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钢铁渣高效利用技术系列报道(五) 八幡厂钢铁渣的利用
信息来源:世界金属导报      时间:2015-11-21 13:08:59


现八幡厂是2014年4月1日由原来的八幡厂和小仓厂合并后成立的新八幡厂。下面介绍原来八幡厂钢铁渣产品的利用状况。

  1高炉渣的利用

  1.1 钢铁渣利用的开始

  在现八幡厂的户畑地区,高炉渣经水淬处理后用作水泥原料、骨料和用于土建等用途,缓冷渣作为道路用路基料。

  高炉水泥是混合水泥的一种,是在硅酸盐水泥中混合高炉水淬渣微粉的水泥。高炉水淬渣的化学组成与硅酸盐水泥的化学组成类似,水泥采用碱性活化剂具有开始水化反应后硬化的潜在水硬性,所以与其他混合水泥相比,具有可以大量添加混合材料的优点。

  水淬渣用于水泥已经有一个世纪的历史,从1901年原来八幡厂东田第一座高炉开炉开始,为了有效利用炼铁副产物,从德国引进技术,1910年开始将高炉渣用于水泥的试验研究。

  其后1931年在八幡厂前田地区设置了一台水泥粉碎机,开始了正式生产高炉水泥。当时,从浅野水泥门司工厂和佐贺水泥等购入硅酸盐水泥熟料,采用在熟料中混合高炉水淬渣和石膏后进行粉碎方式生产水泥。当初的生产量是日产20桶(3.4t),后来生产量达到70桶,又增建了粉碎机,依次提高到130桶、200桶。这时,高炉水泥已外销一部分,但主要用于八幡厂的工程。

  到1918年建设了水泥窑,开始生产以高炉水淬渣和石灰石为主要原料的熟料。在熟料中混合高炉水淬渣和石膏,仍以混合粉碎方式生产高炉水泥。当时的高炉水泥配合是渣置换率为60%-70%,生产相当于现在高炉水泥C级的水泥。

  以下主要介绍2000年以后钢铁渣的利用状况。

  1.2 高炉渣的有效利用

  1.2.1 现场发生土和高炉渣的利用

  作为垃圾处理场的防渗施工法之一,有粘土层和防渗衬垫相结合的结构。粘土层等土质防渗料要求具有透水功能,因其透水系数小于10-7cm/s,通常在现场发生土中混合膨润土以提高防渗性。另一方面,为减少废弃物等荷重导致地基变形对衬垫的负荷,需要保证一定的强度。因此开发了在现场发生土和膨润土中混合高炉渣微粉的防渗料。2001年该防渗料用于北海道上川郡朝日町的一般废弃物处理场工程,填充面积5000m2,填充容量12000m3。

  1.2.2 土建用水淬渣

  2004年3月部分开通的九州新干线大多是通过九州特有的火山灰和浮石堆积地层的隧道构造,其路基采用使用水渣的透水性路基料。透水性路基的功能是为防止隧道周边的地下水位下降与火山灰和浮石堆积地层的喷泥。火山灰和浮石堆积地的隧道以前多采用混凝土的仰拱结构,但火山灰和浮石堆积地的耐水性弱,作为水压抵消型列车的反复荷重也成为课题。

  水淬渣是砂状的粒状体,具有透水性的同时,作为路基料还具有承载力,所以用于铁路路基料。2011年3月,九州新干线全线开通,成为连接九州和本州的大动脉。

  1.2.3粉煤灰熔融高炉渣的开发

  近年来,由于限制海砂开采和天然骨料的枯竭等因素,高炉渣用于混凝土骨料的需求日益提高。八幡厂开始销售高炉水淬渣细骨料。但作为新措施,开发了将粉煤灰添加到高炉渣中的粉煤灰熔融高炉渣。粉煤灰大多用于水泥原料等,但还存在未燃碳等问题,不能进行有效利用。

  因此,开发了往高炉渣罐中喷吹粉煤灰,使其熔融,生产混凝土骨料的方法。粉煤灰熔融高炉渣细骨料满足高炉渣细骨料JIS A5011规定的标准值,在灰浆试验的全量使用中,发现粉煤灰添加率在10%以下的粉煤灰熔融高炉渣细骨料的性能比使用海砂的灰浆良好。今后将作为解决粉煤灰处理的一个措施进行研究。

  2钢渣的利用

  钢铁渣中,钢渣的真正利用是1979年道路用钢铁渣的JIS标准制定之后。其后以道路路基料为主,开发了混合混凝土再生料的新复合路基料和松软地基改良料的利用技术。以下介绍其中的新复合路基料的开发及用于港湾的钢渣料。

  2.1 新复合路基料的开发

  钢铁渣路基料使用以高炉渣为主的水硬性复合路基料(HMS25)作为上层用路基料,但钢渣水硬性小,单轴抗压强度也小,所以不能用于上层路基。另一方面,混凝土结构件拆除时发生的混凝土再生料因强度波动等问题,也不能作为上层路基料使用。因此,开发了将钢铁渣与混凝土再生料结合的新复合路基料。这种结合的优点如下:

  1)充分运用混凝土再生料未反应水泥的再硬化特性;

  2)混凝土再生料的碱性刺激导致渣的潜在水硬性早期显现;

  3)钢铁渣混合的物性值稳定。

  按混凝土再生料45%、钢渣30%和高炉渣25%的比例配合,开发了具有与常规HMS25同等性质的新复合路基料,现在作为北九州市土建工程材料利用。

  2.2钢铁渣的海域利用

  2.2.1 海域改良料

  作为海域改良料,新日铁住金开发了含铁的钢渣与人工腐植土混合的Beverly系列等人造渔场、藻场产品,这些产品在北海道增毛町的应用是有名的。在九州以北部九州为中心的海域生物受到损害现象较多,2010年Beverly系列产品用于长崎县壱岐市石田地区的藻场恢复工程,设置三年后,确认了褐藻等海藻类的繁茂生长。该市其他地区也投用了Beverly系列产品,今后打算继续作为海域改良料使用。

  2.2.2疏浚土改良施工法的研究

  近年来,航道疏浚工程产生的疏浚土和砂的处理场正在减少,必须有效利用这些疏浚土。疏浚土改良是从2008年日本铁钢联盟钢渣利用手册发刊开始。在八幡厂用填埋处理场处理疏浚土工程产生的疏浚土时,因作为土地利用强度的需要,进行了氧化钙改良料的改良工程试验。

  氧化钙改良混合是将疏浚土卸载倾入坑内后,投入氧化钙材料,用挖沟机混合搅拌。在应用该料时,将氧化钙改良土的目标强度设定为混凝土指数qc=200kN/m2以上,为使安全系数为2的现场管理强度qc=400kN/m2,将氧化钙料的混合比例设定为30%,作为现场质量控制指标,挖沟机混合时间与现场质量相关,用现场的单位体积重量评价混合度。根据这些措施,今后若遇到同样工程时,作为有效利用钢铁渣和降低生产成本的方法,可以采用氧化钙改良施工法。

  2.2.3 疏浚土固化体的研究

  九州各地疏浚土的有效利用成为问题。在博多湾,为保证航道水深实施了疏浚工程。作为有效利用疏浚土的一环,制造了疏浚土、钢渣和高炉渣微粉混合的疏浚土固化体。疏浚土固化体的制造是用土质改良机将疏浚土与钢渣、高炉渣微粉在现场进行预混合,混合总量30m3后,投入型模,养生后破碎成300~500kg/个,确认28天强度后作为渔礁、藻场礁投入当地的海域。疏浚土固化体所需强度目标为σ28=10kN/mm2以上,并通过当地湿润密度的测定,评价了混合程度。通过这一系列的作业,确立了在现场混合疏浚土,制造人工渔礁、藻场礁的方法。

  3对作为环保材料的钢铁渣的评价

  推进钢铁渣作为环保材料的有效利用。对于钢铁渣的评价,2001-2002年地基工学会九州支部研究了考虑到环境和经济因素的评价方法。

  其中,作为对经济性和环境影响的评价方法,进行了直接成本(建设用材料费、建设工程费)和生态成本以及环境成本的估算。生态成本的定义是为排除伴随建设用材料的生产、运输,结构件的建设、维护管理、拆除、废弃所产生的环境负荷而需要的等同的技术和实际成本。具体的估算是将生命周期二氧化碳排放量(LCCO2)作为指标。估算所用材料在采取、制造、运输中排放的二氧化碳量,还有建设工程的重型建筑设备排出的二氧化碳量,对钢铁渣作为有效材料被利用(避免被填埋处理而浪费)的效果进行了评价。关于环境成本,以评价使用材料对森林、生态系统的影响、居住环境恶化、地面下沉等环境效益转移法为基础,求出建设材料的相对环境成本。

  在港湾工程中,用钢铁渣和天然材料进行了试设计,比较其成本。试设计以延长100m,水深-7.5m的岸壁(沉箱式)结构件为模型,钢铁渣的优点如下。

  1)回填材料使用水淬渣,土的压力减轻;

  2)沉箱中装的材料使用钢渣,耐土压力的力矩增大;

  3)SCP(挤密砂桩工法)料钢渣内部摩擦角、圆形滑动的阻力也增大,可以缩小改良范围。

  这些计算的结果表明,建设工程总体的直接成本比使用天然料的成本降低9%。而且,仅建设的生态成本削减4%,如果再加上作为循环材料有效利用钢铁渣的效果,建设工程总体的成本可实现降低约30%的效果。

  如果与天然料相比,使用钢铁渣的环境成本估计能够抑制约1/4。从这些结果可以看出,有效利用钢铁渣在实现降低直接成本的同时,还有望降低生态成本和环境成本。

  

  大分厂钢铁渣的利用情况

  大分厂位于温暖的濑户内海的大分县,是日本最后一个建设的联合钢铁厂,与地域一体的生产经营活动已经有43年。大分厂生产的钢铁渣产品,在该地区的农业、畜牧业、林业和水产业领域得到广泛应用。

  钢铁渣除含有石灰、二氧化硅、磷酸基本肥料成分外,还含有铁、硼、锰等植物生长所需的微量成分。大分厂销售以钢渣为主的肥料。近年,受休耕措施等的影响,肥料销售量回落,作为农业材料,钢铁渣肥料的直接销售在2002年中断。尤其是将钢渣作为石灰肥料利用时,石灰的溶解速度就是延迟的迟效性,需要施加十几倍的石灰肥料。所以不能作为不具有重型机械的小规模农户或道路狭窄的山间区域农户的材料,这也是销售量不大的重要原因。

  2007年,大分厂转变了观念,开始研发面向大型重机的大型农户专用、以10t汽车吊交付商品的运输方法为前提的钢渣肥料,以降低运输成本。开发了用钢渣制造的名为“含铁肥料”的特殊肥料,2009年正式销售。

  在高原叶菜大规模农户居多的竹田市菅生地区,20年间500公顷菜地的根瘤病蔓延,边采用高价药材,边培育露地蔬菜。作为对策,2009年在23公顷农田里施加2000t含铁肥料进行了土壤改良试验,抑制了根瘤病。

  2011年在同样叶物类蔬菜大规模农户居多的熊本县八代市,在32.6公顷农田里应用3000t的含铁肥料进行土壤改良。

  除了农业领域之外,大分厂的钢铁渣产品还在畜牧业、林业和水产业领域得到广泛应用。在畜牧业,利用钢铁渣肥料改良土壤和提高优质牧草的产量;在林业,防火带采用钢铁渣产品大大节省了人力;在水产业,人造渔礁、人造藻礁的利用改善了浅滩和沿岸的海洋环境。(全荣)

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