钢铁冶金渣的资源化

Al2O3 用水淬渣活性率（ 用水淬渣活性率（Mc） Mc = SiO 2
水淬渣的化学活性表示 Mc>0.25为活性矿渣 >0.25为活性矿渣 Mc<0.25为低活性矿渣 为低活性矿渣 水淬渣质量系数（ ） 水淬渣质量系数（k） k = k>1.9为高活性矿渣 为高活性矿渣 k=1.6～1.9是中活性矿渣 ～ 是中活性矿渣 k <1.6为低活性矿渣。 为低活性矿渣。 为低活性矿渣
(3)重矿渣 重矿渣 重矿渣是高温熔渣在空气中自然冷却或淋少量水慢速冷却而 形成的致密块渣。 形成的致密块渣。 重矿渣的物理性质与天然碎石相近， 重矿渣的物理性质与天然碎石相近 ， 其块渣容重大多在 1900kg/m3以上，其抗压强度、稳定性、耐磨性、抗冻性、抗冲击能 以上， 其抗压强度、 稳定性、 耐磨性、 抗冻性、 力（韧性）均符合工程要求，可以代替碎石用于各种建筑工程中。 韧性）均符合工程要求，可以代替碎石用于各种建筑工程中 代替碎石用于各种建筑工程 重矿渣系缓慢冷却形成的结晶相， 重矿渣系缓慢冷却形成的 结晶相，绝大多数矿物不具备活性 结晶相 但是重矿渣中的多晶型硅酸二钙 硫化物和石灰， 多晶型硅酸二钙， ， 但是重矿渣中的 多晶型硅酸二钙 ， 硫化物 和 石灰 ， 会出现晶型变 化和发生化学反应。当其含量较高时，会导致矿渣结构破坏， 化和发生化学反应 。 当其含量较高时 ， 会导致矿渣结构破坏 ， 这种 现象称为重矿渣分解。 现象称为重矿渣分解。 为重矿渣分解
CaO + MgO + Al2O3 SiO2 + MnO
（2）膨胀矿渣珠 ）
膨珠系半急冷作用形成。除孔洞外，其它部分是玻璃体。 膨珠系半急冷作用形成。除孔洞外，其它部分是玻璃体。 孔洞：孔径大的 孔洞：孔径大的350～400µm，小的 ～100µm。隔热、保 ～ ，小的80～ 。隔热、 温、质轻、吸水率低、抗压强度和弹性模量高等优点，因而 质轻、吸水率低、抗压强度和弹性模量高等优点， 优点 是一种很好的建筑用轻骨料，也可作为防火隔热材料。 是一种很好的建筑用轻骨料，也可作为防火隔热材料。 玻璃体：膨珠呈现由灰白到黑的颜色，颜色越浅， 玻璃体：膨珠呈现由灰白到黑的颜色，颜色越浅，玻璃体 含量越高，灰白色膨珠，玻璃体含量达 含量越高，灰白色膨珠，玻璃体含量达95%。生产水泥的原 。 料。
ρ↓，V↑，已凝固重矿渣中产生内应力。 ， ，已凝固重矿渣中产生内应力。 内应力>重矿渣本身的结合力时 重矿渣开裂、酥碎，甚至粉化。 重矿渣本身的结合力时， 内应力 重矿渣本身的结合力时，重矿渣开裂、酥碎，甚至粉化。
硫化物分解：重矿渣中当含有FeS与MnS等硫化物时， 便 等硫化物时， 硫化物分解 ： 重矿渣中当含有 与 等硫化物时 会在水解作用下生成相应氢氧化物， 体积相应增大38%和 会在水解作用下生成相应氢氧化物 ， 体积相应增大 和 24%，导致块渣开裂和粉化的现象。 ，导致块渣开裂和粉化的现象。
FeO 0.07～ ～ 0.89
TiO2
V2O5
S 0.2～ ～ 1.5
20～ ～ 29 0.05～ ～ 0.31 0.07～ ～ 0.08 1.34 1.67 6.34 0.30 0.39 1.39
0.1～ ～ 0.6
<1 0.3～ ～ 3 含 F7～ ～ 8
含 P2O50.24 含 P2O50.47
按高炉渣的碱性率 表示） （以Mo表示）
碱性率 M
O
CaO + MgO = SiO 2 + Al 2 O 3
我国高炉渣大部分接近中性矿渣（ ），高碱性及酸性高 我国高炉渣大部分接近中性矿渣（Mo=0.99～1.08），高碱性及酸性高 ～ ）， 炉渣数量较少。 炉渣数量较少。
二、高炉矿渣的化学组成 高炉渣含有15种以上化学成分， 但主要是CaO、MgO、Al2O3、 高炉渣含有 种以上化学成分，但主要是 种以上化学成分 、 、 SiO2四种，它们约占高炉渣总重量的 四种，它们约占高炉渣总重量的95%。 。 CaO和MgO主要来自助熔剂，SiO2和Al2O3主要来自铁精矿中的 和 主要来自助熔剂， 主要来自助熔剂 脉石和焦炭中的灰分。 脉石和焦炭中的灰分。 由于铁精矿品位及冶炼生铁的种类不同， 由于铁精矿品位及冶炼生铁的种类不同，高炉渣的化学成分波动 较 大 。 一 般 ， 生 产 过 程 主 要 控 制 分 析 SiO2、Al2O3、CaO、MgO、 、 、 FeO、MnO、S七项指标，对一些特殊的高炉渣还需分析 七项指标， 、 、 七项指标 对一些特殊的高炉渣还需分析TiO2、V2O5 、Na2O、BaO、P2O5、Cr2O3、Ni2O3 等 。 在冶炼炉料固定和冶炼正 、 、 常时，高炉渣的化学成分变化不大，对综合利用有利。 常时，高炉渣的化学成分变化不大，对综合利用有利。 高炉渣属于硅酸盐材料，它的组成与天然岩石 硅酸盐水泥相似 天然岩石和 高炉渣属于硅酸盐材料，它的组成与天然岩石和硅酸盐水泥相似 ，表6.1所示为我国大部分钢铁厂高炉渣的化学成分与天然岩石和硅酸 所示为我国大部分钢铁厂高炉渣的化学成分与天然岩石和硅酸 盐水泥化学成分比较。 盐水泥化学成分比较。
采用贫铁矿炼铁时，每吨生铁产出 ～ 高炉矿渣； 采用贫铁矿炼铁时，每吨生铁产出1.0～1.2t高炉矿渣； 高炉矿渣 用富铁矿炼铁时，每吨生铁只产出 高炉矿渣。 用富铁矿炼铁时，每吨生铁只产出0.25t高炉矿渣。 高炉矿渣
6.1.1高炉渣的组成和性质 高炉渣的组成和性质
一、高炉渣的分类 水渣： 水渣：高炉熔渣在大量冷却水作用下形成的海 绵状浮石类物质。 绵状浮石类物质。 重矿渣：高炉熔渣经慢冷作用形成的类石料矿渣。 按冷却方式的不同 重矿渣：高炉熔渣经慢冷作用形成的类石料矿渣。 膨珠： 膨珠：高炉熔渣在半急冷作用并通过成珠设备击 抛甩到空气中，再受空气冷却形成的矿渣。 碎、抛甩到空气中，再受空气冷却形成的矿渣。
的水泥中掺有粒状高炉渣。 （1）生产水泥：我国约有 的水泥中掺有粒状高炉渣。 ）生产水泥：我国约有3/4的水泥中掺有粒状高炉渣 目前我国利用高炉渣生产的水泥
矿渣硅酸盐水泥：水泥熟料 高炉水渣+ 矿渣硅酸盐水泥：水泥熟料+ 20%～70%高炉水渣 3%～5% 石膏 ～ 高炉水渣 ～ 普通硅酸盐水泥：水泥熟料 不超过15%高炉水渣 3%～5% 石膏 高炉水渣+ 普通硅酸盐水泥：水泥熟料+ 不超过 高炉水渣 ～ 石膏矿渣水泥：少量水泥熟料 高炉水渣+ 石膏矿渣水泥：少量水泥熟料+ 80%高炉水渣 15% 石膏 高炉水渣 钢渣矿渣水泥： 左右的钢渣+40%的高炉水渣 适量的石膏 的高炉水渣+适量的石膏 钢渣矿渣水泥：45%左右的钢渣 左右的钢渣 的高炉水渣
FeS + H 2 O → Fe (OH ) 2 MnS + H 2 O → Mn ( OH ) 2
V ↑ 38 % V ↑ 24 %
石灰分解：若重矿渣中夹有石灰颗粒，遇水消解， 石灰分解：若重矿渣中夹有石灰颗粒，遇水消解，也能 产生体胀，导致重矿渣碎裂。 产生体胀，导致重矿渣碎裂。
CaO + H 2 O → Ca (OH ) 2
三、高炉渣的矿物组成 高炉渣中的各种氧化物成分以各种形式的硅酸盐矿物形式存在 。 碱性高炉渣主要矿物：钙铝黄长石（ 碱性高炉渣主要矿物：钙铝黄长石（2CaO·Al2O3·SiO2）、钙镁 黄长石（ 硅酸二钙（ 黄长石 （ 2CaO·MgO·SiO2） 、 硅酸二钙 （ 2CaO·SiO2） 以及假硅灰 石 （ CaO·SiO2）、 钙 长 石 （ CaO·Al2O3·2SiO2）、 钙 镁 橄 榄 石 （ CaO·MgO·SiO2）、镁蔷薇辉石（3CaO·MgO·2SiO2）以及镁方柱石 镁蔷薇辉石（ （2CaO·MgO·2SiO2）等。 酸性高炉矿渣由于其冷却的速度不同，形成的矿物也不一样。 酸性高炉矿渣由于其冷却的速度不同，形成的矿物也不一样。 当快速冷却时全部凝结成玻璃体。在缓慢冷却时（ 当快速冷却时全部凝结成玻璃体。在缓慢冷却时（特别是弱酸性的 高炉渣）往往出现结晶的矿物相，如黄长石、假硅灰石、 高炉渣）往往出现结晶的矿物相，如黄长石、假硅灰石、辉石和斜 长石等。 长石等。 中性高炉矿渣： 中性高炉矿渣：
1400～1600℃高温的熔融体 ～ ℃
渣罐
接渣槽 高压水管 流渣槽 膨珠
滚筒
铸造生铁矿渣： 铸造生铁矿渣：冶炼铸造生铁时排出的矿渣 矿渣 按冶炼生铁的种类 炼钢生铁矿渣： 炼钢生铁矿渣：冶炼供炼钢用生铁时排出的矿渣 矿渣 特种生铁矿渣： 特种生铁矿渣：用含有其他金属的铁矿石熔炼 矿渣 生铁时排出的矿渣。 生铁时排出的矿渣。 碱性矿渣：碱性率 碱性矿渣：碱性率Mo>1的矿渣 矿渣 的矿渣 中性矿渣，碱性率 的矿渣； 中性矿渣，碱性率Mo=1的矿渣； 矿渣 的矿渣 酸性矿渣，碱性率 酸性矿渣，碱性率Mo<1的矿渣 矿渣 的矿渣
表6.1 我国高炉渣与天然岩石、硅酸盐水泥化学成分比较（质量%） 我国高炉渣与天然岩石、硅酸盐水泥化学成分比较（质量 ） 名称 普通渣 高钛渣 锰铁渣 含氟渣 硅酸盐 水泥 花岗岩 玄武岩 CaO 38～ ～ 49 23～ ～ 46 28～ ～ 47 35～ ～ 45 64.2 2.15 8.91 SiO2 26～ ～ 42 20～ ～ 35 21～ ～ 37 22～ ～ 29 22
四、高炉渣的性质 （1）水淬渣 ） 急冷过程中，熔渣的绝大部分化合物来不及形成稳定化合物， 急冷过程中，熔渣的绝大部分化合物来不及形成稳定化合物， 而以玻璃体状态将热能转化成化学能封存其内 从而构成了潜在的 热能转化成化学能封存其内， 而以玻璃体状态将热能转化成化学能封存其内，从而构成了潜在的 化学活性。常用来生产水泥。 化学活性。常用来生产水泥。
硅酸盐分解：硅酸二钙晶型转变、 硅酸盐分解：硅酸二钙晶型转变、体积膨胀所导致的重矿渣自 动碎裂或粉化的现象。 动碎裂或粉化的现象。
自由能 括号内的温度为过冷极限
（1452） ） 1447 （670） ） β γ （705） ） 830 粉散开始 α′