《工程科学学报》：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