鋼鐵煉製廢渣–轉爐石之高值化應用與機會

 

刊登日期:2019/9/5
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轉爐石為一貫作業煉鋼副產品,我國每年約產生160萬噸。然而其具有浸水膨脹特性,在膨脹之後其強度會大幅降低甚至造成破裂,現有轉爐石之安定化處理常有內層安定不完全問題,當使用時間長或連日大雨後就容易發生膨脹,常造成路面破裂等現象,因此無法應用於混凝土骨材,目前只能部分添加在道路鋪面來被動性去化。若將轉爐石在高溫進行成分添加改質,除了可解決膨脹性問題也能附加其功能性,如高強度粒料、色度控制顏料與光觸媒等,改質轉爐石將有機會應用在高價值建材等產業。
 
本文將從以下大綱,探討轉爐石安定化與高值化之技術開發。
‧前言
‧改質轉爐石技術
‧轉爐石光觸媒材料
‧結論
 
【內文精選】
前言
我國鋼鐵產業產出之爐渣可分為一貫作業煉鋼之高爐石、轉爐石(Basic Oxygen Furnace Slag; BOF Slag)及電弧爐煉鋼之電爐渣三種。一般常稱呼之鋼爐渣或煉鋼爐石,即為包含轉爐石與電爐渣之泛稱。其中,除高爐石每年產生300萬噸,可安全應用於建築材料外,其他均有使用限制;而轉爐石每年產生160萬噸,為煉鋼、煉鐵製程副產物,以石灰石(CaO)吸附鐵水中的矽(Si)、磷(P)、硫(S)雜質後所產出衍生的資源,在世界各國均各有方法進行去化。以日本為例,新日本住金公司、JFE公司、神戶製鋼公司等集團善用此特性,將轉爐石等煉鋼爐石製成人工魚礁,藉由持續釋出海藻成長所需的養分,復育海洋牧場,重建海洋生態系統。而美國則應用煉鋼爐石做為農業用途,進行酸化土地復育,煉鋼爐石可成功取代石灰石用於中和土壤酸性,其效果甚至優於石灰石。然而上述去化方法在國內尚須法規認可,並且需要更多長期性的研究以消弭社會疑慮,因此目前仍無法有效推行。
 
現階段國內主要的去化管道是部分摻配在道路鋪面。雖然轉爐石具有高硬度、高比重、高強度及低磨損率等優點,但是轉爐石含有游離的氧化鈣或是氧化鎂,當轉爐石與水接觸,游離氧化鈣會發生水化反應造成體積膨脹,具有體積不安定性問題,因此轉爐石必須經過安定化(Stabilize)處理後才能加以使用。國內現有轉爐石之安定化處理法是將融熔爐渣倒入淺盤成型,再進行水淬使其破裂,接著透過熱悶與大氣曝置,使游離氧化鈣自行消解,需要一個月以上才能達到安定。但這種後端安定化法常有內層安定不完全問題,當轉爐石粒料再度經過粉碎處理使得內部不安定成分暴露,仍會發生體積膨脹,使用時間長或連日大雨後就容易發生膨脹問題,常造成路面破裂等現象。潛在的膨脹疑慮導致無法很有效的去化轉爐石,若將轉爐石在高溫進行成分添加改質,除了可解決膨脹性(Expansion)問題也能附加其功能性,如高強度粒料、色度控制顏料與光觸媒等,改質轉爐石將有機會應用在高價值建材或是飾品等產業。
 
改質轉爐石技術
轉爐渣安定化處理法可分為後端表面安定化處理與前端熱渣處理兩種。後端處理最常見包括①蒸氣養生法(Steam Aging):利用高壓或是常壓之水蒸氣通入堆積爐渣之桶槽體中,使水蒸氣與爐渣反應;②水淬法(Water-quenching):熔融爐渣倒出過程中採用一定壓力之水將其打碎並冷卻,促使爐渣與水反應並形成碎小渣料;③滾筒法(Baosteel Short Slag Flow):熔融爐渣流入滾筒中,再以水注入冷卻,同時鋼渣在高速旋轉的滾筒中急冷、固化和破碎並與水充分反應。上述三種方法都是透過水與爐渣進行反應,透過加壓或是使爐渣碎裂來加速反應進行,但與水反應仍僅限於爐渣表面,若使用之轉爐石遭遇碎裂,不安定成分仍會與水進行反應而造成體積膨脹。
 
改質轉爐石技術則是屬前端處理,如圖一所示,其原理是轉爐渣仍為熔融態時,以氧氣進行吹拂,藉由氧氣與爐渣中殘餘氧化亞鐵(FeO)進行氧化反應成為氧化鐵(Fe2O3),在此氧化放熱反應下生成大量熱量(4FeO + O2 → 2Fe2O3, ΔH = -531 kJ/mol),使得爐渣溫度得以上升達1,400˚C以上而維持成融熔態,在融熔態同時噴入如矽砂等改質助劑,並利用其衝擊力量進行混合、攪拌,如此能促使爐渣中不安定的游離氧化鈣成分與改質助劑化合成為安定晶相,游離氧化鈣從改質前的20%含量可降低至0.5%以下,因此改質爐石浸水膨脹率降低至0.4%以下,可應用在高壓混凝土地磚、瀝青混凝土、鐵路道渣骨材等。
 
圖一、改質轉爐石處理法示意圖
圖一、改質轉爐石處理法示意圖
 
改質轉爐石除了可應用在公共工程骨材之外,經過研究也發現其具有高遠紅外線放射特性。根據圖二,Yi Deng之研究顯示,在ABO3鈣鈦礦晶體中之A Site或是BSite由不同原子部分取代時,會造成晶格中如Mn-O與Al-O鍵的不對稱振動(AsymmetricVibration)被增強,因此提高遠紅外線放射率…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖二、鈣鈦礦晶體之遠紅外線放射率增強機制示意圖
圖二、鈣鈦礦晶體之遠紅外線放射率增強機制示意圖
 
作者:游勝閔、莊凱翔、邱國創/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」393期,更多資料請見下方附檔。

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