我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 李宇刘月明 Progress and trend of bulk utilization technology of metallurgical solid wastes in China LI Yu,LIU Yue-ming 引用本文： 李宇，刘月明.我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势.工程科学学报，2021,43(12)：1713-1724.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2021.09.15.003 LI Yu,LIU Yue-ming.Progress and trend of bulk utilization technology of metallurgical solid wastes in China[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(12:1713-1724.doi10.13374j.issn2095-9389.2021.09.15.003 在线阅读View online::htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2021.09.15.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 典型铁合金渣的资源化综合利用研究现状与发展趋势 Review of comprehensive utilization of typical ferroalloy slags 工程科学学报.2020.42(6：663 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.03.10.003 赤泥基光催化材料降解水中有机污染物的应用现状及发展趋势 Review on the application and development of red mud-based photocatalytic materials for degradation of organic pollutants in water 工程科学学报.2021,43(1)：22 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.07.30.003 石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 Influence mechanism of limestone powder on red mud-based grouting material 工程科学学报.2021,43(6：768 https::1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.12.01.005 我国铜矿微生物浸出技术的研究进展 Progress of research in copper bioleaching technology in China 工程科学学报.2019,41(2：143 https:oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.001 不同镁含量钢渣陶瓷的致密化机制 Densification mechanism of slag ceramics with different magnesium contents 工程科学学报.2018.40(10：1237 https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.10.011 钢渣改性生物质废弃材料制备生态活性炭及其降解甲醛性能 Preparation of ecological activated carbon based on steel slag-modified biomass waste material and its formaldehyde degradation performance 工程科学学报.2020,42(2：172 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.02.03.001

我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 李宇 刘月明 Progress and trend of bulk utilization technology of metallurgical solid wastes in China LI Yu, LIU Yue-ming 引用本文: 李宇, 刘月明. 我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势[J]. 工程科学学报, 2021, 43(12): 1713-1724. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.003 LI Yu, LIU Yue-ming. Progress and trend of bulk utilization technology of metallurgical solid wastes in China[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1713-1724. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 典型铁合金渣的资源化综合利用研究现状与发展趋势 Review of comprehensive utilization of typical ferroalloy slags 工程科学学报. 2020, 42(6): 663 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.10.003 赤泥基光催化材料降解水中有机污染物的应用现状及发展趋势 Review on the application and development of red mud-based photocatalytic materials for degradation of organic pollutants in water 工程科学学报. 2021, 43(1): 22 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.30.003 石粉对赤泥基注浆材料的影响机制 Influence mechanism of limestone powder on red mud-based grouting material 工程科学学报. 2021, 43(6): 768 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.01.005 我国铜矿微生物浸出技术的研究进展 Progress of research in copper bioleaching technology in China 工程科学学报. 2019, 41(2): 143 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.001 不同镁含量钢渣陶瓷的致密化机制 Densification mechanism of slag ceramics with different magnesium contents 工程科学学报. 2018, 40(10): 1237 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.011 钢渣改性生物质废弃材料制备生态活性炭及其降解甲醛性能 Preparation of ecological activated carbon based on steel slag-modified biomass waste material and its formaldehyde degradation performance 工程科学学报. 2020, 42(2): 172 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.03.001

工程科学学报.第43卷，第12期：1713-1724.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1713-1724,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.003;http://cje.ustb.edu.cn 我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 李宇四，刘月明 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:leeuuO0 @sina.com 摘要我国钢渣、赤泥、铜渣和部分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、混凝土或道路工 程领域，是难利用的大宗冶金固废.本文分析了以上典型治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成本制备烧结陶粒、治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10万吨基于带式培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：分别掺人质量分数40%~60%的赤泥，30%~50%的钢渣，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：加人质量分数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.在此基础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发展的主要趋势. 关键词治金固废：大宗利用：钢渣：赤泥：铜渣：铁合金渣 分类号X756 Progress and trend of bulk utilization technology of metallurgical solid wastes in China LI Yu,LIU Yue-ming State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:leeuu00@sina.com ABSTRACT In China,the annual discharge of steel slag,red mud,copper slag,and most ferroalloy slag has reached 10-100 million tons,these slags are difficult to be resued due to poor utilization in the fields of cement,concrete,or road pavement.The difficult reusing of these wastes requires new theory and technology,particularly due to the huge scale and concentration in their distribution in China. This study analyzed the current situation of the bulk utilization of the abovementioned typical metallurgical solid wastes and summarized the causes of the problems hindering the utilization,including harmful components,low cementitious reactivity,fine particle size, instability in composition,and huge discharge amount in China,distribution concentrated in several areas for a kind of metallurgical solid waste.Owing to a huge market of 100 million tons or even 10 billion tons per year in China,aggregates,ceramic materials,and artificial stones are suitable for the bulk utilization of solid wastes.Relative research progresses in the low-cost preparation of sintered ceramsite from metallurgical slags,slag-based ceramic tiles and fired bricks,modification of molten slags for producing aggregates,and artificial stones directly converted from molten slags were reviewed.During these researches,an experiment on the industrial production of sintered ceramsite with mass fraction of 50%-65%red mud in its raw materials was conducted in a new 100-thousand tons production line.Ceramic tiles and sintered bricks with mass fraction of 40%60%red mud or 30%-50%steel slag,or 50%-80%copper slag were respectively produced in the pilot-scale experiment and industry line.The direct conversion of molten slag into building materials is an energy-saving and carbon-reducing technology.An industrial experiment for modification of a molten electric arc furnace slag with mass 收稿日期：2021-09-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1960201):山东省重大科技创新工程资助项目(2019JZZY010404)

我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 李    宇苣，刘月明 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者， E-mail: leeuu00@sina.com 摘    要    我国钢渣、赤泥、铜渣和部分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、混凝土或道路工 程领域，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成本制备烧结陶粒、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；分别掺入质量分数 40%～60% 的赤泥，30%～50% 的钢渣，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；加入质量分数 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. 在此基础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发展的主要趋势. 关键词    冶金固废；大宗利用；钢渣；赤泥；铜渣；铁合金渣 分类号    X756 Progress and trend of bulk utilization technology of metallurgical solid wastes in China LI Yu苣 ，LIU Yue-ming State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: leeuu00@sina.com ABSTRACT    In China, the annual discharge of steel slag, red mud, copper slag, and most ferroalloy slag has reached 10–100 million tons; these slags are difficult to be resued due to poor utilization in the fields of cement, concrete, or road pavement. The difficult reusing of these wastes requires new theory and technology, particularly due to the huge scale and concentration in their distribution in China. This study analyzed the current situation of the bulk utilization of the abovementioned typical metallurgical solid wastes and summarized the  causes  of  the  problems  hindering  the  utilization,  including  harmful  components,  low  cementitious  reactivity,  fine  particle  size, instability in composition, and huge discharge amount in China, distribution concentrated in several areas for a kind of metallurgical solid waste. Owing to a huge market of 100 million tons or even 10 billion tons per year in China, aggregates, ceramic materials, and artificial stones are suitable for the bulk utilization of solid wastes. Relative research progresses in the low-cost preparation of sintered ceramsite from metallurgical slags, slag-based ceramic tiles and fired bricks, modification of molten slags for producing aggregates, and artificial stones directly converted from molten slags were reviewed. During these researches, an experiment on the industrial production of sintered ceramsite with mass fraction of 50%–65% red mud in its raw materials was conducted in a new 100-thousand tons production line. Ceramic tiles and sintered bricks with mass fraction of 40%–60% red mud or 30%–50% steel slag, or 50%–80% copper slag were respectively produced in the pilot-scale experiment and industry line. The direct conversion of molten slag into building materials is an energy-saving and carbon-reducing technology. An industrial experiment for modification of a molten electric arc furnace slag with mass 收稿日期: 2021−09−15 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1960201）；山东省重大科技创新工程资助项目（2019JZZY010404） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1713−1724，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1713−1724, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.15.003; http://cje.ustb.edu.cn

1714 工程科学学报，第43卷，第12期 fraction of 12.96%sand added during its discharge process without any energy supply was completed,and the modified slag was further converted into an artificial aggregate with qualified volume stability properties.A casting stone with low production cost was prepared directly from the modified molten slag in small-scale experiments using the "Petrurgic"heat treatment method.Finally,main trends of the utilization technology for the metallurgical slag were further put forward,including the large-scale utilization technologies, synergistic utilization technology for different solid wastes,energy-saving or recovery and carbon reduction technologies during the utilization process,and intelligent technologies integrated into the resource's utilization process.Besides these four aspects,the change and improvement of approach toward solid wastes,management of solid wastes,and promotion of new technology applications for people in the production,treatment,and management departments in the metallurgical industry are especially important. KEY WORDS metallurgical solid waste;bulk utilization technology;steel slag;red mud;copper slag;ferroalloy slag 冶金行业是国民经济的重要基础工业，为我 和部分铁合金渣利用率低的主要因素在于其存在 国经济社会发展做出了重要的贡献.2020年我国 有害组分、胶凝活性低、成分波动大等资源禀赋 钢铁行业粗钢产量达10.65亿吨，占世界产量的 差的特性，也存在固废分布集中、产品市场受限等 56.7%:氧化铝行业产量7100万吨，占世界产量 其他因素，从而很难实现在水泥和混凝土等领域 的53%，铁合金，铜等十种有色金属产量分别达 的大量应用.典型冶金渣的大宗利用现状如下 到3420万吨和6188万吨1，接近世界产量的一半. 1.1钢渣的特点及大宗利用现状 当我国冶金行业提供了约占世界一半治金产 钢渣种类多样，除了转炉炼钢过程排放的转 品的时候，也排放了约占世界一半的治金固废.其 炉钢渣，其他还有电炉炼钢过程排放的电炉钢渣、 中，每产1t粗钢、氧化铝和粗铜将分别排放约150kg 不锈钢冶炼过程排放的不锈钢钢渣，也有企业把 钢渣、1.5t赤泥和2.2t铜渣，每产1t镍铁合金、 铁水预处理、精炼等炼钢相关工艺排放的预处理 硅锰铁合金和铬铁合金将分别排放约6t镍铁渣、 渣、精炼渣、铸余渣等也算作钢渣.部分钢铁厂将 1t硅锰渣和1.2t铬铁渣.我国相应排放钢渣约 这些废渣全部排放到渣场处理，不同的废渣被混 1.5亿吨，赤泥约1.1亿吨、铜渣接近2000万吨、 合，大大增加了钢渣的利用难度 镍铁渣超过3000万吨)、硅锰渣和铬铁渣分别超 在我国，目前约90%的粗钢采用转炉炼钢工 过和接近1000万吨上述冶金固废达到千万吨 艺生产川，钢渣中转炉钢渣对应占比接近90%.钢 乃至亿吨的大宗量级别，总体利用率低于30%，总 渣处理主要经过热态钢渣冷却和冷渣破碎磁选工 堆存量数十亿吨，不仅占用大量的土地，还形成严 艺，以实现回收10%~15%具有经济价值的铁质组 重的安全和环境污染隐患.作为一个工业制造大 分，同时剩余85%左右难以利用的钢渣尾渣.通常 国，要实现工业系统的绿色发展，就亟需开展大宗 所说的钢渣即是指这部分磁选后的转炉钢渣尾渣 冶金固废资源化利用技术的研究和应用 转炉钢渣安定性不良的特点正是钢渣难以利 我国冶金工业的现状决定了我国冶金固废资 用的一个最重要因素.相关研究表明：钢渣尾渣含 源化利用的难度.我国冶金行业产能不仅约占世 有安定性不良的游离氧化钙和游离氧化镁矿物， 界一半，数量巨大，而且分布集中，导致冶金渣排 这些矿物在遇水后体积会膨胀为原体积的1.98倍 放集中，比如钢铁行业主要分布在环渤海、长江沿 和2.48倍，并且反应速度缓慢-刷如果这些矿物 岸等区域；氧化铝主要集中在山东、山西、河南等 在建筑服役过程中发生水化，则会导致建筑出现 省份.人类工业发展史上没有出现过如此大规模 开裂、鼓包甚至整体失去强度等.为了更好的利 和高度集中的冶金渣排放，西方治金工业发达国 用钢渣，通常采用将钢渣与粉煤灰、煤矸石或矿渣 家对冶金固废利用的成熟技术难以解决我国大宗 复合双掺或三摻的办法加入到水泥中，但钢渣在 治金固废资源化利用的需求.因此，我国大宗冶金 水泥中的实际掺量仍然小于10%.较少或不含水 固废的资源化利用是一个具有国内重大需求的世 泥熟料的全固废胶凝材料中氢氧化钙类水化产物 界性难题，需要自主创新发展 较少，将钢渣作为原料应用到这些新的全固废胶 凝材料是提高钢渣掺量的一个有效办法四.此外， 1冶金固废的大宗利用现状 将钢渣磨细至比表为550m2kg1或更细被认为能 传统大宗冶金固废主要利用渠道是用于水 够加速钢渣中游离氧化钙的反应速度，避免后期 泥、混凝土或道路工程等行业.钢渣、赤泥、铜渣 膨胀，有望成为钢渣利用的有效途径.但是粉磨成

fraction of 12.96% sand added during its discharge process without any energy supply was completed, and the modified slag was further converted into an artificial aggregate with qualified volume stability properties. A casting stone with low production cost was prepared directly from the modified molten slag in small-scale experiments using the “Petrurgic” heat treatment method. Finally, main trends of the  utilization  technology  for  the  metallurgical  slag  were  further  put  forward,  including  the  large-scale  utilization  technologies, synergistic  utilization  technology  for  different  solid  wastes,  energy-saving  or  recovery  and  carbon  reduction  technologies  during  the utilization process, and intelligent technologies integrated into the resource’s utilization process. Besides these four aspects, the change and  improvement  of  approach  toward  solid  wastes,  management  of  solid  wastes,  and  promotion  of  new  technology  applications  for people in the production, treatment, and management departments in the metallurgical industry are especially important. KEY WORDS    metallurgical solid waste；bulk utilization technology；steel slag；red mud；copper slag；ferroalloy slag 冶金行业是国民经济的重要基础工业，为我 国经济社会发展做出了重要的贡献. 2020 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达 到 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 1 t 粗钢、氧化铝和粗铜将分别排放约 150 kg 钢渣、1.5 t 赤泥和 2.2 t 铜渣，每产 1 t 镍铁合金、 硅锰铁合金和铬铁合金将分别排放约 6 t 镍铁渣、 1 t 硅锰渣和 1.2 t 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[4]、 镍铁渣超过 3000 万吨[5]、硅锰渣和铬铁渣分别超 过和接近 1000 万吨[6] . 上述冶金固废达到千万吨 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 重的安全和环境污染隐患. 作为一个工业制造大 国，要实现工业系统的绿色发展，就亟需开展大宗 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，比如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. 人类工业发展史上没有出现过如此大规模 和高度集中的冶金渣排放，西方冶金工业发达国 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，需要自主创新发展. 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、混凝土或道路工程等行业. 钢渣、赤泥、铜渣 和部分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 其他因素，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，其他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. 部分钢铁厂将 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，同时剩余 85% 左右难以利用的钢渣尾渣. 通常 所说的钢渣即是指这部分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. 相关研究表明：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，并且反应速度缓慢[7−8] . 如果这些矿物 在建筑服役过程中发生水化，则会导致建筑出现 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 复合双掺或三掺的办法加入到水泥中，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 凝材料是提高钢渣掺量的一个有效办法[9] . 此外， 将钢渣磨细至比表为 550 m2 ·kg−1 或更细被认为能 够加速钢渣中游离氧化钙的反应速度，避免后期 膨胀，有望成为钢渣利用的有效途径. 但是粉磨成 · 1714 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

李宇等：我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 ·1715· 本是关键，目前低成本粉磨技术仍在发展中 1.2赤泥的特点及大宗利用现状 不同区域的钢渣成分变化大，根据钢渣特性 我国赤泥以拜耳法赤泥为主，其组分以氧化 进行分类利用具有重要意义.我国大部分区域的 硅、氧化铁、氧化铝、氧化钠和氧化钙为主，还含 钢渣中Mg0质量分数为3%~6%，然而鞍山、唐 有Cr、Cd、Mn、Pb或As等重金属元素.其中，赤 山和邯郸等地区部分钢铁厂的氧化镁质量分数为 泥中氧化钠质量分数在7%~16%，pH值为9.7~ 7%~13%.由于游离氧化镁在水化后的体积膨胀 12.820 率是2倍以上，反应更缓慢，还缺乏成熟的检测方 赤泥的高碱性是其形成危害和难以资源化利 法，因此氧化镁含量较高的钢渣的安定性不良隐 用的主要原因]赤泥碱性物质分为可溶性碱和化 忠较大，对其使用需要更加谨慎 学结合碱.可溶性碱包括NaOH、NaCO3、NaAI(OH)4 由于治炼工艺不同，电炉钢渣中的游离氧化 等，通过水洗仅能去除部分可溶性碱，仍有部分残 钙和游离氧化镁含量相对较低，含铁组分的磁选 留在赤泥难溶固相表面并随赤泥堆存2.结合碱 效率较差.因此，电炉钢渣直接用作骨料的前景优 多存在于赤泥难溶固相中，如方钠石(NagAl,Si,O24 于转炉钢渣.发达国家工业发展较早，社会废钢蓄 (OH)h(H,O)2)、钙履石(Na,Ca2Al6Si6O24(CO3)22H2O) 积量多，主要采用以废钢为主要原料的电炉炼钢， 等，这类含水矿物并不稳定，存在一定的溶解平 电炉钢渣数量较多，欧洲和美国排放钢渣中超过 衡，从而导致赤泥仍然具有碱性但难以通过水洗 一半的数量用于筑路，特别是沥青路面，并取得很 直接去除 好的效果1.我国钢渣的类型与发达国家不同，以 在硅酸盐水泥中，一方面游离的Na会在毛细 转炉渣为主，电炉炼钢比例仅为10%左右.因此， 力作用下向外迁移，另一方面硅酸盐水泥中大量 我国在电炉钢渣筑路方面起步较晚，目前研究多 的Ca2+进一步取代硅酸盐中的Na,加剧了Na的 以转炉钢渣为主，研究已进入应用示范阶段- 溶出和返碱，这导致赤泥建材产品广泛存在返碱 不锈钢在电炉冶炼过程排放的钢渣中C2O3 防霜问题，因而产品中不能大量掺入赤泥)此 质量分数在2.92%~10.4%之间，这也使得不锈钢 外，水泥混凝土及制品中大量的Na还会进一步与 钢渣目前难于直接参入水泥或混凝土中，保证不 骨料中的$O2发生碱骨料反应，生成水化凝胶而 锈钢钢渣资源化产品的绿色安全是其大宗利用的 使得体积膨胀，材料结构被破坏，导致建筑产品开 先决条件.从排渣前对高温炼钢熔渣进行调质，使 裂、耐久性能恶化.因此，赤泥在普通水泥混凝土 更多的重金属元素Cr、Mn等进入尖品石等晶体 类建筑材料中难以大量利用. 结构中，从而能够磁选分离或稳定固结更多的重 道路工程中能够大量使用赤泥作为原料网， 金属元素，以保证磁选后尾渣的绿色安全]这已 但是赤泥仅是作为附加值较低的路基材料，运输 成为目前研究的热点方向 半径小，而当地道路工程项目的数量有限，因此， 在固废分布集中方面，以我国唐山市为例.唐 该方法市场规模小，难以持续消纳固废.同时，冶 山市钢铁产量就超过了1.4亿吨，超过了世界上其 金固废在道路工程中的应用还涉及冶金-环保-材 他国家的钢铁产量，因此，仅唐山市排放的相应钢 料-交通等多个行业，对此没有较为统一的认识， 渣数量就超过了其他任何一个国家的钢渣排放数 也缺乏相关应用标准的制定，这一定程度制约了 量，达到2160万吨：而美国和日本的钢渣数量仅1320 该技术的应用 万吨和1490万吨（产渣量按照粗钢产量质量分数 如果将赤泥与高硅铝的粉煤灰、煅烧煤矸石 的15%计算)四不仅如此，唐山市还有更大量的 等进行混合2s-2,可以制备出碱激发胶凝材料，能 高炉渣、煤矸石、铁尾矿等固体废弃物排放，这些 够实现钠离子较稳定的固结.但是，赤泥中的钠离 固体废弃物在固废建材市场也与钢渣形成竞争， 子仅是作为激发剂，赤泥的参量低；更为关键的 同时，唐山市的道路工程数量仅1.9万km,即使考虑 是，碱激发胶凝材料的研发整体上还处于实验室 河北省，也才19.7万km,仍然低于日本(122.5万km)、 到中试阶段，仍然未能大规模应用 美国(671.13万km)等一个数量级4-17：唐山水泥 目前对高铁赤泥进行磁选并获得铁精粉的技 产量仅34543万吨，日本、美国及韩国的水泥产量 术已成熟，该技术能够实现赤泥的减量化，但是对 为唐山的1.4~2.6倍8-1因此，这从量上也限制 磁选尾泥难以利用.我国目前选铁处理赤泥产能 了钢渣在道路和建筑工程上的应用.其他冶金渣 约1900万吨，主要分布在广西、山东、云南和山西 利用方面也存在类似的难题， 等地.磁选的铁精粉（减排量）质量分数在10%~

本是关键，目前低成本粉磨技术仍在发展中. 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. 我国大部分区域的 钢渣中 MgO 质量分数为 3%～6%，然而鞍山、唐 山和邯郸等地区部分钢铁厂的氧化镁质量分数为 7%～13%. 由于游离氧化镁在水化后的体积膨胀 率是 2 倍以上，反应更缓慢，还缺乏成熟的检测方 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. 发达国家工业发展较早，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] . 我国钢渣的类型与发达国家不同，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[11−12] . 不锈钢在电炉冶炼过程排放的钢渣中 Cr2O3 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安全是其大宗利用的 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，从而能够磁选分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安全[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，仅唐山市排放的相应钢 渣数量就超过了其他任何一个国家的钢渣排放数 量，达到 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 15% 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排放，这些 固体废弃物在固废建材市场也与钢渣形成竞争. 同时，唐山市的道路工程数量仅 1.9 万 km，即使考虑 河北省，也才 19.7 万 km，仍然低于日本（122.5 万 km）、 美国（671.13 万 km）等一个数量级[14−17] ；唐山水泥 产量仅 3454.3 万吨，日本、美国及韩国的水泥产量 为唐山的 1.4～2.6 倍[18−19] . 因此，这从量上也限制 了钢渣在道路和建筑工程上的应用. 其他冶金渣 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. 其中，赤 泥中氧化钠质量分数在 7%～16%，pH 值为 9.7～ 12.8[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、Na2CO3、NaAl(OH)4 等，通过水洗仅能去除部分可溶性碱，仍有部分残 留在赤泥难溶固相表面并随赤泥堆存[22] . 结合碱 多存在于赤泥难溶固相中，如方钠石（Na8Al6Si6O24· (OH)2 (H2O)2）、钙霞石（Na6Ca2Al6Si6O24(CO3 )2 2H2O） 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 直接去除. 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，因而产品中不能大量掺入赤泥[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 SiO2 发生碱骨料反应，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. 道路工程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，而当地道路工程项目的数量有限，因此， 该方法市场规模小，难以持续消纳固废. 同时，冶 金固废在道路工程中的应用还涉及冶金‒环保‒材 料‒交通等多个行业，对此没有较为统一的认识， 也缺乏相关应用标准的制定，这一定程度制约了 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[25−26] ，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%～ 李    宇等： 我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 · 1715 ·

1716 工程科学学报，第43卷，第12期 20%,铁品位在47%~60%.利润主要受到铁精粉 骨料：但是为了提取其中质量分数0.8%~5%的铜 价格的影响而波动，选铁成本60~150元t,铁精 元素，通常将其先粉磨至250目后进行浮选，这使 粉售价50~350元·.此外从赤泥中首先提碱或 得最终形成的浮选尾渣因太细而难以作为砂石骨 提取有价元素等是赤泥规模化利用的一条重要途 料，也不能大规模用于道路工程 径，但是赤泥湿法提取过程还会混入更多杂质甚 将铜渣中化学组成超过一半的F©zO3组分通 至环境有害组分，这将使得尾泥更难以利用， 过磁选或高温过程还原回收是另外一条大宗利用 1.3铜渣的特点及大宗利用现状 的途径.然而铜渣中氧化铁主要是以和氧化硅结 现阶段，铜渣主要消耗方向是回收有价金属， 合成橄榄石的形式存在，铜渣磁选难以分离；对铜 代替砂石，制备水泥和其他建筑材料等，其他大宗 渣进行熔融还原需要大量的氧化钙等溶剂成分， 利用方向还不多见27铜渣中铜利用率低于12%， 渣铁比高，这使得提铁成本大大提高.更为重要的 铁利用率低于1%28 是铜渣中存在铜、硫等炼钢有害元素，这限制了其 铜渣化学组成中含有质量分数35%~45%的 作为原料在钢铁行业中的大量应用. 全Fe和约40%的SiO2,1.2%~4.6%的金属Cu,还 1.4铁合金渣的特点及大宗利用现状 存在Pb、Zn、Ni等重金属元素.铜渣的化学组成 铁合金渣种类多，资源化利用的特点并不相 决定了其矿物组成以铁橄榄石为主，缺少胶凝活 同.不同铁合金渣的组成如表1所示，其中镍铁渣 性，这一特点制约了其在水泥混合材或混凝土掺 包括矿热炉冶炼的电炉镍铁渣和高炉冶炼的高炉 合料中的利用.铜渣本身硬度较大，适合作为砂石 镍铁渣 表1 典型铁合金渣的成分（质量分数） Table 1 Composition of typical ferroalloy slags % Slags SiO2 Al203 Cao Mgo Fe2O3 Cr2O3 MnO other Silicon manganese slag 42.17 20.71 16.07 3.68 0.12 0.01 11.38 5.86 Ferrochrome slag 34.96 23.27 2.44 26.79 2.74 7.36 0.25 2.19 Nickel-iron slag of blast furnace 28.92 22.81 31.55 10.69 1.24 0.23 0.22 4.34 Nickel-iron slag for electric fumace 49.47 4.20 2.17 28.33 12.23 1.08 0.5 2.02 高炉镍铁渣的排渣工艺和成分接近普通高炉 此，市场因素也制约了铁合金渣的大宗量利用 渣，但具有相对较高的氧化铝和氧化镁，其成分如表1 2 所示.相对电炉镍铁渣，水淬的高炉镍铁渣含有玻 大宗冶金固废资源化利用的进展及趋势 璃相，胶凝活性较高，因而获得较好的利用，已广 大宗量、低成本、绿色安全的资源化利用技术 泛用于水泥、混凝土行业.硅锰渣水淬后也能够 是解决大宗冶金固废有效利用的重要途径，也是 形成较多的玻璃相，具有一定的胶凝活性，也能用 研究的重点方向.在我国，年使用量超过亿吨及以 作水泥混合材或者混凝土掺合料，但较高的氧化 上级别的大宗建筑材料如表2所示.可见，砂石骨 锰含量制约了其广泛应用9-3训 料和混凝土年使用量达到百亿吨级，水泥和烧结 将电炉镍铁渣、铬铁渣应用于砂石骨料领域 砖瓦行业年使用量为10亿吨级，而陶瓷和石材行 是另外一条大宗利用的方法，电炉镍铁渣和铬铁 业年产量为亿吨级.对于难以用于水泥、混凝土 渣的主要矿相分别为镁橄榄石，以及镁橄榄石和 领域的冶金固废，将其用于砂石骨料、陶瓷、石材 尖晶石，具有较高的硬度.虽然这两种铁合金渣含 等领域是其规模化利用的新的有效途径.在这些 有质量分数超过20%的氧化镁，以及2%~10%的 新领域的研究进展如下 氧化铬，对其安定性和浸出的实验都表明安定性 2.1利用冶金制备人造砂石骨料技术 和重金属浸出率均合格.：目前相关研究已进入到 砂石骨料是我国使用量最大的建筑原材料.由 道路工程应用示范阶段2-习此外，我国硅锰渣、 于国家对开山采石和河道挖砂的严格限制，传统 铬铁渣集中分布在电力丰富的内蒙古、宁夏和山 砂石料来源减少，近年来我国砂石料一直紧缺，长 西等中西部地区，这些地区对水泥、混凝土和道路 江流域中下游多数地区砂石价格上涨数倍并达到 的需求量少，缺乏消纳治金渣的当地大宗市场，因 100~200元t,在广东珠三角地区价格更是达到了

20%，铁品位在 47%～60%. 利润主要受到铁精粉 价格的影响而波动，选铁成本 60～150 元·t−1，铁精 粉售价 50～350 元·t−1 . 此外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，铜渣主要消耗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 SiO2，1.2%～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，缺少胶凝活 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 0.8%～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工程. 将铜渣中化学组成超过一半的 Fe2O3 组分通 过磁选或高温过程还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，铜渣磁选难以分离；对铜 渣进行熔融还原需要大量的氧化钙等溶剂成分， 渣铁比高，这使得提铁成本大大提高. 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 1 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. 表 1 典型铁合金渣的成分（质量分数） Table 1   Composition of typical ferroalloy slags % Slags SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 Cr2O3 MnO other Silicon manganese slag 42.17 20.71 16.07 3.68 0.12 0.01 11.38 5.86 Ferrochrome slag 34.96 23.27 2.44 26.79 2.74 7.36 0.25 2.19 Nickel-iron slag of blast furnace 28.92 22.81 31.55 10.69 1.24 0.23 0.22 4.34 Nickel-iron slag for electric furnace 49.47 4.20 2.17 28.33 12.23 1.08 0.5 2.02 高炉镍铁渣的排渣工艺和成分接近普通高炉 渣，但具有相对较高的氧化铝和氧化镁，其成分如表 1 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. 硅锰渣水淬后也能够 形成较多的玻璃相，具有一定的胶凝活性，也能用 作水泥混合材或者混凝土掺合料，但较高的氧化 锰含量制约了其广泛应用[29−31] . 将电炉镍铁渣、铬铁渣应用于砂石骨料领域 是另外一条大宗利用的方法，电炉镍铁渣和铬铁 渣的主要矿相分别为镁橄榄石，以及镁橄榄石和 尖晶石，具有较高的硬度. 虽然这两种铁合金渣含 有质量分数超过 20% 的氧化镁，以及 2%～10% 的 氧化铬，对其安定性和浸出的实验都表明安定性 和重金属浸出率均合格. 目前相关研究已进入到 道路工程应用示范阶段[32−33] . 此外，我国硅锰渣、 铬铁渣集中分布在电力丰富的内蒙古、宁夏和山 西等中西部地区，这些地区对水泥、混凝土和道路 的需求量少，缺乏消纳冶金渣的当地大宗市场，因 此，市场因素也制约了铁合金渣的大宗量利用. 2    大宗冶金固废资源化利用的进展及趋势 大宗量、低成本、绿色安全的资源化利用技术 是解决大宗冶金固废有效利用的重要途径，也是 研究的重点方向. 在我国，年使用量超过亿吨及以 上级别的大宗建筑材料如表 2 所示. 可见，砂石骨 料和混凝土年使用量达到百亿吨级，水泥和烧结 砖瓦行业年使用量为 10 亿吨级，而陶瓷和石材行 业年产量为亿吨级. 对于难以用于水泥、混凝土 领域的冶金固废，将其用于砂石骨料、陶瓷、石材 等领域是其规模化利用的新的有效途径. 在这些 新领域的研究进展如下. 2.1    利用冶金制备人造砂石骨料技术 砂石骨料是我国使用量最大的建筑原材料. 由 于国家对开山采石和河道挖砂的严格限制，传统 砂石料来源减少，近年来我国砂石料一直紧缺，长 江流域中下游多数地区砂石价格上涨数倍并达到 100～200 元·t−1，在广东珠三角地区价格更是达到了 · 1716 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

李宇等：我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 ·1717· 表2我国大宗建筑材料的用量及价格 粒，密度为300~800kgm3.这类陶粒属于功能性 Table 2 Amounts and costs of bulk building materials in China 陶粒，具有优良的保温、隔热、轻质等性能，能够 Price of products/ 应用在墙体材料、轻质混凝土等领域，市场价格 Building materials Annual consumption/t (￥t) 在400元以上.而轻质陶粒主要以高硅高铝的 Sand and gravel More than 20 billion material 50-200 for product 固废为主，含钙或含铁的冶金渣仅作为熔剂成 Concrete Nearly 10 billion 30-300 for admixture 分90，掺入质量分数低于20%.同时轻质陶粒的 Cement Nearly 2 billion 30-300 for admixture 年市场容量为1000万吨左右，产品市场受限，难 Sintered brick 10-20 billion 10-100 for raw materials 以实现固废的大宗利用 Ceramic tile About 300 million 60-300 for raw materials 替代普通砂石骨料需要更高密度的陶粒以及 Nature Stone More than 100 1000-3500 for rough 更低的生产成本.提高单条陶粒生产线的产量和 million stone 热量利用效率是降低固废陶粒生产成本的关键 235元·t(按砂石堆积密度1400kgm3计算)4-37 钢铁行业中的球团工艺也是一种利用烧结过程将 为此，国家大力推动建筑垃圾和尾矿砂骨料的技 粉状物料加工成块状物料的成熟工艺.在球团可矿 术应用.但是工信部预计我国在2025年也仅有 生产中，年产量大于200万吨的生产线通常采用 30%的砂石料由再生骨料构成，仍然有近150亿 带式焙烧机的方式生产，其焙烧温度1200~1300℃， 吨的砂石料需要从天然矿物中获得.如果每年只 每吨产品综合燃耗标煤20~25kg.利用这一原理， 要有10%左右的天然砂石料被人造砂石料替代， 北京科技大学与企业合作开发了利用焙烧工艺制 那么就能实现约10亿~20亿吨工业固废的大宗 备固废陶粒的新技术，并已建成年10万吨采用带 资源化利用 式焙烧机原理的固废陶粒焙烧窑并投入运行51-四 烧结陶粒是一种能够替代天然砂石料的陶瓷 采用焙烧机工艺对赤泥、钢渣等固废制备陶 材料.烧结陶粒以黏土、页岩或固废等为主要原 粒的工业化实验数据表明，钢渣陶粒中可摻入钢 料，经粉磨、成球和高温烧结而成.目前，利用煤 渣质量分数40%~50%，赤泥陶粒中赤泥掺质量分 矸石、粉煤灰等硅铝质固废作为原料烧制普通陶 数为50%~60%，其余可以分别协同利用尾矿、煤 粒，或者协同利用污泥、铁尾矿等作为烧胀陶粒配 矸石、污泥等固废.钢渣或赤泥为主要原料的固 料的技术已经实现了工业化生产.利用钢渣、赤 废陶粒烧结温度在1060~1150℃，每吨陶粒烧结 泥、铁合金渣等制备陶粒的研究也系统开展238-) 消耗天然气20m3左右，制备的固废陶粒堆积密度 并在实验室或小试试验阶段制备出了合格的陶粒 为900~1200kgm3,筒压强度可达到11.2MPa 产品. 当该陶粒替代C30混凝土中的石子质量分数达 烧结陶粒是一类陶瓷产品，因此通过原料配 60%~80%时，仍然能保证其力学性能不低于原混 料设计，可以在1100℃左右的高温烧结过程中， 凝土力学性能.这一技术为低成本制备固废陶粒 使钢渣或赤泥中不稳定的游离氧化钙或钠离子与 并替代天然砂石料提供了一条有效途径，从而使 原料中的氧化硅等组分反应，生成含钙或含钠的 得大宗量利用冶金渣成为可能 稳定硅酸盐矿物，从而实现游离的钙、镁或钠离子 2.2利用治金渣制备陶瓷材料技术 在源头被稳定固结.研究表明，钢渣陶瓷中的氧化钙/ 烧结砖瓦、陶瓷砖都属于建筑陶瓷范畴，分别 氧化镁主要以辉石和钙长石的形式析出，而赤 具有十亿吨和亿吨级市场的固废消纳能力.普通 泥陶瓷中的氧化钠主要以固溶形式进入到辉石和 的烧结砖瓦对技术工艺水平要求较低，更容易利 钙长石晶体中，因而钙、镁或钠离子被稳定固结于 用固废.由于建筑陶瓷多属于氧化硅和氧化铝为 矿物晶格中.已有研究表明，当钢渣粉粒度小 主要成分的石英-莫来石体系，因此高硅高铝的固 于100um时将其制备成陶粒后，其游离氧化钙 废在陶瓷领域中更易于获得利用.目前利用煤矸 质量分数由2.22%降低为小于0.1%，其消除率超 石、粉煤灰、建筑渣土、尾矿等大掺量制备烧结砖 过95%，能够从源头上避免钢渣安定性不良的问题. 瓦的技术已经成熟，在陶瓷砖制备过程中也获得 现有利用固废制备陶粒的技术以回转窑工艺 了工业化应用.由于冶金渣含有较高的氧化钙、 为主，单条线最大产能在年15万吨左右，通常每 氧化镁或者氧化铁等组分，因此冶金渣在陶瓷材 方陶粒烧结能耗在40~70m3天然气，烧结成本 料中掺入量较小 高7-]，目前局限于生产价格较高的轻质烧胀陶 要提高冶金渣在陶瓷中的掺量，需要设计出

235 元·t−1 (按砂石堆积密度 1400 kg·m−3 计算) [34−37] . 为此，国家大力推动建筑垃圾和尾矿砂骨料的技 术应用. 但是工信部预计我国在 2025 年也仅有 30% 的砂石料由再生骨料构成，仍然有近 150 亿 吨的砂石料需要从天然矿物中获得. 如果每年只 要有 10% 左右的天然砂石料被人造砂石料替代， 那么就能实现约 10 亿～20 亿吨工业固废的大宗 资源化利用. 烧结陶粒是一种能够替代天然砂石料的陶瓷 材料. 烧结陶粒以黏土、页岩或固废等为主要原 料，经粉磨、成球和高温烧结而成. 目前，利用煤 矸石、粉煤灰等硅铝质固废作为原料烧制普通陶 粒，或者协同利用污泥、铁尾矿等作为烧胀陶粒配 料的技术已经实现了工业化生产. 利用钢渣、赤 泥、铁合金渣等制备陶粒的研究也系统开展[32, 38−43] 并在实验室或小试试验阶段制备出了合格的陶粒 产品. 烧结陶粒是一类陶瓷产品，因此通过原料配 料设计，可以在 1100 ℃ 左右的高温烧结过程中， 使钢渣或赤泥中不稳定的游离氧化钙或钠离子与 原料中的氧化硅等组分反应，生成含钙或含钠的 稳定硅酸盐矿物，从而实现游离的钙、镁或钠离子 在源头被稳定固结. 研究表明，钢渣陶瓷中的氧化钙/ 氧化镁主要以辉石和钙长石的形式析出[44] ，而赤 泥陶瓷中的氧化钠主要以固溶形式进入到辉石和 钙长石晶体中，因而钙、镁或钠离子被稳定固结于 矿物晶格中[45] . 已有研究表明[46] ，当钢渣粉粒度小 于 100 μm 时，将其制备成陶粒后，其游离氧化钙 质量分数由 2.22% 降低为小于 0.1%，其消除率超 过 95%，能够从源头上避免钢渣安定性不良的问题. 现有利用固废制备陶粒的技术以回转窑工艺 为主，单条线最大产能在年 15 万吨左右，通常每 方陶粒烧结能耗在 40～70 m3 天然气，烧结成本 高[47−48] ，目前局限于生产价格较高的轻质烧胀陶 粒，密度为 300～800 kg·m−3 . 这类陶粒属于功能性 陶粒，具有优良的保温、隔热、轻质等性能，能够 应用在墙体材料、轻质混凝土等领域，市场价格 在 400 元·t−1 以上. 而轻质陶粒主要以高硅高铝的 固废为主，含钙或含铁的冶金渣仅作为熔剂成 分[49−50] ，掺入质量分数低于 20%. 同时轻质陶粒的 年市场容量为 1000 万吨左右，产品市场受限，难 以实现固废的大宗利用. 替代普通砂石骨料需要更高密度的陶粒以及 更低的生产成本. 提高单条陶粒生产线的产量和 热量利用效率是降低固废陶粒生产成本的关键. 钢铁行业中的球团工艺也是一种利用烧结过程将 粉状物料加工成块状物料的成熟工艺. 在球团矿 生产中，年产量大于 200 万吨的生产线通常采用 带式焙烧机的方式生产，其焙烧温度 1200～1300 ℃， 每吨产品综合燃耗标煤 20～25 kg. 利用这一原理， 北京科技大学与企业合作开发了利用焙烧工艺制 备固废陶粒的新技术，并已建成年 10 万吨采用带 式焙烧机原理的固废陶粒焙烧窑并投入运行[51−52] . 采用焙烧机工艺对赤泥、钢渣等固废制备陶 粒的工业化实验数据表明，钢渣陶粒中可掺入钢 渣质量分数 40%～50%，赤泥陶粒中赤泥掺质量分 数为 50%～60%，其余可以分别协同利用尾矿、煤 矸石、污泥等固废. 钢渣或赤泥为主要原料的固 废陶粒烧结温度在 1060～1150 ℃，每吨陶粒烧结 消耗天然气 20 m3 左右，制备的固废陶粒堆积密度 为 900～ 1200 kg·m−3，筒压强度可达 到 11.2 MPa. 当该陶粒替代 C30 混凝土中的石子质量分数达 60%～80% 时，仍然能保证其力学性能不低于原混 凝土力学性能. 这一技术为低成本制备固废陶粒 并替代天然砂石料提供了一条有效途径，从而使 得大宗量利用冶金渣成为可能. 2.2    利用冶金渣制备陶瓷材料技术 烧结砖瓦、陶瓷砖都属于建筑陶瓷范畴，分别 具有十亿吨和亿吨级市场的固废消纳能力. 普通 的烧结砖瓦对技术工艺水平要求较低，更容易利 用固废. 由于建筑陶瓷多属于氧化硅和氧化铝为 主要成分的石英‒莫来石体系，因此高硅高铝的固 废在陶瓷领域中更易于获得利用. 目前利用煤矸 石、粉煤灰、建筑渣土、尾矿等大掺量制备烧结砖 瓦的技术已经成熟，在陶瓷砖制备过程中也获得 了工业化应用. 由于冶金渣含有较高的氧化钙、 氧化镁或者氧化铁等组分，因此冶金渣在陶瓷材 料中掺入量较小. 要提高冶金渣在陶瓷中的掺量，需要设计出 表 2    我国大宗建筑材料的用量及价格 Table 2    Amounts and costs of bulk building materials in China Building materials Annual consumption/t Price of products/ (￥·t−1) Sand and gravel material More than 20 billion 50–200 for product Concrete Nearly 10 billion 30–300 for admixture Cement Nearly 2 billion 30–300 for admixture Sintered brick 10–20 billion 10–100 for raw materials Ceramic tile About 300 million 60–300 for raw materials Nature Stone More than 100 million 1000–3500 for rough stone 李    宇等： 我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 · 1717 ·

1718 工程科学学报，第43卷，第12期 以更多高钙、高镁和高铁矿物为主的陶瓷体系 附加值材料的一种新方法67 以钙长石、辉石等为主晶相的陶瓷体系能够大掺 如果能够仅利用熔渣显热来熔解少量冷态改 量利用冶金渣，其中钙长石中含有质量分数20.1% 质剂，那么可以在熔渣排渣过程添加改质剂，利用 的氧化钙，透辉石含有CaO和Mg0质量分数为 熔渣排入渣包的冲击力完成熔渣的改质和改质熔 25.9%和18.5%.钙铁辉石含有Ca0和Fe0质量分 渣的均化.但缺点是受熔渣显热熔解能力限制，熔 数为22.6%和29.5%.现有研究表明53-56辉石质 渣组分的调整范围小，调质渣的附加值较低，主要 的钢渣陶瓷具有优良的力学性能.钢渣摻入质量 应用于提升渣的质量，比如改善安定性、粉化、重 分数为40%，此时制备的钢渣陶瓷具有143MPa的 金属滤出、胶凝活性低和易磨性差等6].这类方法 其抗折强度和0.02%的吸水率，其抗折强度超过 并没有增加熔渣的利用途径，而是改善了原有冶 国家标准的3倍以上.对赤泥陶瓷析晶的研究表 金渣用于水泥、混凝土、筑路等领域的利用效果 明7-59，当赤泥掺加质量分数为50%时析出更多 在钢渣中喷入石英砂和纯氧来改善钢渣安定性， 的辉石，此时性能最优：在氧化铝和氧化铁共同存 制备钢渣砂石料的方法已获得工业化应用6 在条件下，将优先形成铝硅酸盐矿物，富裕的氧化 相对转炉渣，电炉熔渣无需溅渣护炉，碱度 铁将独立形成赤铁矿.对镍铁渣等的研究表明6@6创， 低，排渣温度高，并且为连续排渣，因此电炉熔渣 镍铁渣在组分上适合制备辉石质陶瓷，但氧化镁 更适合熔态调质.对电炉钢渣排渣过程进行改质 含量增加会增加烧结温度；电炉镍铁渣和高炉镍 是一条改善其安定性的简单有效途径.通过工业 铁渣的混合掺入质量分数可达到65%，抗折强度 化试验发现0，直接利用熔渣显热可以完全熔化 高于90MPa.对不同冶金渣协同利用是提高冶金 质量分数为12.69%摻量的河沙，熔渣改质后具有 渣惨量并同时保证陶瓷性能的有效手段.利用钢 较好的流动性.钢渣改质前后的碱度从2.4变为 渣、赤泥、铁合金渣、煤矸石、粉煤灰和尾矿等固 1.6,钢渣中的游离氧化钙质量分数从5.14%下降 废中的2种或多种制备了全固废陶瓷，性能满足 为0.76%.改质后钢渣可用水泥混合材或者骨料使用 相关标准要求.目前，在山东已分别开展了摻入质 由于氧化钙与氧化硅的结合能力强于氧化铁， 量分数30%~50%的钢渣和40%~60%的赤泥制 对钢渣改质还能够释放氧化铁并形成更多磁性矿 备陶瓷砖和烧结砖的工业化试验 物，其改质机理如下，四改质电炉熔渣组成、冷 陶瓷材料对冶金渣中的重金属的固结效果优 却制度等将影响尖晶石矿物析出的晶体形状和大 异.对钢渣、铬铁渣等研究62-6表明，辉石、尖晶 小，从而影响后续磁选分离效率1 石等矿物具有固溶重金属离子的能力，陶瓷的重 SiO2+Ca2Fe2Os=Ca2SiO4+Fe203 (1) 金属溶出率低于国家标准1个数量级，而析出尖 Fe203+FeO=Fe304 (2) 晶石矿物的陶瓷固结铬和锰离子的性能更优.对 Fe203+MgO=MgFe,O4 (3) 于赤泥中钠离子固结的研究表明【，钙长石具有 最强的固结钠离子能力：相对于未烧结的赤泥，掺 Fe2O3+MnO=MnFe2O (4) 入质量分数50%赤泥的陶瓷中的钠离子和钾离子 FeO+Cr2O3=FeCr2O4 (5) 溶出率降低了12倍 改质后的电炉渣中增加了含Mg、Mn、Cr的 铜渣的主要矿相是铁橄榄石.在烧结过程中， 尖晶石矿物，不仅具有显著提高的磁选率，回收了 橄榄石在700~900℃分解形成赤铁矿和石英.高 更多有价元素，而且因为磁选尾渣中减少了M 温下赤铁矿不与氧化铝或氧化硅反应，而生成的 C等重金属元素的含量，更有利于磁选尾渣的后 二氧化硅能够参与到陶瓷反应中，形成新的矿相， 续资源化利用.对重金属固结的研究表明6⑧， 因此利用铜渣制备陶瓷具有很好的应用前景.掺 Cr和Mn等重金属固结效果最好的矿物正是尖品 人质量分数50%~80%的铜渣能够制备出性能优 石类矿物，因此，即使部分重金属残留在磁选尾渣 良的铜渣陶瓷，相关研究进入到工业化试验阶段 中，如果以尖晶石结构的形式存在，那么也因重金 2.3电炉熔渣调质制备砂石骨料技术 属稳定固结而能够安全应用于筑路等砂石骨料领 国内外不同研究机构对冶金熔渣余热利用开 域据此，针对不锈钢钢渣中Mn、Cr等重金属 展了大量的研究64采用“热”“渣”耦合利用的 的源头调控研究正在系统开展中 冶金渣熔态改质方法是通过在热态条件下调整熔 2.4利用冶金熔渣制备人造石材技术 渣的组成和结构，使得熔渣能够直接制备成为高 近十年来我国利用热态冶金熔渣直接制备微

以更多高钙、高镁和高铁矿物为主的陶瓷体系. 以钙长石、辉石等为主晶相的陶瓷体系能够大掺 量利用冶金渣，其中钙长石中含有质量分数 20.1% 的氧化钙，透辉石含有 CaO 和 MgO 质量分数为 25.9% 和 18.5%，钙铁辉石含有 CaO 和 FeO 质量分 数为 22.6% 和 29.5%. 现有研究表明[53−56] ，辉石质 的钢渣陶瓷具有优良的力学性能. 钢渣掺入质量 分数为 40%，此时制备的钢渣陶瓷具有 143 MPa 的 其抗折强度和 0.02% 的吸水率，其抗折强度超过 国家标准的 3 倍以上. 对赤泥陶瓷析晶的研究表 明[57−59] ，当赤泥掺加质量分数为 50% 时析出更多 的辉石，此时性能最优；在氧化铝和氧化铁共同存 在条件下，将优先形成铝硅酸盐矿物，富裕的氧化 铁将独立形成赤铁矿. 对镍铁渣等的研究表明[60−61] ， 镍铁渣在组分上适合制备辉石质陶瓷，但氧化镁 含量增加会增加烧结温度；电炉镍铁渣和高炉镍 铁渣的混合掺入质量分数可达到 65%，抗折强度 高于 90 MPa. 对不同冶金渣协同利用是提高冶金 渣掺量并同时保证陶瓷性能的有效手段. 利用钢 渣、赤泥、铁合金渣、煤矸石、粉煤灰和尾矿等固 废中的 2 种或多种制备了全固废陶瓷，性能满足 相关标准要求. 目前，在山东已分别开展了掺入质 量分数 30%～50% 的钢渣和 40%～60% 的赤泥制 备陶瓷砖和烧结砖的工业化试验. 陶瓷材料对冶金渣中的重金属的固结效果优 异. 对钢渣、铬铁渣等研究[62−63] 表明，辉石、尖晶 石等矿物具有固溶重金属离子的能力，陶瓷的重 金属溶出率低于国家标准 1 个数量级，而析出尖 晶石矿物的陶瓷固结铬和锰离子的性能更优. 对 于赤泥中钠离子固结的研究表明[46] ，钙长石具有 最强的固结钠离子能力；相对于未烧结的赤泥，掺 入质量分数 50% 赤泥的陶瓷中的钠离子和钾离子 溶出率降低了 12 倍. 铜渣的主要矿相是铁橄榄石. 在烧结过程中， 橄榄石在 700～900 ℃ 分解形成赤铁矿和石英. 高 温下赤铁矿不与氧化铝或氧化硅反应，而生成的 二氧化硅能够参与到陶瓷反应中，形成新的矿相， 因此利用铜渣制备陶瓷具有很好的应用前景. 掺 入质量分数 50%～80% 的铜渣能够制备出性能优 良的铜渣陶瓷，相关研究进入到工业化试验阶段. 2.3    电炉熔渣调质制备砂石骨料技术 国内外不同研究机构对冶金熔渣余热利用开 展了大量的研究[64−66] . 采用“热”“渣”耦合利用的 冶金渣熔态改质方法是通过在热态条件下调整熔 渣的组成和结构，使得熔渣能够直接制备成为高 附加值材料的一种新方法[67] . 如果能够仅利用熔渣显热来熔解少量冷态改 质剂，那么可以在熔渣排渣过程添加改质剂，利用 熔渣排入渣包的冲击力完成熔渣的改质和改质熔 渣的均化. 但缺点是受熔渣显热熔解能力限制，熔 渣组分的调整范围小，调质渣的附加值较低，主要 应用于提升渣的质量，比如改善安定性、粉化、重 金属滤出、胶凝活性低和易磨性差等[68] . 这类方法 并没有增加熔渣的利用途径，而是改善了原有冶 金渣用于水泥、混凝土、筑路等领域的利用效果. 在钢渣中喷入石英砂和纯氧来改善钢渣安定性， 制备钢渣砂石料的方法已获得工业化应用[69] . 相对转炉渣，电炉熔渣无需溅渣护炉，碱度 低，排渣温度高，并且为连续排渣，因此电炉熔渣 更适合熔态调质. 对电炉钢渣排渣过程进行改质 是一条改善其安定性的简单有效途径. 通过工业 化试验发现[70] ，直接利用熔渣显热可以完全熔化 质量分数为 12.69% 掺量的河沙，熔渣改质后具有 较好的流动性. 钢渣改质前后的碱度从 2.4 变为 1.6，钢渣中的游离氧化钙质量分数从 5.14% 下降 为 0.76%，改质后钢渣可用水泥混合材或者骨料使用. 由于氧化钙与氧化硅的结合能力强于氧化铁， 对钢渣改质还能够释放氧化铁并形成更多磁性矿 物，其改质机理如下[71,72] . 改质电炉熔渣组成、冷 却制度等将影响尖晶石矿物析出的晶体形状和大 小，从而影响后续磁选分离效率[73] . SiO2 +Ca2Fe2O5 = Ca2SiO4 +Fe2O3 （1） Fe2O3 +FeO = Fe3O4 （2） Fe2O3 +MgO = MgFe2O4 （3） Fe2O3 +MnO = MnFe2O4 （4） FeO+Cr2O3 = FeCr2O4 （5） 改质后的电炉渣中增加了含 Mg、Mn、Cr 的 尖晶石矿物，不仅具有显著提高的磁选率，回收了 更多有价元素，而且因为磁选尾渣中减少了 Mn、 Cr 等重金属元素的含量，更有利于磁选尾渣的后 续资源化利用. 对重金属固结的研究表明[68,74] ， Cr 和 Mn 等重金属固结效果最好的矿物正是尖晶 石类矿物，因此，即使部分重金属残留在磁选尾渣 中，如果以尖晶石结构的形式存在，那么也因重金 属稳定固结而能够安全应用于筑路等砂石骨料领 域[75] . 据此，针对不锈钢钢渣中 Mn、Cr 等重金属 的源头调控研究正在系统开展中. 2.4    利用冶金熔渣制备人造石材技术 近十年来我国利用热态冶金熔渣直接制备微 · 1718 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

李宇等：我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 1719 晶玻璃、岩棉的研究逐渐发展起来并成为研究热 价格上涨.直接利用高温熔渣制备人造石材则是 点.由于微晶玻璃、岩棉等组分与熔渣存在一定 一 条熔渣大宗高值化利用的有效途径. 差距，需要添加质量分数10%以上的改质剂，同时 如果微晶玻璃/俦石要替代天然花岗岩，降低 微晶玻璃制备对成分均匀性要求严格，因此需要 熔渣微晶玻璃/俦石的成本是关键.目前，相对 使用电炉作为额外的改质设备进行补热并根据需 70~150元m2的低档石材，利用熔渣制备铸石的 要控制改质熔渣质量6m目前围绕高温治金渣 成本还需要进一步降低.利用熔渣余热熔解少量 熔态改质装备与工艺、改质熔渣料性调整及质量 改质剂后直接制备铸石，简化熔渣改质工艺，避免 控制、改质剂种类及提高成品率等方面开展了大 复杂的改质剂与熔渣混溶补热过程，是降低成本 量的研究-目前，在山西、内蒙和宁夏等铁合 的有效途径.而选择成分合适的冶金渣是实现以 金企业利用硅铁熔渣或者硅锰熔渣制备岩棉方面 上低成本工艺制备铸石的关键，也是这一技术有 已获得了工业化应用，而熔渣微品玻璃的研究仍 望突破的重要方向. 然未能实现工业化 在热处理方面，从工艺和处理成本角度，采用 微晶玻璃和岩棉在全国产量为百万吨到千万 降温过程一步法的“Petrurgic"”工艺是一种较佳的选 吨级，利用熔渣的市场空间仍然有限.虽然熔渣岩 择，如图1所示.研究表明，冶金渣微晶玻璃适合 棉技术获得工业化应用，但是也因产品市场容量 采用一步法制备，其中的CrO3,FezO3,Mn2O3等金 受限，难以复制推广.要利用千万吨乃至亿吨级的 属离子是其中最有效的晶核剂8别，因此存在成核 冶金渣，还需要开发新的熔渣产品市场 和析晶重合的温度区间，如图1中的成核析晶温 大宗量利用熔渣需要两个条件：一是大宗量 度TG采用这一热处理制度，利用镍铁渣、高炉 的资源化产品出口；二是相对低廉的价格优势.花 渣、含钛高炉渣、硅锰渣、钢渣和粉煤灰等已制备 岗岩是我国广泛使用的大宗建筑材料，目前我国 了合格的实验样品2-)将熔渣简单调质后采用 石材的产能超过1亿吨.随着国家对生态环境的 “Petrurgic'”工艺热处理的方法能够显著降低俦石成 保护，大量天然石材的开采受到限制，石材短缺， 本，目前还需要进一步开展放大规模的实验研究. a) Rate of crystal growth (b) Rate of nucleation and growth Rates of nucleation and growth Time 图1“Petrurgic'"方法工艺.(a)形核及品体生长速率曲线：(b)直接冷却制度 Fig.1 "Petrurgic"process:(a)nucleation and crystal growth rate curve:(b)direct cooling system 3冶金固废大宗资源化利用的发展趋势 是企业思考的重要方向.对于大型冶金企业，“固 我国在工业固废资源化利用方面进入了新的 废不出厂”是企业对环保的要求，如何大宗消纳这 阶段，冶金固废资源化利用具有如下发展趋势： 些固废成为企业发展目标.虽然冶金固废企业对 固废的大宗量利用技术需求更加迫切.随着 大宗建材领域并不熟悉，要理清适合市场及固废 我国环保相关政策法规出台和严格的监督执法， 特点的大宗资源化利用技术需要一定的时间.但 传统简单堆存、填埋在环境、安全、经济等方面的 是，固废大宗量消纳的趋势越来越明显，大宗量固 成本越来越高.大部分冶金企业将不会获批废渣 废利用技术的转化正迎来一个加速期. 填埋场，将废渣转交给专业渣场需要支付15~ 固废的协同利用是加快固废资源化利用的有 50元t的费用，这部分堆存费成为了企业固定的 效途径.大型冶金企业或冶金产业聚集区通常会 环保负担，将其转变为资源化利用的投资费用则 排放多类别固废，将这些固废协同利用，不仅能够

晶玻璃、岩棉的研究逐渐发展起来并成为研究热 点. 由于微晶玻璃、岩棉等组分与熔渣存在一定 差距，需要添加质量分数 10% 以上的改质剂，同时 微晶玻璃制备对成分均匀性要求严格，因此需要 使用电炉作为额外的改质设备进行补热并根据需 要控制改质熔渣质量[76−77] . 目前围绕高温冶金渣 熔态改质装备与工艺、改质熔渣料性调整及质量 控制、改质剂种类及提高成品率等方面开展了大 量的研究[78−79] . 目前，在山西、内蒙和宁夏等铁合 金企业利用硅铁熔渣或者硅锰熔渣制备岩棉方面 已获得了工业化应用，而熔渣微晶玻璃的研究仍 然未能实现工业化. 微晶玻璃和岩棉在全国产量为百万吨到千万 吨级，利用熔渣的市场空间仍然有限. 虽然熔渣岩 棉技术获得工业化应用，但是也因产品市场容量 受限，难以复制推广. 要利用千万吨乃至亿吨级的 冶金渣，还需要开发新的熔渣产品市场. 大宗量利用熔渣需要两个条件：一是大宗量 的资源化产品出口；二是相对低廉的价格优势. 花 岗岩是我国广泛使用的大宗建筑材料，目前我国 石材的产能超过 1 亿吨. 随着国家对生态环境的 保护，大量天然石材的开采受到限制，石材短缺， 价格上涨. 直接利用高温熔渣制备人造石材则是 一条熔渣大宗高值化利用的有效途径. 如果微晶玻璃/铸石要替代天然花岗岩，降低 熔渣微晶玻璃/铸石的成本是关键. 目前，相对 70～150 元·m2 的低档石材，利用熔渣制备铸石的 成本还需要进一步降低. 利用熔渣余热熔解少量 改质剂后直接制备铸石，简化熔渣改质工艺，避免 复杂的改质剂与熔渣混溶补热过程，是降低成本 的有效途径. 而选择成分合适的冶金渣是实现以 上低成本工艺制备铸石的关键，也是这一技术有 望突破的重要方向. 在热处理方面，从工艺和处理成本角度，采用 降温过程一步法的“Petrurgic”工艺是一种较佳的选 择，如图 1 所示. 研究表明，冶金渣微晶玻璃适合 采用一步法制备，其中的 Cr2O3，Fe2O3，Mn2O3 等金 属离子是其中最有效的晶核剂[80−81] , 因此存在成核 和析晶重合的温度区间，如图 1 中的成核析晶温 度 TNG. 采用这一热处理制度，利用镍铁渣、高炉 渣、含钛高炉渣、硅锰渣、钢渣和粉煤灰等已制备 了合格的实验样品[82−85] . 将熔渣简单调质后采用 “Petrurgic”工艺热处理的方法能够显著降低铸石成 本，目前还需要进一步开展放大规模的实验研究. Temperature Temperature TNG TNG Rate of crystal growth Rate of nucleation and growth Rates of nucleation and growth Time (a) (b) 图 1    “Petrurgic”方法工艺. （a）形核及晶体生长速率曲线；（b）直接冷却制度 Fig.1    “Petrurgic” process: (a) nucleation and crystal growth rate curve; (b) direct cooling system 3    冶金固废大宗资源化利用的发展趋势 我国在工业固废资源化利用方面进入了新的 阶段，冶金固废资源化利用具有如下发展趋势： 固废的大宗量利用技术需求更加迫切. 随着 我国环保相关政策法规出台和严格的监督执法， 传统简单堆存、填埋在环境、安全、经济等方面的 成本越来越高. 大部分冶金企业将不会获批废渣 填埋场 ，将废渣转交给专业渣场需要支付 15～ 50 元·t−1 的费用，这部分堆存费成为了企业固定的 环保负担，将其转变为资源化利用的投资费用则 是企业思考的重要方向. 对于大型冶金企业，“固 废不出厂”是企业对环保的要求，如何大宗消纳这 些固废成为企业发展目标. 虽然冶金固废企业对 大宗建材领域并不熟悉，要理清适合市场及固废 特点的大宗资源化利用技术需要一定的时间. 但 是，固废大宗量消纳的趋势越来越明显，大宗量固 废利用技术的转化正迎来一个加速期. 固废的协同利用是加快固废资源化利用的有 效途径. 大型冶金企业或冶金产业聚集区通常会 排放多类别固废，将这些固废协同利用，不仅能够 李    宇等： 我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 · 1719 ·

·1720 工程科学学报，第43卷，第12期 加大资源化产品中固废的掺入量，获得更多的税 特性去分类管理，提高后续利用效率.比如，铁水 费减免等政策优惠，还因为固废摻入量越大，吨 预处理渣、精炼渣、转炉钢渣、电炉钢渣分类管 产品避免堆存而获得的补贴越多，生产成本将越 理，可以实现在提取片状石墨、制备胶凝材料、混 低.在多种固废协同利用的同时，需要额外关注 凝土掺合料和制备骨料等领域的分类利用：又如， 不同有害元素在产品制备和使用过程的耦合作用 对于产业聚集区不同炼钢厂排放钢渣，可以根据 行为和赋存形式，保障固废资源化利用过程的绿 其安定性好坏，将安定性较差的钢渣用于制备陶 色化 粒或陶瓷，将安定性最好的钢渣用于作为骨料去 节能减排的固废利用技术将成为关注的重点 筑路或混凝土原料等，将安定性合格且胶凝活性 方向.钢铁冶金熔渣的显热被认为是目前钢铁冶 好的钢渣用于制备摻入水泥或混凝土的双掺或多 金行业最大的未利用的二次能源刃按照利用 掺复合粉，从而实现治金固废的分质利用. 熔渣3000万ta制备人造石材计算，每吨熔渣蕴 另一方面，当把固废当成资源的时候，就会从 含60kg标煤的热量，当石材中熔渣的摻入质量分 源头调质去思考如何提高固废的资源价值，就会 数为90%时，节省1.62×10t标煤，即年减排C02 从包括冶炼工艺和固废利用工艺的整个系统的经 超过400万吨.除了直接利用熔渣制备石材等大 济、环境和社会效益综合最优的角度，去主动调整 宗量利用技术，利用熔渣协同处理危废、固废，在 冶炼过程，从而实现整个系统的进化发展 熔渣调质过程进行有价元素提取等也是具有前景 的节能减排技术.随着社会和企业加强对碳减排 4结论 技术的支持，对熔渣调质过程的装备、耐火材料、 我国难利用的大宗冶金固废主要有钢渣、赤 在线检测等瓶颈技术的研究将会加快推进 泥、铜渣和铁合金渣，这些冶金固废年排放量在 固废利用与智能化的结合将会加速.一方面， 千万吨甚至亿吨级，大部分难以用于传统的水泥、 冶金工业智能化的发展逐步取得成效，冶金主流 混凝土领域，需要新的大宗量资源化利用技术 程的大数据收集和挖掘等系统的完善也将带动冶 除了固废用于水泥和混凝土领域外，砂石骨 金渣利用的智能化发展.另一方面，固废理化性质 料、陶瓷材料、人造石材是另外具有亿吨级乃至 存在波动性和差异性，不同区域市场对固废产品 百亿吨级市场的固废利用大宗出口，开展利用固 的需求不同，因此，固废资源化利用技术的个性化 废制备这类大宗材料的研究同样具有重要意义 将是其发展的一个显著特性.通过智能化手段控 利用焙烧机工艺制备大宗量低成本人造砂石料、 制固废产品质量，以及个性化产品的智能设计也 固废陶瓷材料工业化、熔渣调质以及熔渣人造石 将成为固废利用技术发展的重要方向.优秀的固 材制备等研究取得进展并值得进一步关注 废利用企业将借助这一结合，还能够在发展固废 固废的大宗量利用技术、协同利用技术、节能 利用核心技术的同时通过互联网服务于各地的产 减碳利用技术和与智能化结合技术是冶金渣利用 废企业 的发展趋势，而固废利用相关从业人员的思路转 固废利用相关从业人员的思路将转变发展 变将是推动固废资源化利用的关键所在 思路的转变是推动固废资源化利用的一个关键所 在.需要打破治金的行业壁垒束缚.冶金企业是社 参考文献 会“物质流”、“能量流”和“信息流”的一个单元 [1]World Steel Association.World steel statistics 2021 [EB/OL]. 是工业生态系统的组成部分.冶金渣的利用无非 Intenner Online (2021-4-26)[2021-09-10].https://www.worldsteel. 是将低值的非金属组分流动起来，形成社会有效 org/zh/dam/jcr:976723ed-74b3-47b4-92f6-81b6a452b86e/ 的物质流能量流.固废资源化利用是冶金企业 WSIF 2021 CN.pdf “绿色化”（全组分的物质流）、“智能化”（全流程 [2]The International Aluminium Institute.Alumina production 的信息流)的必然途径.冶金行业对冶金渣在行业 [EB/OL].Intennet Online (2021-5-26)[2021-09-10].https://www world-aluminium.org/statistics/alumina-production/#data 内的流动（利用）已经开展了大量工作，现阶段需 [3]National Bureau of Statistics of the People's Republic of China 要从物质流角度思考固废资源化利用，打破行业 Ferroalloy output [EB/OL].Intennet Online [2021-09-10].https:// 边界，从更大系统的角度去突破创新 data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=A01&zb=A02091B&sj=2021 需要把固废当成资源而不是废弃物.一方面 05 当把固废当资源的时候，企业会根据固废的资源 [4]Lai X S,Huang H J.Current status of the comprehensive

加大资源化产品中固废的掺入量，获得更多的税 费减免等政策优惠，还因为固废掺入量越大，吨 产品避免堆存而获得的补贴越多，生产成本将越 低. 在多种固废协同利用的同时，需要额外关注 不同有害元素在产品制备和使用过程的耦合作用 行为和赋存形式，保障固废资源化利用过程的绿 色化. 节能减排的固废利用技术将成为关注的重点 方向. 钢铁冶金熔渣的显热被认为是目前钢铁冶 金行业最大的未利用的二次能源[86−87] . 按照利用 熔渣 3000 万 t·a−1 制备人造石材计算，每吨熔渣蕴 含 60 kg 标煤的热量，当石材中熔渣的掺入质量分 数为 90% 时，节省 1.62×106 t 标煤，即年减排 CO2 超过 400 万吨. 除了直接利用熔渣制备石材等大 宗量利用技术，利用熔渣协同处理危废、固废，在 熔渣调质过程进行有价元素提取等也是具有前景 的节能减排技术. 随着社会和企业加强对碳减排 技术的支持，对熔渣调质过程的装备、耐火材料、 在线检测等瓶颈技术的研究将会加快推进. 固废利用与智能化的结合将会加速. 一方面， 冶金工业智能化的发展逐步取得成效，冶金主流 程的大数据收集和挖掘等系统的完善也将带动冶 金渣利用的智能化发展. 另一方面，固废理化性质 存在波动性和差异性，不同区域市场对固废产品 的需求不同，因此，固废资源化利用技术的个性化 将是其发展的一个显著特性. 通过智能化手段控 制固废产品质量，以及个性化产品的智能设计也 将成为固废利用技术发展的重要方向. 优秀的固 废利用企业将借助这一结合，还能够在发展固废 利用核心技术的同时通过互联网服务于各地的产 废企业. 固废利用相关从业人员的思路将转变发展. 思路的转变是推动固废资源化利用的一个关键所 在. 需要打破冶金的行业壁垒束缚. 冶金企业是社 会“物质流”、“能量流”和“信息流”的一个单元， 是工业生态系统的组成部分. 冶金渣的利用无非 是将低值的非金属组分流动起来，形成社会有效 的物质流/能量流. 固废资源化利用是冶金企业 “绿色化”（全组分的物质流）、“智能化”（全流程 的信息流）的必然途径. 冶金行业对冶金渣在行业 内的流动（利用）已经开展了大量工作，现阶段需 要从物质流角度思考固废资源化利用，打破行业 边界，从更大系统的角度去突破创新. 需要把固废当成资源而不是废弃物. 一方面， 当把固废当资源的时候，企业会根据固废的资源 特性去分类管理，提高后续利用效率. 比如，铁水 预处理渣、精炼渣、转炉钢渣、电炉钢渣分类管 理，可以实现在提取片状石墨、制备胶凝材料、混 凝土掺合料和制备骨料等领域的分类利用；又如， 对于产业聚集区不同炼钢厂排放钢渣，可以根据 其安定性好坏，将安定性较差的钢渣用于制备陶 粒或陶瓷，将安定性最好的钢渣用于作为骨料去 筑路或混凝土原料等，将安定性合格且胶凝活性 好的钢渣用于制备掺入水泥或混凝土的双掺或多 掺复合粉，从而实现冶金固废的分质利用. 另一方面，当把固废当成资源的时候，就会从 源头调质去思考如何提高固废的资源价值，就会 从包括冶炼工艺和固废利用工艺的整个系统的经 济、环境和社会效益综合最优的角度，去主动调整 冶炼过程，从而实现整个系统的进化发展. 4    结论 我国难利用的大宗冶金固废主要有钢渣、赤 泥、铜渣和铁合金渣. 这些冶金固废年排放量在 千万吨甚至亿吨级，大部分难以用于传统的水泥、 混凝土领域，需要新的大宗量资源化利用技术. 除了固废用于水泥和混凝土领域外，砂石骨 料、陶瓷材料、人造石材是另外具有亿吨级乃至 百亿吨级市场的固废利用大宗出口，开展利用固 废制备这类大宗材料的研究同样具有重要意义. 利用焙烧机工艺制备大宗量低成本人造砂石料、 固废陶瓷材料工业化、熔渣调质以及熔渣人造石 材制备等研究取得进展并值得进一步关注. 固废的大宗量利用技术、协同利用技术、节能 减碳利用技术和与智能化结合技术是冶金渣利用 的发展趋势，而固废利用相关从业人员的思路转 变将是推动固废资源化利用的关键所在. 参    考    文    献 World  Steel  Association.  World  steel  statistics  2021  [EB/OL]. Intennet Online (2021-4-26) [2021-09-10].https://www.worldsteel. org/zh/dam/jcr:976723ed-74b3-47b4-92f6-81b6a452b86e/ WSIF_2021_CN.pdf [1] The  International  Aluminium  Institute.  Alumina  production [EB/OL]. Intennet Online (2021-5-26)  [2021-09-10].https://www. world-aluminium.org/statistics/alumina-production/#data [2] National  Bureau  of  Statistics  of  the  People's  Republic  of  China. Ferroalloy  output  [EB/OL]. Intennet Online [2021-09-10].https:// data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=A01&zb=A02091B&sj=2021 05 [3] [4] Lai  X  S,  Huang  H  J.  Current  status  of  the  comprehensive · 1720 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

李宇等：我国冶金固废大宗利用技术的研究进展及趋势 1721 utilization technology of copper slag.Met Mine,2017(11):205 statistics [EB/OL].Intennet Online [2021-09-10].https://www. (赖样生，黄红军.铜渣资源化利用技术现状.金属矿山， bts.gov/content/highway-profile 2017(11):205) [17]Statistics Bureau of Japan.Japan statistical yearbook 2021 [5]Xi B D,Li R F,Zhao X Y,et al.Constraints and opportunities for [EB/OL].Intennet Online [2021-09-10].http://www.stat.go.jp/ the recycling of growing ferronickel slag in China.Resour Conserv english/data/nenkan/70nenkan/1431-13.html Recycl,.2018,139:15 [18]USGS.Mcs2021-Cement [EB/OL].Intenner Online [2021-09-10]. [6]Miao X W,Bai Z T,Lu G H,et al.Review of comprehensive https:/pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2021/mcs2021-cement.pdf utilization of typical ferroalloy slags.Chin J Eng,2020,42(6): [19]Tangshan Cement Network.Tangshan's annual cement production 663 in 2020 was 34.543 million tons,up 19.76%year on year [EB/OL] (苗希望，白智韬，卢光华，等.典型铁合金渣的资源化综合利用 Intennet Online (2021-1-19)[2021-09-101.http://www.tssnw 研究现状与发展趋势.工程科学学报，2020,42(6)：663) com/news/2362.html [7]Liu C B,Peng B,Xia C,et al.The research progress of steel slag (唐山水泥网.唐山市2020年全年生产水泥3454.3万吨同比增 utilization and stabilization technology.Conserv Util Miner 长19.76%EB/0L1网络在线(2021-1-19)[2021-10-211.http:∥ Resour,2018(6):145 www.tssnw.com/news/2362.html) (刘长波，彭森，夏春，等.钢渣利用及稳定化技术研究进展.矿 [20]Xue S G,Zhu F,Kong X F,et al.A review of the characterization 产保护与利用，2018(6)：145) and revegetation of bauxite residues (red mud).Emviron Sci Pollut [8]Vaverka J,Sakurai K.Quantitative determination of free lime Res,2016.23(2):1120 amount in steelmaking slag by X-ray diffraction.ISI/Int,2014, [21]Kong X F,Li M,Xue S G,et al.Acid transformation of bauxite 54(6):1334 residue:Conversion of its alkaline characteristics.J Hazard Mater, [9]Cui X W,Ni W,Ren C.Hydration mechanism of all solid waste 2017,324:382 cementitious materials based on steel slag and blast furnace slag [22]Zhu X B,Li W,Guan X M.An active dealkalization of red mud Chin J Mater Res,2017,31(9):687 with roasting and water leaching.Hazard Mater,2015,286:85 (崔孝炜，倪文，任超.钢渣矿渣基全固废胶凝材料的水化反应 [23]Fang Y G.Study on High Alkaline Red Mud as Resoures and Its 机理.材料研究学报，2017,31(9)：687) Application [Dissertation].Wuhan:Wuhan University of [10]Manso J M,Polanco J A,Losanez M,et al.Durability of concrete Technology,2010 made with EAF slag as aggregate.Cem Concr Compos,2006 (房永广，高碱赤泥资源化研究及其应用学位论文]武汉：武汉 28(6):528 理工大学，2010) [11]Zhang S,Zhang LL.Research progress of steel slag as road base [24]Liu X M,Tang B W,Yin H F,et al.Durability and environmental material /The 6th National Advanced Concrete Technology and performance of Bayer red mud-coal gangue-based road base Engineering Application Conference.Guangzhou,2018:7 material.ChinJEng,2018,0(4):438 (张硕，张亮亮.钢渣作道路基层材料的研究进展.第六届“全国 (刘晓明，唐彬文，尹海峰，等.赤泥一煤仟石基公路路面基层材 先进混凝土技术及工程应用”研讨会论文集.广州，2018：7) 料的耐久与环境性能.工程科学学报，2018,40(4)：438) [12]Li C.Chen Z W,Xie J,et al.A technological and applicational [25]Zhang N,Li H X,Liu X M.Hydration mechanism and leaching review on steel slag asphalt mixture.Mater Rev,2017,31(3):86 behavior of bauxite-calcination-method red mud-coal gangue (李超，陈宗武，谢君，等.钢渣沥青混凝土技术及其应用研究进 based cementitious materials.J Hazard Mater,2016,314:172 展.材料导报，2017,31(3)：86) [26]Bayat A,Hassani A,Yousefi AA.Effects of red mud on the [13]Albertsson G J.Investigations of Stabilization of Cr in Spinel properties of fresh and hardened alkali-activated slag paste and Phase in Chromium-Containing Slags [Dissertation].Sweden: mortar.Constr Build Mater,2018,167:775 KTH Royal Institute of Technology,2011 [27]Wang D Q,Wang Q,Huang Z X.Reuse of copper slag as a [14]National Bureau of Statistics of People's Republic of China.China supplementary cementitious material:Reactivity and safety. Statistical Yearbook.Beijing:China Statistics Press,2020 Resour Conserv Recycl,2020,162:105037 (中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴.北京：中国统计 [28]Xie RQ.Huang R,Zhao S F,et al.Research progress on resource 出版社，2020) utilization of copper slag Conserv Uril Miner Resour,2020, [15]Tangshan City Transportation Bureau.Tangshan highway mileage 40(6):149 has reached 19,000 kilometers [EB/OL].Intennet Online (2020- (谢仁齐，黄润，赵世翻，等.铜渣资源化利用研究进展.矿产保 07-08)[2021-09-10].http://jtysj.tangshan.gov.cn/jiaotong/jiao 护与利用，2020,40(6)：149) tongdongtaia/20200708/940654.html [29]Zhang X F,Ni W,Wu J Y,et al.Hydration mechanism of a (唐山市交通运输局.唐山公路通车里程已达1.9万公里 cementitious material prepared with Si-Mn slag.Int J Miner [EB/OL].(2020-07-08)[2021-09-10].http://jtysj.tangshan.gov.cn/ Metall Mater,2011,18(2):234 jiaotong/jiaotongdongtaia/20200708/940654.html) [30]Wang Q,Zhou Y Q,Zhang Z Q,et al.New Mineral Admixtures for [16]Bureau of Transportation Statistics.National transportation Green Concrete.Beijing:China Building Industry Press,2018

utilization technology of copper slag. Met Mine, 2017（11）: 205 （赖祥生, 黄红军. 铜渣资源化利用技术现状. 金属矿山, 2017（11）：205） Xi B D, Li R F, Zhao X Y, et al. Constraints and opportunities for the recycling of growing ferronickel slag in China. Resour Conserv Recycl, 2018, 139: 15 [5] Miao  X  W,  Bai  Z  T,  Lu  G  H,  et  al.  Review  of  comprehensive utilization  of  typical  ferroalloy  slags. Chin J Eng,  2020,  42（6）: 663 （苗希望, 白智韬, 卢光华, 等. 典型铁合金渣的资源化综合利用 研究现状与发展趋势. 工程科学学报, 2020, 42（6）：663） [6] Liu C B, Peng B, Xia C, et al. The research progress of steel slag utilization  and  stabilization  technology. Conserv Util Miner Resour, 2018（6）: 145 （刘长波, 彭犇, 夏春, 等. 钢渣利用及稳定化技术研究进展. 矿 产保护与利用, 2018（6）：145） [7] Vaverka  J,  Sakurai  K.  Quantitative  determination  of  free  lime amount  in  steelmaking  slag  by  X-ray  diffraction. ISIJ Int,  2014, 54（6）: 1334 [8] Cui X W, Ni W, Ren C. Hydration mechanism of all solid waste cementitious materials based on steel slag and blast furnace slag. 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