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我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 　　摘要我国钢渣、赤泥、铜渣和局部铁合金渣年排放量在千万吨甚至亿吨级，难以大量用于传统的水泥、混凝土或道路项目领域，是难利用的大宗冶金固废本文分析了以上典型冶金固废大宗资源化利用的现状，指出了制约大宗资源化利用的瓶颈问题;进一步提出砂石骨料、陶瓷材料、人造石材在我国具有年亿吨级乃至百亿吨级的市场需求，适合作为冶金固废利用的大宗量出口，并综述了这一领域冶金渣低本钱制备烧结陶粒、冶金渣制备陶瓷和烧结砖、熔渣调质制备骨料以及熔渣人造石材制备等方面研究取得的进展，包括在新建年10万吨基于带式焙烧机原理的固废陶粒生产线上进行了赤泥掺加质量分数50%～65%的烧结陶粒工业化生产试验;分别掺入30%~50%质量分数的赤泥和钢渣，掺入质量分数50%~80%的铜渣，先后完成了陶瓷砖和烧结砖的工业化中试以及工业化生产实验;参加质量分数12.96%的砂子对熔融电炉渣进行调质并制备砂石骨料、基于“Petrurgic〞工艺的利用熔渣制备石材技术也完成了工业化和中试试验在此根底上提出了固废的大宗量利用、协同利用、节能减碳利用和与智能化结合的资源化利用是这一领域技术开展的主要趋势。

　　关键词冶金固废;大宗利用;钢渣;赤泥;铜渣;铁合金渣　　冶金行业是国民经济的重要根底工业，为我国经济社会开展做出了重要的奉献2022年我国钢铁行业粗钢产量达10.65亿吨，占世界产量的56.7%[1];氧化铝行业产量7100万吨，占世界产量的53%[2];铁合金，铜等十种有色金属产量分别到达3420万吨和6188万吨[3]，接近世界产量的一半当我国冶金行业提供了约占世界一半冶金产品的时候，也排放了约占世界一半的冶金固废其中，每产粗钢、氧化铝和粗铜将分别排放约150kg钢渣、1.5赤泥和2.2铜渣，每产镍铁合金、硅锰铁合金和铬铁合金将分别排放约镍铁渣、硅锰渣和1.2铬铁渣　　我国相应排放钢渣约1.5亿吨，赤泥约1.1亿吨、铜渣接近2000万吨、镍铁渣超过3000万吨、硅锰渣和铬铁渣分别超过和接近1000万吨[6]上述冶金固废到达千万吨乃至亿吨的大宗量级别，总体利用率低于30%，总堆存量数十亿吨，不仅占用大量的土地，还形成严重的平安和环境污染隐患　　冶金方向论文范例：烧结压力对铜基粉末冶金摩擦材料性能的影响　　作为一个工业制造大国，要实现工业系统的绿色开展，就亟需发展大宗冶金固废资源化利用技术的研究和应用。

我国冶金工业的现状决定了我国冶金固废资源化利用的难度我国冶金行业产能不仅约占世界一半，数量巨大，而且分布集中，导致冶金渣排放集中，比方钢铁行业主要分布在环渤海、长江沿岸等区域;氧化铝主要集中在山东、山西、河南等省份人类工业开展史上没有出现过如此大规模和高度集中的冶金渣排放，西方冶金工业兴旺国家对冶金固废利用的成熟技术难以解决我国大宗冶金固废资源化利用的需求因此，我国大宗冶金固废的资源化利用是一个具有国内重大需求的世界性难题，需要自主创新开展　　1冶金固废的大宗利用现状　　传统大宗冶金固废主要利用渠道是用于水泥、混凝土或道路项目等行业钢渣、赤泥、铜渣和局部铁合金渣利用率低的主要因素在于其存在有害组分、胶凝活性低、成分波动大等资源禀赋差的特性，也存在固废分布集中、产品市场受限等其它因素，从而很难实现在水泥和混凝土等领域的大量应用典型冶金渣的大宗利用现状如下　　1.1钢渣的特点及大宗利用现状　　钢渣种类多样，除了转炉炼钢过程排放的转炉钢渣，其它还有电炉炼钢过程排放的电炉钢渣、不锈钢冶炼过程排放的不锈钢钢渣，也有企业把铁水预处理、精炼等炼钢相关工艺排放的预处理渣、精炼渣、铸余渣等也算作钢渣局部钢铁厂将这些废渣全部排放到渣场处理，不同的废渣被混合，大大增加了钢渣的利用难度。

　　在我国，目前约90%的粗钢采用转炉炼钢工艺生产[1]，钢渣中转炉钢渣对应占比接近90%钢渣处理主要经过热态钢渣冷却和冷渣破碎磁选工艺，以实现回收10%~15%具有经济价值的铁质组分，同时残余85%左右难以利用的钢渣尾渣通常所说的钢渣即是指这局部磁选后的转炉钢渣尾渣转炉钢渣安定性不良的特点正是钢渣难以利用的一个最重要因素　　相关研究说明：钢渣尾渣含有安定性不良的游离氧化钙和游离氧化镁矿物，这些矿物在遇水后体积会膨胀为原体积的1.98倍和2.48倍，并且反馈速度迟缓[78]如果这些矿物在建筑服役过程中发生水化，那么会导致建筑出现开裂、鼓包甚至整体失去强度等为了更好的利用钢渣，通常采用将钢渣与粉煤灰、煤矸石或矿渣复合双掺或三掺的方法参加到水泥中，但钢渣在水泥中的实际掺量仍然小于10%较少或不含水泥熟料的全固废胶凝材料中氢氧化钙类水化产物较少，将钢渣作为原料应用到这些新的全固废胶凝材料体系是提高钢渣掺量的一个有效方法[9]　　此外，将钢渣磨细至比表为550m·kg或更细被认为能够加速钢渣中游离氧化钙的反馈速度，防止后期膨胀，有望成为钢渣利用的有效途径但是粉磨本钱是关键，目前低本钱粉磨技术仍在开展中。

不同区域的钢渣成分变化大，根据钢渣特性进行分类利用具有重要意义我国大局部区域的钢渣中MgO质量分数为%~6%，然而鞍山、唐山和邯郸等地区局部钢铁厂的氧化镁质量分数为%~13%由于游离氧化镁的水化后的体积膨胀率是游离氧化钙的倍以上，反馈更迟缓，还不足成熟的检测办法，因此氧化镁含量较高的钢渣的安定性不良隐患较大，对其使用需要更加谨慎由于冶炼工艺不同，电炉钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁含量相对较低，含铁组分的磁选效率较差　　因此，电炉钢渣直接用作骨料的前景优于转炉钢渣兴旺国家工业开展较早，社会废钢蓄积量多，主要采用以废钢为主要原料的电炉炼钢，电炉钢渣数量较多，欧洲和美国排放钢渣中超过一半的数量用于筑路，特别是沥青路面，并取得很好的效果[10]我国钢渣的类型与兴旺国家不同，以转炉渣为主，电炉炼钢比例仅为10%左右因此，我国在电炉钢渣筑路方面起步较晚，目前研究多以转炉钢渣为主，研究已进入应用示范阶段[1112]　　不锈钢在电炉冶炼过程排放的钢渣Cr质量分数在2.92%10.4%之间，这也使得不锈钢钢渣目前难于直接掺入水泥或混凝土中保证不锈钢钢渣资源化产品的绿色平安是其大宗利用的先决条件从排渣前对高温炼钢熔渣进行调质，使更多的重金属元素Cr、Mn等进入尖晶石等晶体结构中，磁选别离或稳定固结更多的重金属元素，以保证磁选后尾渣的绿色平安[13]。

这已成为目前研究的热点方向　　在固废分布集中方面，以我国唐山市为例唐山市钢铁产量就超过了1.4亿吨，超过了世界上其他国家的钢铁产量，因此，仅唐山市的相应钢渣数量就超过了其他任何一个国家的钢渣排放数量，到达2160万吨;而美国和日本的钢渣数量仅1320万吨和1490万吨(产渣量按照粗钢产量质量分数的计算)[1]　　不仅如此，唐山市还有更大量的高炉渣、煤矸石、铁尾矿等固体废弃物产生，这些固体废弃物在固废建材市场也与钢渣形成竞争同时，唐山市的道路项目数量仅1.9万km，即使考虑河北省，也才19.7万km，仍然低于日本(2.5万km)、美国(71.13万km)等一个数量级[1417];唐山水泥产量仅454.3万吨，日本、美国及韩国的水泥产量为唐山的.42.6倍[1819]因此，这从量上也限制了钢渣在道路和建筑项目上的应用其它冶金渣利用方面也存在类似的难题　　1.2赤泥的特点及大宗利用现状　　我国赤泥以拜耳法赤泥为主，其组分以氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钠和氧化钙为主，还含有Cr、Cd、Mn、Pb或As等重金属元素，并可能存在放射线元素等有害组分其中，赤泥中氧化钠质量分数在%~16%，pH值为9.712.8[20]。

赤泥的高碱性是其形成危害和难以资源化利用的主要原因[21]赤泥碱性物质分为可溶性碱和化学结合碱可溶性碱包括NaOH、NaCO、NaAl(OH)等，通过水洗仅能清除局部可溶性碱，仍有局部残留在赤泥难溶固相外表并随赤泥堆存[22]　　结合碱多存在于赤泥难溶固相中，如方钠石(NaAlSi24·(OH)(HO))、钙霞石(NaCaAlSi24(CO2H)等[21]，这类含水矿物并不稳定，存在一定的溶解平衡，从而导致赤泥仍然具有碱性但难以通过水洗直接清除在硅酸盐水泥中，一方面游离的Na会在毛细力作用下向外迁移，另一方面硅酸盐水泥中大量的Ca2+进一步取代硅酸盐中的Na，加剧了Na的溶出和返碱，这导致赤泥建材产品广泛存在返碱防霜问题，因而不能大量掺入赤泥[23]此外，水泥混凝土及制品中大量的Na还会进一步与骨料中的SiO发生碱骨料反馈，生成水化凝胶而使得体积膨胀，材料结构被破坏，导致建筑产品开裂、耐久性能恶化因此，赤泥在普通水泥混凝土类建筑材料中难以大量利用　　道路项目中能够大量使用赤泥作为原料[24]，但是赤泥仅是作为附加值较低的路基材料，运输半径小，而当地道路项目工程的数量有限，因此，该办法市场规模小，难以持续消纳固废。

同时，冶金固废在道路项目中的应用还波及冶金‒环保‒材料‒交通等多个行业，对此没有较为统一的认识，也不足相关应用规范的制定，一定程度制约了该技术的应用如果将赤泥与高硅铝的粉煤灰、煅烧煤矸石等进行混合[2526]，可以制备出碱激发胶凝材料，能够实现钠离子较稳定的固结但是，赤泥中的钠离子仅是作为激发剂，赤泥的掺量低;更为关键的是，碱激发胶凝材料的研发整体上还处于实验室到中试阶段，仍然未能大规模应用　　目前对高铁赤泥进行磁选并获得铁精粉的技术已成熟，该技术能够实现赤泥的减量化，但是对磁选尾泥难以利用我国目前选铁处理赤泥产能约1900万吨，主要分布在广西、山东、云南和山西等地磁选的铁精粉(减排量)质量分数在10%~20%，铁品位在47%~60%利润主要受到铁精粉价格的影响而波动，选铁本钱60150元，铁精粉售价50350元从赤泥中首先提碱或提取有价元素等是赤泥规模化利用的一条重要途径，但是赤泥湿法提取过程还会混入更多杂质甚至环境有害组分，这将使得尾泥更难以利用　　1.3铜渣的特点及大宗利用现状　　现阶段，铜渣主要耗费方向是回收有价金属，代替砂石，制备水泥和其他建筑材料等，其他大宗利用方向还不多见[27]。

铜渣中铜利用率低于12%，铁利用率低于1%[28]铜渣化学组成中含有质量分数35%~45%的全Fe和约40%的SiO，1.2%~4.6%的金属Cu，还存在Pb、Zn、Ni等重金属元素铜渣的化学组成决定了其矿物组成以铁橄榄石为主，短少胶凝活性，这一特点制约了其在水泥混合材或混凝土掺合料中的利用　　铜渣本身硬度较大，适合作为砂石骨料;但是为了提取其中质量分数.8~5%的铜元素，通常将其先粉磨至250目后进行浮选，这使得最终形成的浮选尾渣因太细而难以作为砂石骨料，也不能大规模用于道路项目将铜渣中的化学组成超过一半的Fe组分通过磁选或高温过程复原回收是另外一条大宗利用的途径然而铜渣中氧化铁主要是以和氧化硅结合成橄榄石的形式存在，铜渣磁选难以别离;对铜渣进行熔融复原需要大量的氧化钙等溶剂成分，渣铁比高，这使得提铁本钱大大提高更为重要的是铜渣中存在铜、硫等炼钢有害元素，这限制了其作为原料在钢铁行业中的大量应用　　1.4铁合金渣的特点及大宗利用现状　　铁合金渣种类多，资源化利用的特点并不相同不同铁合金渣的组成如表所示，其中镍铁渣包括矿热炉冶炼的电炉镍铁渣和高炉冶炼的高炉镍铁渣　　高炉镍铁渣的排渣工艺和成分接近普通高炉渣，具有相对较高的氧化铝和氧化镁，其成分如表所示。

相对电炉镍铁渣，水淬的高炉镍铁渣含有玻璃相，胶凝活性较高，因而获得较好的利用，已广泛用于水泥、混凝土行业。