金屬煉製產業爐碴材料多元應用發展

 

刊登日期:2020/12/9
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張名惠、游勝閔、莊凱翔/工研院材化所;李育成/中國鋼鐵股份有限公司
 
金屬煉製產業爐碴主成分為金屬氧化物,若經由妥善處理,可作為陶瓷原料,發展多元應用,如混凝土、鋪面磚、耐火材、磁磚等,具有相當之經濟效益,並能使資源有效再利用。若能有效整合並串聯上游金屬煉製產業、中游安定化處理工廠、下游陶瓷應用廠商,則能使煉製產業安心永續經營,建立新的產品供應鏈與新商業模式,將企業之環境負擔轉為新的經濟價值,形成循環經濟產業鏈。
 
前言
金屬煉製產業是極為重要的重工業之一,舉凡日常所需的鋼鐵、鋁合金、銅材等,這些金屬所具有的韌性、延展性、加工性、導熱性等,使其在相關應用上佔有重要的地位。金屬冶煉係指從礦石中提取金屬單質的過程,利用一高溫爐將原料熔融成湯,添加還原劑、助熔劑及其他助劑去抓取原料中的雜質,如磷、硫、氧等,此時雜質及鹽類多浮於熔湯表面,可隔絕空氣使金屬熔湯減少氧化,當熔湯之金屬成份及純度到達所需則排出系統進行加工處理,浮渣則定期耙除或傾倒,冷卻後此混合物則統稱為爐碴。
 
爐碴種類繁多,在一貫作業煉鋼廠中產生之爐碴以高爐石(Blast Furnace Slag)及轉爐石(Basic Oxygen Furnace Slag)為主;使用電弧爐煉鋼,以回收鋼材重新冶鍊成鋼,於氧化爐產生者謂之氧化碴,於精煉爐產生者謂之還原碴,氧化碴與還原碴則統稱為電爐碴(Electric Arc Furnace Slag) 。如此大量之爐碴於製程中被產生,若無有效率之再利用方式,這些爐渣則僅能於廠房或空地上堆置,必須付出大量的土地成本,因此各界無不積極尋找可行的去化方式與地點。在煉鋁產業方面,鋁渣除了含有氧化鋁(Al2O3)之外,尚會與氮氣形成氮化鋁(AlN),若將其存放在有水氣的環境下,則容易反應產生氨氣而有刺鼻臭味,因此隨意堆置會造成環境問題,目前國內鋁渣與鋁集塵灰每年約1.2萬噸,處理方式以掩埋為主。
 
由於煉鋼爐渣於排出系統時仍在高溫狀況下,因此易與氧氣接觸而形成金屬化物,即為陶瓷材料,因此,爐碴之應用,則主要可以做為陶瓷原料,以其所具有的成份特性作為基礎,可發展出不同的應用。由於爐碴年產量太大,因此考量其應用發展時,應以大量去化為優先,產量較少但較高價值之應用可以作為輔助,以提供經濟效益。另外,再利用之製程應考量不產生衍生廢棄物及排放汙染物,方能真正達到減廢之目的。
 
多元應用技術發展
煉鋼爐碴主要成份為多種氧化物之混合物。高爐石以氧化鋁、氧化矽、氧化鈣為主,目前已可全部轉製為爐石粉與高爐水泥,具有耐久性、高強度等優異性能,因此已無去化問題。轉爐石則較高爐石多了氧化鐵及微量氧化錳成份,因此除了作為骨材之外,尚可利用其錳鐵成份開發適當的功能材料。鋁渣的部分,若將之完全氧化,則以氧化鋁為主。以爐碴之基礎成份經不同之處理方式可初步推測可能之應用領域,茲將之整理如圖一,分別介紹於後。
 
圖一、金屬冶煉產業爐碴多元應用方向
圖一、金屬冶煉產業爐碴多元應用方向
 
在作為瀝青混凝土方面,轉爐石與氧化碴呈現塊狀,硬度跟強度較高,因此適宜取代天然石做為骨材粒料使用。瀝青混凝土作為公共工程的道路基材重要性極高,國內年需求量大於一千萬噸,目前主要粒料來源為進口物料,若能逐漸發展,以爐碴取代天然石粒料,則可避免非常時期原物料被國外壟斷的命運;另外,道路鋪面需求各地皆有,因此使用爐碴道路鋪面可「就近去化」,更能減少運輸過程造成的能源損耗---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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