我國是鋼鐵大國，鋼產(chǎn)量占全球的53%，鋼渣是鋼鐵生產(chǎn)過程的副產(chǎn)物，約占鋼鐵產(chǎn)量的10%~15%，年排放鋼渣超過1億噸，累計(jì)堆存15億噸，有效利用率長期低于30%。面對我國年排放超1億噸、累計(jì)堆存15億噸的鋼渣固廢，如何合理利用逐漸發(fā)展成為制約鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)建難題之一。

　　鋼渣固廢到底該何去何從？行業(yè)目前是否具備規(guī)模化、高值化、可持續(xù)化的鋼渣固廢解決方案？近日，中國寶武中央研究院首席研究員肖永力向《中國冶金報(bào)》記者全面介紹了一條能夠?qū)崿F(xiàn)鋼渣從工業(yè)固廢到高等級(jí)路面材料價(jià)值重構(gòu)的技術(shù)體系。

　　據(jù)肖永力介紹，就目前而言，國內(nèi)外傳統(tǒng)鋼渣處理工藝，無論是熱潑法還是熱燜法（占比95%以上）均為靜態(tài)緩冷工藝，開放作業(yè)、流程長，尤其是鋼渣游離氧化鈣（f-CaO）含量波動(dòng)大，一般在5%~20%，體積安定性差，遇水膨脹率超過5%，嚴(yán)重制約了鋼渣的資源利用。與此同時(shí)，聚焦國內(nèi)基建發(fā)展，我國是交通基建強(qiáng)國，高速公路里程于2024年達(dá)到19.07萬公里。瀝青路面是國內(nèi)外主流鋪裝形式，占95%以上。公路新建和養(yǎng)護(hù)需要巨量天然集料，僅瀝青路面抗滑表層每年就需集料4億噸~6億噸，天然集料使用年限不到15年，開采既破壞環(huán)境又面臨資源枯竭問題，亟須尋找替代資源。

　　“一方面，大宗鋼渣固廢排放無處去，另一方面，巨量天然集料資源枯竭，急需替代。由此可見，解決鋼渣堆存污染和道路集料資源枯竭的雙重難題，急需我們推動(dòng)跨學(xué)科理論突破與顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)鋼渣大規(guī)模替代天然集料。”肖永力表示。

　　隨后，肖永力展開介紹了鋼渣的成分特征。就主要礦物組成而言，鋼渣中的硅酸鈣（C2S/C3S, 40%~50%）有潛在膠凝活性，游離氧化鈣（f-CaO, 5%~20%）為體積安定性風(fēng)險(xiǎn)因子。就物理特性而言，鋼渣莫氏硬度值為6~7，可媲美玄武巖，道路用天然骨料的硬度值則為5~6；鋼渣的密度為3.2克/立方厘米~3.6克/立方厘米，較道路用天然骨料密度高出10%~15%；洛杉磯磨耗值≤18%，而道路用天然骨料的洛杉磯磨耗值為25%~30%。

　　“鋼渣本身的礦物相特性是比較差的。一是太硬，里面有像小鋼珠一樣特別硬的礦物，比常見的砂子還硬20%，磨鋼渣的耗電量比其他材料（礦渣）高40%。二是活性低，不容易和水發(fā)生反應(yīng)，只有礦渣粉活性的65%左右。三是難磨碎，又硬又密實(shí)，即使用力磨成粉，顆粒也比礦渣粉粗很多，效果差。”肖永力介紹，也正因這些“基因缺陷”直接導(dǎo)致了三大應(yīng)用瓶頸：磨粉成本巨高、粉體效果差、有安全隱患?！斑@就是目前鋼渣做粉體面臨的核心困境。除非能克服這些缺陷，比如找到更便宜的磨法或者激發(fā)它的活性，否則很難有經(jīng)濟(jì)效益?！彼f。

　　然而，鋼渣身上的這些“天生缺陷”，在鋪路這個(gè)用途上則全變成了閃閃發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)。肖永力介紹，將鋼渣重新利用為瀝青集料，便可完美實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”和“揚(yáng)長避短”。一是超高硬度在鋪路領(lǐng)域可變身“抗壓王”和“填縫高手”。那些讓磨粉機(jī)頭疼的“小金剛石”鋪在路面上就成了抵抗車輪碾壓的“神器”。大貨車再多，路面也不容易被壓出深深的車轍。與此同時(shí)，微膨脹特性讓鋼渣在瀝青路里擁有了“自動(dòng)填縫劑”。它能自己悄悄地、一點(diǎn)點(diǎn)地膨脹，把瀝青混合料里那些看不見的小縫隙都塞得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，讓路面像一塊密實(shí)的鐵板，更結(jié)實(shí)、更耐用。二是鐵氧化物的妙用處。那些又重又密的鐵氧化物讓鋼渣石子比普通石子更沉、更實(shí)在。這也證明，同樣一堆石子，鋼渣的表面積相對小，當(dāng)滾燙的瀝青潑上去時(shí)就能更厚、更均勻地“擁抱”住每一顆鋼渣石子，黏性極強(qiáng)，路面壽命也能得到延長。三是抗壓、防滑性能優(yōu)異。據(jù)肖永力介紹，模擬壓路機(jī)重壓的試驗(yàn)（壓碎值）證明，鋼渣石子比玄武巖石子抗壓能力強(qiáng)3成多，用其鋪路地基更穩(wěn)，不怕重載。與此同時(shí)，模擬輪胎長期摩擦的試驗(yàn)（磨光值）證明，鋼渣路面即使被磨了很久，依然比玄武巖路面粗糙近3成，這意味著下雨天剎車，鋼渣路面能提供更強(qiáng)的抓地力，助力行車更安全。

　　反觀瀝青路面集料技術(shù)，緣何天然集料成為了瓶頸？鋼渣集料又將如何解決這些問題？

　　“瀝青技術(shù)經(jīng)歷了天然瀝青、人造瀝青、改性瀝青的發(fā)展歷程，但集料仍依賴天然石子原料，技術(shù)無突破，不耐磨、易出坑，粘不牢、易剝落，搭配差、易開裂，拖累路面整體性能改善?！毙び懒?qiáng)調(diào)，未來必須跳出天然石子的限制，研發(fā)新型人工集料，比如用鋼渣等替代材料，通過優(yōu)化硬度、表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，才能讓石子更“咬”得住瀝青，更抗壓抗磨，最終造出壽命更長的道路。

　　在此背景下，肖永力引出了鋼渣高溫調(diào)控制備高性能瀝青路面材料技術(shù)路線。據(jù)他介紹，該技術(shù)路線有4個(gè)重點(diǎn)優(yōu)勢。

　　一是鋼渣巖相高溫調(diào)控工藝。針對傳統(tǒng)潑渣和燜渣工藝存在的有f-CaO高、安定性差的難題，該工藝揭示了高溫鋼渣冷卻過程抑制有害物析出、富集、晶粒巖相結(jié)構(gòu)調(diào)控及快速水化消解機(jī)制，開發(fā)了鋼渣f-CaO預(yù)測模型，發(fā)明了高溫鋼渣動(dòng)態(tài)混合破碎和精細(xì)快冷相耦合工藝及滾筒法快冷?；自O(shè)備，將有害f-CaO含量由5%~20%穩(wěn)定降至2%以下，為替代天然集料奠定基礎(chǔ)。與此同時(shí)，該工藝滿足f-CaO消解和全形態(tài)鋼渣滾筒化處理的雙重要求，可以幫助構(gòu)建覆蓋從轉(zhuǎn)爐出渣到集料成型的全流程閉環(huán)系統(tǒng)。該工藝通過集成密閉輸送（鱗板→刮板→磁選→篩分→料倉）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼渣從源頭到末端的全程無塵化控制，解決了傳統(tǒng)處理線的二次污染問題?！芭c此同時(shí)，我們還開發(fā)了多級(jí)霧化凝聚與高效旋風(fēng)分離的尾氣凈化技術(shù)，粉塵排放濃度≤30毫克/標(biāo)準(zhǔn)立方米，達(dá)到了鋼渣超低排放要求制備出的鋼渣性能優(yōu)良，f-CaO含量<3%，顆粒度<15毫米，礦物晶粒尺寸降低30%，體積膨脹率<2%，為制備鋼渣瀝青路面材料奠定了基礎(chǔ)。”他說。

　　二是鋼渣—瀝青界面吸附及強(qiáng)化機(jī)制。一方面，由武漢理工大學(xué)率先提出鋼渣作為瀝青路面集料的思路，通過揭示鋼渣礦相成分和顆粒特性與瀝青黏附機(jī)理，發(fā)明了鋼渣集料形貌和孔隙調(diào)控技術(shù)，大幅增強(qiáng)集料對瀝青的黏附能力，并經(jīng)示范工程驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了鋼渣高值利用與替代天然資源的融合，為在高等級(jí)路面推廣應(yīng)用提供了可行的技術(shù)方案。另一方面，該機(jī)制揭示了鋼渣表觀形貌與粒徑對鋼渣瀝青混凝土路用性能的影響規(guī)律，確立了集料粒度、棱角性、表面紋理、球形度的適宜參數(shù)范圍，發(fā)明了鋼渣表面強(qiáng)化、精細(xì)破碎、分級(jí)篩分等鋼渣集料成套加工工藝裝備。與此同時(shí)，在該機(jī)制下，該技術(shù)路線制備出的鋼渣集料，性能顯著優(yōu)于天然集料，鋼渣與瀝青包裹的牢固度是玄武巖的1.8倍，鋼渣與瀝青的拉拔斷裂能是玄武巖的2.8倍，鋼渣集料抗滑耐磨性能是玄武巖的1.25倍。

　　三是鋼渣集料制備技術(shù)體系。其建立了涵蓋粒度分布、相組成、力學(xué)性能等維度的鋼渣集料評(píng)價(jià)模型，構(gòu)建包含f-CaO含量、壓碎值、磨光值、黏附性等級(jí)及浸水膨脹率等指標(biāo)的質(zhì)量控制體系，明確鋼渣集料技術(shù)指標(biāo)限值及檢測方法，構(gòu)建了鋼渣集料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)體系。

　　四是鋼渣瀝青路面長期服役性能保障技術(shù)。該技術(shù)路線通過建立鋼渣瀝青混凝土路用性能與影響服役壽命多因素的相關(guān)性與規(guī)律，構(gòu)建了多支撐點(diǎn)礦料骨架構(gòu)成機(jī)制，提出鋼渣瀝青路面材料壽命預(yù)測方法，發(fā)明了極端環(huán)境瀝青混凝土設(shè)計(jì)方法，同時(shí)適應(yīng)復(fù)雜工況的系列鋼渣瀝青混凝土更能滿足濕熱極寒暴雨等極端環(huán)境的路面材料服役性能要求。

　　“目前，該技術(shù)路線在寶鋼股份集中應(yīng)用工業(yè)示范，可制備鋼渣瀝青混凝土160萬噸，攤鋪面積超50萬平方米?！毙び懒ψ詈蠼榻B，該技術(shù)路線突破了鋼渣高溫巖相定向調(diào)控、界面強(qiáng)化及高性能路面設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)難題，全面推廣后可實(shí)現(xiàn)每年億噸大宗鋼渣固廢100%高值利用，大幅提高路面質(zhì)量，成為我18萬公里高速公路網(wǎng)保駕護(hù)航的基石，顯著緩解“鋼渣圍城”與“集料枯竭”矛盾，實(shí)現(xiàn)鋼渣從工業(yè)固廢到高性能建材的價(jià)值重構(gòu)，有力支撐鋼鐵與交通兩大行業(yè)綠色發(fā)展，經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)效益顯著。