸鈣等高硬度礦物則可以明顯改善鋼渣易磨性。
郭輝等人研究表明，在CaO摻量充足的條件下，重構鋼渣的最終礦物組成為C3S、C4AF、C2F、MgO，硅酸鹽礦物形成較多且易磨性較好[1]?；诖?，提出鋼渣改性優先配入調質材料是生石灰或碳酸鈣[3]。
優先改善鋼渣的易磨性，是液態鋼渣改性的第一目標。
3.2 應當因地制宜利用廉價資源進行鋼渣改性
必須盡量利用本地廉價的鈣、硅、鋁資源，否則改性成本高，就失去經濟價值。有的地方有廉價的石灰，有的地方有赤泥或其他鈣、鋁、硅質固廢，可以根據實際情況采用，力求用最便宜的材料。
3.3 應當控制調質材料加入比例
前面提到，要保持硅酸鹽礦物反應所需溫度，調質材料加入比例最好小于10%，盡量保持較高的液態鋼渣溫度。
4 結論
液態鋼渣改性技術對鋼渣擴大在水泥行業的應用具有較大的促進作用，但鑒于經濟性，建議盡量使用簡單的、廉價的調質材料，采用簡單的投加方法。
液態鋼渣改性的重點應放在改善易磨性，這對下游水泥企業、鋼渣微粉企業非常重要。
參 考 文 獻
[1]殷素紅，郭輝，余其俊，等.還原鐵法重構鋼渣及其礦物組成[J].硅酸鹽學報，2013（7），41（7）：966-971.
[2]吳龍，郝以黨，張凱，等.熔融鋼渣資源高效化利用探索試驗[J].環境工程，2015，33（12）：147-150.
[3]郭輝，殷素紅，高凡，等.鋼渣重構組成設計的關鍵因子[J].水泥，2017（2）：8-12.
[責任編輯：陳澤琦]
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