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。中鋼公司長年鑽研轉爐石之應用技術,目前轉爐石已經可以大量運用在道路鋪築,並且使道路壽命更為提升,為台灣循環經濟立下良好典範。目前中鋼公司進一步研究將轉爐石在高溫進行成分添加改質,可提升轉爐石之功能性,如遠紅外線陶瓷原料、建材色料與光觸媒等,改質轉爐石將有機會應用在高價值建材等產業,創造新經濟價值。
 
本文將從以下大綱,探討轉爐石之高值化技術發展。
‧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。
 
中鋼轉爐石係高溫淬鍊之煉鋼副產品,媲美岩漿噴發之火山岩,性質可比擬天然安山岩,目前已普遍使用於道路及土木工程中,例如應用於道路瀝青混凝土鋪面,使用壽命可達天然骨材道路瀝青混凝土鋪面之三倍以上。中鋼集團同時建立完整的品管與嚴謹道路鋪築工法,除善盡社會責任並建立循環經濟(Circular Economy)之良好典範,現在中鋼公司更進一步與工研院合作推動「轉爐石高值化應用」,將轉爐石在高溫進行成分添加改質,轉變成特殊功能性陶瓷材料,將有機會開發更高價值之產品,如遠紅外線(Far Infrared)陶瓷原料、建材色料與光觸媒等,並能透過鏈結上游金屬煉製產業、下游建材業、飾品業等,建立新商業模式與經濟價值。
 
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,因此所需的安定化時間較長。
 
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
 
目前工研院材化所與中鋼通力合作開發出轉爐石遠紅外線手鍊,如圖四。其中轉爐石手鍊珠經測量,維式硬度高達800 HV以上,並且幾乎不具有孔隙,因此得以拋光成光亮質感;經過檢測其8~14 μm波長平均遠紅外線放射率在37.3˚C時高達98%;此外,為了驗證轉爐石手鍊珠對人體有無不良影響,將製作完之轉爐石手鍊珠進行放射線性核種分析與鎳釋出檢測,檢測結果確認,無人工放射性伽馬核種與確認無釋出鎳,證實轉爐石手鍊珠不會對人體有放射線汙染或是鎳釋出造成的過敏問題。
 
轉爐石光觸媒材料
除了建材或是遠紅外線飾品之應用,因為現有光觸媒材料成本高昂,轉爐石在光觸媒的應用領域也因此受到矚目。Yang Yang等人研究SrFeO3鈣鈦礦(Perovskite)與Ca2Fe2O5鈣鐵鋁石(Brownmillerite)之光觸媒特性,以UV光照射浸泡上述兩種材料之甲基橙(Methyl Orange)水溶液,透過觀察甲基橙的退色現象,如圖六,確認了低成本的Ca2Fe2O5能將甲基橙分解,也就是具有…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖六、UV光照射浸有SrFeO3 與Ca2Fe2O5 之甲基橙水溶液的退色變化率
圖六、UV光照射浸有SrFeO與Ca2Fe2O之甲基橙水溶液的退色變化率
 
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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