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鋼鐵渣高效利用技術系列報道(五) 八幡廠鋼鐵渣的利用
信息來源:世界金屬導報      時間:2015-11-21 13:08:59


現八幡廠是2014年4月1日由原來的八幡廠和小倉廠合并后成立的新八幡廠。下面介紹原來八幡廠鋼鐵渣產品的利用狀況。

  1高爐渣的利用

  1.1 鋼鐵渣利用的開始

  在現八幡廠的戶畑地區,高爐渣經水淬處理后用作水泥原料、骨料和用于土建等用途,緩冷渣作為道路用路基料。

  高爐水泥是混合水泥的一種,是在硅酸鹽水泥中混合高爐水淬渣微粉的水泥。高爐水淬渣的化學組成與硅酸鹽水泥的化學組成類似,水泥采用堿性活化劑具有開始水化反應后硬化的潛在水硬性,所以與其他混合水泥相比,具有可以大量添加混合材料的優點。

  水淬渣用于水泥已經有一個世紀的歷史,從1901年原來八幡廠東田第一座高爐開爐開始,為了有效利用煉鐵副產物,從德國引進技術,1910年開始將高爐渣用于水泥的試驗研究。

  其后1931年在八幡廠前田地區設置了一臺水泥粉碎機,開始了正式生產高爐水泥。當時,從淺野水泥門司工廠和佐賀水泥等購入硅酸鹽水泥熟料,采用在熟料中混合高爐水淬渣和石膏后進行粉碎方式生產水泥。當初的生產量是日產20桶(3.4t),后來生產量達到70桶,又增建了粉碎機,依次提高到130桶、200桶。這時,高爐水泥已外銷一部分,但主要用于八幡廠的工程。

  到1918年建設了水泥窯,開始生產以高爐水淬渣和石灰石為主要原料的熟料。在熟料中混合高爐水淬渣和石膏,仍以混合粉碎方式生產高爐水泥。當時的高爐水泥配合是渣置換率為60%-70%,生產相當于現在高爐水泥C級的水泥。

  以下主要介紹2000年以后鋼鐵渣的利用狀況。

  1.2 高爐渣的有效利用

  1.2.1 現場發生土和高爐渣的利用

  作為垃圾處理場的防滲施工法之一,有粘土層和防滲襯墊相結合的結構。粘土層等土質防滲料要求具有透水功能,因其透水系數小于10-7cm/s,通常在現場發生土中混合膨潤土以提高防滲性。另一方面,為減少廢棄物等荷重導致地基變形對襯墊的負荷,需要保證一定的強度。因此開發了在現場發生土和膨潤土中混合高爐渣微粉的防滲料。2001年該防滲料用于北海道上川郡朝日町的一般廢棄物處理場工程,填充面積5000m2,填充容量12000m3。

  1.2.2 土建用水淬渣

  2004年3月部分開通的九州新干線大多是通過九州特有的火山灰和浮石堆積地層的隧道構造,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為防止隧道周邊的地下水位下降與火山灰和浮石堆積地層的噴泥。火山灰和浮石堆積地的隧道以前多采用混凝土的仰拱結構,但火山灰和浮石堆積地的耐水性弱,作為水壓抵消型列車的反復荷重也成為課題。

  水淬渣是砂狀的粒狀體,具有透水性的同時,作為路基料還具有承載力,所以用于鐵路路基料。2011年3月,九州新干線全線開通,成為連接九州和本州的大動脈。

  1.2.3粉煤灰熔融高爐渣的開發

  近年來,由于限制海砂開采和天然骨料的枯竭等因素,高爐渣用于混凝土骨料的需求日益提高。八幡廠開始銷售高爐水淬渣細骨料。但作為新措施,開發了將粉煤灰添加到高爐渣中的粉煤灰熔融高爐渣。粉煤灰大多用于水泥原料等,但還存在未燃碳等問題,不能進行有效利用。

  因此,開發了往高爐渣罐中噴吹粉煤灰,使其熔融,生產混凝土骨料的方法。粉煤灰熔融高爐渣細骨料滿足高爐渣細骨料JIS A5011規定的標準值,在灰漿試驗的全量使用中,發現粉煤灰添加率在10%以下的粉煤灰熔融高爐渣細骨料的性能比使用海砂的灰漿良好。今后將作為解決粉煤灰處理的一個措施進行研究。

  2鋼渣的利用

  鋼鐵渣中,鋼渣的真正利用是1979年道路用鋼鐵渣的JIS標準制定之后。其后以道路路基料為主,開發了混合混凝土再生料的新復合路基料和松軟地基改良料的利用技術。以下介紹其中的新復合路基料的開發及用于港灣的鋼渣料。

  2.1 新復合路基料的開發

  鋼鐵渣路基料使用以高爐渣為主的水硬性復合路基料(HMS25)作為上層用路基料,但鋼渣水硬性小,單軸抗壓強度也小,所以不能用于上層路基。另一方面,混凝土結構件拆除時發生的混凝土再生料因強度波動等問題,也不能作為上層路基料使用。因此,開發了將鋼鐵渣與混凝土再生料結合的新復合路基料。這種結合的優點如下:

  1)充分運用混凝土再生料未反應水泥的再硬化特性;

  2)混凝土再生料的堿性刺激導致渣的潛在水硬性早期顯現;

  3)鋼鐵渣混合的物性值穩定。

  按混凝土再生料45%、鋼渣30%和高爐渣25%的比例配合,開發了具有與常規HMS25同等性質的新復合路基料,現在作為北九州市土建工程材料利用。

  2.2鋼鐵渣的海域利用

  2.2.1 海域改良料

  作為海域改良料,新日鐵住金開發了含鐵的鋼渣與人工腐植土混合的Beverly系列等人造漁場、藻場產品,這些產品在北海道增毛町的應用是有名的。在九州以北部九州為中心的海域生物受到損害現象較多,2010年Beverly系列產品用于長崎縣壱岐市石田地區的藻場恢復工程,設置三年后,確認了褐藻等海藻類的繁茂生長。該市其他地區也投用了Beverly系列產品,今后打算繼續作為海域改良料使用。

  2.2.2疏浚土改良施工法的研究

  近年來,航道疏浚工程產生的疏浚土和砂的處理場正在減少,必須有效利用這些疏浚土。疏浚土改良是從2008年日本鐵鋼聯盟鋼渣利用手冊發刊開始。在八幡廠用填埋處理場處理疏浚土工程產生的疏浚土時,因作為土地利用強度的需要,進行了氧化鈣改良料的改良工程試驗。

  氧化鈣改良混合是將疏浚土卸載傾入坑內后,投入氧化鈣材料,用挖溝機混合攪拌。在應用該料時,將氧化鈣改良土的目標強度設定為混凝土指數qc=200kN/m2以上,為使安全系數為2的現場管理強度qc=400kN/m2,將氧化鈣料的混合比例設定為30%,作為現場質量控制指標,挖溝機混合時間與現場質量相關,用現場的單位體積重量評價混合度。根據這些措施,今后若遇到同樣工程時,作為有效利用鋼鐵渣和降低生產成本的方法,可以采用氧化鈣改良施工法。

  2.2.3 疏浚土固化體的研究

  九州各地疏浚土的有效利用成為問題。在博多灣,為保證航道水深實施了疏浚工程。作為有效利用疏浚土的一環,制造了疏浚土、鋼渣和高爐渣微粉混合的疏浚土固化體。疏浚土固化體的制造是用土質改良機將疏浚土與鋼渣、高爐渣微粉在現場進行預混合,混合總量30m3后,投入型模,養生后破碎成300~500kg/個,確認28天強度后作為漁礁、藻場礁投入當地的海域。疏浚土固化體所需強度目標為σ28=10kN/mm2以上,并通過當地濕潤密度的測定,評價了混合程度。通過這一系列的作業,確立了在現場混合疏浚土,制造人工漁礁、藻場礁的方法。

  3對作為環保材料的鋼鐵渣的評價

  推進鋼鐵渣作為環保材料的有效利用。對于鋼鐵渣的評價,2001-2002年地基工學會九州支部研究了考慮到環境和經濟因素的評價方法。

  其中,作為對經濟性和環境影響的評價方法,進行了直接成本(建設用材料費、建設工程費)和生態成本以及環境成本的估算。生態成本的定義是為排除伴隨建設用材料的生產、運輸,結構件的建設、維護管理、拆除、廢棄所產生的環境負荷而需要的等同的技術和實際成本。具體的估算是將生命周期二氧化碳排放量(LCCO2)作為指標。估算所用材料在采取、制造、運輸中排放的二氧化碳量,還有建設工程的重型建筑設備排出的二氧化碳量,對鋼鐵渣作為有效材料被利用(避免被填埋處理而浪費)的效果進行了評價。關于環境成本,以評價使用材料對森林、生態系統的影響、居住環境惡化、地面下沉等環境效益轉移法為基礎,求出建設材料的相對環境成本。

  在港灣工程中,用鋼鐵渣和天然材料進行了試設計,比較其成本。試設計以延長100m,水深-7.5m的岸壁(沉箱式)結構件為模型,鋼鐵渣的優點如下。

  1)回填材料使用水淬渣,土的壓力減輕;

  2)沉箱中裝的材料使用鋼渣,耐土壓力的力矩增大;

  3)SCP(擠密砂樁工法)料鋼渣內部摩擦角、圓形滑動的阻力也增大,可以縮小改良范圍。

  這些計算的結果表明,建設工程總體的直接成本比使用天然料的成本降低9%。而且,僅建設的生態成本削減4%,如果再加上作為循環材料有效利用鋼鐵渣的效果,建設工程總體的成本可實現降低約30%的效果。

  如果與天然料相比,使用鋼鐵渣的環境成本估計能夠抑制約1/4。從這些結果可以看出,有效利用鋼鐵渣在實現降低直接成本的同時,還有望降低生態成本和環境成本。

  

  大分廠鋼鐵渣的利用情況

  大分廠位于溫暖的瀨戶內海的大分縣,是日本最后一個建設的聯合鋼鐵廠,與地域一體的生產經營活動已經有43年。大分廠生產的鋼鐵渣產品,在該地區的農業、畜牧業、林業和水產業領域得到廣泛應用。

  鋼鐵渣除含有石灰、二氧化硅、磷酸基本肥料成分外,還含有鐵、硼、錳等植物生長所需的微量成分。大分廠銷售以鋼渣為主的肥料。近年,受休耕措施等的影響,肥料銷售量回落,作為農業材料,鋼鐵渣肥料的直接銷售在2002年中斷。尤其是將鋼渣作為石灰肥料利用時,石灰的溶解速度就是延遲的遲效性,需要施加十幾倍的石灰肥料。所以不能作為不具有重型機械的小規模農戶或道路狹窄的山間區域農戶的材料,這也是銷售量不大的重要原因。

  2007年,大分廠轉變了觀念,開始研發面向大型重機的大型農戶專用、以10t汽車吊交付商品的運輸方法為前提的鋼渣肥料,以降低運輸成本。開發了用鋼渣制造的名為“含鐵肥料”的特殊肥料,2009年正式銷售。

  在高原葉菜大規模農戶居多的竹田市菅生地區,20年間500公頃菜地的根瘤病蔓延,邊采用高價藥材,邊培育露地蔬菜。作為對策,2009年在23公頃農田里施加2000t含鐵肥料進行了土壤改良試驗,抑制了根瘤病。

  2011年在同樣葉物類蔬菜大規模農戶居多的熊本縣八代市,在32.6公頃農田里應用3000t的含鐵肥料進行土壤改良。

  除了農業領域之外,大分廠的鋼鐵渣產品還在畜牧業、林業和水產業領域得到廣泛應用。在畜牧業,利用鋼鐵渣肥料改良土壤和提高優質牧草的產量;在林業,防火帶采用鋼鐵渣產品大大節省了人力;在水產業,人造漁礁、人造藻礁的利用改善了淺灘和沿岸的海洋環境。(全榮)

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