現代冶煉渣中有價金屬回收利用

1水泥、水泥等工業原料路橋爐渣和轉爐鋼渣是路橋爐精煉和轉爐精煉產生的精煉渣。這是鋼渣行業中訪問的最多的工業廢物。它被廣泛用作水泥原料和混合材料。除此以外,鋼鐵廠冶煉工序還有鐵水脫硫、電弧爐煉鋼和二次精煉,也會產生鐵水脫硫渣、電弧爐鋼渣和精煉渣。由于冶煉工藝、加入的造渣劑及處理工藝種類繁多等原因,導致各種冶煉渣化學成分、礦物組成等性質差異較大。本文按鋼鐵冶煉工藝分類介紹了冶煉渣的產生、化學成分及礦物組成,希望對使用冶煉渣作為水泥原料及混合材的企業有所幫助。2轉爐生產的%我國鋼鐵工業經過幾十年的快速發展,截止到2012年,粗鋼產量已達7.165億t,在全球鋼材產量中占46.3%。其中,90%是通過轉爐生產的。目前我國轉爐和電弧爐煉鋼基本生產工藝流程如下:轉爐煉鋼流程:燒結→高爐煉鐵→鐵水脫硫預處理→轉爐復合吹煉→二次精煉→全連鑄電弧爐煉鋼流程:電弧爐(廢鋼+兌鐵水)冶煉→二次精煉→全連鑄從煉鋼流程來看,產生冶煉渣的工序有:高爐煉鐵、鐵水脫硫預處理、轉爐復合吹煉、電弧爐煉鋼和二次精煉,共產生5種冶煉渣,分別是:高爐渣、鐵水脫硫渣、轉爐鋼渣、電弧爐鋼渣和精煉渣。3水渣的xrd衍射高爐渣是高爐冶煉鐵水時鐵礦中的脈石、燃料灰分和加入的造渣劑等結合而成的以硅酸鈣(鎂)和鋁硅酸鈣(鎂)為主的熔融體。每煉出1t生鐵產生高爐渣300~400kg。目前國內常見的熔融高爐渣冷卻處理方法有急冷(也叫水淬)和慢冷兩種,產生的渣分別稱為水渣(建材行業習慣稱為粒化高爐礦渣)和重礦渣,后者只在事故處理時或渣中TiO2含量太高時使用。常見高爐渣的化學成分見表1。水渣即粒化高爐礦渣主要由玻璃體組成,某鋼廠水渣XRD衍射圖譜見圖1。確定水渣中玻璃體含量的方法可按照《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》附錄C(GB/T18046-2008)進行。我國大多數鋼廠產生的水渣玻璃體含量在80%以上,磨細后具有較好的潛在水硬性。重礦渣礦物組成主要為硅酸二鈣、鈣鋁黃長石、硅酸一鈣、鈣長石等。結晶態的重礦渣由于除C2S具有膠凝性外,其他幾乎無膠凝性,因此慢冷而成的重礦渣,基本不具有活性。4脫硫渣邏輯鋼鐵廠采用爐外鐵水脫硫,可以減輕轉爐冶煉和爐外精煉的脫硫負擔,為全連鑄提供低硫鋼水。2006年我國重點大中型鋼鐵企業鐵水預處理比已達56.7%,寶鋼、武鋼、鞍鋼等大型鋼鐵公司已基本實現100%鐵水預處理。國內主要采用KR法石灰脫硫和噴吹法脫硫(包括CaO、CaC2噴吹,純Mg噴吹和Mg+CaO噴吹)。鐵水在脫硫前一般需要將鐵水上層覆蓋的高爐渣扒去,俗稱為前扒渣,這種渣化學成分與高爐渣相同;鐵水包內加入脫硫劑完成脫硫后,再將鐵水上層形成的脫硫渣扒去,業內稱之為脫硫后扒渣或脫硫扒渣。本文中的鐵水脫硫渣指的是脫硫后扒渣。另外,我國也有把煙氣脫硫中產生的灰稱之為脫硫渣,如電廠煙氣脫硫渣、燒結煙氣脫硫渣等,確切地說,這類廢渣應稱之為脫硫灰。鐵水脫硫渣中含有為數不少的金屬鐵,其他礦物因脫硫劑的種類其化學成分和礦物組成各異,每噸鐵水產生脫硫渣約13.7kg。表2、圖2和圖3是某鋼廠采用CaC2和Mg噴吹產生的兩種脫硫渣化學成分和XRD圖譜(分析中未包括金屬鐵),主要礦物組成為C、f-CaO、Fe3O4、Ca(OH)2和MgO等。也有研究者研究得出鐵水脫硫渣中含有的主要物相為硅酸二鈣、鐵酸鎂、金屬鐵、硅酸三鈣和磁鐵礦,半定量分析結果表明尾渣中含有大量的硅酸二鈣和硅酸三鈣,兩者的總含量高達82.00%,鐵酸鎂、金屬鐵和磁鐵礦的含量較少,僅占18.00%。據此可推斷鐵水脫硫渣應具有水硬膠凝性。5化學成分分析轉爐鋼渣是采用轉爐煉鋼時鋼水中的硅等雜質與石灰、鎂砂等造渣劑以及因爐襯侵蝕形成的以硅酸鹽、鐵酸鹽礦物為主的渣。每冶煉1t鋼水產生約140kg轉爐鋼渣,因此轉爐鋼渣成為鋼鐵工業除高爐渣之外產生量最大的冶煉渣。另外我國為延長轉爐爐齡普遍采用濺渣護爐技術,熔融態的轉爐鋼渣粘度較電弧爐鋼渣大,其中的MgO含量高于電弧爐鋼渣,一般為8%~12%。另外,造渣時一般加入過量石灰,致使轉爐鋼渣中的f-CaO含量偏高,一般為1%~15%,導致轉爐鋼渣的體積安定性不良,不利于后續的綜合利用。某鋼廠兩個批次轉爐鋼渣化學成分見表3。轉爐鋼渣中主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、RO相、鐵酸二鈣、橄欖石、游離石灰等,具有水硬膠凝性,可以緩慢水化硬化。長期以來被水泥廠用作水泥混合材,近年來隨著混凝土摻合料產業的興起,也有將轉爐鋼渣磨細用作混凝土摻合料。6歐盟電弧爐預應力技術電弧爐煉鋼冶煉工藝縮短,能耗顯著低于高爐煉鐵→轉爐煉鋼(二者單位能耗分別約270kg/t和600kg/t)。西方發達國家廢鋼產生量大,因此電弧爐煉鋼比例遠高于我國,歐盟最近幾年來的電弧爐煉鋼比例已接近60%,美國達到40%,而我國僅10%。我國目前普遍采用的是大功率電弧爐單渣法煉鋼。某鋼廠電弧爐鋼渣的化學成分和礦物組成見表4和圖4。對比轉爐鋼渣和電弧爐鋼渣化學成分礦物組成,可見電弧爐鋼渣中全鐵含量(Fe2O3和FeO中的鐵)比轉爐鋼渣高約5%,MgO含量稍低,主要礦物組成與轉爐鋼渣相同,為C3S、C2S、RO相等。但f-CaO含量較低。7b精密度和礦物組成為了滿足市場對潔凈鋼生產的需求,國內鋼廠普遍重視二次精煉工藝,截止到“十一五”末,我國鋼鐵工業精煉比已達到70%。爐外精煉工藝方法種類繁多,基本上分為真空和非真空精煉兩大類,主要包括LF(鋼包爐)精煉工藝、鋼包吹氬精煉工藝(LT)、CAS或IR-UT浸漬罩吹氬精煉工藝、VD真空精煉工藝、RH真空精煉工藝、VOD真空吹氧精煉工藝、AOD氬氧精煉工藝、ASEA-SKF真空電弧加熱+電磁攪拌工藝等,其中前5種精煉工藝應用得最普遍。目前,有關精煉渣的概念較為混亂。很多鋼廠將鋼廠精煉時加入的渣料稱為精煉渣或精煉合成渣,也有將鋼水精煉后排出的廢渣稱為精煉渣、精煉廢渣或鑄余渣。本文中的精煉渣指的是后者。每精煉1t鋼水,約產生精煉渣20~50kg。精煉渣的化學成分和礦物組成因采用的精煉工藝不同有所差異。表5和圖5、圖6、圖7是某鋼廠幾種精煉渣的化學成分和XRD圖譜。分析得知,精煉渣由于種類不同礦物組成有所差異,主要礦物有硅酸鹽和鋁酸鹽,如C3S、C2S、C12A7等。國內對LF路精煉渣的研究表明,LF爐精煉廢渣成分屬鋁酸鈣渣系范疇,LF爐精煉過程加入的造渣料相互作用生成多種鈣鋁酸鹽和硅鈣系復雜物相。相比轉爐渣而言,精煉渣中Fe2O3含量低,Al2O3含量較高,冷卻過程中由于發生β-C2S向γ-C2S的晶型轉變體積變大導致精煉渣幾乎完全粉化。從礦物組成來判斷,精煉渣具有水硬膠凝性。8高爐水渣的活性(1)鋼鐵冶煉工藝會產生高爐渣、鐵水預處理渣、轉爐鋼渣或電弧爐鋼渣、精煉渣等冶煉渣,產率按噸鋼或噸鐵計分別為:0.