1 前言
钢铁工业炉渣的处理和利用是环境治理和保护的重要方面，是绿色制造、循环经济的生态业工程发展的要求。为了控制冶金炉渣的产出，目前采用的主要措施有两个方面：一是采用精料等措施减少固体废弃物排出，既在选矿环节大力推进细粒选矿，提高精矿品位，减少冶炼排渣量;二是大力推进综合利用，主要集中在用钢渣生产钢渣水泥、作烧结熔剂和高炉炼铁熔剂等方面。到目前为止，炼钢炉渣的利用还很不充分，仅为 10%左右。不断开发新的钢渣综合利用途径，最大限度地消纳大量产出的钢渣对环境的压力具有十分重要的意义。由于钢渣除部分是炼钢反应本身产生之外，还有很大一部分是通过开采矿山获得的石灰等，因而，研究炼钢炉渣的新的综合利用途径不仅可减少固体废弃物的排放，还可减少对一次资源的开采，具有明显的经济和社会效益。
2 炼钢过程的炉渣排出情况及特点
我国的钢铁工业近年来获得了巨大的发展，钢铁产量规模不断扩大。以 2013 年产钢量 7.8 亿吨，平均吨钢渣量 150kg/t 计，炼钢工序炉渣产出量高达 1.17 亿吨/年，产出量巨大，如不能充分利用，其对环境的潜在威胁是不言而喻的。另外，随着工艺不断优化，炉外精炼技术普遍应用，冶炼过程的炉渣结构发生了变化，炼钢产出的炉渣已不仅仅是转炉渣，还包括铁水预处理渣和炉外精炼渣。对电弧炉炼钢工艺也是如此。
企业的原料条件不同，冶炼工艺不同，炉渣的产出量和炉渣成分也不同，不同的企业可能采用不同的炉外精炼设备，其精炼渣成分会有所不同，特钢企业还可能在连铸之后，设有电渣炉等进一步的精炼设备，产出的还有电渣冶炼废渣，因而有必要从系统利用的角度出发，进行炼钢炉渣的综合利用研究。 从化学组成上，钢渣属于高碱性炉渣，根据其反应特征可以分为氧化性炉渣和还原性炉渣两大类。从工序分，可归为铁水预处理渣、氧化脱碳渣和精炼渣三大类。可以看出：
1.不同炼钢工序对炉渣的要求不同，炉渣的产出量和性质不同，应该分类加以利用。
2.后期精炼渣中的硫磷含量比较低，尤其是采用铁水预处理技术后，精炼渣具有更高的综合利用价值。 课题组在对国内不同炼钢厂家不同工序产出炉渣进行了综合分析与测定，结果表明各阶段炉渣均未达到脱磷和脱硫的最大限度，仍然具有很大的脱磷和脱硫潜力，尤其是冶炼后期炉渣。
3 现行钢渣综合利用状况
3.1 我国与其它国家的钢渣综合利用比较
钢渣的合理利用和有效回收是现代钢铁工业技术进步的重要标志之一。工业发达国家 20 世纪初期就开始关注钢渣的利用价值，注重于研究钢渣的综合利用技术，已经开发了多种有关钢渣综合利用的途径，主要包括冶金、建材等领域。据相关资料，美国、德国、日本等国家的钢渣利用率都在 95%以上，其中厂内循环在 20%以上。我国钢渣综合利用率仅为 10%左右，与工业发达国家存在明显的差距。
我国钢渣利用的主要方向为：(1)作为建筑材料。做钢渣水泥，堆存降低活性后做铺路等的填埋材料，超细粉做水泥添加料等;(2)在钢铁企业内部进行回用，主要利用其中的铁和熔剂成分，目前主要用作烧结熔剂，高炉炼铁熔剂，和铁水预处理渣剂。但主要利用途径仍为：钢渣处理(破碎、水淬或控制冷却使之粉化)、选分(选出废钢和钢珠，进一步选出精矿)、废钢和精矿返回炼钢和烧结，尾渣作填埋和水泥材料。
3.2 目前钢渣利用存在的问题
(1)炉渣的排放及收集缺乏有效控制
目前多数企业未建立不同炉渣的分类收集制度，对部分炉渣加工处理企业甚至对钢渣和高炉渣界定不清。不同类型钢渣混杂、组成波动成为进一步提高钢渣综合利用面临的一个主要问题。
(2)处在末端控制水平，需要更高层面的综合利用规划
从减少固体废弃物排放的3R原则出发，对钢渣的的综合利用应从三个环节入手：一是减少炉渣的产出，二是钢渣的循环利用，三是对外排钢渣的利用。其中前两个环节属于过程控制，第三个环节为末端控制。而钢渣利用目前仍处于末端治理为主，前两个环节关注不够。这是一项系统工程，需要多方参与，协同行动。
(3)综合利用的地域、环境的不平衡性
建材方面的利用是钢渣综合利用的主要出路。在已有的综合利用技术中，选铁后的钢渣作为铺路、建设回填材料是主要路线。由于建材总体价格较低，应用直接受到运距的限制，因此，在经济发达、城市群集中的地区，钢渣的综合利用率明显高于其它地区，也就是说靠江沿海的经济发达地区的钢铁企业钢渣出路清楚，尤其是城市周边。而钢铁企业正在逐步迁出这些地区，为钢渣综合利用提出了新课题。
4 钢渣梯级利用的思路的提出
4.1 钢渣梯级利用概念的提出
脱磷和脱硫是炼钢的两大任务，将各工序的炉渣成分作一分析，可以发现：①炼钢各阶段炉渣均未达到脱磷和脱硫的最大限度，仍然具有很大的脱磷或脱硫潜力。越是后步工序的炉渣，其杂质含量(S、P)越低，回用潜力越大。电渣重熔炉渣、LF 精炼渣具有比铁水预处理脱硫渣更强的脱硫能力，但其排出硫含量却远低于后者;转炉渣(特别是使用预处理脱磷铁水的转炉渣)脱磷能力高于铁水预处理脱磷渣，但其磷携带量远低于后者。 ② 从功能上分析，电渣重熔炉渣可满足高碱度、低氧化性要求，经调和可应用于 LF 精炼渣;硫较低的 LF 渣经适当调整，可循环利用于 LF 精炼，也可作为转炉和电炉的化渣剂;转炉渣具有高碱度，高氧化性，经调整成分，降低熔化温度后可返回用于铁水预处理脱硅和脱磷。 因而，通过对炉渣成分和性能的调整，逐级返回应用，即梯级回用，使之得到充分利用是很有潜力也完全可能的。通过梯级利用，一方面使原本当作废物排出的钢渣作为造渣材料返回利用，可减少造渣材料消耗，降低生产成本，提高经济效益;另一方面，钢渣的梯级利用可提高了造渣材料的使用效率，减少钢渣的最终排出量。
4.2 钢渣返回利用的部分工业实践
(1)在转炉炼钢企业的钢渣循环利用
已有数家企业实现了对 LF 精炼渣的循环利用。通过热态渣的循环利用，减少了 LF 炉造渣料的消耗，省去了化渣环节，节省了电能和电极消耗;减少了 LF 炉加热时间，可以发挥转炉的产能,增加产量，减少在 LF 炉增碳和增氮量，提高了质量;减轻了加热时电弧对钢包壁耐火材料的侵蚀，提高了钢包的寿命;而且完全利用了翻渣钢包的注余钢水，提高了成材率,降低了生产成本。对产品质量没有影响。渣的循环利用率目前已达 60 %～70 %。另外，其它工序的返回利用也有大量相关研究与实践。
(2)特钢企业的钢渣梯级利用
对采用电弧炉+炉外精炼+连铸，并设置有电渣冶炼的特钢企业，已经实现了电渣冶炼渣的 100%返回利用，同时对部分 LF 精炼渣实现循环使用，取得了明显的经济效益及节能减排效果。
4.3 钢渣返回利用应注意的几个问题
(1)LF 钢渣热态返回用于精炼的温度控制
对于 LF 钢渣和浇余本身的量比较少，蓄积的热量有限，倒包会使热量损失加剧，导致热态钢渣和浇余可能产生结包及水口堵死。所以采用这种方法，必须保证钢包有足够的温度，尽快促使钢包周转，减少钢渣和浇余在空包中的存储时间。浇注完毕后把热态钢渣和浇余倒入下一炉钢水精炼是比较好的选择。 浇余钢水温度低于出钢钢水温度，若浇余较多，可能会降低下一炉钢水的温度，这就要求加强精炼提温。生产中要注意钢水温度的变化，采取适当的措施。
(2)返回利用中的炉渣的性能评价及调制
当某工序产出的炉渣用于其它工序时，由于温度、性能要求等差异，需要对返回炉渣进行调制。该工作一般可安排在应用工序进行。但也可在待用炉渣的产出工序进行调制，如 LF 钢渣，可在满足脱硫要求的条件下，通过成分调整，使其粉化程度降低，进而明显改善炉渣返回利用的操作环境。
(3)与其它技术的有效配合
炉渣返回或循环利用必然会对使用中的部分技术产生影响。如铁水预处理脱磷后的转炉渣产出量和成分可能已无法满足我国转炉普遍采用的溅渣护炉要求，如何实现二者的协调配合，以达到整体效益的最佳化需要进行认真比较与研究。
5 结论与展望
5.1 基本结论
(1). 现代炼钢工艺决定了炉渣排出点及组成的多样化，有必要从系统的角度出发进行综合利用设计;
(2). 应优先考虑冶金企业内部回用的可能性，钢铁联合企业具有回用基本条件;
(3). 冶炼后期工序产生的钢渣返回利用符合绿色冶金的发展理念，可产生明显经济和社会效益的方向。
(4). 钢渣梯级利用是基于炉渣排放特点及用途，实现综合利用的一种理念和技术，已有成功的工业实践，可为钢铁企业节能减排提供参考。
5.2 展望
预期未来钢渣的减排与综合利用将会在如下方面得到进一步的发展：
(1). 实现分类收集与区别化应用;
(2). 现代钢铁联合企业生产流程长，环节多，具有返回利用的基本条件。建立系统性的钢渣减排、内部循环综合利用整体优化方案;
(3). 开发具有热态调制及控制冷却，兼顾余热利用的技术;
(4). 继续开发钢渣高效利用技术，拓宽钢渣利用途径。
(5). 3R原则指导下的炉渣综合利用技术集成。