第二章 蒐集資料、文獻分析
第一節 鐵、鋼製程與爐碴
2-1-1 鐵、鋼碴製程與產出
目前將鐵礦石還原成生鐵主要是透過高爐或電弧爐冶煉，而一般較常見的是利用 高爐冶煉，冶煉鐵的主要原料除了有鐵礦外，還必須添加適量的焦碳做為還原劑並提 供煉製過程中部分熱量，另外也會添加適量的石灰石(或矽石、螢石)做為熔劑將二氧化 矽等雜質轉化為爐碴，平均冶煉1 ton 生鐵需要 1.5 ~ 2.0 ton 鐵礦石、0.4 ~ 0.6 ton 焦炭、
0.2 ~ 0.4 ton 助熔劑。由於熔化的鐵液和鐵爐碴比重不同故會分層積存在爐缸中，在各 自由不同出口排出，分別得到鐵液及鐵碴。鐵碴依冷卻方法大致又分為氣冷高爐爐碴 (blast furnace slag, BFS)及水淬高爐爐碴(granulated blast furnace slag, GBFS)兩種，氣冷 法是將爐碴堆積於一般自然環境中冷卻，而水冷法則是利用噴灑水的方式加速爐碴的 冷卻。
鐵碴的成分主要有SiO2、CaO、Al2O3及MgO，另外還有少量的 Mn、Fe、S 等化 合物[48]，而氣冷及水冷間的最大差異則是鐵碴中的 SiO2、CaO 及 MgO 在自然冷卻下 會形成的結晶態 C-M-S 或 C3-M-S2，其不利水化反應，在營建材料應用上較適合做為 級配粒料或填充料。相反的，SiO2、CaO 及 MgO 在急速的冷卻下，來不及反應生成結 晶態，進而轉生成為玻璃質，具較高的水化活性，一般在營建材料應用上較適合做為 取代水泥的膠結料及填充料[11]。
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
鐵礦-焦碳-石灰
高爐
爐碴 鐵液
氣冷高爐碴 水淬高爐碴 鐵產出
替代部分水泥 鹼激發爐石 (Geopolymer) 應用於一般道
路基底層或回 填材料
圖2-1 鐵碴產出及再利用示意圖 (資料來源：本研究繪製)
鋼碴的來源相較於鐵碴較為複雜，圖2-2 顯示煉鋼的主要原料除了高爐冶煉的生鐵 以外，也能來是廢鐵或廢鋼，另外在通氧的過程可能產生大量的氧化碴，又可能若因 顧慮鋼含氧量過高，煉鋼時加入生石灰或焦碳等，使氧化物還原產出還原碴，另外也 可能因為冶煉的方法不同，需要添加不同的材料(如矽、錳鐵、焦碳、生石灰)來調整鋼 胚的成分，因此所排出的鋼碴成分種類或含量會有所不同。
煉鋼的方法大致分為轉爐法（converter process）、電爐爐法（electric arc furnace process）、平爐法（open hearth process）、及坩堝法（crucible process）四種[3-5]。比較常 見的煉鋼方法有轉爐法及電爐法，而採用這兩種方法所產出的鋼碴又稱轉爐爐碴及電 弧爐爐碴。以下介紹前述的四種煉鋼方法。
坩鍋法
坩鍋法一種最古老的煉鋼法，約於 1740 年左右由英國人杭茲曼所發明。一般較常 看到的坩鍋是以石墨或黏土製成，生產不多而且成本高，但可冶煉出較高品質的鋼，
所以大部分都用來冶煉合金鋼，比較適合小型工廠來使用。
轉爐法
轉爐煉鋼的方法很多，在各類的轉爐煉鋼法中，主要以貝塞麥轉爐法最具代表性，
貝塞麥轉爐法是英國人貝塞麥在 1856 年所發明的。冶煉方法是將鐵液、廢鐵和石灰 石放入轉爐內，用一根管子從坩鍋口插入熔鐵中，吹入高壓氧氣來煉鋼，使鐵液的溫 度急速上升。此時，鐵水中的碳會和氧化結合成一氧化碳氣泡溢出，其他的雜質則會 和石灰石化合成爐碴浮在表面上，而原來的鐵水便成了鋼的熔液。貝塞麥法是一種量 產的煉鋼法，平均只要 20 分鐘就能達到過去採用攪拌煉鋼爐 24 小時的鋼鐵產量。
貝塞麥法雖然是煉鋼爐中最有效率的一種，但其缺點是不易去除硫、磷等雜質。
平爐法
平爐法是法國人馬丁於 1864 年，利用德國人西門子的方法再進一步改良而開發，
所以又稱為西門子－馬丁法。當平爐在進行煉鋼時，下層蓄熱室預熱的空氣和煤氣被 送入上層熔池，在鐵液表面吹拂與燃燒，可去除鐵液中大部份碳和其他雜質，得到品 質較佳的鋼。雖然平爐冶煉的時間比較長(約 24 小時)，但也因為其熔池有足夠的容量，
一爐約可以煉製百ton 鋼胚，原料沒特別限制，大致上也可採用廢鋼、鐵屑、熟鐵或鐵 礦石等材料來進行冶煉，且冶煉出來的鋼質量穩定均勻，因此一直沿用至今。
電爐法
電爐法是利用電力產生的熱能來熔解金屬，是現代化煉鋼方式。電爐煉鋼速率快，
而且品質容易控制。電爐煉鋼生產的鋼純度高，因此許多的的煉鋼工廠都採用此法進 行冶煉特殊合金鋼。
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
廢鋼-氧-石灰-焦碳-來自於高爐的生鐵
轉爐、電爐、平爐、坩鍋
鋼碴 鋼胚
圖2-2 鋼碴產出流程圖 (資料來源：本研究繪製)
2-1-2 鐵、鋼碴產量
根據世界鋼協會(World Steel Association)西元 2000 至 2009 年的統計資料，顯示全 球自2000 起 2007 年止，其產量持四增加，直到 2008 年才開始出現逐漸下降(表 2-1 所 示)，然而 2009 年鋼的產量仍有 12.4 億 ton 之多，鐵的產量約 9.4 億 ton。另外根據全 球鋼鐵產量分年統計資料顯示，2010 年鋼產量約 14.1 億 ton，2011 年鋼產量約 14.9 億 ton，2010 年高爐產鐵量約 10.4 億 ton，2011 年高爐產鐵量約 10.8 億 ton[2]。圖2-3 顯 示，高爐每生產鐵1 ton 約產生 300 kg 的鐵碴，每生產 1 ton 鋼約產生 100 ~ 200 kg 的 鋼碴[6]，推估單就 2011 年鋼產量推估約產出 2.2 億 ton 的鋼碴，2011 年鐵產量推估約 產出3.2 億 ton 的鐵碴，全世界鐵鋼碴產量甚大，如仍然採用填埋拋棄置處理方式，除 對人類生活環境造成重大環境負面衝擊外，更因未能再利用工業副產品，無法符合節 能減碳永續發展的目標。
表2-1 世界鋼產量(2000 至 2009 年)
Countries 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Albania 5 80 140 140 143 180 206 263 250 221
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
Nigeria - - - - 40 100 100 100 100 100 Trinidad and
Tobago United Arab
Emirates 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
United States 101,803 90,104 91,587 93,677 99,681 94,897 98,557 98,102 91,350 58,196 Uruguay 38 31 34 40 58 64 57 71 86 57 Uzbekistan 407 433 450 499 602 595 617 645 682 716
Venezuela 3,835 3,813 4,164 3,930 4,561 4,910 4,864 5,005 4,225 3,808 Vietnam 306 319 409 544 689 890 1,869 2,024 2,250 2,700 Zimbabwe 258 149 105 152 135 107 24 23 - -
World 848,936 851,077 904,056 969,913 1,061,247 1,146,581 1,248,991 1,347,005 1,341,208 1,235,842
(資料來源：World Steel Association, 2012)
表2-2 世界鐵產量(2000 至 2009 年)
Countries 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Algeria 767 800 960 965 994 952 1,093 1,193 690 680
Argentina 2,186 1,917 2,180 2,402 2,392 2,646 2,481 2,593 2,581 2,042
Australia 7,049 6,017 6,106 6,116 5,735 6,203 6,433 6,369 6,057 4,370
Austria 4,318 4,375 4,669 4,677 4,847 5,444 5,547 5,908 5,795 4,353
Belgium 8,471 7,732 7,988 7,813 8,224 7,254 7,516 6,577 6,977 3,087
Bosnia-Herzegovina - - - 243 483
Brazil 27,723 27,391 29,694 32,038 34,558 33,884 32,452 35,571 34,925 25,135
Bulgaria 1,216 1,211 1,072 1,386 1,158 1,115 1,147 1,069 441 -
Canada 8,904 8,302 8,670 8,554 8,828 8,274 8,305 8,579 8,770 5,273
Chile 1,024 897 964 988 1,137 1,074 1,115 1,147 1,109 923
China 131,015 155,543 170,792 213,667 251,851 344,732 413,641 476,604 483,226 568,634
Colombia 285 319 311 283 312 325 360 341 308 342
Czech Republic 4,621 4,671 4,840 5,207 5,384 4,627 5,192 5,287 4,737 3,483
Czechoslovakia - - -
Egypt 990 1,160 1,100 1,080 1,000 1,100 1,100 1,000 900 800
F.R. Yugoslavia 598 456 485 635 1,003 1,208 1,762 1,485 1,582 1,006
Finland 2,983 2,852 2,828 3,092 3,037 3,056 3,158 2,915 2,943 2,042
France 13,916 12,298 13,510 12,972 13,198 12,705 13,013 12,426 11,372 8,104
Germany 30,845 29,184 29,427 29,481 30,018 28,854 30,360 31,150 29,111 20,104
Germany (East) - - -
Hungary 1,340 1,226 1,335 1,333 1,351 1,338 1,340 1,393 1,289 1,050
India 21,321 21,875 24,315 26,550 25,117 27,125 28,256 36,488 37,313 38,233
Iran 2,202 2,183 2,182 2,231 2,096 2,305 2,041 2,118 2,176 2,433
Italy 11,220 11,220 9,775 10,148 10,604 11,423 11,497 11,110 10,377 5,692
Japan 81,071 78,836 80,979 82,091 82,974 83,058 84,270 86,771 86,171 66,943
Kazakhstan 4,010 3,906 4,008 4,123 4,312 3,624 3,393 3,240 2,761 2,409
Luxembourg - - -
Malaysia - - -
Mexico 4,856 4,373 3,996 4,183 4,278 4,047 3,790 4,078 4,450 3,919
Morocco 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15
Netherlands 4,970 5,305 5,367 5,846 6,011 6,031 5,417 6,412 5,998 4,601
使用爐碴(石)對於混凝土力學與耐久性能之研究
Russia 44,536 44,947 46,251 48,325 50,321 48,410 51,742 51,043 48,295 43,945
Romania 2,985 3,085 3,976 4,101 4,244 4,098 3,946 3,923 2,958 1,575
Russia 44,536 44,947 46,251 48,325 50,321 48,410 51,742 51,043 48,295 43,945
Serbia - - - 1,582 1,008
Slovak Republic 3,166 3,255 3,533 3,892 3,765 3,681 4,145 4,012 3,529 3,019
South Africa 6,292 5,820 5,823 6,234 6,011 6,130 6,159 5,358 5,138 4,444
South Korea 24,937 25,898 26,570 27,314 27,556 27,309 27,559 29,437 31,043 27,284
Spain 4,059 4,219 4,021 3,645 4,036 4,160 3,432 3,976 3,784 2,920
Sweden 3,145 3,614 3,703 3,710 3,871 3,730 3,577 3,816 3,583 1,966
Switzerland 80 80 80 80 80 80 80 80 - -
Taiwan 9,618 10,001 10,169 10,260 10,354 9,447 10,407 10,518 9,823 7,939
Tunisia 195 191 152 45 - - -
Turkey 5,333 5,289 5,003 5,706 5,836 5,970 5,952 6,235 6,704 7,004
Ukraine 25,697 26,364 27,634 29,528 31,056 30,782 32,950 35,647 30,981 25,676
United Kingdom 10,890 9,870 8,561 10,228 10,180 10,189 10,696 10,960 10,137 7,671
United States 47,878 42,107 40,225 40,644 42,291 37,222 37,903 36,337 33,729 19,018
Venezuela - - -
Vietnam 47 48 146 200 187 202 211 170 255 275
Zimbabwe 277 156 122 182 125 129 38 38 1 -
World 576,253 586,950 611,134 669,986 719,204 800,821 881,123 961,582 951,171 934,663
(資料來源：World Steel Association, 2012)
圖2-3 鐵、鋼爐碴產出量及處理示意圖[6]
(資料來源：蘇茂豐，2005)