液态钢渣改性的研究现状及探讨
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【摘 要】文章对液态钢渣改性的技术方法进行了分析，指出了液态钢渣改性技术存在的问题，提出了钢渣改性技术应用研究方面的新观点。
【关键词】液态钢渣;钢渣改性;钢渣调质;高温改性;易磨性
【中图分类号】X757 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0121-02
钢渣是生产钢铁的过程中，由于造渣材料、冶炼材料、冶炼过程中混入的炉体材料和各种金属杂质所混合成的高温固溶體，经过破碎、选取金属铁后的尾渣大多应用于建材行业。
钢渣尾渣的利用一直是世界性难题，随着国家对固废的严格管理，钢铁企业已经将钢渣的开发利用作为重点工作。钢渣主要矿物包括硅酸三钙、硅酸二钙、铁酸钙及RO相等，其中硅酸三钙和硅酸二钙具有较好的胶凝活性，但由于钢渣中存在f-CaO，其含量在钢渣中占0～10%，f-CaO遇水后发生反应生成Ca（OH）2，这个反应会使钢渣体积膨胀，对水泥安定性产生影响，加上钢渣相比高炉矿渣的胶凝矿物总体含量少、难磨，制约了钢渣在建材与道路工程中的使用。因此，如何提高钢渣活性，扩大钢渣在建材行业的应用，成为许多科研工作者的研究任务。
提高钢渣活性的研究方向很多，其中之一就是利用液态钢渣的高温，加入调质补充材料，使得钢渣和调质材料反应生成更多的活性矿物，从而提高钢渣的活性。
1 当前液态钢渣改性的技术方法
许多人对液态钢渣的改性提出了不少的思路、方法，并开展了试验研究，其中有不少方法还申请了专利。这里重点分析介绍这些专利方法。
（1）专利申请号CN104016600A一种钢渣高温改性方法，采用富硅质材料对钢渣高温重构改性，利用富硅材料固定f-CaO，生成更多的C3S、C2S，得到高活性易磨的类水泥熟料。
（2）专利申请号102503193A一种热态保温处理钢渣制备类水泥熟料的工艺方法，将硅铝质的调整剂加入液态钢渣中，经过保温处理，通入氮气搅拌均匀，使钢渣生成类水泥熟料。
（3）专利申请号CN101792274A对中碱度钢渣进行在线高温重构的钙硅铝质性能调节材料及其应用，使用石灰和矿渣、少量辅助材料加入液态钢渣中，增加了活性硅酸盐矿物的含量，得到的改性钢渣活性指数大于85%。
（4）专利申请号CN104673965A一种液态钢渣在线改性方法，将碳酸盐物质作为改质剂加入液态钢渣中，改善了钢渣易磨性。
（5）专利申请号CN108658483A一种钢渣还原回收铁及二次渣制备辅助性胶凝材料的方法，在液态钢渣中加入还原剂及组分调整材料，可以还原80%以上的铁，改性钢渣28 d的活性指数为77%～108%。
除了这些专利，还有一些研究实验也展示了很好的方法或思路。殷素红等人研究还原重构钢渣，试验结果表明，钢渣中铁化合物的还原率近100%，尾渣玻璃体含量高达73%～97%，活性大大提高[1]。吴龙等人也做了类似的试验研究，试验表明，在加入改性材料后，对熔融钢渣进行还原处理，可以回收钢渣中90%的铁（选出料含金属铁90%以上），同时生成高活性的尾渣，尾渣中氧化铁仅3%，活性超过了基准水泥[2]。
2 液态钢渣改性方法存在的问题
从理论上看，这些专利方法思路都很好，但是结合实际发现，这些技术方法存在一些问题，如果要推广应用必须解决这些问题。
2.1 难以达到硅酸盐矿物反应所需温度
硅酸盐矿物反应所需温度为1 350 ℃左右，大多数改性方法基本上不能达到这个反应温度。
可以作一个简单的测算：高温的液态钢渣中加入常温态的调质改性材料，在没有化学放热、吸热的情况下，以液态钢渣温度1 500 ℃计算，若加入10%的调质改性材料，整体渣温相应下降10%，为1 350 ℃左右;若加入20%的调质改性材料，整体渣温则在1 200 ℃左右。所以，从理论上看，加入的调质改性材料超过10%时，由于温度低，钢渣改性反应是不能进行的。上述的推算还是建立在调质改性材料均匀进入到液态钢渣的理想状态下，实际上如果不均匀，局部的渣温会更低。
在生产实践中，一般渣罐内部没有保温材料，渣温下降比较快，正常情况下液态钢渣温度一般在1 450～1 500 ℃。
有个别专利方法采取加碳质材料进行保温、升温，但是如果没有吹氧，很难实现保温、升温的目的。其实即使吹氧，由于碳质材料的存在，存在很大的安全隐患;同时，由于氧气温度低的问题，常温的氧气也可能带走更多的热量，当然这一点有待实践证明。总的说来，如果对液态钢渣升温，钢渣改性的成本需要做认真的核算。
2.2 调质材料与液态钢渣不能均匀混合
上面也提到过，如果调质改性材料均匀地与液态钢渣混合，在渣温、反应时间足够的前提下，就可以完成钢渣的改性目的。但是，由于液态钢渣的流动性不好，在没有外力的情况下是不可能均匀混合的。
从控制成本的角度，调质改性材料加入渣罐中，只能借助液态钢渣的冲击力进行搅拌、混合，如果用外力搅拌，无论是采用机械搅拌还是气力搅拌，都会大大增加钢渣改性成本，同时加大安全风险。
所以，不均匀性是钢渣改性过程中反应不完全的主要原因，也是钢渣改性技术碰到的难题之一。简单的冲击力决定了改性材料与液态钢渣不能实现均匀混合，最终只有部分钢渣参与完成改性，只能增加少量的硅酸盐活性矿物。
2.3 钢渣改性的经济性
如上所述，改性面临温度、均匀性两个关键问题，如果要解决，投入的成本是比较高的，需要结合改性后钢渣性能优化等受益比较，计算钢渣改性的经济性，这也决定了改性技术是否可以推广应用。而且，必须尽量利用本地廉价的钙、硅、铝资源，否则改性成本高，就失去经济价值。 3 对液态钢渣改性技术应用研究的几个观点
对液态钢渣改性有许多的思路、方法，但是大多数处于研究阶段，实际上，国内没有一个改性技术能够成功应用于生产。
对于企业来说，实用性、经济性是第一位的。因此，我們在液态钢渣改性技术应用研究方面应当注意以下几点。
3.1 应当优先解决钢渣的易磨性差问题
从前面的分析看，我们不能将钢渣改性的目标定位于全面提高钢渣活性，期盼改性后钢渣的活性接近水泥熟料。
从实践看，水泥等行业不喜欢大量使用钢渣的首要原因是钢渣的易磨性差，其次是钢渣的体积稳定性不佳。易磨性差导致生产中粉磨电耗急剧增加。例如，某水泥厂的某型立磨，粉磨高炉水渣时台时产量为120 t，而粉磨钢渣时的台时产量却只有55 t，对生产成本产生了很大的影响。
所以，改善钢渣的易磨性成为解决钢渣利用问题的最关键环节，钢渣的改性必须有针对性地解决这个问题，而不是面面俱到地按水泥熟料成分配入调质材料。
易磨性与钢渣的矿物组成及结构有关，含有金属铁、RO相、铁酸钙等高硬度矿物，在预粉磨尽量除铁的前提下，如果尽量避免生成RO相、铁酸钙等高硬度矿物则可以明显改善钢渣易磨性。
郭辉等人研究表明，在CaO掺量充足的条件下，重构钢渣的最终矿物组成为C3S、C4AF、C2F、MgO，硅酸盐矿物形成较多且易磨性较好[1]。基于此，提出钢渣改性优先配入调质材料是生石灰或碳酸钙[3]。
优先改善钢渣的易磨性，是液态钢渣改性的第一目标。
3.2 应当因地制宜利用廉价资源进行钢渣改性
必须尽量利用本地廉价的钙、硅、铝资源，否则改性成本高，就失去经济价值。有的地方有廉价的石灰，有的地方有赤泥或其他钙、铝、硅质固废，可以根据实际情况采用，力求用最便宜的材料。
3.3 应当控制调质材料加入比例
前面提到，要保持硅酸盐矿物反应所需温度，调质材料加入比例最好小于10%，尽量保持较高的液态钢渣温度。
4 结论
液态钢渣改性技术对钢渣扩大在水泥行业的应用具有较大的促进作用，但鉴于经济性，建议尽量使用简单的、廉价的调质材料，采用简单的投加方法。
液态钢渣改性的重点应放在改善易磨性，这对下游水泥企业、钢渣微粉企业非常重要。
参 考 文 献
[1]殷素红，郭辉，余其俊，等.还原铁法重构钢渣及其矿物组成[J].硅酸盐学报，2013（7），41（7）：966-971.
[2]吴龙，郝以党，张凯，等.熔融钢渣资源高效化利用探索试验[J].环境工程，2015，33（12）：147-150.
[3]郭辉，殷素红，高凡，等.钢渣重构组成设计的关键因子[J].水泥，2017（2）：8-12.
[责任编辑：陈泽琦]
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