钢渣高附加值利用研究现状

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钢渣是在钢铁冶炼过程中转炉、电炉等设备排放的固体废弃物,排放量约为粗钢的15%~20%,主要化学成分为钙、镁、硅、铁、铝、锰等氧化物,主要矿相为硅酸二钙、硅酸三钙、钙镁橄榄石以及RO(金属氧化物)相,还有少量游离的金属铁、氧化钙等。钢渣成分及各组分含量与生产单位的工艺和设备有关,不同冶炼方法和设备产出的钢渣具有较大差异。在我国经济飞速发展的今天,钢铁产业成为了国民经济的支柱。年1月世界钢铁生产量和使用量排名再次由中国包揽第一,产量达到万t,同比去年增长7.4%,这个数量已经超过了全球钢铁总产量的50%。但我国目前钢渣综合利用率仅为10%,而发达国家的综合利用率可以达到50%以上。国内钢渣一般的处理方式为企业内部回收循环、用于路基材料、制作钢渣砖、处理废水等低附加值利用,不但利用率低,而且会造成二次污染。钢渣堆积会占用大量土地,造成水源污染等问题,对当地生态发展和资源再利用提出了很大的挑战。因此,合理、经济、环保、有效的处理钢渣,实现钢渣资源再利用成为了当下亟待解决的关键问题之一。本文以钢渣再利用为切入点,结合国内外最新的研究进展,综述了钢渣高附加值利用现状,并指出了其未来发展方向。

1用于烟气脱硫

钢铁行业是我国二氧化硫排放的主要来源之一,排放出来的烧结烟气具有烟气量大、二氧化硫浓度高、温度变化大、流量变化大、水分含量多、成分不稳定、含氧量高的特点,这些特点都在一定程度上增加了二氧化硫的治理难度。

钢渣中的氧化钙、氧化硅、金属铁、金属锰等物质能有效应用于烟气脱硫。首先将钢渣调制成料浆并对烟气进行吸收处理,由于烟气中含有氧气,在铁离子、锰离子的催化作用下,二氧化硫被氧化成硫酸。钢渣中的钙离子、镁离子、二氧化硅与硫酸根、亚硫酸根结合生成难溶盐分离出来,这样就实现了脱硫。其反应机理如下。

SO2与浆液接触并溶解于水中生成亚硫酸,亚硫酸被分解成离子,同时钢渣中的铁、锰等氧化物可催化氧化SO32-生成SO42-。

钢渣中游离氧化钙、氧化镁、金属锰等金属氧化物参与反应:

式中:MeO泛指能与H2SO3反应的金属氧化物。

钢渣中的矿物参与反应:

式中:RO为FeO、MgO、MnO形成的固溶物。

脱硫后的料浆仍为酸性,其中还含有一些硫酸盐、亚硫酸盐,可用石灰中和吸收。中和之后的料浆过滤后形成的滤饼可再处理(如提取金属元素),滤液可回收循环利用。

2制备陶瓷材料

2.1制备微晶玻璃

微晶玻璃具有机械强度高、热膨胀性可调、化学稳定性好、抗热震性好、介电损耗低、耐化学腐蚀等优异的综合性能,利用钢渣制备微晶玻璃是国内外学者重点研究项目。利用钢渣与其他工业废料混合制备微晶玻璃可充分利用钢渣中的有效组分,实现变废为宝。杨家宽等人对钢渣基微晶玻璃进行电子探针分析得出:钢渣微晶玻璃是由致密晶体[粒径分布大约(1~10)μm]堆积而成,在晶体间隙中Na、Si、Ca三种元素含量高于晶粒中,Ca的富集现象比较明显;在晶粒中Mg、Fe、Al三种元素含量高于晶体间隙,Mg元素在晶粒中的分布最为密集。钢渣本身含有大量的Fe、Fe-S等物质可作为晶核剂帮助微晶玻璃的晶核成型。微晶玻璃中CaO含量过高,会导致微晶玻璃强度下降,应加入富SiO2的配料以增加SiO2含量,降低CaO含量。因此使用钢渣与其他富含SiO2成分的工业废料复合是上上之策。

2.1.1与粉煤灰结合制备

粉煤灰是指由静电除尘器从燃煤电厂锅炉烟气中排出的主要固废物,由回收的细灰(约占70%~85%)和炉底收集的灰渣(约占15%~30%)组成。粉煤灰的化学成分主要为SiO2、Al2O3(二者约占80%)、Fe2O3,此外还含有一定量的CaO、MgO、TiO2、K2O、Na2O、MnO2和SO3等。

赵贵州等人利用钢渣一步烧结制备微晶玻璃,其方法如下:首先向钢渣中加入一定量的SiO2调节碱度,并加入粉煤灰、石英砂调节钢渣的化学成分。将原料按比例混合,置于石墨坩埚中升温至℃并保温30min。保温结束后进行水萃、烘干、破碎、磁选操作后可得到金属铁块和基础玻璃粒料。玻璃粒料进行烘干、球磨、筛分后得到粒径小于74μm的玻璃粉末。将玻璃粉末倒入不锈钢模具内,利用硅碳马弗炉升温烧结并保温制成样品。通过XRD和SEM分析得出结论:当烧结温度在℃,样品获得最大抗折强度。同时发现微晶玻璃随着碱度的增加主晶相由辉石相逐渐变化为钙铝黄长石相,辉石相逐渐转变为次晶相。

张乐军等人将钢渣、粉煤灰、砂岩混合后放入硅钼棒电炉,熔制2.5h后经水萃、研磨、筛选工艺制得玻璃粉。然后加入一定量的PVA黏结剂,并在25MPa压力下制备成型,最终得到以透辉石为主晶相的微晶玻璃样品。

2.1.2与赤泥结合制备

赤泥是利用拜耳法从铝土矿提取氧化铝时排放的副废产品,其主要成分为Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO、Na2O、TiO2。我国平均生产1t氧化铝,就会产生0.8~1.5t的赤泥,将赤泥堆积和填埋不仅浪费资源还污染土地。赤泥中富含的SiO2是微晶玻璃的主要有效成分,而且赤泥中Al2O3的存在会抑制SiO2和CaO的结合以保证SiO2的利用率。同时,Na2O、TiO2可作为微晶玻璃的晶核剂。因此,赤泥用于制备微晶玻璃方面的研究得到众多学者的


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