我国高炉粒化矿渣资源化利用的研究进展

摘 要： 高炉粒化矿渣是高炉矿渣经过水的急冷而得到的一种具有很高潜在活性的玻璃体结构材料。我国的高炉粒化矿渣的化学成分大致相同，但活性却相差甚远。文章分析高炉粒化矿渣的化学成分和水化活性。从而综述了我国高炉粒化矿渣资源化利用的现状和进展，指出我国的高炉粒化矿渣具有很大的潜力。

关键词： 高炉粒化矿渣；水化活性；资源化利用；进展

　　我国2005年钢铁产量达到3.5亿吨，排出高炉粒化矿渣达到1 亿吨。经过多年的努力，我们主要开发了矿渣水泥、混凝土掺和料，少量用于生产矿渣微粉、矿渣纤维、筑路填料等等。高炉粒化矿渣的资源化利用可以大大减少占地和环境污染，节约能源，降低生产成本，产生较好的经济效益和社会效益。但是按照循环经济发展的要求实现高炉粒化矿渣的无害化和资源化，实现最佳的经济效益和社会效益，还需要我们加大高炉粒化矿渣综合利用的研究，特别是在非建材领域的利用研究。

1 高炉粒化矿渣的性质

　　在高炉内，因焦炭燃烧，矿石、石灰石、萤石等原料在1500℃的高温中熔融，这时氧化铁失去氧被还原成生铁，与生铁同时排放出的非金属生成物即高炉炉渣。高炉粒化矿渣是高炉矿渣从炉中排出而直接倾倒入水池急骤冷却熔融而得到的，呈1-3mm 玻璃颗粒状，是一种具有很高潜在活性的玻璃体结构材料。

1.1化学组成

　　由于高炉矿渣的生成原料中，石灰的主要成分为氧化钙、铁矿石和焦炭中含有二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁，这些都构成了高炉矿渣的主要化学成分。表1 为我国主要钢铁企业的高炉粒化矿渣的主要成分。

1.2矿渣活性与水化机理

　　如表1 所示，高炉矿渣的化学组成虽然大致相同，然而其活性的波动却十分明显。潘庆林[1，2]研究了上海梅山钢铁公司的矿渣后发现，在没有化学激发剂存在的条件下，梅钢的矿渣的水化合物是水化硅酸钙CSH( c)、水化硅酸二钙2CaO·SiO2·(2-4)H2O 和钙铝黄长石Ca2Al(Al,Si)2O7。

　　初期的水化过程是矿渣中的Ca2+等网络改变体阳离子与水中的H+ 之间的置换，随着这种置换反应的进行，溶液中的pH 值不断升高，当pH 达到一定程度时，矿渣颗粒表面的H4SiO4的溶解度将提高，溶解了各种形态的硅酸离子和溶液中的Ca2+、OH- 反应生成水化硅酸钙凝胶。

2 水淬矿渣综合利用现状

　　随着循环经济理论的提出和应用，水淬矿渣的处理和综合利用工作取得了很大进展。国内各大钢厂分别在建材、道路工程、化工等各方面进行了有益的尝试。

2.1 生产矿渣水泥及水泥、混凝土的掺和料

　　国内利用矿渣生产矿渣硅酸盐水泥，是一项比较成熟的技术，约占已经利用矿渣的78%左右。

　　矿渣水泥[3，4]与普通水泥比较，具有水化热低、密实性好、抗硫抗碱腐蚀性能好等优点，其缺点是保水性差、早期强度低、凝结时间长、不适合低温施工、施工需要养护。这些都是急需克服和改善的缺陷。

　　由于矿渣水泥中各物料间易磨性的差别等原因，矿渣水泥的强度等级比较低，矿渣掺和量也很低，即使[5]是采用矿渣与熟料分别粉磨后再混合，或者单独作为水泥和混凝土掺和料的生产工艺，矿渣的掺和量也只能达到20%～70%。但是利用水淬矿渣加工成掺和料水泥、无熟料水泥或少熟料水泥，节省资源，大大减轻了水泥生产行业的环境污染，我们有必要研究像节能免烧水泥等产品和技术，并加大推广力度，提高矿渣利用率。

2.2 生产矿渣微粉

与钢渣粉类似，水淬矿渣的潜在活性可以通过机械激活即磨细来产生，粒度越细，活性越大。当矿渣粉碎至比表面积在450cm2/g 以上，水淬矿渣潜在的水硬性就能充分发挥出来。因此用作高强、超强水泥和混凝土中的掺和料时，矿渣必须为微粉，使用同时添加高效减水剂、分散剂、表面活性剂，制品才能产生高强度或超高强度的效果，矿渣微粉也可以达到高掺量。矿渣微粉的应用已十分广泛，它不仅仅局限于水泥、混凝土范畴，其它工业领域如沥青胶凝材料、工业填料、涂料、肥料等等也能应用[6-8]。

2.3 生产无机涂料

　　利用水淬矿渣粉与碱、水玻璃、外加剂、颜料制备无机环保涂料。在碱性条件下，矿渣水化为硅酸钙凝胶和沸石类的水化产物，形成固体的结构十分致密，用它制备的无机涂料具有高强、快硬、耐洗刷、耐水、耐碱、耐冻等优良性能，产品质量指标优于国家标准，尤其突出的是天然、无毒、无污染的环保安全性能，且制作简单、原料来源广、价格便宜，有较强的市场竞争优势，是我国涂料研究和发展的方向，目前的缺陷是施工需要湿养护以及控制不当容易“泛碱” [9]。

2.4 生产矿渣无机胶凝材料

　　采用比表面积300cm2/g左右水淬矿渣细粉，选择合适的激发剂，以10% 的硅酸盐水泥进行改性，可以得到干燥收缩率小、早期强度高的矿渣胶凝材料，完全可以代替水泥胶砂材料。武钢冶金渣公司与武汉大学于2004年就进行了铺筑钢渣矿渣水泥混凝土试验路段，应用效果较理想。

　　在沥青混凝土中，如果在沥青砂浆、沥青胶浆或者玛蹄脂中加入适量的高活性矿渣细粉，此时矿渣粉不仅能发挥出较强的物理吸附作用，提高材料整体的粘聚力、抗剪切强度，而且矿渣细粉还与沥青中环烷酸等酸性物质发生反应，产生化学吸附作用，在界面上生成不溶于水的环烷酸钙等化合物，使填料与沥青牢固、稳定地粘结在一起，可有效防止水分浸入填料与沥青膜之间的界面，防止沥青膜从颗粒表面剥离，显著提高了胶凝材料对水的稳定性、耐热性。研究及检测数据证明，水淬矿渣细粉在沥青质胶凝材料中能起到优异的作用[10]。

　　在矿渣细粉的基质中，加入水剥离、纤维、橄榄石，可以制取热震稳定性极好的保温材料；在矿渣细料中加入纤维、无机结合剂，喷涂在钢材建筑上，作为隔热、防火涂层；在碱性条件下，矿渣细粉作胶凝材料可以代替高铝水泥或特种作业下作为凝固剂的使用[11]。

2.5 水淬矿渣在道路基层中的应用

　　对宝钢水渣及其混合料的物理力学性能进行了较系统的测试。比较了各类水渣混合料的物理力学性质，总结回归了混合料强度随龄期的成长规律，并对比国内类似水稳定性基层混合料的强度，表明其在道路工程中有应用前景[12，13]。

2.6生产矿渣纤维

　　水淬矿渣中加入硼砂等辅料，经冲天炉高温熔化，熔体经过高速离心机甩丝，生产的矿渣纤维用于隔热、保温、填料等 [14]。如果在倾倒的熔融炉渣中直接加入硅砂等原料，提高熔化温度形成玻璃液，生产玻璃棉、玻璃纤维，则市场前景也较好，经济效益更佳。

2.7 合成多功能用途的硅灰石

　　水淬炉渣中，配入助熔剂白云石，可以在低温下熔化、低温下晶化合成工业用硅灰石，生产成本低[15]。硅灰石作为一种用途极广的新兴工业原料，有工业“万金油”之称。采用炉渣人工合成硅灰石，是水淬炉渣资源深度开发的较好途径。

2.8用作污水处理剂

　　水淬矿渣是一种多孔质硅酸盐材料，对水中杂质有较好的吸附性能。研究[16，17]表明，用废酸处理得到的聚凝剂具有化学吸附、物理吸附的双重作用，能够在多种污水处理中使用。武钢冶金渣公司利用水淬矿渣和钢渣生产新型高分子絮凝剂聚硅硫酸铁的技术取得了很大成功，还申请了国家专利。

2.9 制造钙硅肥料及农田利用

　　长期以来我国农田耕作主要以化肥为主，有机肥的使用的减少使得作物必须的元素越来越匮乏，特别是南方的土壤缺硅很严重。水淬矿渣中大部分硅酸盐是植物容易吸收的可溶性硅酸盐，因此水淬矿渣是一种很重要的钙硅肥料。

　　在农田利用方面，水淬矿渣可以用作改良土壤的矿物肥料、农药的载体、被污染的土壤的生态修复材料，也可用作土壤的pH 调节剂、微生物载体等方面。

2.10 制造多孔陶粒及无机泡沫材料

　　以水淬矿渣为骨料，粉料为基质，选用合适的结合剂、成孔剂，混合成型、干燥、烧成，制造多孔体陶粒，也可以采用人工发泡，制造轻质免烧陶粒[18]。它可作为高等级公路的绝缘层、高层建筑中轻质混凝土骨料、绝缘轻质混凝土的主料、无土栽培技术中的培养基料、污水处理站的预处理材料等。

　　水淬矿渣中90% 为玻璃体，加入成孔剂、高岭土，采用模压、挤压等方式成型以及合理的加热制度，可以制造多孔泡沫材料。该制品具有优良的保温、隔热、隔音、耐火等特性，广泛用作轻质建材、石油、化工、冶炼、冷藏、船舶、发酵酿酒等工业上。泡沫材料的生产与使用在国内才刚刚兴起，它的用途将会越来越广。

2.11用作玻璃原料，制备微晶玻璃等

　　水淬矿渣用作玻璃原料，可以降低熔融温度，促进玻璃液的均化、澄清作用。

　　我国从20 世纪70 年代初到90 年代末，相继在许多地方进行了利用水淬矿渣生产以β-硅灰石为主晶相的微晶玻璃试制[19]。近年来，武汉理工大学、清华大学、上海硅研所等单位的科研人员，经过大量的研究试验，取得了一定成果，对微晶玻璃的生产工序控制渐趋成熟[20]。微晶玻璃被称作跨世纪的新材料，具有许多优异性能，是一种新型高档的建筑装饰材料，也广泛用于化工、电子、航空航天、国防等工业领域作为结构材料和功能材料[21]。目前国内从事微晶玻璃生产的厂家已有十多家，生产规模小、投资少，经济效益高。

2.12透水砖等环保材料的研制

　　透水砖分为陶瓷类透水砖和混凝土类透水砖。我们在合适的工艺参数条件下，可得透水系数为0.10cm ／ s，抗压强度为12.1MPa 的陶瓷透水砖，该种透水砖需要经过炉窑烧制，投资和成本大，广泛用于卫生间等室内场所[22]。混凝土类透水砖一向被业界认为是铺设路面的革新材料，这种透水性强、施工方便的混凝土透水砖可以有效地改善城市排水循环，减少污染、解决城市“热岛效应”。同时还能降低市政工程费用[23]。

　　在国外，混凝土透水砖被广泛地利用在的城市路面、机场、铁路建设中，我国在南京、北京等地有厂家生产该种砖。

3 结 语

　　我国的水淬矿渣的研究应用取得了很大的进展，为其综合利用提供了多种途径，有些已经实现工业化生产，取得了较好的经济、社会效益。但这些技术还有待进一步研究和提高：矿渣微粉的高效粉磨技术以及生产设备如何国产化问题，矿渣微粉应用领域的开发问题；微晶玻璃生产中如何降低熔化晶化温度和时间、提高产品率降低生产成本；适合不同土壤的多功能复合钙硅矿渣肥料的制造及推广应用工作等等。

　　水淬矿渣是一种优质的二次“资源”。由于各种原因，它的综合利用率还不高，仍有大量的矿渣仅作为简单的粗放式利用甚至直接堆弃。这样不但占有大量良田，而境。因此，我们必须加大开发和制造高附加值产品的投入，加快其先进适用技术推广工作，以期获得最大的经济效益和社会效益，为我国的循环经济发展和和谐社会建设做出贡献。

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