我國高爐?；V渣資源化利用的研究進展

摘 要： 高爐?；V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。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)狀和進展，指出我國的高爐粒化礦渣具有很大的潛力。

關(guān)鍵詞： 高爐?；V渣；水化活性；資源化利用；進展

　　我國2005年鋼鐵產(chǎn)量達到3.5億噸，排出高爐?；V渣達到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。高爐粒化礦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)濟效益和社會效益。但是按照循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的要求實現(xiàn)高爐?；V渣的無害化和資源化，實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟效益和社會效益，還需要我們加大高爐?；V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?；V渣的性質(zhì)

　　在高爐內(nèi)，因焦炭燃燒，礦石、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?；V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、鐵礦石和焦炭中含有二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鎂，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?；V渣的主要成分。

1.2礦渣活性與水化機理

　　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)的進行，溶液中的pH 值不斷升高，當(dāng)pH 達到一定程度時，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展。國內(nèi)各大鋼廠分別在建材、道路工程、化工等各方面進行了有益的嘗試。

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、密實性好、抗硫抗堿腐蝕性能好等優(yōu)點，其缺點是保水性差、早期強度低、凝結(jié)時間長、不適合低溫施工、施工需要養(yǎng)護。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，礦渣水泥的強度等級比較低，礦渣摻和量也很低，即使[5]是采用礦渣與熟料分別粉磨后再混合，或者單獨作為水泥和混凝土摻和料的生產(chǎn)工藝，礦渣的摻和量也只能達到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械激活即磨細來產(chǎn)生，粒度越細，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、超強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)生高強度或超高強度的效果，礦渣微粉也可以達到高摻量。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)無機涂料

　　利用水淬礦渣粉與堿、水玻璃、外加劑、顏料制備無機環(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，用它制備的無機涂料具有高強、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)護以及控制不當(dāng)容易“泛堿” [9]。

2.4 生產(chǎn)礦渣無機膠凝材料

　　采用比表面積300cm2/g左右水淬礦渣細粉，選擇合適的激發(fā)劑，以10% 的硅酸鹽水泥進行改性，可以得到干燥收縮率小、早期強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年就進行了鋪筑鋼渣礦渣水泥混凝土試驗路段，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粉，此時礦渣粉不僅能發(fā)揮出較強的物理吸附作用，提高材料整體的粘聚力、抗剪切強度，而且礦渣細粉還與瀝青中環(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；在礦渣細料中加入纖維、無機結(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，礦渣細粉作膠凝材料可以代替高鋁水泥或特種作業(yè)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、成孔劑，混合成型、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，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)界認為是鋪設(shè)路面的革新材料，這種透水性強、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用[23]。

　　在國外，混凝土透水磚被廣泛地利用在的城市路面、機場、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)用取得了很大的進展，為其綜合利用提供了多種途徑，有些已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，取得了較好的經(jīng)濟、社會效益。但這些技術(shù)還有待進一步研究和提高：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，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，加快其先進適用技術(shù)推廣工作，以期獲得最大的經(jīng)濟效益和社會效益，為我國的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展和和諧社會建設(shè)做出貢獻。

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