新疆钢渣成渣工艺及集料化分析研究

陈 伟，俞海明，李 倩

（1.新疆交通建设集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830016；2.新疆交建公路规划勘察设计有限公司，新疆 乌鲁木齐 830016；3.新疆中合大正冶金科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 830022；4.新疆农业职业技术学院，新疆 昌吉 830000）

0 引言

我国自上世纪改革开放以来经济得到飞跃式发展，在市场经济激励下各大支柱产业从技术到规模上不断提升。钢材作为基础设施必不可少的原材料，钢铁产业规模屡创新高，但炼钢末端产物——钢渣在一定空间内未受到关注，直到21世纪以来国际对生态环境越发重视和我国发达省份钢渣存量已严重制约到企业发展，人们才对钢渣如何资源化和规模化循环应用进行探索和深入研究。以马钢、宝钢、武钢、鞍钢、太钢等为首的大型企业，通过实践推动了钢渣在公路工程中的应用，但在钢渣化学成分对稳定性的影响上认识不清，部分工程所用钢渣f-CaO含量过高或未陈化稳定，致使出现拥包、鼓胀的结构性破坏，后期众多学者也对此进行了深入研究。

新疆钢渣的资源化应用领域范围较小，主要包括水泥生产的掺合料、制砖以及炼钢过程中的返烧结材料，并未形成规模量化应用场景。2008年，对钢渣作为公路集料进行了物理力学试验分析，各项指标均满足规范要求，但2015年之前钢渣在新疆公路领域从未进行过系统化研究和应用。在近几年，随着生态意识的加强和资源短缺，公路建设过程中对原材料的大量需求促使钢渣可作为一种潜在的筑路材料。其中，高崇[1]、郭丽霞[2]、徐桂花[3]等人对新疆钢渣在水稳基层和沥青面层进行了试验研究，并根据研究结果将钢渣进行了规模化应用。解英明[4]等人将钢渣应用于“三供一业”及市政道路中，效果良好。上述研究成果对钢渣的实际应用进行了分析，但新疆炼钢企业分布众多，全疆钢渣的品质对公路化应用影响重大，因此，本文从新疆钢渣成渣工艺、矿物组成和集料化性能进行分析，加强钢渣的科学化应用，寻求碳达峰及碳中和技术路径[5-6]。

1 新疆钢渣成渣工艺和产能分析

按炼钢工艺和炼钢炉的炉型不同，新疆钢渣可分为转炉渣和电炉渣，转炉渣以炼制铁矿石为主，电炉渣以炼制废旧回收钢铁材料为主。考虑能耗和经济效益，新疆现有钢铁生产情况以转炉为主，电炉方式仅有2家规模较小的企业在应用。而原渣处理工艺中，经过长期发展和受气候条件的制约，新疆当前采用热泼法和热闷法两种形式，最后经破碎（柱磨）磁选工艺形成具有一定级配的粒径颗粒，其中热闷法是现有钢渣处理工艺中比较先进的方式，其原理是利用钢渣余热，在有盖容器内加入冷水后使其成为蒸汽而使钢渣在高温高压下进一步分解破碎，喷水闷渣时长一般在8～12 h。而热泼法主要特点是操作简单便捷，对企业技术要求较低，在露天环境下进行。

本文对新疆钢渣分布状态及成渣工艺进行了调研，从表1可以看出，新疆钢铁企业主要集中在北疆的乌鲁木齐和昌吉地区，并且从图1中的钢渣产能来看，截至2020年北疆地区（含乌昌区域）现有钢渣存量与年钢渣产量位列全疆首位，占比73%，而乌昌区域占比就达到56%，南疆地区占比22%，东疆地区占比5%。在长期生产过程中，钢渣未得到量化循环利用，尤其是在乌昌地区钢渣大量堆积，对社会环境造成负面影响。

表1 新疆钢渣分布及成渣工艺分析Tab.1 Distribution of steel slag in Xinjiang and analysis of slag forming process

图1 新疆钢渣分布情况Fig.1 Distribution of steel slag in Xinjiang

2 钢渣矿物组成分析

对新疆热泼法和热闷法处理形成的钢渣进行不同批次和年度的长期化学组成检验分析，实测数据如表2所示。从检测结果可看出，钢渣主要由钙、铁、铝、镁等的金属氧化物组成，并含有少量的其他氧化物。根据热泼法和热闷法成渣工艺，在f-CaO含量上有一定区分。其中热泼法f-CaO含量在3%左右，且波动性较大。而热闷法在高温高压过程中促使钢渣发生一系列以化学反应为主的相变反应和物理裂解反应，包括f-CaO+H2O→Ca(OH)2，加速钢渣的陈化崩解，最终表现出较稳定的性能，因此相对热泼法，热闷法f-CaO含量较低，一般在2.5%左右，有利于钢渣在公路中的应用。

表2 钢渣化学成分检测Tab.2 Chemical composition detection of steel slag

通过X衍射，钢渣的主要成分有钙镁橄榄石（CaORO-SiO2）和氧化铁相、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、硅酸三钙（3CaO·SiO2)、铁酸钙（CaO-FeO）、铁酸二钙（2CaO·Fe2O3）、f-CaO、RO（RO代表镁、铁、锰的氧化物形成的固溶体总称）等，如图2所示。

图2 钢渣X衍射图谱Fig.2 X-ray diffraction pattern of steel slag

其矿物成分与水泥主要物质相似，并且在钢渣料堆表面存在一定厚度的胶结层，说明钢渣具有水化胶凝的特性。而钢渣除了有图2中所含矿物外，能起到胶凝特点的另一原因就是钢渣成分中含有大量的CaO。根据表2钢渣化学成分和已有学者总结的碱度值计算，新疆钢渣碱度一般在2.5以上，属于高度碱钢渣，具有较高活性，可为渣体提供碱性环境，促进胶凝产物的生成。钢渣用于路面结构有利于无机结合料掺配水泥强度的提高，同时在沥青混合料中，沥青为酸性物质，选用集料一般要求为碱性，钢渣可增强其与沥青的粘附性[7]。

3 集料化性能分析

3.1 稳定性分析

在高温作用下，钢渣中存在部分对体积稳定性影响较大的f-CaO，其遇水反应后会使固体体积变大，从内部造成损坏[8-9]。从表2可知由于成渣工艺不同，热泼渣f-CaO含量大于热闷渣，主要原因为热闷渣在高温高压下加速了钢渣中f-CaO的陈化消解。本文对不同成渣工艺的钢渣在自然环境下f-CaO的降解进行了监测，其实际变化规律如图3所示。监测周期为2018年5月至2020年5月，共24个月，以3个月为间隔对f-CaO含量进行检测。

图3 不同成渣工艺钢渣f-CaO自然环境下的变化趋势Fig.3 Change Trend of f-CaO Steel Slag with Different Slag Forming Processes in Natural Environment

从图3可看出，两种成渣工艺在自然环境下f-CaO含量呈下降趋势，说明f-CaO在自然降水过程中持续陈化降解。但在变化趋势中出现两处阶梯状下降，结合实际月份可知，这两处时间分别处于新疆冬季（即11月至次年2月），均是新疆冬季自由水较少的时期，所以f-CaO降解速度很慢。而在过了此阶段之后，有一个f-CaO含量快速下降的趋势，特别是在第一个年度周期内，这是在春季大量冰雪消融和雨水共同作用下，加速了f-CaO消解，说明在新疆气候环境整体表现为干旱少雨的情况下（当然也有局部气候环境降水量比较多的区域），钢渣中f-CaO的消解与季节有一定关系，主要集中在春、夏、秋三季。若上述3个季节降水量均偏少，则对f-CaO的消解有较大影响，因此热泼法钢渣工程化应用时应在自然环境或洒水加速陈化降解至稳定状态（f-CaO≤3%）[10]。

3.2 物理性能分析

根据相关试验规程对钢渣进行物理性能测定，试验结果见表3。

表3 钢渣物理力学指标Tab.3 Physical and mechanical indexes of steel slag

从表3试验结果可看出，钢渣集料化性能良好，各项指标均满足现行沥青路面和稳定基层标准要求，压碎值、坚固性和磨光值性能较好，优于一般石材物理指标。同时，从坚固性和磨光值检测结果来看，其性能高于材质较好的玄武岩，新疆沥青面层粗集料磨光值一般在38～39，玄武岩类石质可达到40，说明钢渣具有良好的耐磨性，用于沥青面层可发挥其良好的特性，并提高沥青路面的行车安全指数。

此外，钢渣的工程粒径主要集中分布于5～10 mm和 10～15 mm 区间（见表 4），4.75～16.0 mm 筛孔含量可占到50%左右。钢渣粒径与破碎磁选工艺关系密切，磁选中采用棒磨将大粒径钢渣进一步破碎并回收其中的铁，在长期生产过程中若钢渣铁含量大于2%，则钢渣超粒径颗粒大为增加，并且金属铁后期遇水生锈也会带来体积不稳定、剥落等问题，不利于钢渣集料化工程应用。

表4 钢渣颗粒组成分析Tab.4 Composition analysis of steel slag particles

4 效益分析

4.1 经济效益分析

近两年来，钢渣在公路及其他相关领域得到规模化应用，以高速公路等级计算，钢渣掺量在30%条件下，根据工程配合比表5和表6，其中水稳基层每公里可节约成本约20万元，沥青面层每公里可节约成本约15万元。新疆砂石料获取便捷，与其他省份相比单价较低，若新疆自然资源受国家环保理念宏观控制或加大钢渣掺配比例，钢渣则会表现出显著的经济效益。

表5 水稳钢渣砾石基层级配和原材料综合成本Tab.5 Gradation of water-stabilized steel slag gravel base and comprehensive cost of raw materials

表6 钢渣沥青面层级配和原材料综合成本Tab.6 Gradation of asphalt surface layer of steel slag and comprehensive cost of raw materials

4.2 生态效益分析

综合考虑《公路工程预算定额》（JTG/T 3832—2018）、《公路工程机械台班费用定额》（JTG/T 3833—2018）和新疆相关补充定额，结合社会平均生产水平，每生产1吨集料需消耗柴油0.640 7 kg、电0.302 kW·h。在《综合能耗计算通则》中可知柴油的二氧化碳排放系数为3.095 9 kg/kg，原煤二氧化碳排放系数为1.900 3 kg/kg，而火电对煤的消耗量为0.32 kg/kW·h。考虑等质量替换，则每应用1 t钢渣，可减少二氧化碳排放量为

3.095 9 kg/kg × 0.640 7 kg + 1.900 3 kg/kg ×0.302 kW ·h × 0.32 kg/kW ·h = 2.167 2 kg

以规模化应用100万吨计算，累计减少二氧化碳排放量为2 167.2 t，具有一定的生态效益，有利于公路建设绿色发展。

5 结论

通过对新疆钢渣成渣工艺的分析，研究了两种成渣工艺下钢渣的化学矿物组成、稳定性和物理技术指标，并对钢渣集料化应用的效益进行分析，主要结论如下：

（1）当前新疆钢渣成渣工艺有热泼法和热闷法，钢渣存量为1 800万吨，主要集中于北疆的乌昌地区，占新疆钢渣总量的56%，未得到有效的量化循环利用。

（2）不同成渣工艺钢渣中化学成分相对稳定，且矿物组成与水泥相似，在钢渣自身碱性作用下，有利于无机结合料掺配水泥强度的提高，并增强其与沥青的黏附性。

（3）由于工艺原理不同，热泼渣f-CaO含量一般在3.0%，热闷渣f-CaO含量一般在2.5%，同时受新疆季节影响，在自然状态下冬季f-CaO降解幅度较小，因此对于热泼渣建议洒水加速陈化降解至稳定状态，减少陈化稳定周期。

（4）钢渣物理指标满足现行规范技术要求，且优于新疆常规碎、砾石指标，具有一定工程级配，可作为路面结构层集料进行规模化应用，并且经济生态效益显著，有利于公路建设绿色发展。