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 ·