冶金工程概论课程论文
冶金固体废物处理与应用
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摘要：冶金固体废弃物主要指炼铁炉中产生的高炉渣、钢渣、有色金属冶炼产生的各种有色金属渣，如铜渣、铅渣、锌渣、镍渣等。目前，炼钢过程的排渣处理工艺大体可分为：冷弃法、热泼碎石工艺、钢渣水淬工艺、风淬法。我国的钢产量虽居世界第一位，但由于炼铁炼钢技术尚不够先进，因而各钢铁企业每年都会产生大量的、不同种类的冶金渣。针对我国冶金工业固体废弃物的现状，资源化处理与综合利用是相关企业和机构必须重视和加大力度进行研究突破的课题。本文就冶金固体废弃物资源化处理与综合利用进行了一些有益的探讨。
关键词：冶金固体残渣、残渣的处理、残渣的利用、节能环保
冶金污染主要是指冶金工业生产过程中产生的各种固体废弃物。主要指炼铁炉中产生的高炉渣；钢渣；有色金属冶炼产生的各种有色金属渣，如铜渣、铅渣、锌渣、镍渣等；从铝土矿提炼氧化铝排出的赤泥以及轧钢过程产生的少量氧化铁渣。每炼1t生铁排出0.3-0.9t钢渣，每炼1t钢排出0.1-0.3t钢渣,每炼1t氧化铝排出0.6-2t赤泥。国际上早在本世纪40年代就已感到解决冶金污染“渣害”的迫切性，经过努力，美国高炉渣在50年代已达到了产用平衡，钢渣在70年代也达到了产用平衡，主要用于制造各种建筑或工业用材。我国冶金污染利用起步较晚，目前高炉渣利用率在70-85%，钢渣利用率仅25%左右。冶金过程中出了固体残渣外还有许多气体排出，对大气也有严重的污染。
冶金工业是人类历史上最古老的工业之一。自18世纪产业革命后，由于钢铁工业迅速发展，造成严重的烟尘污染，有色冶炼工业又随之兴起，进而产生了重金属和二氧化硫的污染问题。近50年来，工业发达国家发生了几十起重大公害事件，有代表性、闻名于世界的八大公害事件中，就有四件其直接肇事者就是冶金工业，其中包括：英国伦敦烟雾事件（1952年12月）、比利时马斯河谷烟客事件（1930年12月初）、美国客诺拉烟雷事件（1948年10月）和日本富山事件（1968年查明），而前三件主要是钢铁工业含二氧化硫的重金属烟尘造成的大气污染事件。在炼铁及有色冶金等生产过程中，能产生焦油、铁及其氧化物颗粒、氧化镉、铬酸盐等致癌污染物，使冶金行业成为环境污染的严重危害者。
目前我国冶金工业固体废弃物年产生量约 4.3亿吨，综合利用率为18.03%。其中工业尾矿产生量为2.84亿吨，利用率1.5%；高炉渣产生量7557万吨，利用
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率65%；钢渣产生量3819万吨，利用率10%；化铁炉渣60万吨，利用率65%；尘泥1765万吨，利用率98.5%；自备电厂粉煤灰和炉渣494万吨，利用率59%；铁合金渣 90万吨，利用率90%；工业垃圾436万吨，利用率45%。针对我国冶金工业固体废弃物的现状，资源化处理与综合利用是相关企业和机构必须重视和加大力度进行研究突破的课题。
1 冶金渣的资源化处理和综合利用
目前我国钢铁年总产量已达到5亿吨，每年产生的冶金渣达1亿吨以上。在冶金渣中排量大的主要有高炉水淬矿渣、钢渣、高炉重矿渣等，其中高炉水淬矿渣和高炉重矿渣利用率较高，而钢渣利用率较低，仅有20%左右。未得到利用的冶金渣长期堆放未及时综合利用，一方面会造成冶金渣逐渐失去活性难以再利用，另一方面冶金渣的堆放要占用大量土地并会严重污染环境。2009年1月 1日，《循环经济促进法》颁布实施，如何大量利用冶金渣已成为各钢铁企业的当务之急。
1.
1冶金渣资源化处理和综合利用的发展方向
目前，我国的钢产量稳居世界第一，但由于炼铁炼钢技术尚不够先进，因而各钢铁企业每年都会产生大量的、不同种类的冶金渣。根据我国的国情和目前的技术水平，要想大量利用冶金渣，只有走开发节能、利废、环保的建材产品这条路。冶金渣资源化处理和综合利用是指从冶金渣中磁选除铁并将尾料大量用于建材产品的生产。从冶金渣中磁选回收的废钢铁可返回钢铁厂冶炼再利用；磁选回收的尾料可用来生产水泥混合材、路基材、砌筑水泥、预拌砂浆、混凝土标砖、多孔砖、冶金渣蒸压加气砌块等建材产品。冶金渣的开发利用既要考虑资源的再利用，符合循环经济的产业政策；又要考虑到采用合理的生产工艺开发出节能、环保、符合市场需求、达到国家标准要求的建材产品。
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2冶金渣资源化处理和综合利用与节能环保
利用冶金渣生产节能环保建材产品的方法是利用钢铁厂产生的冶金渣、高炉煤气、余热蒸汽等再生资源生产出节能、环保、可替代高能耗建材产品的新工艺。破碎磁选除铁后的钢渣含有较多的游离CaO等矿物质，这些矿物质具有水硬性。当钢渣与高炉水淬矿渣配合使用时，钢渣水化析出的Ca(OH)2能对矿渣起到碱性激发作用，而矿渣又可消除钢渣中游离CaO的不良影响，改善产品的体积安定性。破碎磁选除铁后的重矿渣具有质密、体积安定性好的特点，可取代碎石、黄砂用
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作建材产品的粗细骨料。本文以钢渣混合材、钢渣矿渣混凝土砖和冶金渣蒸压加气砌块为例，分析了冶金渣综合利用与节能环保的关系。 1.2.1钢渣混合材的节能环保分析
钢渣应用于水泥工业在我国已有30余年的历史，据不完全统计，国内目前每年可使用钢渣混合材1000万吨。用于生产水泥的钢渣混合材必须烘干，而目前普遍的烘干方法是用汽车将含水约12%的钢渣混合材运送至水泥厂，然后用煤燃烧产生热风进行烘干。该过程一方面增加了10%的汽车运输量，另一方面需要消耗煤炭资源。现在利用钢渣作为水泥混合材的经济方式是利用炼铁厂产生的副产品—高炉煤气就地进行烘干，这样可大幅节省汽车运输量和石油、煤炭等资源。采用炼铁厂产生的副产品—高炉煤气就地进行烘干，每吨钢渣初水分12%烘干至终水分2%需150立方米的高炉煤气（热值以3500千卡/立方米计），每年1000万吨钢渣混合材需15亿立方米的高炉煤气，折合标煤75万吨（标煤热值约7000千卡/千克计）；每年1000万吨钢渣混合材（运距以30公里计）可节省汽车运输用油量45万升（重型载重汽车以每吨钢渣油耗以1.5升/100公里计）、煤炭用量75万吨。
1.2.2钢渣矿渣混凝土砖的节能环保分析
钢渣矿渣混凝土砖主要是以钢渣矿渣配制的砌筑水泥为胶凝材料，以钢渣、水淬矿渣和高炉重矿渣为骨料，再掺入一定量的添加剂，采用半干法压制成型、钢厂余热蒸汽养护的方法生产出来的一种冶金渣砖。该生产工艺于2006年在新余钢铁股份有限公司的建材生产线上已经实施。经过理论和实践证明该工艺生产出来的钢渣矿渣混凝土砖各项性能指标均优于国家标准要求，而且产品成本低，生产原料90%以上采用钢厂废弃的冶金渣，采用钢厂余热蒸汽养护，符合国家节能环保的产业政策。以新余钢铁股份有限公司年产30万立方米的钢渣矿渣混凝土砖生产线为例，每年可消耗钢渣约 11万吨、矿渣11万吨、重矿渣22万吨，可为钢厂利用大量的冶金渣并产生良好的经济效益。
钢渣矿渣混凝土砖生产使用的胶凝材料采用冶金渣自配的M22.5砌筑水泥，无需采用高能耗的PS32.5以上的成品水泥。钢渣矿渣混凝土砖的骨料就地采用钢厂的冶金渣，每年可减少36万吨砂石的开采开挖量和汽车运输量。钢渣矿渣混凝土砖的养护采用钢厂余热蒸汽养护，节省了煤炭资源。该条生产线集成了冶金渣、余热蒸汽、高炉煤气等再生资源的综合利用，每年可节省砂石运输（运距以30公
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里计）用油量16.2万升（重型载重汽车每吨钢渣油耗以1.5升/100公里计）；每年可节省成品水泥9万吨，折合标煤约1万吨（成品水泥煤耗以 110公斤/吨计）；同时每年可减少2亿块粘土标砖的生产使用，折合标煤3万吨（粘土砖煤耗以100公斤/立方米计）。若全国100家大型钢铁厂平均每家建设一条30万立方米的钢渣矿渣混凝土砖生产线，每年可利用冶金渣共约4400万吨，节省汽车运输用油量1620万升、煤炭用量 400万吨。这样既大量利用了钢厂废弃的冶金渣又大量代替了粘土砖的市场，保护了耕地；同时由于钢渣矿渣混凝土是一种免烧砖，因而可以节能降耗。
1.2.3冶金渣蒸压加气砌块生产的节能环保分析
冶金渣蒸压加气砌块是将钢渣、矿渣加水磨成浆料，加入粉状复合添加剂，适量石膏和发气剂，经发气、预养、切割、蒸压等工序后制成的加气砌块制品。该工艺生产出来的冶金渣蒸压加气砌块性能良好，符合工业与民用建筑需要，而且能大量地消耗冶金渣。该工艺采用的原材料中90%以上为冶金渣，养护蒸汽是采用炼铁厂的副产品—高炉煤气作为燃料产生的，产品成本低。该生产线每年消耗约7500万立方米的高炉煤气（热值以3200千卡/立方米计），折合标煤约3.4万吨（标煤热值以7000千卡/公斤计）。以湘潭钢铁集团有限公司年产 30万立方米的冶金渣蒸压加气砌块生产线为例，每年可消耗钢渣约14万吨、矿渣14万吨，可利用大量的冶金渣并产生良好的经济效益。若全国100家大型钢厂平均每家建设一条30万立方米的冶金渣蒸压加气砌块生产线就可利用冶金渣共约3000万吨，每年节省煤炭用量340万吨。
2 冶金尘泥的资源化处理与综合利用
2.1 技术分析
钢铁厂冶金尘泥主要包括：高炉瓦斯泥、转炉尘泥及除尘灰等。
炼钢过程中，加入到转炉内的原料有2%左右会转变为粉尘，转炉尘的发生量约
为20公斤/吨。炼钢粉尘主要由氧化铁组成，占70% ～95%，其他氧化物杂质（如 CaO、ZnO等）占5%～30%。转炉炼钢尘泥一般可用作烧结的原料，但锌在炼铁过程中属有害元素，因在高炉冶炼的过程中易形成炉瘤而影响炉料和气体的流动，因此转炉尘泥在回收过程中，可通过选矿法回收粉矿和富 C、Zn的尾泥。在烧结混合料中加入OG泥悬浮液有利于混合料制粒，随OG泥配量的增加，混合料中1mm粒级比率迅速降低，有利于改善混合料透气性、提高产量、降低成本及保护环境。
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高炉瓦斯泥的组成主要是约20%的氧化铁、23%的碳、1%～5%的锌，还有较多的CaO、SiO
2、Al2O3 等氧化物。高炉炉尘发生量约为25kg/t。高炉瓦斯泥颗粒较细，小于200目的占90%以上。高炉瓦斯泥的特征是含锌、铁、碳、水分含量高，颗粒细，锌主要存在于较小的颗粒中。对高炉瓦斯泥、瓦斯灰可采用水力分离选矿法提取富Zn、富C尾泥作为资源回收利用。
目前我国大型企业的冶金尘泥回收利用率可达 100%。转炉泥、除尘灰及瓦斯泥利用工艺和技术处于较先进水平，可为企业带来很好的经济效益。
2.
2工艺分析
冶金尘泥综合利用工艺流程如下：
（1）转炉泥、除尘灰干法利用工艺
转炉泥、除尘灰→烧结返矿→混合料加工场。
（2）转炉泥湿法利用工艺
转炉泥→搅拌池→管道→烧结配料皮带→转炉泥烘干+氧化铁皮+化学粘结剂→搅拌混匀→加压成球→入炉干燥→球团矿。
（3）瓦斯泥利用工艺
瓦斯泥→重选→铁精粉→烧结厂→含锌泥→火法提锌。
3 冶金固体废弃物资源化处理与综合利用的发展趋势
近年来，国内各钢铁企业以固体废弃物全利用、零排放为目标，取得了很大进步，专业化集中管理与多种管理体制相结合也初见成效。目前，各钢铁企业基本完成了工业固体废弃物中含铁资源的全量处理和回收利用，利用路径为：固废资源回收→烧结→高炉→炼钢→ 轧钢，即所谓大循环利用模式，但其利用仍处于低层次、低效率、低附加值、低梯级的利用，表现为经济效益和环保效益的非最优化，如氧化铁皮、转炉泥及瓦斯泥的利用等，故在固废深度开发和高价值利用方面还有待进一步研究与发展。
3.
1加强钢渣熔剂渣配料对烧结矿品位与质量的研究
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钢渣经破碎磁选后回收的熔剂渣一直以来为烧结厂利用，配比一般在115%左右。但熔剂渣的配入会影响烧结矿的品位和质量，主要是由于所配钢渣的加水润湿性能和造球性能较铁矿粉差，烧结厂用量有限甚至停止使用，使熔剂渣利用与外销压力增大。因此应加强烧结矿配加钢渣熔剂渣强化制粒的试验研究，探讨合适的钢渣熔剂渣配入量，保证烧结速度、烧结矿强度、成品率、利用系数、烧结矿还原性等指标符合要求。
3.
2进一步开发钢渣在水泥生产中的应用
应进一步加强钢渣用于水泥厂的生产试验研究和生产性验证，探索钢渣水泥生产最佳工艺控制参数，提高钢渣掺入量。
3.
3开发钢渣粉生产
利用水泥和混凝土中的钢渣粉是我国钢渣高价值资源化利用的最佳途径。细度在比表面积为400m2 /kg的钢渣可等量取代10%～30%的水泥，直接用于混凝土建筑工程，可提高混凝土后期强度，提高耐磨性、抗冻性、耐腐蚀性能，成本比水泥低30%，可降低工程造价，是高性能高耐久性混凝土的原料。目前，全国钢渣粉年产量已达300万吨，产品主要用于工程建设。在开发钢渣粉生产中要加强粉磨设备的选择和粉磨工艺的控制。
3.
4钢渣作道路材料和建筑材料
关键是要解决钢渣的稳定性问题，需要对现有热泼法渣处理工艺进行改进，应加强钢渣热焖法处理工艺及装备等技术研究。湖南涟钢转炉钢渣热焖法处理及水硬性钢铁渣免烧承重砖的开发研究达到了较好效果。美国 Alfred大学的Agrwal G等人利用钢渣制造出比普通玻璃耐磨耐蚀的富CaO的微晶玻璃。
3.
5加快瓦斯泥的梯级开发利用
瓦斯泥重选提铁后，其尾泥中碳含量高达35%，对瓦斯泥中碳元素加以回收代替高炉喷吹用无烟煤。使用回收新工艺可回收炭粉。
3.6
开发冶金尘泥生产炼钢用冷却剂、造渣剂
转炉泥、除尘灰、氧化铁皮等的综合利用过去一直采取“回收-加工-烧结利用”工艺路线，不是固废资源的深度开发高附价值的利用方式。利用转炉泥等冶金尘
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泥生产符合炼钢要求的冷却剂、造渣剂，使冶金尘泥的利用工艺从过去的“废料-烧-铁-钢”大循环利用向“废料-钢”小循环利用转变，使系统能耗更少、污染更小、成本更低、效益更好。
总之，近几年国家鼓励发展循环经济，号召节能降耗。冶金固体废弃物资源化处理与综合利用是最具代表性的资源循环利用、节能、环保措施之一，也是钢铁工业实现健康、可持续发展的一个重要保障。利用冶金渣生产建材产品既大量利用了工业废渣及余热蒸汽、高炉煤气等再生资源，又能生产出满足市场需要的绿色建材产品，这样的项目具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。因此应继续加大研究并推广冶金固体废弃物资源化处理与综合利用技术，为我国钢铁企业的健康、可持续发展做出贡献。
如今的钢铁冶金必将推行清洁生产，新技术、新工艺、新流程的开发利用使冶金生产过程更合理、资源环境更优化、产品质量更完美。除此外，提高生产管理及员工的思想意识也是实施清洁生产的必要措施。总之，未来的钢铁冶金生产必将向低能源消耗、低资源消耗和对环境更加友好的方向发展。只有真正的落实这些才能让冶金对环境污染降到最低直至为零，也只有这样才能实现循环经济以及节能降耗的目标。这不光是我们国家的问题也是全球正面临的问题，全世界都在考虑这方面的问题，高效的利用冶金残渣不仅能提高利益，同时还能减少环境问题。
