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