煉鋼爐碴具有和矽酸鹽水泥熟料相似的化學組成和礦物組成，表3 為不同種類 煉鋼爐碴化學成分表，各式煉鋼爐碴主要化學成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，
與卜特蘭水泥成分相似，因此，作為水泥和混凝土摻料極具發展潛力，然而，煉鋼 爐碴作為混凝土摻料使用時，存在煉鋼爐碴體積穩定性問題，因此，煉鋼爐碴作為 水泥替代原料具有相當的潛力。
目前將廢棄物資源化作為水泥替代原料，在國外已有許多研究證明其可行性，
且於水泥廠實際運作已行之多年，且有相當程度的生產成本降低與節能減碳功效。
根據鏡田誠、鈴木英人[7] 等人的研究指出水泥工業具有以下之特點 ： 1. 水泥旋窯具有很高的燒結溫度可以分解幾乎所有的原料。
2. 生產水泥最主要的原料石灰石是最被廣泛地運用於中和工業的污染。
3. 廢棄物的焚化灰渣組成被有效地用於水泥原料，因此將其用於水泥廠不會有二次 污染的問題。
4. 微量元素如重金屬等已經被安全地中和與固定於水泥熟料中。
5. 水泥旋窯的生產能力大。
圖4 水泥生產製造流程圖
由於煉鋼爐碴化學組成以CaO 為主，占比約 40%-45%，對於石灰石、黏土、矽 礦、鐵渣等水泥組成原料而言，煉鋼爐碴可作為替代石灰石原料使用。水泥製程流 程圖如圖4 所示，將石灰石、黏土、矽礦、鐵渣等原料經生料研磨後，水泥生料粉 先於850℃ -900℃懸浮預熱機進行生料 CaCO3脫酸作用，將脫酸作用產生之CaO 於 水泥旋窯內以約1400℃高溫熔融液相燒結成矽酸三鈣 (C3S)、矽酸二鈣 (C2S)、鋁酸 三鈣(C3A)、與鋁鐵四鈣 (C4AF) 等水硬性礦物相之水泥熟料，如圖 5 所示。因此，
當煉鋼爐碴取代石灰石作為替代原料使用，存在於煉鋼爐碴內的大量游離氧化鈣，
於高溫熔融液相中亦能與SiO2、Al2O3、Fe2O3產生水泥礦物相燒結反應，可有效降 低煉鋼爐碴游離氧化鈣(f-CaO)，依據 CNS 61 國家標準，熟料燒成管制基準以每小 時管制熟料游離石灰含量，游離石灰含量大於1.5% 需進行外放處理或回料與生料重 新燒結處理。因此，高溫燒結作用不僅使煉鋼爐碴進行安定化處理，更確保含有煉 鋼爐碴之熟料游離石灰含量符合CNS 61 國家標準，此外亦能將存在於煉鋼爐碴重金 屬等微量元素，安全中和與固定於水泥熟料中，降低重金屬毒物溶出的可能性。
電弧爐還原碴的再利用問題與應用為水泥生料的實踐
表3 各式煉鋼爐碴化學組成成份表[6]
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O SO3 TiO2 P2O5 MnO LOI 氣冷高爐石 33.9 14.9 0.5 40.7 6.3 0.5 1.4 0.5 0.0 0.6 0.3 水淬高爐石 33.5 13.7 0.4 42.7 6.2 0.4 1.5 0.5 0.0 0.4 0.3 轉爐鋼爐碴 11.5 4.5 21.6 39.4 6.4 -- -- 0.5 2.0 4.0 3.9 氧化碴 19.9 12.1 14.9 36.2 3.3 -- -- 0.7 0.9 7.6 1.0 還原碴 20.2 10.3 9.8 41.2 10.3 -- -- 0.4 0.6 1.8 1.2
氧化物成分%
項目
圖5 水泥生料旋窯燒結示意圖
使用煉鋼爐碴做用水泥替代原料相關文獻指出[8]，由於煉鋼爐碴大量游離氧化 鈣無需經過脫酸吸熱反應，作為水泥替代原料具有低耗熱與低碳排等優點，且燃燒 能力指數(Burning ability index, BI) 試驗結果顯示，添加煉鋼爐碴之水泥生料相對於 未添加煉鋼爐碴之控制組生料，具有較低殘留之游離氧化鈣(f-CaO) 與較佳之水泥熟 料燒結能力。圖6 為水泥替代原料經高溫作用殘留之游離氧化鈣含量與燒結溫度關
係圖[9]，水泥熟料中游離氧化鈣含量隨著高溫燒結溫度增加而顯著降低，且添加廢 磚粉與蛋殼等替代原料，於不同溫度燒結後，殘留之游離氧化鈣較未添加替代原料 之控制組低，說明替代原料中之游離氧化鈣安定化的方法，可透過高溫燒結程序使 材料中存在之游離氧化鈣降低，並符合國家標準值。因此，煉鋼爐碴等廢棄物，進 入水泥廠作為替代原料再利用方法，為降低游離氧化鈣所引發混凝土膨脹崩壞危害 之最有效的方法。
圖6 水泥替代物料殘留游離氧化鈣與高溫燒結溫度關係 (a)控制組生料 (b)廢磚粉替代生料 (c)蛋殼替代生料[9]