方聖予/工研院材化所
轉爐碴安定化改質技術現況
轉爐碴(Blast Oxygen Furnace Slag; BOF-Slag)為一貫作業煉鋼廠轉爐煉鋼所產生之副產物，年產量約120~130萬公噸。其主要組成為二氧化矽、三氧化二鋁及氧化鈣等氧化物，具有高硬度、高比重、高強度及低磨損率等優秀工程性質。雖然其氧化物組成與水淬高爐碴類似，但卻無法像水淬高爐碴一樣具泛應用性，此乃因轉爐碴排碴冷卻時，其C3S相會依鹼度和冷卻速度的差異而發生相變化；依序由介穩單斜晶β-C2S轉為穩定斜方晶γ-C2S及游離氧化鈣，其中游離氧化鈣水化後Ca(OH)2之體積膨脹率達97.9%。然而，γ-C2S(fcc)因配位數CN= 12，結構穩定，較不具水泥膠結活性，故不利於卜特蘭水泥之應用。而另一方面，轉爐碴會因煉鋼時所投入之石灰、白雲石等添加劑在短時間熔煉過程中，未完全與鐵水反應而殘留於碴相中，進而使得轉爐碴成分中含有游離氧化鈣(Free CaO; f-CaO)，具遇水體積膨脹及pH值達12.4之特性。其不均勻之體積膨脹行為將使得混凝土內部及表面產生裂縫，一旦遭受外力，裂縫即會迅速拓展，造成結構粉化及碎裂等現象，阻礙工程應用途徑及增加環境負擔。因此，轉爐碴安定化及改質高值化技術為一重要課題。
目前國內轉爐碴安定化技術包含熱渣潑地灑水、碴盤水坑裂解及高溫熱碴改質等之安定化方式。其相關流程、技術內容及優缺點如圖一及表一所示。傳統熱渣潑地灑水及滾筒安定化之安定化成本相對低，但由於未反應之游離氧化鈣表面若被其他低熔點(低凝固點)之液態碴包覆，在安定化之過程中，其水分或水蒸汽就只能利用轉爐碴材料表面之孔隙、微裂縫(Micro-crack)等缺陷，透過滲透作用與內部之游離氧化鈣進行水合安定化反應。然而---完整內容請見下方附檔。
圖一、轉爐碴安定化技術流程
轉爐碴安定化改質技術發展
國際上，在轉爐碴安定化之主流技術為前端熱碴改質技術，使用矽源噴射吹入之方式進行改質，利用爐內餘熱或氧化鐵發生還原反應放熱，使游離氧化鈣可形成穩定之矽酸鹽化合物，直接調控碴相之成分以降低游離氧化鈣比例，達到安定化之效果，且製程反應所需之時間相當短，安定化改質效果佳。近年來國內煉鋼廠也開始建立此套大型前端熱碴改質設備及技術，作為轉爐碴安定化之主要方式。
由於前端熱碴改質技術是在高溫排碴時即吹入矽源進行改質，利用爐內餘熱或氧化鐵發生還原反應放熱，以利反應之進行，因此碴相之溫度為影響安定化改質性能之重要關鍵因素。然而，轉爐排碴後碴溫即開始快速下降，當溫度冷卻低於約1350 ℃時，碴相表層即開始凝固。固相將大量吸熱使液體溫度降低，則整體湯液黏度將增加許多，且轉爐碴之組成為氧化物，氧化物之鍵結較強，熔融後之湯液本身黏度較高，又吹入矽源之二氧化矽為長鏈玻璃網，比例越高則黏度越高。若在正常熔點操作溫度下投料，將較不易形成均質化之液相。除非大幅增加工作溫度提供足夠之熱能，降低湯液之黏度，但所耗費之電力及碳排也隨之增加，間接限制了安定化矽源之添加比例，也使部分改質配方與湯液無法獲得充分之反應動能及時間，影響安定化改質性能與均質性，進而影響轉爐碴去化之良率及價值。
有鑑於此，工研院材料與化工研究所特別針對改質配方進行設計，利用助熔劑與碴相中二氧化矽之氧形成短鏈，藉此打斷玻璃網，使二氧化矽之長網變短網，降低湯液黏度，提升湯液之流動性，以利增加改質反應點與碴相之接觸面積，提高均質化改質之性能。另一方面---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。