李兆甲  翟玉兵  刘占平

（河北新金钢铁有限公司烧结厂  河北邯郸 056300）

摘要：冶金各工序（如炼铁、炼钢、轧钢等）产生的废料（钢渣粉、除尘灰、转炉污泥、轧钢皮等）数量巨大，传统堆存处理方式不仅占用土地，更造成严重的环境污染和资源浪费。将冶金废料应用于烧结工序进行资源化利用，是钢铁企业实现循环经济、降本增效、绿色低碳发展的有效途径。本文系统分析了钢渣粉、除尘灰、转炉污泥、轧钢皮等典型冶金废料的理化特性及其在烧结应用中的关键技术（配比优化、预处理、工艺参数调控）及在新金钢铁烧结厂的应用实践，详细阐述了废料配入对烧结矿产量、质量、能耗及环境排放的综合影响，并深入评估了其显著的经济效益（降低原料成本、减少固废处置费用）和环境效益（节约资源、减少排放、保护土地）。研究表明，在科学配比和工艺优化基础上，冶金废料在烧结工序的大规模应用技术成熟，效果显著，是实现钢铁工业可持续发展的重要方向，未来应进一步提升利用比例并探索高值化利用途径。

关键词： 冶金废料；烧结；资源化利用；循环经济；绿色冶金

1 引言 

钢铁工业作为国民经济的基石，其发展伴随着巨大的资源消耗和环境压力。在钢铁生产全流程中，各工序均会产生大量的固体废弃物，主要包括：钢渣粉、除尘灰、转炉污泥、轧钢皮（氧化铁皮）。这些废料年产生量巨大（中国钢铁行业年固废产生量超10亿吨），传统处理方式（如堆存、填埋）不仅占用大量土地（据统计，我国钢铁渣堆存量已超20亿吨），还存在污染土壤、水体（重金属、碱性物质浸出）和空气（粉尘）的风险，同时造成铁、钙等有价资源的严重浪费。随着环保法规日益严格、资源成本不断攀升以及“双碳”目标的提出，冶金废料的高效资源化利用已成为钢铁企业生存和发展的刚性需求。

烧结工序作为长流程钢铁生产的“龙头”，其原料结构具有兼容性强的特点，为消纳冶金废料提供了天然平台。将钢渣粉、除尘灰、转炉污泥、轧钢皮等废料科学合理地配入烧结混合料，替代部分铁矿石、熔剂和燃料，不仅能显著降低原料成本，减少固废处置费用，还能实现资源的循环利用，降低环境负荷，是钢铁企业践行循环经济、实现绿色低碳转型的关键环节之一。本文旨在系统总结冶金各工序废料在烧结生产中应用的技术要点、实践经验、综合效益及面临的挑战，为行业推广提供参考。

2 冶金废料特性分析及预处理

 2.1 钢渣粉

特性：炼钢过程（转炉、电炉）产生的熔融渣经冷却、破碎、磁选、粉磨后得到的细粉,主要化学成分为CaO（40-55%）、SiO₂（10-20%）、TFe（10-25%）、MgO（3-10%）、MnO（1-5%）及少量P2O5（1-3%，是主要限制因素之一）。矿物组成以硅酸二钙（C2S）、硅酸三钙（C3S）、RO相（MgO、FeO、MnO固溶体）为主。具有一定的水硬活性（可作水泥掺合料），但用于烧结主要利用其钙铁成分。粒度通常较细（<5mm或更细）。含有少量金属铁粒。

预处理：磁选回收铁粒（提高资源利用率）；陈化或改性处理（促进游离氧化钙f-CaO消解，防止烧结矿吸水粉化）；控制粒度（过粗影响成矿，过细影响透气性）。

2.2 除尘灰

特性： 烧结、炼铁、炼钢、轧钢等工序烟气除尘系统收集的细颗粒物，成分极其复杂多变，取决于来源工序。

烧结除尘灰：含Fe（40-60%）、CaO（5-15%）、C（3-15%）、SiO₂、Al₂O₃及K、Na、Zn、Pb等有害元素，是烧结返料的重要来源。

高炉除尘灰（瓦斯灰/泥）：含Fe（30-50%）、C（15-35%，可作燃料）、Zn（可达百分之几，是主要限制因素）、K、Na等，锌负荷对高炉危害大。

转炉/电炉除尘灰：含Fe（30-60%）、Zn（可高达20%以上，尤其电炉灰）、CaO、Pb等。锌、铅含量高是主要问题。

轧钢除尘灰：主要成分为氧化铁（Fe2O3/Fe3O4），铁品位高（>60%），杂质相对较少，是优质含铁原料。

预处理：严格分类收集与储存（不同来源灰成分差异大，避免混杂）；混匀（保证成分稳定）；脱除有害元素（尤其K、Na、Zn、Pb、Cl，技术难度和成本高，通常通过控制配入比例限制其在烧结-高炉系统的循环富集）；部分含碳高的灰（如高炉灰）需控制配碳量。

2.3 转炉污泥

特性：转炉湿法除尘（OG法）产生的含铁泥浆经脱水后形成的泥饼或利用其黏性直接用于烧结混料造球,主要化学成分为TFe（40-60%，主要以FeO、Fe₂O₃形式存在）、CaO（10-25%）、SiO₂（3-10%）等。物理形态为高含水率（20-35%）的粘稠泥饼，粘性大，流动性差，直接配入会严重影响烧结混合料制粒效果和透气性。

预处理：深度脱水  （降低水分至<15%，减少对混合料水分的影响）；造球/制粒  （最关键步骤，将脱水污泥与部分返矿、生石灰、粘结剂等混合制成小球（5-15mm），大幅改善其物理特性，便于输送、混匀，并显著提高烧结料层透气性）；干燥（进一步降低水分，但能耗高，需权衡）。

2.4 轧钢皮

特性：钢材在轧制及热处理过程中表面氧化脱落形成的片状或粉末状物质,主要成分为Fe3O4和Fe2O3，铁品位极高（>70%），杂质（S、P、SiO₂等）含量很低。物理形态为片状或细小颗粒，密度大，亲水性差。

预处理：破碎筛分（控制粒度，片状过大影响混匀和制粒，通常要求<5mm）；  除油（如果含轧制油，需清洗去除，防止污染和影响烧结过程）。

3冶金废料在烧结中的应用技术  

3.1 配比原则与优化  

核心原则：在保证烧结矿产量、质量（转鼓强度、低温还原粉化率RDI、还原性RI等）满足高炉要求的前提下，最大化废料利用率。

关键考虑因素：  

化学成分互补与平衡：利用废料的含铁量替代部分铁矿粉；利用钢渣粉、污泥中的CaO、MgO替代部分石灰石、白云石；利用含碳除尘灰替代部分固体燃料（无烟煤/焦粉）。需精确计算混合料碱度（CaO/SiO₂）、MgO含量、铁品位、燃料配比等。

有害元素（K、Na、Zn、Pb、P、S）总量控制： 设定烧结矿中这些元素含量的上限（如Zn<0.15%， (K₂O+Na₂O)<0.25%），据此反推各废料的最高允许配比。锌、碱金属在高炉内循环富集危害极大，是限制除尘灰、污泥配量的主要瓶颈。

物理性能影响：污泥球、除尘灰、钢渣粉的粒度、水分、亲水性等对混合料制粒效果、料层透气性有显著影响。需通过实验室和工业试验确定最佳组合。

工艺适应性：不同烧结机（面积、料层厚度、抽风能力）对原料透气性的要求不同。

优化方法：基于原料数据库和工艺模型，进行线性规划计算最低成本配料方案；结合烧结杯试验和工业试验，验证不同配比方案下烧结矿的产、质量指标，不断调整优化。

3.2 混匀与制粒工艺强化  

重要性：废料的加入（尤其是污泥球、除尘灰、钢渣粉）往往使混合料粒度分布变宽、均匀性变差、亲水性降低，制粒效果恶化，影响透气性和烧结均匀性。

强化措施：  

延长混匀时间/优化混匀设备：确保各种原料（特别是成分波动大的除尘灰、污泥球）充分均匀混合。

添加高效粘结剂：如生石灰（CaO）、消石灰（Ca(OH)₂），其消化放热、胶凝作用能显著改善混合料（尤其是含污泥球、除尘灰）的制粒效果，提高小球强度和热稳定性。膨润土等也可考虑，但增加SiO₂和成本。

优化水分控制：废料（尤其是污泥）带入的水分需精确调控总混合料水分在最佳范围（通常7-8%）。水分过高降低透气性，过低影响制粒和点火。

分阶段加料/制粒：如先将铁矿粉、返矿、熔剂等制粒核心物料加水润湿预混，形成母球，再加入除尘灰、钢渣粉等包裹层物料和燃料进行二次制粒，可改善成球性。

3.3 烧结工艺参数调整  

点火制度：含碳除尘灰的加入相当于增加了燃料，可能需适当降低点火温度或缩短点火时间，防止表层过熔。

料层厚度与机速：废料配入可能影响透气性。透气性好时可尝试提高料层厚度（有利于节能降耗和提高质量）；透气性变差时需适当降低料层厚度或减缓机速。

负压与风量：根据料层阻力变化，动态调整主抽风门开度或风机转速，维持适宜且稳定的负压和风量。

燃料配比：含碳除尘灰（特别是高炉灰）可部分替代固体燃料。需根据除尘灰的固定碳含量、燃烧特性以及混合料总热值，精确计算并减少固体燃料（煤粉/焦粉）的配入量，避免过烧或欠烧。

熔剂配比：钢渣粉、转炉污泥含CaO、MgO，需相应减少石灰石、白云石或生石灰的用量，维持目标碱度和MgO含量。

4 生产实践  

新金钢铁烧结厂针对不同工序的冶金废料采取了采取了严格的分仓配加模式，各道工序的冶金废料受不同工序的影响，成分波动较大，下面针对不同工序进行详细阐述。

4.1烧结工序

烧结工序主要产生的冶金废料是除尘灰，其品位一般在30%-40%，利用罐车运输到矿槽单独配加，因除尘灰亲水性差，在混料滚筒影响混匀造球，故对除尘灰进行提前润湿，降低除尘灰对混匀造球的影响。

4.2炼铁工序

炼铁工序主要产生的冶金废料也是除尘灰，其中箱体除尘灰因为锌含量高直接外卖外，其余除尘灰均用罐车拉到烧结参与配矿，因炼铁工序需用焦炭，故炼铁工序的除尘灰含有大量C，且因除尘位置不同，除尘灰中C含量也有所不同，例如槽上槽下除尘灰主要成分为TFe，含有少量C，焦炭大棚除尘灰主要成分为C，含有少量TFe，具体成分如表1和表2所示。这两类除尘灰需分仓配加。重力除尘灰因水分大，与其他除尘灰不能共同配加，需单独分仓使用。目前烧结用炼铁区域除尘灰共分3个仓。

表1 槽上槽下除尘灰成分

表2 焦炭大棚除尘灰成分

4.3炼钢工序

炼钢工序主要产生的冶金废料为除尘灰、转炉污泥和钢渣。炼钢工序因用白灰块脱磷，故炼钢工序除尘灰含CaO量较高，主要成分如表3所示。烧结对炼钢除尘灰单独分仓配加。转炉污泥是转炉吹炼过程中产生的烟气经过湿法除尘所得的产物，因水分大，脱水压球成本较高，新金钢铁利用厂内废水对转炉污泥稀释后直接用于一混滚筒参与混匀加水，及降低了成本又消化了废水，且转炉污泥水具有一定黏性，利于混匀造球，可谓一举三得。钢渣粒度太大，需要进行破碎，且原渣品位较低，直接用于烧结影响烧结品位。在2018年，钢渣车间上新磨机后，更加有效的优化了钢渣粒度组成，通过更好的选渣工艺，将炼钢的钢渣废物进行综合利用，先后经过棒磨机破碎和磁选机选铁，烧结用的钢渣粉品位达到了45%-50%，具体成分如表4所示。但钢渣粉因磷和铬含量较高，过多配加会对炼钢工序造成一定影响，经过长期生产实践，烧结用钢渣粉配比在2%-3%。

表3 炼钢除尘灰成分

表4 钢渣粉成分

4.4轧钢工序

轧钢工序主要产生的冶金废料为轧钢皮，具有含碳品位高，亚铁含量高等特点，烧结用轧钢皮一是提高品位，二是利用其放热反应热量降低燃料消耗。

5 综合效益分析  

5.1 经济效益  

直接原料成本降低：废料（尤其是轧钢皮、含铁除尘灰、钢渣粉）通常单价远低于其可替代的优质铁矿石、熔剂（石灰石、白云石、生石灰）和燃料（无烟煤）。大量替代显著降低烧结原料成本。

固废处置费用节省：废料内部循环利用，避免了高昂的外委处置（运输、堆存/填埋）费用和环境税。

资源利用效率提升：回收利用废料中的铁、钙、镁、碳等有价元素，相当于增加了“城市矿山”的供给。

5.2 环境效益  

源头减废与资源化：是钢铁企业实现固废“减量化、资源化、无害化”的最直接有效途径，显著降低环境负荷。

 节约原生资源：减少铁矿石、石灰石、煤炭等不可再生资源的开采消耗，保护生态环境。

减少土地占用：避免废料堆存占用宝贵的土地资源。

降低碳排放：减少因开采、运输原生矿石和熔剂以及处理处置废料所产生的CO₂排放；钢渣粉中部分CaO已为活性状态，可避免石灰石煅烧分解产生的大量CO₂（CaCO₃ → CaO + CO₂）。

5.3 社会效益  

推动循环经济：实践了“资源-产品-再生资源”的循环模式，为工业固废资源化提供示范。

促进行业绿色转型：助力钢铁企业满足日益严格的环保法规要求，提升绿色制造水平和企业形象。

符合国家战略：响应国家“双碳”目标（碳达峰、碳中和）和“无废城市”建设要求。

6 面临的挑战与展望  

6.1 挑战

有害元素（Zn, K, Na, Pb, Cl）富集：   这是限制除尘灰、污泥等废料配入比例的最大瓶颈。当前主要通过控制配比限制系统循环量，  经济高效的大规模脱除技术（如湿法、火法）仍是行业难题  。

废料成分波动性：来源、工序、时间点不同导致废料成分（尤其是有害元素、铁品位、碳含量）波动较大，对烧结过程的稳定控制和产品质量的均一性构成挑战，需要更强大的在线检测、预均化和智能配料系统。

部分废料预处理成本：如转炉污泥的深度脱水和造球、某些高锌除尘灰的脱锌处理，会增加一定的  运行成本和投资。

对烧结矿质量的潜在影响：过量或不合理配用可能导致烧结矿强度下降、粉化率升高、还原性变差等风险，需要持续优化配比和工艺。

标准规范与政策激励：关于冶金废料在烧结中利用的技术规范、产品标准以及更大力度的财税优惠政策有待完善。

6.2 展望与发展方向  

深化基础研究：深入研究不同废料在烧结过程中的物理化学行为、矿物转化规律及其对烧结矿冶金性能的影响机制，为精准调控提供理论支撑。

开发高效预处理与脱除技术：重点攻关低成本、高效率的脱锌、脱碱金属技术（如选择性氯化挥发、高效浸出）；优化污泥脱水造球工艺，降低能耗和成本；研发新型高效复合粘结剂。

提升智能化水平：应用大数据、人工智能（AI）和机器学习（ML）技术，建立更精准的原料-工艺-质量-能耗-排放预测模型，实现废料配用的  智能决策、动态优化和闭环控制。

探索高值化协同利用：研究钢渣粉等废料在烧结中部分替代熔剂后，对烧结矿矿相组成（如铁酸钙生成）的优化作用；探索将烧结作为冶金废料与其他工业固废（如电厂粉煤灰、城市污泥焚烧灰）协同处置的平台。

优化产业链布局：在有条件的区域或钢铁联合企业集团内，探索建立冶金固废集中高效资源化处理中心，实现规模化、专业化和高值化利用。

完善政策标准体系：政府层面应出台更积极的鼓励政策和强制消纳指标，完善相关产品标准和技术规范，打通废料资源化产品的市场出路。

7 结论  

将钢渣粉、除尘灰、转炉污泥、轧钢皮等冶金各工序产生的废料应用于烧结生产，是钢铁工业实现资源高效循环利用、降低生产成本、减少环境污染、践行绿色低碳发展的重要实践，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。通过科学分析废料特性、强化预处理（磁选、陈化、混匀、造球、粒度控制）、优化配比（核心是平衡成分、控制有害元素总量）、改进混匀制粒工艺（使用粘结剂、水分控制、分段制粒）以及精准调控烧结操作参数（料层、燃料、风量等），完全可以在保证烧结矿产量和质量满足高炉冶炼要求的前提下，实现冶金废料在烧结工序的大规模、稳定化利用。生产实践表明，综合配比达到10%-20%以上在技术上是可行且经济有效的。

尽管面临有害元素富集、成分波动、预处理成本等挑战，但随着预处理与脱除技术的进步、智能化精准控制的深化、协同利用模式的探索以及政策标准的完善，冶金废料在烧结中的利用率有望进一步提高，应用价值将得到更充分的挖掘。持续推动冶金废料在烧结中的资源化利用，是钢铁行业破解环保约束、降低资源依赖、提升竞争力、实现可持续发展的必由之路和关键环节，对建设资源节约型和环境友好型社会具有重要意义。未来应加强技术创新、管理优化和跨行业协作，不断提升冶金固废资源化利用的水平与效益。

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