秦火轮
方大萍安钢安源炼铁厂，江西萍乡 337000
摘要：高炉炼铁过程产生大量废弃物，对环境造成严重污染，同时也造成资源的巨大浪费，废钢及二次资源的循环利用是降低高炉炼铁能耗与原料消耗的重要途径，通过研究废钢预处理工艺与固废资源化利用技术以及全流程监控体系，建立了废弃物循环利用的完整技术体系。废钢及二次资源的合理循环利用可显著降低铁水消耗，并减少固废排放，其中冷压球团技术能够实现金属废弃物的高效回收，热态循环全量利用技术可大幅提升资源化效率。该技术体系的应用不仅创造了显著的经济效益，还实现了节能减排，为钢铁工业的绿色低碳发展提供了重要技术支撑。
关键词：废钢循环利用；金属废弃物；固废处理；资源化利用；降碳减排
引言
钢铁工业是资源消耗与污染排放的重要行业，随着环保要求的不断提高与资源供给压力的加大，废钢及二次资源的循环利用已成为高炉炼铁企业实现可持续发展的必然选择。高炉炼铁过程中，除尘灰与氧化铁皮等废弃物含有大量可再利用的铁元素，但由于其成分复杂与物相特征各异，循环利用难度较大。废钢作为优质的铁源，其回收利用对降低生铁比与减少能耗具有重要意义，研究高炉炼铁中废钢及二次资源的循环利用技术，对提高资源利用效率与减少环境污染以及降低生产成本具有重要的理论意义与实践价值。
1 高炉炼铁废弃物的产生与特征
高炉炼铁的过程会伴随着大量固体废弃物产生，这些废弃物主要包括除尘灰、氧化铁皮、炼钢污泥与钢渣等，转炉生产期间除尘工艺会产生除尘粗灰和除尘细灰，其中除尘细灰和氧化铁皮里全铁含量超过 50%，铁元素含量较高属于优质回收原料 [1]。连铸和轧制过程当中，铸件表面与环境里的氧化性气体相接触，受铸坯表面温度和钢中碳含量影响会产生大量氧化铁皮，钢渣作为炼钢过程的副产品，熔渣直接参与炼钢反应，主要来源于铁水与废钢中元素氧化形成的氧化物、造渣剂、矿石与烧结矿带入的杂质以及被侵蚀的耐火材料。目前我国每年钢渣产量已经突破1 亿吨，但面临着综合利用率仅 30% 的困境，亟需探索科学合理的资源化利用途径。
2 废弃物循环利用工艺及技术
2.1 废钢预处理及配比优化技术
高炉炼铁过程中，废钢资源的有效利用对降低能耗与原料成本具有重要意义，（如图 1 所示）废钢预处理工艺主要对除尘粗灰、除尘细灰、氧化铁皮与磁选粉等按照特定比例进行配制，形成冷压球，制备过程中原料 TFe 含量应≥ 45%，经过压制形成的冷压球含水率控制在 3% 以下，以确保冷压球成球强度并减少喷溅，冷压球替代烧结矿作为冷却剂，能显著降低辅料成本 [2]。在炼钢温度下，钢渣中铁氧化物与铁水中的碳元素发生还原反应，生成的 CO气体与铁氧化物继续发生间接还原反应，其标准吉布斯自由能可表示为：
ΔG° =104390-122.8T （1）
此吉布斯自由能方程表明，当温度升高时，反应的ΔG°值降低，反应更容易进行，在熔池中，铁氧化物还原生成金属铁主要受该反应主导，熔池中碳的活度影响铁氧化物的还原反应，因此可选择在冶炼前期与中期碳活度较高的条件下加入冷压球，提高金属铁的回收率。
2.2 废弃金属资源的回收工艺
废弃金属资源的回收主要通过磁选与热闷等工艺实现，磁选工艺依据渣中富磷相与其他相的磁性特征，在2T 磁场强度与渣粒度小于 35μm 条件下，可将钢渣中的铁资源进行分离回收。热闷法采用钢渣倾倒至热闷罐，加水冷却利用钢渣自身温度发生应力破碎，使渣中游离氧化钙与水反应生成氢氧化钙，提高钢渣稳定性，再利用破碎筛分机对钢渣进行渣铁分离，该工艺处理效率高，污染相对较小，在国内应用程度最高 [3]。滚筒法是将熔融钢渣倾入滚筒中，利用水与机械力将液态钢渣冷却膨胀粒化，处理后冷凝除尘，再经振动筛分离出钢渣、精矿与尾渣，滚筒法处理后钢渣粒度细小，钢与渣分离程度高，尾渣游离氧化钙含量低，生产流程短，自动化程度高，但设备复杂，维修难度大，运行成本较高。
2.3 固废资源化处理技术
钢渣资源化处理主要采用碳热还原脱磷技术，（如图2 所示）在熔融钢渣倒入处理炉后，利用碳质还原剂与钢渣中的 P2O5 反应，使磷以 P2/P4 气态形式析出，钢渣中的磷主要以 nC2S-C3P 固溶体形式存在 [4]。碳热还原过程中固溶体中的 CaO 与 SiO2 含量逐渐降低，有助于磷的富集分离，在还原过程中熔渣中磷的富集受温度与碱度影响显著，富磷相中 P2O5 的质量分数与渣中 Fe2O3 含量存在如下关系：
P2O5(%)=17.58+0.824×Fe2O3(%) （2）
该关系式表明随着 Fe2O3 含量由 5% 增加至 25%，富磷相中 P2O5的质量分数增加至 38.17%，磷的富集程度显著提高，通过控制合适的工艺参数，可使脱磷率达到79.25%，脱磷后的熔渣继续作为造渣剂返回炼钢流程，实现固废的循环利用。
2.4 循环利用全流程监测与控制
固废循环利用全流程监测主要包括物料成分、温度与渣铁分离效率等关键指标的在线监测。废钢预处理阶段，需严格监控冷压球中 TFe 含量与含水率，确保冷压球强度与喷溅风险得到有效控制 [5]。在碳热还原阶段，精确监测熔渣温度与碱度，实时调整碳化稻壳等还原剂的添加量，保证还原反应的顺利进行，渣铁分离过程中采用图像识别技术评估磁选效果，并根据评估结果动态调整磁场强度，为提升监测精度，在炉前取样分析渣中 TFe 含量变化，建立基于残差分析与反馈补偿的控制模型：
ΔTFe=kFe(TFe 实 -TFe 理 )+ ∫(TFe 实 -TFe 理 )dt （3）
通过该模型实现对 TFe 含量的闭环控制，当实际值偏离理论值时，系统自动调整工艺参数，确保渣铁分离效率维持在最佳水平，全流程监测与控制系统的应用显著提升了固废资源化利用效率，为工艺优化提供了可靠的数据支持。
3 废弃物循环利用的效益分析
3.1 经济效益分析
通过对国内大型钢铁企业工艺优化前后 6个月的生产数据进行系统收集与分析，将转炉终点钢液中的 C含量、P含量与脱磷率等关键技术指标以及综合灰耗量与钢铁料消耗量等经济指标进行对比。在数据采集过程中严格控制生产工艺参数，确保各项工艺制度得到有效执行，钢水质量指标采用连续取样分析获得，物料消耗数据来自企业 MES系统的实时记录，经过统计分析后得到以下对比结果：
从对比数据可以看出（见表 1），工艺优化后企业主要技术经济指标均取得显著提升。在钢水质量方面，终点C 含量≥ 0.08% 的炉次占比由 35.9% 提升至 60.8%，终点P 含量明显降低，脱磷率提高 7.3%。在物料消耗方面，吨钢综合灰耗量降低 2.4kg，钢铁料消耗量减少 3.62kg，按照年产 1000 万吨钢铁计算，可节约成本近亿元，经济效益显著。
表 1 废弃物循环利用工艺优化前后技术经济指标对比
3.2 环境效益分析
废弃物循环利用技术在环境效益方面的评估采用全生命周期分析方法，通过建立物质流与能量流评价模型，对固废堆存量、碳排放与资源消耗等环境指标进行系统监测，评估过程覆盖原料准备、生产加工与废物处理等全过程，采用国际标准化的评价方法，确保数据的科学性与可比性，监测周期为一个完整年度，涵盖不同季节与工况条件。
环境效益评估结果显示（见表 2），循环利用技术在资源节约与环境保护方面的效果显著，原料消耗大幅降低，吨钢铁矿石与焦炭消耗分别减少 21.9% 与 22.2%；环境负荷明显改善，CO2排放降低 15%，固废堆存量减少 70%；资源回收效率大幅提升，渣铁综合回收率提高近 2 倍，达到 86.7% 的国际先进水平。
3.3 社会效益分析
废弃物循环利用技术的推广应用为钢铁工业的绿色转型探索出一条可行路径，该技术促进了产业结构优化升级，带动了环保装备制造与工程技术服务等相关产业发展，创造了大量就业机会。在资源保护方面，技术的应用每年可节约铁矿石消耗超过 1000 万吨，减少土地占用 2000 公顷以上，对保护矿产资源与土地资源具有重要意义。随着技术的不断成熟与推广，钢铁企业的环保形象得到显著改善，企业与社会的和谐发展取得新进展，废弃物循环利用的成功实践为建立资源节约型与环境友好型的现代工业体系提供了有益经验，推动了全行业的技术进步与可持续发展，对实现“碳达峰碳中和”目标作出了积极贡献。
4 结语
废钢及二次资源循环利用技术的研究与应用，为高炉炼铁企业实现绿色低碳发展提供了重要的技术支撑，通过冷压球团与热态循环等技术的研发与应用，建立起完整的废弃物循环利用体系，实现资源的高效回收与综合利用。研究显示，该技术体系在降低能耗与减少排放以及提高效益等方面取得了显著成效，未来随着技术的不断优化与完善，废钢及二次资源的循环利用将为钢铁工业的转型升级与可持续发展注入新的动力。
参考文献
[1] 刁江，谷文凤，陶浩然，等 . 钢渣的一次处理技术及综合利用研究进展 [J/ OL]. 中国粉体技术，1-11[2025-04-28].
[2] 许定胜 . 高炉渣特性与综合利用的研究 [J]. 全面腐蚀控制，2025， 39(03)：70-72.
[3]卫国强，杨利彬，戴雨翔，等 .炼钢厂金属废弃物的循环利用研究及应用 [J/ OL]. 江西冶金，1-12[2025-04-28].
[4] 李晨晓，赵鹏，孟鑫，等 .CO2 在炼钢工序资源化利用技术现状和前景分析 [J]. 连铸，2025，44(01)：1-10.
[5] 刘昕，王仲亮，包燕平 . 转炉钢渣资源化利用研究现状与应用展望 [J]. 工程科学学报，2025，47(04)：668-681.