摘要 中国钢铁工业固体废物年产量约1.7亿吨，综合利用率为44.7%。本文统计分析了钢铁工业固体废物的年产生量、利用率及化学成分和矿物组成，总结了其主要利用途径。阐述了根据中国国情研究开发的一批具有国际先进水平的、拥有自主知识产权的技术和产品。提出尾矿再选回收铁精矿和中矿，尾矿代替铁粉和粘土配烧水泥熟料，尾矿作建筑工程材料；粒化高炉矿渣粉作水泥和混凝土掺合料；钢渣作炼铁烧结矿原料，生产钢渣水泥，钢渣粉作水泥和混凝土掺合料；含铁尘泥作炼铁烧结矿混合料；粉煤灰作水泥混合材、混凝土掺合料、新型建筑材料和制品等是今后应该大力推广和应用的综合利用技术。逐渐扩大产业化规模，提高高价值综合利用技术水平，并提高综合利用率是今后钢铁工业固体废物综合利用的主要任务。
关键词 钢铁工业 尾矿 高炉矿渣 钢渣 尘泥 粉煤灰 综合利用
1、前言
中国钢铁工业固体废物年产生量约为1.7亿吨，综合利用率为44.7%。其中高炉矿渣、化铁 炉渣、铁合金渣、含铁尘泥由于综合利用技术和装备水平不断提高，逐渐实现产业化。而尾矿、 钢渣、粉煤灰、工业垃圾的利用率较低。若不处理和综合利用，会出现渣满为患，影响钢铁工业可持续发展。同时会占用土地、填满沟溪、淤塞河道、破坏环境并造成污染。
经过多年的科学试验和大量实践证明，钢铁工业固体废物可实现减量化、资源化和高价值综合利用。中国研究开发了一批具有国际先进水平的、拥有自主知识产权的技术和产品，正在推广应用，对实现钢铁工业固体废物“零”排放，节能降耗，增加企业经济效益，减少CO2排放，保护环境都起着重要作用。
2、钢铁工业固体废物利用的现状
2.1钢铁工业固体废弃物的产生量和利用率
钢铁工业固体废物主要包括：尾矿、冶炼渣、尘泥、自备电厂的粉煤灰和炉渣以及工业垃圾等。其年产生量和利用率的统计分析见表1。
|
表1 钢铁工业固体废物产生量和利用率（2001） | ||||||||
|
种类 项目 |
尾矿
|
冶炼渣 |
尘泥 |
粉煤灰与炉渣
|
工业垃圾 | |||
|
高炉矿渣 |
钢渣 |
铁合金渣 |
化铁炉渣 | |||||
|
产生量 （万吨） |
7500 |
4980 |
2090 |
90 |
60 |
1660 |
540 |
360 |
|
利用率 （%） |
7 |
85 |
42 |
90 |
95 |
95 |
40 |
45 |
2.2钢铁工业固体废物的成份
2.2.1化学成份
钢铁工业固体废物的化学成份见表2。
|
表2 钢铁工业固体废物的化学成分（%） | |||||||||
|
成分 种类 |
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
Fe2O3 |
MnO |
TiO2 |
P2O5 |
FeO |
|
尾矿 |
1.12-2.63 |
68.24-72.16 |
10.74-14.82 |
2.24-3.25 |
- |
0.45-0.95 |
- |
- |
0.74-5.41 |
|
高炉矿渣 |
36.98-45.54 |
32.62-41.37 |
7.63-17.34 |
3.52-11.61 |
0.88-4.21 |
0.08-4.30 |
0.15-10.10 |
- |
0.10-1.38 |
|
钢渣 |
39.30-48.14 |
10.15-19.82 |
1.54-4.76 |
3.42-12.04 |
0.22-33.37 |
1.11-4.96 |
0.45-1.00 |
0.56-4.08 |
7.34-14.06 |
|
铁合金渣 |
3.09-48.44 |
27.20-43.33 |
7.46-22.86 |
6.76-32.23 |
- |
0.16-9.41 |
0.15-0.27 |
0.01-0.02 |
0.42-1.58 |
|
化铁炉渣 |
48.51-55.00 |
25.80-28.50 |
9.15-13.20 |
2.12-3.50 |
0.30-1.00 |
0.10-0.60 |
- |
- |
- |
|
粉煤灰 |
0.50-8.00 |
40.51-59.27 |
15.90-32.70 |
0.40-2.23 |
2.03-19.07 |
K2O 1.00-2.80 |
烧失量 1.50-20.00 |
- |
- |
|
尘泥 |
12.32-17.47 |
2.50-7.08 |
1.12-2.75 |
2.69-4.55 |
- |
- |
2.53-8.28 |
TFe 37.95-54.10 |
30.56-31.62 |
从化学成分可看出，钢铁工业固体废物以铁、硅、铝、钙、镁的氧化物为主，含量在80%以上。
2.2.2矿物组成
矿物组成决定了材料的性质和利用途径。上述各种固体废物的矿物组成有很大不同，见表3。
|
表3 钢铁工业固体废物的矿物组成 | |
|
种类 |
矿物成分 |
|
尾矿 |
赤铁矿、钾钠斜长石、角闪石、石英、蛋白石、长石 |
|
高炉矿渣 |
慢冷；硅酸二钙（C2S)、钙铝黄长石（C2AS）、镁黄长石（C2MS2）、钙长石（CAS2）、硫化钙等晶体急冷；无定形活性玻璃体 |
|
钢渣 |
在冶炼过程随着碱度提高，依次发生下列反应： CaO+RO+SiO2→CaO·RO·SiO2 2(CaO·RO·SiO2)＋CaO→3CaO·RO·2SiO2＋RO 3CaO·RO·2SiO2＋CaO→2(2CaO·SiO2)＋RO 2CaO·SiO2＋CaO→3CaO·SiO2 主要矿物为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、橄榄石(CRS)、蔷薇辉石(C3RS2)、RO相 |
|
铁合金渣 |
硅锰渣：锰蔷薇辉石(MnO·SiO2)和硅酸钙(CaO·SiO2)混合晶体、钙长石(CAS2)、黄长石 (C2AS)，水淬后为玻璃体 碳素铬铁渣：尖晶石(MgO·Al2O3)、橄榄石(2MgO·SiO2)、辉石(MgO·SiO2)、铬镁矿 (MgO·Cr2O3)、堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)、水淬后为玻璃体 精炼铬铁渣：硅酸二钙(C2S)、尖晶石(MgO·Al2O3)、蔷薇辉石(C3MS2) 、橄榄石(CMS)、黄 长石(C2AS)、硅酸三钙(C3S) |
|
化铁炉渣 |
与高炉矿渣相似 |
|
尘泥(高炉瓦?斯灰、瓦斯泥?、转炉尘泥) |
铁、赤铁矿、钾钠斜长石、角闪石 |
|
粉媒灰和炉渣 |
活性SiO2和活性Al2O3的玻璃体、石英、莫来石、磁铁矿、橄榄石(CFS)的晶体和未燃碳 |
2.3钢铁工业固体废物利用途径
中国钢铁工业固体废物利用途径见表4
|
表4 钢铁工业固体废物利用途径 | ||
|
种类 |
主要用途 | |
|
尾矿 |
1、作井下充填料 2、尾矿免烧砖 3、生产快硬水泥 |
4、代替砂、石作混凝土 骨料和工程材料 5、作微晶玻璃花岗岩、陶瓷、建材原料 |
|
高炉矿渣 |
1、粒化高炉矿渣作水泥混合材 2、粒化高炉矿物渣粉作水泥和混凝土掺合料 3、粒化高炉矿渣作砖 |
4、高炉矿渣作硅肥 5、慢冷渣混凝土骨料、道路材料 6、膨 胀矿渣珠作混凝土轻骨料 7、作矿渣棉、铸石、微晶玻璃原料 |
|
钢渣 |
1、作炼铁烧结矿原料 2、作炼铁熔剂 3、生产钢渣矿渣水泥、钢渣道路水泥、 低热钢渣水泥 |
4、钢渣配烧水泥熟料 5、钢渣粉作水泥和混凝土掺合料 6、作道路工程材料 7、作工程回填料 8、作地面砖、墙体材料 |
|
铁合金渣 |
1、作水泥混合材 2、作砖和建筑砌块 3、作工程骨料 |
4、作铸石制品 5、作肥料 |
|
化铁炉渣 |
1、作水泥混合材 | 2、作建筑工程骨料 |
|
尘泥 |
1、作烧结矿原料 | 2、作球团矿原料 |
|
粉煤灰和炉渣 |
1、作水泥混合材 2、作混凝土掺合料 3、作工程填筑材料 4、作烧结砖 |
5、作粉煤灰陶粒 6、分选漂珠作耐火、保温材料 7、作公路路基材料 8、作复合磁化肥料 |
资源综合利用是中国经济和社会发展的一项长远战略方针。国民经济和社会发展第十个五年计划提出：到2005年，工业废渣综合利用率达到60%，其中，粉煤灰综合利用率提高到65%。钢铁工业固体废物中的钢渣、尾矿和粉煤灰的综合利用工作十分艰巨。
冶金建筑研究总院协同有关单位从二十世纪60年代开始进行钢渣、粉煤灰和尾矿综合利用的系统试验研究，推出了一大批具有国际先进水平的技术成果，建成一批生产线，并实现产业化。降低了企业成本，创造了显著的经济效益。
今后钢铁工业固体废物综合利用的发展方向是推广应用已有先进、成熟的技术和产品，依*科技创新，提高钢铁工业固体废物资源化水平及综合利用率。
3.1推广粒化高炉矿渣粉的技术和产品
粒化高炉矿渣生产矿渣水泥在我国已有50多年的历史，对提高水泥产量，改善水泥性能曾起了重要作用。粒化高炉矿渣与水泥熟料一起粉磨，由于其易磨性不同，在水泥中矿渣颗粒较粗，达不到全部水化硬化的细度，会降低水泥强度。水泥采用ISO标准后，强度等级提高， 随着水泥行业结构调整对高炉矿渣的需求量逐渐减少。
二十世纪90年代冶建总院等单位研究工业渣粉作高性能混凝土掺合料取得成功。由于矿渣细度提高，其活性在碱性介质中得到充分发挥，在混凝土中等量取代水泥的20%～40%，可提高混凝土强度，改善混凝土的耐久性(如水化热、抗冻性、抗侵蚀性、抗碱骨料反应等)，使混凝土具有良好的施工性能(如粘聚性、保水性、可泵性等)。
冶建总院在二十世纪90年代中期工业化生产了粒化高炉渣粉的产品，用于首都(北京)机场扩建工程和的其它建筑工程，取得了良好的技术经济效果。并起草了《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》国家标准GB/T18046¡2000。
现宝钢、鞍钢、武钢、唐钢、芜湖等已建成年产60～80万吨的粒化高炉矿渣粉生产厂。其它钢铁企业也积极进行该项目可行性研究工作。今后我国钢铁企业现有“粒化高炉矿渣”产品 将被高价值的“粒化高炉矿渣粉”产品所取代。
3.2大力推广钢渣水泥生产技术
利用钢渣生产水泥是中国研究开发的具有国际先进水平的成果。冶建总院从二十世纪60年代开始进行钢渣水泥的试验研究、生产和推广应用工作。历年约有6000万吨钢渣水泥用于工业与民用建筑工程、机场道面、道桥建设和大型水库。
中国已有钢渣水泥系列品种，已列入中国“十五”规划推广技术之一。并制定了产品标准和相关标准，见表5。
|
表5 钢渣水泥系列标准 | ||
|
序号 |
标准名称 |
标准号 |
|
1 |
钢渣矿渣水泥 |
GB 13590 |
|
2 |
钢渣道路水泥 |
YB 4098 |
|
3 |
低热钢渣水泥 |
YB/T 057 |
|
4 |
钢渣砌筑水泥 |
YB 4099 |
|
5 |
用于水泥中的钢渣 |
YB/T 022 |
|
6 |
水泥用钢渣化学分析方法 |
YB/T 140 |
|
7 |
水泥用钢渣中金属铁含量测定方法 |
YB/T 148 |
3.3推广应用钢渣粉生产技术和产品
钢渣是一种过烧硅酸盐水泥熟料，磨细钢渣粉与粒化高炉矿渣粉双掺作水泥和混凝土掺合料是钢渣又一项高价值利用的高新技术。钢渣粉作水泥和混凝土掺合料，可提高混凝土后期强度；改善混凝土耐磨性、韧性、抗渗性、抗冻性、耐海水腐蚀性；提高混凝土液相碱度，增强钢筋耐腐蚀性，与高炉矿渣粉配制成双掺粉是今后混凝土掺合料的最佳产品。
目前湖南涟钢钢渣开发公司、首钢、柳钢、广东韶钢等筹建的冶金渣粉生产厂均考虑生产钢 铁渣双掺粉。
3.4继续推广钢渣粉作炼铁烧结矿原料和道路基层材料。
钢渣作炼铁烧结矿原料已在中国大多数钢铁企业推广应用，但应注意会造成烧结矿品位下降，以及由于闭路循环时有害元素的富集作用引起冶炼时间延长、能耗增加等不利影响。因此应制定相应的措施，扬长避短。
钢渣作道路基层材料和沥青路面材料，在中国应用多年，积累了丰富的使用经验。但应用时应加强钢渣稳定性的检测，确保道路工程质量。已实施的《钢渣混合料路面基层施工技术规 程》(YB/T230)、《道路用钢渣》标准(YB/T803)及《工程回填用钢渣》标准(YB/T801)在今后的修订中，应完善钢渣稳定性的检测方法及技术指标。
3.5积极推广粉煤灰作新型建筑材料和制品的技术和产品
粉煤灰作水泥混合材、混凝土掺合料的技术已推广应用。由于目前中国每年粉煤灰的产生量高达1.2亿吨，利用率仅为58%，因此，粉煤灰的综合利用需选择用量大、产品国内市场需求量大的技术途径，才能使粉煤灰的综合利用率达到“十五规划”提出的65%的要求。
中国墙体材料革新是保护耕地、节约能源、改善环境、实施可持续发展战略的重要措施。“十五”期间，我国全社会房屋年竣工面积将达到18～20亿平方米，城乡住宅年需求量13～15 亿平方米，2005年全国新型墙体材料产量达到3000亿块砖，占墙体材料总产量的比重40 %。2003年6月30日以前全国170个城市禁止使用粘土砖，2005年底以前所有省会城市全面禁 止使用实心粘土砖。发展粉煤灰实心砖、粉煤灰空心砖、空心砌块、轻型板材、加气混凝土、 粉煤灰陶粒等是粉煤灰综合利用的重要途径。同时国家发布了生产和使用工业渣生产新型建 材和制品的鼓励政策，为粉煤灰利用创造了条件。
3.6积极开展尾矿的精选和综合利用
中国铁矿石品位较低，尾矿率一般为50%以上。尾矿中含有可选铁时应建立再选车间，可回收含铁达54%～65%的铁精矿和含铁35%～40%的中矿。
再选后的尾矿作尾矿砖、作井下充填料、配烧水泥熟料，其用量大，易推广。尾矿中的硅是以低熔点矿物存在，不是稳定的SiO2，易于CaO化合，且Fe2O3的含量较高，具有矿化作用，还可以代替铁粉，因此烧熟料时所需要热耗也低。用尾矿代粘土配烧熟料后产量一般可提高20%～30%的产量，能耗、电耗、成本均降低。2001年中国水泥产量6.26亿吨，约需 配料用粘土1.76亿吨。我国人均可耕耕地只有1.57亩，远低于世界人均4.7亩的水平。因此利用尾矿代替粘土配烧水泥熟料是尾矿利用的重要途径之一。
4、钢铁工业固体废物综合利用是解决环境污染的重要方面
钢铁工业固体废物综合利用不但可提高企业效益，实现废渣“零”排放，实现“清洁生产”，而且能减少环境污染。
我国环境污染严重，固体废弃物堆存量已达70多亿吨，综合利用率若提高一个百分点，每年就可减少约1000万吨废弃物的排放，对减少占地、保护环境具有重要作用。
地球温室效应的主要原因是CO2排放所造成。世界水泥工业所排放CO2量占总排放量的7.9%，每生产1吨硅酸盐水泥产生1.011吨CO2。钢铁渣粉可代替水泥使用，每年钢铁渣产生量约为7000万吨，约占水泥总量的11%，全部制成水泥或直接代替部分水泥使用，每年可减少7000余万吨的CO2排放，对改善地球环境起到积极作用。
5、结论
钢铁工业固体废物中主要含有CaO、SiO?2、Al?2O?3、FeO、MnO等可再利用的成分，冶炼 渣还含有水硬活性的组分，是新型建筑材料的宝贵资源。
钢渣是过烧硅酸盐水泥熟料，生产钢渣水泥和磨细钢渣粉用作水泥和混凝土掺合料，不但可高价值利用钢渣而且能改善水泥和混凝土耐久性能，提高建筑工程质量。
粒化高炉矿渣进一步加工成粒化高炉矿渣粉，与钢渣粉混合使用将成为21世纪建筑工程重要材料，标志着中国钢铁工业废渣综合利用水平的提高。
粉煤灰除作水泥和混凝土掺合料外，应大力推广生产新型墙体材料和制品。
尾矿的利用应积极推广代替粘土和铁粉配烧硅酸盐水泥熟料及生产新型建筑材料、作混凝土 细骨料、作井下充填料等综合利用途径，以提高尾矿的综合利用率。
钢铁工业固体废物的综合利用具有广阔的前景，不仅是环境保护的要求，而且对企业实现工业渣“零”排放，实现“清洁生产”节能降耗，降低产品成本，提高经济效益，都具有重大意议。
参考文献
1、Sun Shushan et al,Quality of steel-making slag and assessing method for its c ementing properties,Proceedings of second international symposium on cement and concrete,1989,vol.1.2,PP?295¡302
2、孙树杉等，〈利用钢渣制造水泥的研究〉，《钢铁工业与地球环境国际研讨会论文集》 ， 1998，PP.264¡268
3、孙树杉等，〈钢渣在建材工业中的应用〉，《钢铁工业与地球环境国际研讨会论文集》 ，1998，PP.269¡274
4、孙树杉等，〈高炉矿渣粉作高性能混凝土掺合料的研究和应用〉，《粉煤灰》，2001 NO.2，PP.17¡18
5、孙树杉等，〈冶金渣资源化利用的现状和发展趋势〉，《中国资源综合利用》，2002，NO.3，PP.29¡32