轉爐渣資源化研究與作業

一、 轉爐渣資源化研究發展過程與現況

爐渣為鋼鐵冶鍊過程之產物，國內煉鋼產業所產出之爐渣包括每年約 300 萬 噸水淬高爐渣及 120 萬噸轉爐渣。水淬爐渣為高爐煉鐵過程中所產生，以石灰石 和白雲石添加作為助熔劑，在高溫下液態爐石和溶解之 CaO、MgO 混為一體，其密 度範圍 1.5~2.2g/cm2，並且在熔化鐵水上飄浮，隨後它被送出且以大量、高壓水 噴霧為非晶質、碎片材料。轉爐石則為煉鋼過程之產物，煉鋼之製程以吹氧方式 將鐵水中過多 C 及 Si 去除及添加少量其他組成物以構成鋼之某些特殊性質，生石 灰和白雲石助熔劑和其他氧化組成物則構成轉爐石，轉爐石通常由鋼液表面輕輕 倒出且緩慢冷卻，在坑洞或容器中藉由空氣冷卻或水冷，並運輸至處理場。

需求識別

指定專案 經理

計畫專案步驟

啟動專案 確任

實施專案計畫

控制專案 過程

專案項目 結束

圖 2-6：轉爐煉鋼流程^註

資料來源：中國鋼鐵公司網站 http://www.csc.com.tw/index.asp

國內水淬高爐渣經加工處理後，現已可作為取代部分水泥之水淬高爐石粉產 品，但轉爐渣因本身高 pH 值(約 10~12.4)的特性，而爐渣中[OH－]的釋放及傳輸 的現象尚不明確，使得轉爐渣在工程應用上仍受到限制。

轉爐渣之礦物成份類似水泥熟料，雖因轉爐渣中含有過量之 free CaO 造成不 穩定。水淬爐石在如 CaO 基本激發劑或 CaSO⁴硫酸鹽激發劑下具有水化特性，轉 爐渣具有過量之 CaO 可構成激發劑，這些因素構成轉爐渣應用於混合水泥製造之 組成材料之前提，依據澳洲 George C. Wang 實驗証實使用水淬爐石和／或水泥熟 料可平衡轉爐渣之成份變動，並且部份轉爐渣中之 CaO 可由水淬爐石吸收，因此 可避免混合水泥樣品之不穩定發生。

南京大學與太原鋼鐵公司所進行之研究認為，從理論觀點，煉鋼爐渣(Steel Slag，SS)可視為低品級水泥熟料，用以替代部份熟料生產混合卜特蘭水泥

(Composite Portland Cement，CPC)。飛灰(fly ash，FA)同樣是具波索蘭性質之 工業廢棄物，在許多國家可用於生產飛灰卜特蘭水泥，但同時利用 SS 和 FA 生產

註轉爐生產流程

煉鋼廠先將熔銑送前處理站作脫硫脫磷處理，經轉爐吹煉後，再依訂單鋼種特性及品質需求，送 二次精煉處理站(RH 真空脫氣處理站、Ladle Injection 盛桶吹射處理站、VOD 真空吹氧脫碳處理 站、STN 攪拌站等)進行各種處理，調整鋼液成份，最後送大鋼胚及扁鋼胚連續鑄造機，澆鑄成紅 熱鋼胚半成品，經檢驗、研磨或燒除表面缺陷，或直接送下游軋製成條鋼、線材、鋼板、鋼捲及 鋼片等成品。

混合水泥並無相關報告，而同時以 SS 和 FA 生產之混合水泥(SFCPC)，至少具有下 列優點：

(一) 能降低水泥生產成本，同時促進 SS 和 FA 之利用。

(二) 水泥熟料使用降低，可減少空氣污染因子產生，如：CO²、SO²、NO^X。 (Cement and Concrete Research，1997)

二、 轉爐渣資源化應用於混合水泥之技術 (一) 製程

以轉爐渣製造水泥有兩種方式，一種是以轉爐渣作為水泥之生料，因此，轉 爐渣將在水泥窯中與其他材料一起鍛燒，另一種是不經過鍛燒程序。

1. 鍛燒：

轉爐渣被處理成如黏土和石灰石等其他材料，再進行鍛燒，如此可視為石灰 石之替代品。

2. 不經過鍛燒：

2.1 無水泥熟料：轉爐渣與水淬爐石及石膏共同研磨。

2.2 少量水泥熟料（混合少量之水泥熟料，通常重量比少於 50%）：轉爐石 分開研磨，再和水泥摻配。

3. 少量水泥熟料和轉爐渣共同研磨。

經中國水泥業界實驗証實以 10%轉爐渣替代作為水泥之生料，確有其效益。

不僅對混合水泥無損，且在製造水泥過程中可節省能源。由於節省能源之潛力，

不經由鍛燒過程之製程一般較常被提及，通常轉爐渣、水淬爐石、水泥熟料和石 膏混合研磨。NaOH、CaCl²、Ca(OH)²、CaSO⁴．2H²O 和 KF 可作為激發劑以激發爐石 活性，研磨細度大於 3500cm²/g。

而因材料最終用途不同，free CaO 允許含量之限制亦不同，例如：己發表之 報告中，轉爐渣應用於試驗道路 free CaO 含量低於 7%並不會導致損壞。而轉爐 渣 free CaO 含量高達 11.6%，並不會使混拌水泥之水泥砂漿健性受到影響。關於 轉爐渣自身之穩定性，經由許多研究者認為 4~5%之 free CaO 已是上限。由此建

議，當轉爐渣是複合材料之組成成份時，考慮轉爐渣之使用情形及構造物之性質，

對評估轉爐渣之穩定性是很重要的。不同 free CaO 含量可能可接受，視整個構造 之限制程度和最終使用狀況而定。

(二) 拌合比例和強度

大部份已發表之文獻指出使用四種基本材料（轉爐渣、水淬爐石、水泥熟料 和石膏）作為混合水泥之組合物。在某些狀況中，只有轉爐渣和石膏被使用，則 僅為研究比較用且在製造過程中不可行，轉爐渣添加通常在總重中佔 10~55%，其 餘則為水淬爐石、水泥熟料和石膏。水淬爐石添加於混合水泥中可提昇強度。無 論如何，過量（重量比 55%）將降低強度並影響長期耐久性，過量石膏可能降低 長期強度。一般而言，總固體材料之重量比 8%為石膏之適當添加量。當添加轉爐 渣低於 35%且 OPC 含量大於 55%時，混合水泥之強度類似 OPC，如果 OPC 含量低於 55%，每減少 10% OPC 含量，強度將降低 5%。

以水泥漿樣品測試，含轉爐渣 35%、OPC 60%、石膏 5%之試驗報告 28 天抗壓 強度為 49.3MPa。另以轉爐渣 18%、OPC 60%、水淬爐石 18%和石膏 4%之抗壓強度 為 66.5MPa。

以轉爐渣 60%、水淬爐石 33%、石膏 4%和氯化鈣 3%作為激發劑，抗壓強度為 49.2MPa。

以轉爐渣和石膏製作樣品，混合水泥之早期強度相當低，7 天抗壓強度約為 28 天之 40%，但後期強度成長相當快，90 天抗壓強度約為 28 天之 125%~140%，但 經以蒸汽蒸煮後樣品穩定性無法接受。

研究結果顯示，當 C³S 含量少於 20%，則以 45%轉爐渣、45%水淬爐石和 10%

石膏所製成之水泥砂漿，其 28 天抗壓強度低於 10MPa，當 C³S 大於 20%，則 C³S 對抗壓強度增加之效果便可明顯感受到。當 C³S 大於 40%，毫無例外的，所有 28 天抗壓強度大於 30MPa，除非爐石添加量不超過 35%，否則混合水泥之 28 天抗壓 強度類似水泥。

混合水泥中添加水淬爐石已被証明較轉爐渣－水泥混拌方式在強度及抗硫酸 鹽性能更為成功。這是導因於與轉爐渣－水泥混拌方式比較水淬爐石－轉爐渣－

水泥混拌方式可降低因 C3S 及 C2S 水化所產生之 Ca(OH)2。藉由 Ca(OH)2激發水淬 爐石，Ca(OH)²之含量減少及低鹼 C-S-H 膠體和鈣帆石之水化產物增加可產生更緻 密之水化結構(張東源譯，2004)。

(三)free CaO 之存在型態及對穩定性之影響

轉爐渣之 free CaO 對穩定性之影響已被証明不僅因為量，同時 free CaO 存 在之型態和粒徑大小亦造成影響。研究顯示，轉爐渣中 free CaO 存在兩種形式，

純 free CaO 和固溶態 free CaO，前者為 free-CaO，後者為 CaO+X%FeO（0＜X＜

10%重量百分比），此兩種型式可由 XRD patterns 中加以區別，純 free-CaO d=2.41，而固溶態 free-CaO d=2.38，過量之 free CaO，特別是與少量 FeO 固溶 之 free CaO 是造成混合水泥體積不穩定之主要原因。

在 Creiseler 之報告中，以電子顯微鏡觀察，free CaO 之型態可有殘餘 CaO 方式及在冷卻固體化過程中沈澱方式。這兩種型態之外觀和顆粒尺寸並不相同，

殘餘 CaO 可分為尺寸主要為 3μm 到 10μm 之顆粒，與海綿狀之 CaO 尺寸主要在 6 μm 到 50μm，而沈澱之 CaO 存在於 C²F 之顆粒周圍或 C³S 結晶體內部，尺寸通常 小於 4μm，所有形式之 free CaO 皆可水化；其中最重要的為殘餘 CaO 中海綿狀 且顆粒尺寸大於 50μm 之 free-CaO。

因材料最終用途不同，free CaO 允許含量之限制亦不同，例如：己發表之報 Free CaO

殘餘 free CaO

沈澱 free CaO

顆粒狀 CaO (3~10μm)

海綿狀 CaO (6~50μm) (有害的) 在 C₂F 顆粒周圍(＜4μm) 在 C3S 結晶體中(＜4μm)

告中，轉爐渣應用於試驗道路 free CaO 含量低於 7%並不會導致損壞。而轉爐渣 free CaO 含量高達 11.6%，並不會使混拌水泥之水泥砂漿健性受到影響。關於轉 爐渣自身之穩定性，經由許多研究者認為 4~5%之 free CaO 已是上限。由此建議，

當轉爐渣是複合材料之組成成份時，考慮轉爐渣之使用情形及構造物之性質，對 評估轉爐石之穩定性是很重要的。不同 free CaO 含量可能可接受，視整個構造之 限制程度和最終使用狀況而定(George C. Wang, 2004)。

三、轉爐渣資源化處理及工程應用 (ㄧ) 資源化處理技術

1. 短流程滾筒法

滾筒法是中國自俄羅斯烏拉爾鋼鐵研究所所引入的爐渣處理技術，再由上海 寶鋼二廠加以改良而成。採用由吊車把裝載液態鋼渣的渣罐順著滑道將高溫熔渣 倒入滾筒內，並將冷卻水與鋼渣分層進入桶體，利用滾筒等速旋轉將鋼渣與滾筒 內部鋼球相互撞擊而被充分破碎，而後由刮板將粒料鋼渣排出進行磁選分離等後 續作業，進而形成連續鋼渣處理之流程（寶鋼科協鋼渣研究協會，2003）。 2. 燜罐法

燜罐法是改良自 1993 年中國上鋼五廠的鋼渣處理設施。係利用鋼渣餘熱，在 裝載鋼渣的有蓋容器設施內加入冷水，使其產生蒸氣而使 free CaO 得到消解的 一種鋼渣處理法。入罐爐渣溫度越高，則產生的蒸氣越多，鋼渣與蒸氣接觸時間 越長，蒸氣在一定壓力作用下浸入鋼渣隙縫能力亦越強，而可使 free CaO 得到 更佳的消解（金強，徐錦引，高衛波，2003）。

(二) 工程應用項目

1. 鋼渣用於水泥生料原料中焙燒熟料

鋼渣中氧化鈣、氧化硅和氧化鐵之含量總和達 75％之多，可作為水泥原料的 鐵質校正用料，且其價格相對低廉，在中國水泥工業上早已被大量使用。目前在

水泥生料中的添加量約在 10％以下，同時也因之可減少相當數量的石灰石與媒炭 等水泥製造之用料。

2.鋼渣微粉

鋼渣微粉開發利用研究是近年來國內外的熱門課題，鋼渣在轉爐中高溫冶鍊 後主要的生成物中具有水化活性，當鋼渣研磨細度大於 450 ㎡/㎏時，將可有效與

鋼渣微粉開發利用研究是近年來國內外的熱門課題，鋼渣在轉爐中高溫冶鍊 後主要的生成物中具有水化活性，當鋼渣研磨細度大於 450 ㎡/㎏時，將可有效與