冶金废渣的综合利用
有色冶金废渣的综合利用
概述：
冶金污染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。钢铁生产工艺过程复杂，在每一工序都会产生粉尘、废气等过程废物排放。如钢铁冶金过程必然要产生炉渣，燃料燃烧、铁矿石被碳还原、铁水脱碳时要产生气体产物。半个世纪以来公铁企业的生产、技术和环境问题对策经历了公害治理；节能减排；清洁生产、绿色制造；工业生态链、循环经济。长期以来，人们一直认为钢铁厂是资源消耗量大、能源消耗量大、排放量大、废弃物多及污染大的企业。本课程设计主要介绍各种有色冶金工艺过程中的废渣及废渣的处理利用。
一 高炉渣
高炉渣的产量随冶炼技术及矿石的品位不同而变化。高炉渣属于硅酸盐材料。它化学性质稳定，并具有抗磨、吸水等特点，可供广泛应有，国内对高炉渣的应用都很重视，为了适应不同的用途，高炉渣可分别被加工成水渣、矿渣碎石和膨胀矿渣等几类主要产品。
1.1水渣
水渣就是将熔融状态的高炉渣用水或水与空气的混合物给予水淬；使其成为砂粒状的玻璃质物质。这也是我国处理高炉渣的主要方法。具体水淬方式很多，常用的有过滤池法水淬工艺和搅拌槽泵送法水淬工艺等。
1.2矿渣碎石
矿渣碎石是高炉渣在指定的渣坑或渣场自然冷却或淋水冷却形成较致密的矿渣后，再经过破碎、筛分等工序所得到的一种碎石材料。为此常用热泼法。近年来，德、法、英、美等国多采用薄层多层热泼法。该法具有操作容易、渣密度高等优点。
1.3膨胀矿渣
膨胀矿渣是用水急冷高炉渣而形成的多孔轻质矿渣。为此可用喷射法、喷雾器堑沟法、流槽法等生产。较新的工艺是加拿大矿渣有限公司发明的用流筒法生产膨胀矿渣珠，简称“膨珠”。
二 钢渣
钢渣是炼钢过程中排出的固体废物，包括转炉渣、电炉渣等。炼钢过程中的排渣工艺，不仅影响到炼钢技术的发展，也与钢渣的综合利用密切相关。目前，炼钢过程的排渣处理工艺大体可分为如下四种：冷弃法、热泼碎石工艺、钢渣水淬工艺、风淬法。
2.1 冷弃法
冷弃法就是钢渣倒入渣罐，待其缓冷后直接运往渣场堆成渣山，以往我国也多用此法。
2.2 热泼碎石工艺
热泼碎石工艺是用吊车将渣罐中的液态钢渣分层泼倒在渣床上（或渣坑内），并同时喷水使其急冷碎裂，而后再运往渣场。
2.3钢渣水淬工艺
钢渣水淬工艺是排出的高温液态炉渣，被压力水切割击碎，加之遇水急冷收缩而破裂，在水幕中粒化。具体作法又有盘泼水冷法，炉前水冲法及倾翻罐－水池法等多种方法。
2.4 风粹法
风淬法其主要优点是可回收高温熔渣所含的热量（约2100－2200MJ/t）的41%，避免了熔渣遇水爆炸的问题，并改善了操作环境。钢渣可风淬成3mm 以下的坚硬球体，可直接用作灰浆的细骨料。迄今，人们已开发了多种有关钢渣综合利用的途径，主要包括冶金、建筑材料、农业利用、回填几个领域。
三 有色金属渣
有色金属渣水淬后大多是呈亮黑色的致密颗粒，含有大量的硅酸铁(铁橄榄石) ，一般达60～70%。以铜渣为例，如果将它放入回转窑氧化焙烧，再采用还
原的方法处理，可以回收粒铁，但经济上是否合算，尚需研究。 铜、铅、锌、镍等重金属炉渣含有大量铁的化合物，可以代替铁矿粉作为水泥的原料。重金属炉渣破碎后可作混凝土的粗细骨料。磨细的渣粉可作为水泥的外掺料，但由于重金属炉渣的水化活性较差，用作外掺料在数量上应有控制。
铜水淬渣在掺入石灰拌和压实后具有不易吸水和强度较高的特点，可作为公路基层，在多雨潮湿地区筑路尤为适用。用气冷的铜渣作铁路道碴铺设混砂道床，没有一般混砂道床容易下沉的缺点。熔融的铜渣可以直接浇注入模并控制其结晶和退火温度，制成致密坚硬的铜渣铸石，作为耐磨材料使用。德意志民主共和国利用较多，中国50年代也已试验和试用成功。在缺铜的土壤中施用铜渣粉以补充土壤中的微量元素，能够提高小麦和向日葵等作物的产量。有色金属渣种类繁多，目前对重金属渣中的铜、铅、镍炉渣的处理和利用研究得较多，轻金属渣中的赤泥也受到重视，稀有金属渣大都未进行有效的处理和利用。
四 赤泥
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，一般平均每生产1吨氧化铝，附带产生 1.0～2.0吨赤泥。中国作为世界第4大氧化铝生产国，每年排放的赤泥高达数百万吨
4.1从赤泥中回收有价金属
4.1.1从赤泥中回收铁
铁是赤泥的主要成分，一般含有10%到45%，但直接作为炼铁原料时含量还很低，因此有些国家先将赤泥预焙烧后入沸腾炉内，在温度700~800℃还原，是赤泥中得Fe2O3转变为Fe3O4。还原物在经过冷却、粉碎后用湿式或干式磁选机分选，得到含铁63%到81%磁性产品，铁回收率为83%到93%，是一种高品位的炼铁精料。
4.1.2从赤泥中回收铝、钛、钒、锰等多种金属
研究表明，利用苏打灰烧结和苛性碱浸出，可以从赤泥中回收90%以上的氧化铝，而沸腾炉还原的赤泥，经分离出非磁性产品后，加入碳酸钠或碳酸钙进行烧结，在PH=10的条件下，浸出形成的铝酸盐，再经加水稀释浸出，使铝酸盐
水解析出，铝被分离后剩下的渣在80℃条件下用50%的硫酸处理，获得硫酸钛溶液，再经过水解而得到TiO2；分离钛后的残渣再经过酸处理、煅烧、水解等作业，可以从中回收钒、铬、锰等金属氧化物。赤泥还可以直接浸出生产冰晶石（Na3AlF6）。
4.1.3从赤泥中回收稀有金属
从赤泥中回收稀有金属主要方法有：还原熔炼法、硫酸化焙烧法、非酸洗液浸出法、碳酸钠溶液浸出法等。国外从赤泥中提取稀土稀有元素的主要工艺采用酸浸—提取工艺，酸浸包括盐酸浸出、硫酸浸出、硝酸浸出等。由于硝酸具有较强的腐蚀性，且随之的提取工艺戒指不能与之相衔接，因此，大多采用盐酸、硫酸浸出。前苏联等国将赤泥在电炉里熔炼，得到生铁和渣。再用30%的硫酸在温度80~90℃条件下，将渣浸出1h ，浸出溶液再用萃取剂萃取锆、钪、铀、钍和稀土类元素。
4.2赤泥在建材工业及农业中的应用
4.2.1生产水泥
烧结赤泥作为水泥原料，配以适当的硅质材料和石灰石，赤泥的配比可达25%~30%。用赤泥可生产多种型号的水泥，其工艺流程和技术参数与普通的水泥厂基本相同：从氧化铝生产工艺中排出的赤泥，经过滤、脱水后，与沙岩、石灰石和铁粉等共同磨制得到生料浆，使之达到技术指标后，用流入法在蒸发机中除去大部分的水分，而后在回转窑中煅烧成熟料，加入适量的石膏和矿渣等活性物质，磨至一定细度，即得水泥产品。每生产1t 水泥可利用赤泥400kg 。该水泥熟料采用湿法生产工艺，因为生产水泥所用粘土质原料是赤泥，其含水率高达60%左右，其细度高、比表面积大，难于烘干，烘干赤泥后的熟料，不仅飞扬损失多，而且废气也不易净化处理，故不便采用干法处理。需要注意的是对所用的赤泥的毒性和放射性问题须先进行检测，以确保产品的安全。
4.2.2制造炼钢用保护渣
烧结赤泥含有SiO2、Al2O3、CaO 等组分，为CaO 硅酸盐渣，而且含有Na2O 、K2O 、MgO 等溶剂组分，具有熔体一系列物化特性。作为保护渣生产较好的原料，资源丰富，组成成分稳定，是钢铁工业浇注用保护材料的理想原料。赤泥制
成的保护渣按其用途可大体分为：普通渣、特种渣和速溶渣几种类型，适用于碳素钢、低合金钢、不锈钢、纯铁等钢种和锭型实践证明，这种赤泥制成的保护扎可以显著降低钢锭头部及边缘增碳，提高钢锭表面质量，可明显改善钢坯低倍组织，提高钢坯成才质量和金属回收率，具有比其他保护材料强的同化性能，其主要技术指标可达到或超过国内外现有保护渣的水平。 该生产工艺简单，产品质量好，可以明显提高钢锭（坯）质量，钢锭成材金属收得率可以提高4%，具有明显的经济效益，当生产规模为年处理能力为15000t 时，可处理赤泥量9000t/a，是处理赤泥的有效途径之一，具有推广价值。
4.2.3利用赤泥生产砖
利用赤泥为主要原料可生产多种砖，如免蒸烧砖、粉煤灰转、装饰砖、陶瓷釉面砖等。以烧结法赤泥制釉面砖为例，所采用的原料组分少，除赤泥作为基本原料，仅辅以粘土质和硅质材料，其工艺过程为：原料→预加工→配料→料浆制备（加稀释液）→喷雾干燥→压型→干燥→施釉→煅烧→成品。
4.2.4利用赤泥生产硅钙肥料和塑料填充剂
赤泥中除含有较高的硅钙成分外，还含有农作物生长必需的多种元素，利用赤泥生产的碱性复合硅钙肥料，可以促使农作物生长，增强农作物的抗病能力，降低土壤酸性，提高农作物产量，改善粮食品质，在酸性、中性、微碱性土壤中均可用作基肥，特别对南方酸性土壤更为合适。此外，用赤泥作塑料填充剂，能改善PVC （主要为聚氯乙烯）的加工性能，提高PVC 的抗冲击强度、尺寸稳定性、黏合性、绝缘性、耐磨性和阻燃性这种塑料还有良好的抗老化性能，比普通PVC 制品寿命提高3~4倍，生产成本低2%左右。
4.2.5用赤泥做矿山采空区充填剂
将矿区采用泵送赤泥胶结充填采矿区获得成功。通过铝土矿底下开采试验证明，赤泥胶结填充技术可靠，可提高矿山回收率，采矿坑木消耗减少，从而降低开采成本，控制开采地压，保护地表建筑、村庄、铁路等。
4.2.6在建材工业中的其他用途
赤泥在建材工业中的其他用途还有：制备赤泥陶粒，生产玻璃、防渗材料、铺路等。目前已有部分投入生产运营，有的赤泥中尚含有U 、Th 、Se 、La 、Y 、
Ta 、Nb 等放射性元素和稀有金属，如长期身处这类建材中，将直接危害人体健康，故使用前需要注意的是对所用的赤泥的毒性和放射性问题须先进行检测，以确保产品的安全。
总结：
冶金行业污染的治理尤为重要，如果不进行有力的治理将对环境造成巨大的破坏，而对废弃物中丰富的可用资源也是一中极大的浪费。在治理方面，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。虽然我国已经加强对冶金行业污染的治理。但是和世界上发达国家相比还有很大的差距，所以我们在冶金污染的治理上还有很长的路要走。