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回顾钢渣在废物最小化方面的创新用途
Yogesh Nathuji Dhoble1 · Sirajuddin Ahmed1
收稿日期：2017年5月11日
接受日期：2018年2月1日
在线发布：2018年2月5日
copy;Springer Japan KK，Springer Nature 2018的一部分
摘 要
在上个世纪，由于过去没有找到实用方法，钢渣只能堆放起来，成为钢铁工业产生的固体废物。现在，钢渣因其新的应用而备受关注。炉渣随其性质的不同而有各种各样的应用。钢渣的化学成分随着铁矿石，石灰石等原料的矿物组成的不同而不同。本文综述了钢渣的特点及其用途。 本文回顾了钢渣在沥青混合料，水泥成分，混凝土骨料，防滑骨料和铁路道路压载物等传统应用和在可机械化沥青粘合剂，建筑材料，绿色人工鱼礁，绝热体，催化剂和陶瓷等新应用的最新进展。本文介绍了通过垃圾填埋日常覆盖材料，封盖，碳封存，水处理和固体废物管理等新方法，并对利用固体废物进行废物管理进行了审查，从炉渣中回收纯碳酸钙和重金属还能为创造收入提供机会。 曾经可以自由使用的钢铁渣现在以一定的价格在市场上出售。 它的使用不仅有助于减少固体废物，还具有重要的经济意义。
关键词：钢渣·用途·性能·专利
1.介绍
钢渣是金属氧化物和二氧化硅的混合物，并且可能含有金属硫化物和金属单质。钢渣产量约为粗钢产量的20%[1]。早在2000年前罗马帝国时代，炉渣被用于修路。大约在1589年，人们就在欧洲砖石工程中使用来自铁渣和铁渣的石头制造了炮弹[2]。钢铁生产能力的提升也增加了钢渣产量。2014全球年钢铁产量为160亿吨，矿渣产量为2.5亿吨[3]。单亚洲就占钢渣产量的60％。据印度2014-2015财政年度估计，由VISL，DSP和BSP工厂生产的钢渣达8百万吨，水泥厂的颗粒渣价格在450-856卢比。印度出口钢渣给像中国，菲律宾和不丹这样的国家，同时也从德国，斯里兰卡和立陶宛进口炉渣[4]。美国和发达国家对钢渣的平均使用率达70-80%，澳大利亚为60-70%，而印度少于20%[5]。
对出版论文刊物的分析表明，中国在这个研究领域的研究热情仅次于日本。
图1.显示了钢铁领域的研究成果
从21世纪初以来，研究人员一直致力于专利的发表。因此，不考虑专利公开审查的钢渣利用率是不完整的。早先的评论[6-8]未包括专利出版物。表1表明大多数专利是由中国人和大学生提交的（自2000年至今）。日韩合作公司也在钢渣领域获得了专利[9]。
炉渣的处理是钢铁工业的主要问题，因为倾销需要巨大的空间。工业废渣倾倒在农业用地上经常引起农民的抗议[10]。大多数钢铁工业都在印度的贾姆谢德布尔附近成立，收入低的人居住在那些垃圾堆场附近，他们的房屋还铺设了老化炉渣作为基础转储。
表1.显示钢渣研究领域中专利和非专利的趋势
2.钢渣的特性
化学成分
钢渣的化学成分随随铁矿石和石灰石等原料的成分变化。橄榄石，镁硅钙石，C3S，C2S，C4AF，C2F，RO相（CaO-FeO-MnO-MgO固溶体）和游离CaO是钢渣中的主要矿物相[11]。氧气炉（BOF）炉渣与电弧炉（EAF）炉渣的化学和矿物学组成基本类似。氧化钙和铁氧化物是两个主要的化学物质，EAF和BOF炉渣的成分如表2所示。由于氧气炉（BOF）的原料中使用石灰或白云石石灰，其炉渣的CaO含量大于35％并且游离石灰含量可高达10％。顶吹炉（LD）炉渣的组成与那些BOF和EAF炉渣不同。EAF炉渣还含有游离CaO和MgO，而EAF的FeO含量可低至0.5％。另一方面，Al2O3和CaO含量通常是LD渣更高。
物理特征
物理特性对钢渣利用率起着重要作用。 BOF，EAF，花岗岩和燧石的物理性质都不同[13]。在其放大图中可以看到钢渣的多孔结构，如图1和图2所示。表3显示了钢渣高堆积密度为3.3 g/cm3，这赋予了钢渣成为水工建筑材料的能力。高强度由冲击值和破碎值来描述，高强度和粗糙的表面纹理使钢渣可能成为一种非常有用的工程材料。高抛光（PSV）和粘合剂可以使炉渣非常适用于高交通道路骨料尤其适用沥青表面层。
图2.钢渣SEM，放大倍数为2.71
图3.钢渣SEM，放大倍数为2.71
表2.来源于碱性氧气转炉，电弧炉和氧气顶吹转炉钢渣的平均化学组成
|
Type of slag(%) |
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
FeO |
|
BOF |
40-60 |
7.8-15.2 |
1.2-3.4 |
0.8-15 |
7-35 |
|
EAF |
23.9-35 |
9-17.5 |
6.3-12.2 |
2.9-15 |
5.6-34.4 |
|
LD |
30-60 |
2-35 |
4.3-35 |
1-12.6 |
0-15 |
|
Type of slag(%) |
Fe2O3 |
Fetotle |
SO3 |
MnO |
TiO2 |
|
BOF |
9-22 |
19-24 |
0.1-0.3 |
0.3-3 |
0.5-2 |
|
EAF |
20.3-32 |
42.5 |
0.1-0.6 |
2.5-5.6 |
0.5-0.8 |
|
LD |
0.2-3 |
0.17-0.4 |
0.1-0.8 |
0.2-0.4 |
0.3-0.9 |
|
Type of slag(%) |
P2O5 |
Free aO |
|||
|
BOF |
1.5-3 |
2.5-10 |
|||
|
EAF |
0.3-1.2 |
0.5 |
|||
|
LD |
0-0.4 |
2.5-3.5 |
表3.与天然存在的聚集体相比，加工的BOF和EAF的技术性质
3.钢渣用途
当重熔炉渣进行冷却时，半快速冷却钢产生大块炉渣，而快速冷却产生颗粒状的炉渣，具有脆性、多孔结构，体积稳定，更适合水泥工业[14]。在较细的炉渣中发现了改进的水泥性质[15]。更高碱度和适当的冷却为用于水泥工业的炉渣提供了更好的性能[16]。
曾经被视为废料的钢渣现在在许多行业都是一种有用的原料，几乎世界各地都在使用。美国、欧洲的发达国家对炉渣的利用率高达70-80％，中国的矿渣利用率为22％[6]，而印度的矿渣利用率低于20％[17]。大部分炉渣（50％）利用在道路工程以及钢铁厂的烧结，炼铁和回收中[18]。
本文回顾了中国在钢渣方面的研究进步，如作为沥青混合料中的骨料，水泥成分，混凝土骨料，防滑骨料，铁路道碴等使用。还回顾了作为可机械化的沥青粘合剂，建筑材料，绿色人工鱼礁，绝热体，催化剂和陶瓷结构等新用途。通过垃圾填埋场日常覆盖等新方法对利用固体废物进行废物管理进行了审查材料，封盖，碳封存，水处理和固体废物管理，从炉渣中回收纯碳酸钙和重金属还能创造收入。
表4.根据可利用的炉渣量提供了其使用分类（据观察，炉渣主要可以用于建筑和建筑领域施工）
美国材料试验协会（ASTM）研究和评估了土木工程使用工业配合的优点。ASTM制定了在水泥用高炉矿渣，建筑物中混凝土和粉煤灰的使用立场和规范如ASTM C150，ASTM C311，ASTM C595，ASTM C618和ASTM C989。印度局印度标准规定了颗粒状矿渣的波特兰矿渣水泥质量体系IS 12089-1987，综合利用和处置固体废质量体系IS 10447-1983表明钢渣可用作酸性土壤的土壤改良剂，土壤中的通量直接来源于高炉或通过烧结矿。中国制定了大约31个不同类别的炉渣利用标准[19]，这些标准可帮助实施新应用并吸引投资。
掺杂在沥青混合物中
以粗BOF炉渣和普通天然细骨料为基础，对钢渣作为沥青路面骨料的可行性研究，设计制备出钢渣石基质沥青混合料（Smix），确认了钢渣可作为高速公路沥青混合料骨料使用[31]。
通过热喷洒法获得的钢渣具备非常可观的多孔结构，经过3年老化后和石料形成乳香沥青混合料，高温下抗永久变形的能力得到增强。即使在磨损和摩擦系数为55英国摆数（BPN）和表面纹理深度为0.8毫米[43]的磨损下使用2年，试验道路仍然表现出色。
炉渣通常具有高稳定性，高防滑性，混合后保温时间更长，易于压实，不需要使用碾压机。由于聚合物快速发生的CaO水合作用和较慢的MgO水合作用，钢渣具有体积膨胀的潜力，钢渣标本的膨胀百分比也在可容许的范围内。野外路面也表现令人满意[44]。炉渣也可用于路面（磨损和粘合剂层），基材，表面处理，密封涂层，浆料涂层和冷补丁。使用沥青（6.0-6.8重量％），BOF炉渣（87.1-87.9重量％）和矿物填料（6.0-6.1重量％）的混合比例更有利于沥青涂料组合物覆盖和铺设[45]。在另一项研究中，混合钢材，矿渣粗骨料，天然石材，粗骨料，细骨料，填料和橡胶沥青显示低温抗裂性，高温稳定性和正常温度抗疲劳[23]。钢渣骨料的循环使用及其寿命需要进一步研究[46]。
可机械化的沥青粘合剂
现在已经成功使用钢渣代替铁微粒制造可机械化的沥青粘合剂，这种智能材料在磁场的作用下机械性能会发生变化[47]。通过操作过程控制和碳热还原可以改变钢渣性能，从而为可机械化的沥青粘合剂提供所需尺寸的铁微粒[30]。
水泥成分
使用接地高炉矿渣作为粘结剂材料可以追溯到1774年。钢渣和高炉渣的组成颗粒都非常坚硬，想在水泥中使用矿渣，首先应该了解其水力性能，其中化学成分是确定炉渣的水力特性重要的参数之一。一般来说，碱度越高，水力性质越好，越适合作为胶凝材料[24]。使用钢渣作为水泥浇筑的主要限制是游离石灰的存在，特别是大尺寸加热的未溶解石灰石的成分。因为在保湿过程中它的体积增加，这种膨胀会抬起顶层。然而，新兴的新技术克服了游离石灰和MgO的问题，使其100％替代普通的沙子。
这种水泥与波特兰水泥相比具有更低的能耗，更高的耐磨性，更低的水化热量和更高的后期力量发展等优点，缺点就是设定时间较长，早期强度较低。钢渣水泥由于其特殊性，特别适用于大体积混凝土和路面等一般建筑应用。
具有较高石灰饱和因子的样品具有更高的C3S含量和更好的机械性能[48]。钢渣水泥的特点是横向强度高，膨胀轻微，对硫酸盐，二氧化碳和海水等有害物质具有良好的抵抗力。它对碱-骨料反应也具有很高的耐受性[24]。根据土耳其标准协会，可以接受由BOF炉渣产生的混凝土[49]。小于2
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资料编号：[854]
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