秦火輪
方大萍安鋼安源煉鐵廠，江西萍鄉 337000
摘要：高爐煉鐵過程產生大量廢棄物，對環境造成嚴重污染，同時也造成資源的巨大浪費，廢鋼及二次資源的循環利用是降低高爐煉鐵能耗與原料消耗的重要途徑，通過研究廢鋼預處理工藝與固廢資源化利用技術以及全流程監控體系，建立了廢棄物循環利用的完整技術體系。廢鋼及二次資源的合理循環利用可顯著降低鐵水消耗，并減少固廢排放，其中冷壓球團技術能夠實現金屬廢棄物的高效回收，熱態循環全量利用技術可大幅提升資源化效率。該技術體系的應用不僅創造了顯著的經濟效益，還實現了節能減排，為鋼鐵工業的綠色低碳發展提供了重要技術支撐。
關鍵詞：廢鋼循環利用；金屬廢棄物；固廢處理；資源化利用；降碳減排
引言
鋼鐵工業是資源消耗與污染排放的重要行業，隨著環保要求的不斷提高與資源供給壓力的加大，廢鋼及二次資源的循環利用已成為高爐煉鐵企業實現可持續發展的必然選擇。高爐煉鐵過程中，除塵灰與氧化鐵皮等廢棄物含有大量可再利用的鐵元素，但由于其成分復雜與物相特征各異，循環利用難度較大。廢鋼作為優質的鐵源，其回收利用對降低生鐵比與減少能耗具有重要意義，研究高爐煉鐵中廢鋼及二次資源的循環利用技術，對提高資源利用效率與減少環境污染以及降低生產成本具有重要的理論意義與實踐價值。
1 高爐煉鐵廢棄物的產生與特征
高爐煉鐵的過程會伴隨著大量固體廢棄物產生，這些廢棄物主要包括除塵灰、氧化鐵皮、煉鋼污泥與鋼渣等，轉爐生產期間除塵工藝會產生除塵粗灰和除塵細灰，其中除塵細灰和氧化鐵皮里全鐵含量超過 50%，鐵元素含量較高屬于優質回收原料 [1]。連鑄和軋制過程當中，鑄件表面與環境里的氧化性氣體相接觸，受鑄坯表面溫度和鋼中碳含量影響會產生大量氧化鐵皮，鋼渣作為煉鋼過程的副產品，熔渣直接參與煉鋼反應，主要來源于鐵水與廢鋼中元素氧化形成的氧化物、造渣劑、礦石與燒結礦帶入的雜質以及被侵蝕的耐火材料。目前我國每年鋼渣產量已經突破1 億噸，但面臨著綜合利用率僅 30% 的困境，亟需探索科學合理的資源化利用途徑。
2 廢棄物循環利用工藝及技術
2.1 廢鋼預處理及配比優化技術
高爐煉鐵過程中，廢鋼資源的有效利用對降低能耗與原料成本具有重要意義，（如圖 1 所示）廢鋼預處理工藝主要對除塵粗灰、除塵細灰、氧化鐵皮與磁選粉等按照特定比例進行配制，形成冷壓球，制備過程中原料 TFe 含量應≥ 45%，經過壓制形成的冷壓球含水率控制在 3% 以下，以確保冷壓球成球強度并減少噴濺，冷壓球替代燒結礦作為冷卻劑，能顯著降低輔料成本 [2]。在煉鋼溫度下，鋼渣中鐵氧化物與鐵水中的碳元素發生還原反應，生成的 CO氣體與鐵氧化物繼續發生間接還原反應，其標準吉布斯自由能可表示為：
ΔG° =104390-122.8T （1）
此吉布斯自由能方程表明，當溫度升高時，反應的ΔG°值降低，反應更容易進行，在熔池中，鐵氧化物還原生成金屬鐵主要受該反應主導，熔池中碳的活度影響鐵氧化物的還原反應，因此可選擇在冶煉前期與中期碳活度較高的條件下加入冷壓球，提高金屬鐵的回收率。
2.2 廢棄金屬資源的回收工藝
廢棄金屬資源的回收主要通過磁選與熱悶等工藝實現，磁選工藝依據渣中富磷相與其他相的磁性特征，在2T 磁場強度與渣粒度小于 35μm 條件下，可將鋼渣中的鐵資源進行分離回收。熱悶法采用鋼渣傾倒至熱悶罐，加水冷卻利用鋼渣自身溫度發生應力破碎，使渣中游離氧化鈣與水反應生成氫氧化鈣，提高鋼渣穩定性，再利用破碎篩分機對鋼渣進行渣鐵分離，該工藝處理效率高，污染相對較小，在國內應用程度最高 [3]。滾筒法是將熔融鋼渣傾入滾筒中，利用水與機械力將液態鋼渣冷卻膨脹?；?，處理后冷凝除塵，再經振動篩分離出鋼渣、精礦與尾渣，滾筒法處理后鋼渣粒度細小，鋼與渣分離程度高，尾渣游離氧化鈣含量低，生產流程短，自動化程度高，但設備復雜，維修難度大，運行成本較高。
2.3 固廢資源化處理技術
鋼渣資源化處理主要采用碳熱還原脫磷技術，（如圖2 所示）在熔融鋼渣倒入處理爐后，利用碳質還原劑與鋼渣中的 P2O5 反應，使磷以 P2/P4 氣態形式析出，鋼渣中的磷主要以 nC2S-C3P 固溶體形式存在 [4]。碳熱還原過程中固溶體中的 CaO 與 SiO2 含量逐漸降低，有助于磷的富集分離，在還原過程中熔渣中磷的富集受溫度與堿度影響顯著，富磷相中 P2O5 的質量分數與渣中 Fe2O3 含量存在如下關系：
P2O5(%)=17.58+0.824×Fe2O3(%) （2）
該關系式表明隨著 Fe2O3 含量由 5% 增加至 25%，富磷相中 P2O5的質量分數增加至 38.17%，磷的富集程度顯著提高，通過控制合適的工藝參數，可使脫磷率達到79.25%，脫磷后的熔渣繼續作為造渣劑返回煉鋼流程，實現固廢的循環利用。
2.4 循環利用全流程監測與控制
固廢循環利用全流程監測主要包括物料成分、溫度與渣鐵分離效率等關鍵指標的在線監測。廢鋼預處理階段，需嚴格監控冷壓球中 TFe 含量與含水率，確保冷壓球強度與噴濺風險得到有效控制 [5]。在碳熱還原階段，精確監測熔渣溫度與堿度，實時調整碳化稻殼等還原劑的添加量，保證還原反應的順利進行，渣鐵分離過程中采用圖像識別技術評估磁選效果，并根據評估結果動態調整磁場強度，為提升監測精度，在爐前取樣分析渣中 TFe 含量變化，建立基于殘差分析與反饋補償的控制模型：
ΔTFe=kFe(TFe 實 -TFe 理 )+ ∫(TFe 實 -TFe 理 )dt （3）
通過該模型實現對 TFe 含量的閉環控制，當實際值偏離理論值時，系統自動調整工藝參數，確保渣鐵分離效率維持在最佳水平，全流程監測與控制系統的應用顯著提升了固廢資源化利用效率，為工藝優化提供了可靠的數據支持。
3 廢棄物循環利用的效益分析
3.1 經濟效益分析
通過對國內大型鋼鐵企業工藝優化前后 6個月的生產數據進行系統收集與分析，將轉爐終點鋼液中的 C含量、P含量與脫磷率等關鍵技術指標以及綜合灰耗量與鋼鐵料消耗量等經濟指標進行對比。在數據采集過程中嚴格控制生產工藝參數，確保各項工藝制度得到有效執行，鋼水質量指標采用連續取樣分析獲得，物料消耗數據來自企業 MES系統的實時記錄，經過統計分析后得到以下對比結果：
從對比數據可以看出（見表 1），工藝優化后企業主要技術經濟指標均取得顯著提升。在鋼水質量方面，終點C 含量≥ 0.08% 的爐次占比由 35.9% 提升至 60.8%，終點P 含量明顯降低，脫磷率提高 7.3%。在物料消耗方面，噸鋼綜合灰耗量降低 2.4kg，鋼鐵料消耗量減少 3.62kg，按照年產 1000 萬噸鋼鐵計算，可節約成本近億元，經濟效益顯著。
表 1 廢棄物循環利用工藝優化前后技術經濟指標對比
3.2 環境效益分析
廢棄物循環利用技術在環境效益方面的評估采用全生命周期分析方法，通過建立物質流與能量流評價模型，對固廢堆存量、碳排放與資源消耗等環境指標進行系統監測，評估過程覆蓋原料準備、生產加工與廢物處理等全過程，采用國際標準化的評價方法，確保數據的科學性與可比性，監測周期為一個完整年度，涵蓋不同季節與工況條件。
環境效益評估結果顯示（見表 2），循環利用技術在資源節約與環境保護方面的效果顯著，原料消耗大幅降低，噸鋼鐵礦石與焦炭消耗分別減少 21.9% 與 22.2%；環境負荷明顯改善，CO2排放降低 15%，固廢堆存量減少 70%；資源回收效率大幅提升，渣鐵綜合回收率提高近 2 倍，達到 86.7% 的國際先進水平。
3.3 社會效益分析
廢棄物循環利用技術的推廣應用為鋼鐵工業的綠色轉型探索出一條可行路徑，該技術促進了產業結構優化升級，帶動了環保裝備制造與工程技術服務等相關產業發展，創造了大量就業機會。在資源保護方面，技術的應用每年可節約鐵礦石消耗超過 1000 萬噸，減少土地占用 2000 公頃以上，對保護礦產資源與土地資源具有重要意義。隨著技術的不斷成熟與推廣，鋼鐵企業的環保形象得到顯著改善，企業與社會的和諧發展取得新進展，廢棄物循環利用的成功實踐為建立資源節約型與環境友好型的現代工業體系提供了有益經驗，推動了全行業的技術進步與可持續發展，對實現“碳達峰碳中和”目標作出了積極貢獻。
4 結語
廢鋼及二次資源循環利用技術的研究與應用，為高爐煉鐵企業實現綠色低碳發展提供了重要的技術支撐，通過冷壓球團與熱態循環等技術的研發與應用，建立起完整的廢棄物循環利用體系，實現資源的高效回收與綜合利用。研究顯示，該技術體系在降低能耗與減少排放以及提高效益等方面取得了顯著成效，未來隨著技術的不斷優化與完善，廢鋼及二次資源的循環利用將為鋼鐵工業的轉型升級與可持續發展注入新的動力。
參考文獻
[1] 刁江，谷文鳳，陶浩然，等 . 鋼渣的一次處理技術及綜合利用研究進展 [J/ OL]. 中國粉體技術，1-11[2025-04-28].
[2] 許定勝 . 高爐渣特性與綜合利用的研究 [J]. 全面腐蝕控制，2025， 39(03)：70-72.
[3]衛國強，楊利彬，戴雨翔，等 .煉鋼廠金屬廢棄物的循環利用研究及應用 [J/ OL]. 江西冶金，1-12[2025-04-28].
[4] 李晨曉，趙鵬，孟鑫，等 .CO2 在煉鋼工序資源化利用技術現狀和前景分析 [J]. 連鑄，2025，44(01)：1-10.
[5] 劉昕，王仲亮，包燕平 . 轉爐鋼渣資源化利用研究現狀與應用展望 [J]. 工程科學學報，2025，47(04)：668-681.