煉鋼爐石資源化利用與展望 - Forchetta餐廳 … · 張祖恩特聘教授國立成功大學環境工程學系 106年10月12日煉鋼爐石資源化利用與展望中國礦冶工程學會年會--臺灣能礦展望與挑戰專題研討會

張祖恩特聘教授

國立成功大學環境工程學系

106年10月12日

煉鋼爐石資源化利用與展望

中國礦冶工程學會年會--臺灣能礦展望與挑戰專題研討會

•前言

•煉鋼製程概述

•煉鋼爐石產出與特性

•煉鋼爐石資源化技術與應用

•爐石資源化應用之研發

•結語

簡報大綱

•鋼鐵材料因其材質強度及韌性大、延展性好、結構性佳等優異特性，在人類近代發展中被大量且廣泛地使用，迄今尚未有其他材料可全面替代鋼鐵。

•鋼鐵製程存在高能耗、高污染、低創新等特性，如何在當前永續發展思潮下，轉為低能耗、低污染、高創新的綠色發展模式，已成為全球鋼鐵業發展的重要課題。

•在資源、環境及能源多重巨大壓力下，開創綠色生產技術並提升產品附加價值，以兼顧環境效益與優化資源利用，是現今鋼鐵業的重大挑戰之一。

前言

資料來源：http://www.stalkretsloppet.se

鋼鐵生命週期

前言

•依2016年鋼鐵年鑑的統計，台灣粗鋼年產量約2,100萬公噸，其中1,300萬公噸由鐵礦石為原料的一貫作業煉鋼廠所生產，另由廢鋼為原料的電弧爐煉鋼廠生產800萬公噸。

•在鋼鐵生產同時也產出爐石，一貫作業煉鋼廠約540萬公噸，其中高爐石約400萬公噸，轉爐石約140萬公噸。電弧爐煉鋼廠約150萬公噸，其中氧化渣約95萬公噸，還原渣約55萬公噸。

•大量產出的爐石佔國內事業廢棄物或副產品產出量之大宗，為優化資源利用並兼顧環境效益，有關爐石之產出、特性及資源化利用技術開發與管理，應為產官學研各界共同關切的課題。

前言

煉鋼製程

Source: Kawasaki Steel

資料來源：http://www.jfe-21st-cf.or.jp/

Carbon steel/

Stainless steel

煉鋼製程概述


Charging raw materials (kg/t)

Raw

ma

teri

al

Hot metal 1,033

Scrap 28

Pig iron 4

Burnt lime 23

Ferroalloy 11

Dolomite 8

Composition of hot metal

(After pretreatment) (mass%)

C Si Mn P S

4.30 0.01 0.20 0.04 0.01

Composition molten steel

(mass%)

C Si Mn P S

0.04 0.01 0.15 0.01 0.007

Amount of slag produced

50 kg/t

Amount of gas collected

101 Nm3/t

Gas composition (Vol.%)

CO CO2 N2 H2

70 10~15 13 1~2

轉爐煉鋼程序

煉鋼製程概述


電弧爐煉鋼程序

Raw materials

Steel scrap

Additives: lime,

limestone, and /or

dolomite

Amount of slag

produced

70 kg/t

煉鋼製程概述

電爐廠

一貫作業鋼鐵廠

電弧爐

電爐渣(氧化渣)

精煉渣(還原渣)

集塵灰

高爐石(水淬、氣冷)

脫硫渣

轉爐石

精煉渣廢鋼

二次精煉LD/RH/AOD

高爐

魚雷車

轉爐

二次精煉 LD/RH/LI

連鑄

產品

鐵礦廢鋼

煉鋼爐石產出與特性

煉鋼爐石之產出比例

資料來源：http://www.worldsteel.org/


Type Blast

furnace slag

Converter

slag

Electric arc furnace slag Andesite

(for

reference)

Ordinary

cement Component

Oxidizing

slag

Reducing

slag

CaO 41.7 45.8 22.8 55.1 5.8 64.2

SiO2 33.8 11.0 12.1 18.8 59.6 22.0

T-Fe 0.4 17.4 29.5 0.3 3.1 3.0

MgO 7.4 6.5 4.8 7.3 2.8 1.5

Al2O3 13.4 1.9 6.8 16.5 17.3 5.5

S 0.8 0.06 0.2 0.4 - 2.0

P2O5

歐洲煉鋼爐石之化學組成

資料來源：http://www.euroslag.com/

Constituent

(wt. %) Blast furnace slag Steel Slag

CaO 35 - 42 35 - 45

SiO2 33 - 38 11 - 17

Al2O3 10 - 15 1 - 6

MgO 7 - 12 2 - 9

FeO ≤ 1,0 16 - 26

MnO ≤ 1,0 2 - 6

P2O5 - 1 - 2

Stotal 1 - 1,5 ≤ 0,2

Cr2O3 ≤ 0,1 0,5 - 2


美國煉鋼爐石之特性

資料來源：National Slag Association, USA

A CBR value of 100 is the

maximum ordinarily specified

for the highest types of base

courses-those directly under

flexible pavements on heavy-

duty airfields.

Typical chemical composition Important elements for agricultural

purposes

Strength characteristics of steel slag


國內一貫作業煉鋼爐石之特性

資料來源：爐石利用推廣手冊 (2002)；中鋼集團歷年研究報告

(%) SiO2 Al2O3 CaO MgO FeO Fe2O3 P2O5 MnO TiO2 pH

高爐石

33~37 13~16 38~4

2

5~8.

2

0.3~0.

7

0.2~0.

5 0.01

0.4~0.

7

0.4~0.

7 9~11.5

轉爐石

7~11 1.2~2.

4

38~4

5 6~9 5~20 1~8

1.8~2.

6

2.5~4.

5

0.4~0.

9

11.5~12.

4

高爐石與轉爐石之化學組成

材料實比重(t/m3) 吸水率(%) 洛杉磯磨損率(%) 健性損失率(%)

轉爐石 2.77 1.29 17.6 1.33

天然碎石 2.59 1.99 32.7 2.87

(mg/kg) Cu Zn Pb Cd Cr As Hg Cr6+

轉爐石 ND~15 ND~200 ND~500 ND 800~150

0 ND ND ND

轉爐石之重金屬含量

轉爐石之物理性質

ND: not detected (< 0.25~2 mg/kg)


國內電弧爐石之化學組成

全國25廠電弧爐石之化學成份平均值(%)

全國25廠電弧爐石之重金屬總量含量平均值(mg/kg)

*陳尊賢等，台灣地區各主要土類中重金屬之等級劃分，1992。

資料來源：綠基會通訊，電弧爐爐碴資源化歷程，2011


國內煉鋼爐石之溶出特性

資料來源：綠基會通訊，電弧爐爐碴資源化歷程 (2011) 爐石利用推廣手冊 (2002)

全國25廠電弧爐爐石之TCLP試驗結果

種類 Cu

(mg/L)

Se

(mg/L)

Pb

(mg/L)

Cd

(mg/L)

Cr

(mg/L)

As

(mg/L)

Hg

(mg/L)

Cr6+

(mg/L)

高爐石

– 利用環檢所公告之長期溶出試驗方法：管柱溶出試驗（NIEA R219.10C）與桶槽溶出試驗（NIEA R217.10C）等，針對轉爐石進行重金屬溶出特性測試及百年環境釋入量推算。

– 研究結果顯示，塊狀（>40 mm）與細顆粒（

煉鋼爐石資源化用途

煉鋼爐石資源化技術與應用

資料來源：http://www.slg.jp/

Slag type (爐石種類)

Sources (來源)

Characteristics (特性)

Applications (用途)

Blast furnace slag (高爐石)

Air-cooled slag (氣冷高爐石)

Hydraulic property (具水化特性)

Road base course

material (道路基層材料)

No alkali-aggregate

reaction (無鹼骨材反應)

Coarse aggregate for

concrete (混凝土粗骨材)

Low Na2O and K2O (低鈉、鉀含量)

Cement clinker raw

material (replacement

for clay) (水泥原料)

Thermal insulation and

sound absorption

effects when made into

a fiber (具隔熱、吸音效果)

Raw material for rock

woo (岩棉原料)l

Fertilizer component

(CaO, SiO2) (具肥料成分)

Calcium silicate

fertilizer (矽酸鈣肥料)

高爐石資源化主要用途(一)



Slag type (爐石種類)

Sources (來源)

Characteristics (特性)

Applications (用途)

Blast furnace slag (高爐石)

Granulated slag (水淬高爐石)

Strong latent hydraulic property

when finely ground (具延遲水化特性)

Raw material for Portland blast furnace slag

cement (波特蘭高爐碴水泥原料)

Blending material for Portland cement (波特蘭水泥混和材料)

Concrete admixtures (混擬土摻料)

Low Na2O and K2O (低鈉、鉀含量)

Raw material for cement clinker

(replacement for clay) (水泥原料)

Latent hydraulic property (具延遲水化特性) Material for civil engineering works, ground

improvement material (backfill material,

embankment material, sand compaction

material etc.) (土工材料、地層改良)

Lightweight, large angle of internal

friction, large water permeability (質輕、內摩擦角大、透水性佳)

Does not contain chlorides (不含氯化物) Fine aggregate for concrete

(混擬土細骨料) No alkali-aggregate reaction (無鹼骨材反應)

Fertilizer component (CaO, SiO2) (具肥料成分)

Calcium silicate fertilizer (矽酸鈣肥料)

Soil improvement (土壤改良)

高爐石資源化主要用途(二)


爐石粉台北101大樓

高雄捷運高雄85大樓日本明石海峽大橋

水淬高爐石之應用


「資源回收再利用法」管理循環資源

再利用途徑

水泥原料(>> 95%)

依據世界鋼鐵協會(World Steel Association)估計

每噸水淬高爐石具0.55噸CO2減碳效益。

道路石料、地基填充料、鐵軌填充料

酸性土壤改良劑(BF slag pH>7)

爐石棉(Slag Wool)

以上皆有產品商業化

國內高爐石資源化用途


煉鋼爐石資源化主要用途(一) Slag type

(爐石種類) Sources

(來源) Characteristics

(特性) Applications

(用途)

Steelmaking slag

(煉鋼爐石)

Converter slag

(轉爐石), electric arc furnace slag

(電弧爐石)

Hard, wear-resistant

(硬度高、耐磨性佳) Aggregate for asphalt concrete

(瀝青混凝土骨材)

Hydraulic property

(具水化特性) Base course material

(地盤材料)

Large angle of internal

friction

(內摩擦角大)

Material for civil engineering

works, ground improvement

material (Material for sand

compaction piles)

(土工材料、地層改良)

FeO, CaO,

SiO2 components

(主要化學組成)

Raw material for cement

clinker

(水泥原料)

Fertilizer components

CaO, SiO2, MgO, FeO

(肥料成分)

Fertilizer and soil

improvement

(肥料、土壤改良劑)



Rock wool

Fertilizer using

converter slag

Backfill materials, Port of

Nagoya

Marine sand

compaction piles

Slag has been shown to be

an effective phosophorous

removal media at fish

hatcheries.

Slag used as filter media in

water purification.

Steel slag has been utilized

worldwide in waterway

construction.

Slag ballast for

railroad applications

煉鋼爐石資源化主要用途(二)


“Porous asphalt” designed for

noise reduction

Fertilizer: Plant

growth with and

without Thomas

Lime made from

steel slag. Triton Stone

Rock Bed

Triton CappingSandy/muddy Bottom

Triton Reef

Armor stone

Restoration of seaweed beds using slag

Seaweed beds

煉鋼爐石資源化主要用途(三)


26.21%

24.06%

0.10%

6.49%

3.85% 2.88%

26.65%

4.18% 0.15%

0.71% 0.04% 0.22%

4.47%

廠內回收(燒結)

路盤材(便道)

道路/其他

地盤改良材港灣海

域工事

土木陸上工

Cement用 Concrete用

肥料/土壤改良材

建築用料加工用原料

其他

(2015-Nippon Slag Association) (2015-POSCO, Korea)

土木工程-55.8%

道路結構-9.6%

金屬回收27.8%

水泥-3.6% 其他-3.2%

煉鋼爐石資源化用途之比例(一)


(2016-CSC) (2015-Germany)

燒結回收-12.0%

便道/整地/水利工程-61.8%

廠內暫存 - 4.4%

最終掩埋 -13.2%

肥料-8.6% 13.59%

4.06%

0.01%

11.65%

0.11%

0.01%

70.57%

海外去化

便道整地 AC骨材

人造石鋪面磚

燒結回收

鐵路道碴

墊底料

煉鋼爐石資源化用途之比例(二)


轉爐石-密級配AC

轉爐石AC鋪面耐久與抗剝脫之實證

天然石-密級配AC 92.04鋪設 100.03拍攝

高雄大林蒲南星路應用轉爐石AC效益： • 減碳30%：減少排放約1812噸二氧化碳；為150975顆樹之年減碳量，約為4.7座大安森林公園年減碳量。

• 延長使用週期：一般AC用於港區道路平均壽命約1.5年，惟101年起試鋪路段，迄今使用約4年，使用情形良好，已延壽2.67倍年限。

煉鋼爐石資源化利用之現況(一)


荷蘭Yangtze port填海造陸工程荷蘭約1999年開始超過200萬噸轉爐石已被資源化再利用於填海造陸工

程，尤其在該國西南部與比利時相鄰的北海地區之Zeeland省的

Westerschelde和Oosterschelde間的Yangtze port(RotterdamMaasvlakte

港區) 。

荷蘭Yangtze port填海造陸工程(歐洲最大規模使用轉爐石之填海造陸工程)

煉鋼爐石資源化利用之現況(二)


比利時海港工程安特衛普(Antwerp)港2008/2009年使用3萬噸，後來又增用10萬噸；2011年該港Deflecting wall工程仍繼續使用轉爐石。Ghent港(2005年使用1萬噸)、Nieuwpoort港(2008年使用8000噸)、Blankenberge (2010年使用4000噸)、Puurs (2009及2010年各使用6000噸及1萬噸)、Ghent Moervaart(2012年使用1.9萬噸)。

Antwerp港Deflecting wall工程使用轉爐石情形

煉鋼爐石資源化利用之現況(三)


日本海事工程材料應用

煉鋼爐石資源化利用之現況(四)

關西國際機場中部國際機場


地層下陷、液化區地質改良劑應用

長崎縣・鷹島–用於砂質地基的液化對策：煉鋼爐石(>50%)與氣冷高爐石或水淬高爐石混合，抗剪斷角為35°以上

優點：與砂材相同的凝固特性、施工性，經證實用作土壤液化對策時，其砂地基固定效果和施工效率、施工時的噪音、震動、地中位移的效果與傳統砂樁施工相同

『煉鋼爐石於工程材料之應用研究』 • 地工試驗工法研究與驗證

• 工程材料應用開發與驗證

• 環境監測與工程材料環境特性驗證

• 爐石金屬回收(V/Cr)-濕法、碳/鋁熱

• 鋼鐵爐石多孔磚資材化之產製技術

• 轉爐石抑制藍綠菌優養化水質淨化

功能應用技術

• 電磁波遮蔽混凝土配方技術

煉鋼爐石資源化利用之現況(五)


海洋藻礁體(海洋復育/海洋牧場)應用-減緩全球氣候變遷之貢獻

0.1-0.5 ton CO2 /噸轉爐石實績標竿：日本、韓國

煉鋼爐石資源化利用之現況(六)


– 煉鋼爐石中含高鹼度之物質f-CaO之外，亦常含有f-MgO，此兩種物質使煉鋼爐石具有高鹼性，且接觸H2O和CO2會造成爐石顆粒膨脹崩解，為影響煉鋼爐石資源化利用的主因。

– 可透過天然堆置、蒸氣養護、加速碳酸化、熱渣改質等技術進一步降低煉鋼爐石之高鹼性、提高煉鋼爐石之體積穩定性，藉以拓展其資源化用途。

資料來源：http://www.globalslag.com/

stainless steel slag

煉鋼爐石資源化利用之疑慮


國內轉爐石冷卻作業流程—熱渣潑地處理法

熱熔碴(約1200℃)倒置平面場地，場地靜置約8小時

第一次噴水冷卻 (4小時)

堆渣作業(約3小時)，第二次噴水。冷卻(12小時)

出料

中聯轉爐石加工


國內轉爐石冷卻作業流程—淺盤水坑崩解法

熱熔碴(約1200℃)倒置平面場地，靜置約8小時

靜置約16小時 (空氣冷卻)

脫模冷卻水坑

出料加工場悶熱裝車運往加工產線


國內轉爐石加工—中聯資源利昌廠

轉爐石 < 50 mm

塊碴(>50mm)

級配料 (≦ 50mm)

篩選

AC粗粒料 (6分、3分、 2分)

細料(

透水磚人行道鋪面磚停車場植草磚

國內轉爐石熱渣改質後人造石之資源化利用


永續社會經濟發展— 生產社會福祉— 生活兼顧環境保護— 生態

焦點課題解決對策大量廢棄物建構循環型社會地球溫暖化建構低碳社會石油的枯竭使用再生能源

解決原則解決手段防範未然發展科學技術/環保科技世代倫理改變生活型態/環境教育

39

永續環境課題及解決之道

經濟發展Economic Health

環境正義Environmental

Protection

社會公平Social

Responsibility

永續社會 Sustainable Society

煉鋼爐石資源化應用之研發

40


兼顧廢棄物對策與資源循環之技術體系－以礦物系資源為例

重視：環境(化學物質)風險之降低國內資源之安全性負面遺產之消減

日本循環型社會之願景


41

「廢棄物是被錯置的資源」創新的管理與技術可以變廢為寶

永續資源管理是循環經濟的基石

低碳新工程材料篩選改質技術/永續物料管理特長：無機循環資材特性掌握與篩選分析，環境敏感性物質無害化技術。

應用範圍：水力漩流分選技術，掌握不同粒徑廢棄物具不同物化特性，透過水利漩流核心技術進行分選，可以聚焦篩選分離出標的資材，提供安全工程材料嫁接產製新工程材料，並將分選後剩餘之環境敏感性物質無害化。

a.供應低碳防災工程材料：泥碴類無機資材、褐地土壤、港區浚泥等。

b. 供應綠色城市工程材料：泥碴類無機資材、光電產業含矽質污泥。

42


低碳防災工程材料產製與施作技術特長：無機循環資材工程特性分析、土壤液化分析與地質改良技術。

應用範圍：土壤液化地質改良劑、護岸護坡工程材料、風力發電等海事工程抗磨混凝土、地盤下陷專利工法。

核心技術：

1.以多元可控密度產製環境友善之低碳材料，取代天然資源與高碳足跡之混凝土產品。

2.利用低碳防災工程材料之回填專利工法，應用於易淹水區之地質改良，克服砂性地質土壤液化與地層沉陷的問題。

43

成大地工試驗模場

堤岸工程材料

海事工程材料

地質改良材料

無機泥碴料分選與改質低碳工程材料

多元可控密度基材輕質、常重、重質材料

地質改良材料

回脹抑制混拌工法

替代砂石料源


綠色城市工程材料產製特長：奈米孔洞材料表面改質技術、光觸媒可見光降解污染物與殺菌技術。

應用範圍：產製可見光光觸媒調濕仿石建材、全天候太陽能石板、輕質防火高性能建材等。

無機循環資材高質化技術主要核心關鍵技術如下：

(1)中微孔徑分子篩合成技術。

(2)有機-無機複合材料自組裝合成技術。

(3)奈米孔洞材料表面改質技術。

(4)光觸媒可見光降解污染物與殺菌技術。

(5)MHP太陽能電池塗料合成技術。

44

Cu@C H@C yolk-shell M@C

increase collision frequency

Dissolved in HCl

Calcined at 500 ℃

P+

Bu

Bu

Bu

(CH2)-NH2

-O

\O

\NH2

\NH2

[aP4443][Lys]

sodium silicate

solution

surfactant

Equisetum ramosissimum

木賊草

100 ◦C, 1 day

Calcined at 500 ℃

Wash with DI water

Silica source

hydrothermal

sodium silicate

solution

P123 + CaO2

100 ◦C, 1 day autoclave

Wash with DI

water, dried

CaO2 particles

Nanoporous silica

Rice husk ash

Ca-ORC-x

hydrothermal


轉爐石級配料物理與工程特性

轉爐石級配工程材料

工程特性 • 健度試驗粗粒料耗損率：0.21% • 洛杉磯磨損率為10.20%~22.42%

物理性質 • 比重：3.2~3.6 • 吸水率：1.49~2.20 • 莫氏硬度值：6，硬度接近長石



• 與天然粒料比較，轉爐石之比重較高，吸水率和天然骨材相當、磨損率及健度耗損率些微較低，符合行政院公共工程委員會施工綱要規範第02722章、02726級配料基層、底層第一類型級配粒料品質規定(磨損率需≤50%)。

• 轉爐石之應用項目能作為填海造陸之圍堤背填、土木工程填方、便道級配、高鐵土建便道、瀝青混凝土骨材之使用等。


材料

淤泥混拌工法

轉爐石

天數 0%淤泥

混拌

10%淤

泥

混拌

20%淤

泥

混拌

40%淤

泥

混拌

60%淤

泥混拌

80%淤

泥

混拌

10天 8.2% 2.90

%

4.52

%

2.53

%

0.59

%

0.04

%

35天 15.9

8%

6.33

%

7.10

%

3.96

%

0.46

%

0.03

%

50天 18.3

6%

7.93

%

7.46

%

4.02

% ---- ----

轉爐石材料改良回脹試驗法之結果

轉爐石混拌材料之回脹壓力試驗 ⊙ 試驗50天的結果，40%淤泥+60%轉爐石其平均浸水回脹比為4.02%。

⊙ 試驗35天的結果，60%淤泥+40%轉爐石其平均浸水回脹比為0.46%。

⊙ 若從經濟效益來評估，40%淤泥+60%轉爐石改良效果最佳。



地下水水質調查試驗場地下水質背景值(2016/02/04)調查結果_背景

檢測項目單位 MDL

(105/02/04) 法規標準

AN01 AN02 MW04 MW05 MW06 MW07 MW08 MW09

監測標準

（一類）

監測標準

（二類） pH - - 6.7 7.4 7 7.3 6.9 6.9 7.2 7 = =

水溫 ℃ - 27 25.7 26.2 25.2 26.2 27.3 26.8 22.6 = =

導電度 μmho/cm - 65000 3550 17700 23100 77800 77300 15300 54900 = =

DO mg/L - 2.9 0.4 0.9 0.6 0.7 0.4 0.7 0.5 = =

氧化還原電位

mV - 95 -287 -54 -112 -37 -76 -38 -33 = =

六價鉻 mg/L 0.0046 ND ND ND ND ND ND ND ND = =

銀 mg/L 0.0038

2016/08/31地下水質調查結果，施工前、後對地下水質並無影響

檢測項目單位 MDL

(105/08/31) 法規標準

AN01 AN02 MW04 MW05 MW06 MW07 MW08 MW09

監測標準

（一類）

監測標準

（二類）

pH - - 6.5 7.1 6.9 6.9 6.9 6.9 7.4 7.2 = = 水溫 ℃ - 28 28.8 28.1 25.9 29.4 29.4 28.3 28.5 = = 導電度 μmho/cm - 117000 3420 23200 34200 58200 69000 10800 42300 = =

DO mg/L - 1.8 0.9 1.1 1.6 0.6 0.7 0.6 0.5 = = 氧化還原電

位 mV - 4 -176 -58 36 -158 -198 -192 -169 = =

六價鉻 mg/L 0.0046 ND ND ND ND ND ND ND ND = = 銀 mg/L 0.0038 ND ND ND ND ND ND ND ND = = 鐵 mg/L 0.0046 1.21 0.711 7.49 0.988 1.43 7.39 0.836 2.88 = = 錳 mg/L 0.004 7.64 0.494 3.02 3.3 2.88 1.49 0.508 2.62 = = 鎘 mg/L 0.0038 ND ND ND

•轉爐石作為回填材料使用，因具有比重大、吸水率和天然骨材相當、耐磨損等特性，相當適合作為填海造陸等工程上的使用。

•當轉爐石材料的回脹特性不會影響該場址的運用下，在符合環境特性與工程材料特性方面的要求，作為回填材料是具有相當的可行性。至於轉爐石材料的回脹問題，可利用淤泥轉爐石混拌法依據現地需求，採用不同配比來減緩轉爐石的回脹效果。

•環境地工試驗場環境地下水體，經由採樣時及後續成分分析可確認其pH值無明顯之變化，故無受到廠區外高爐石及廠區內部轉爐石之影響，另外自導電度變化可發現該地區地下水層中有海水入侵的狀況，可能導致土壤中鐵錳氧化物遭受氯鹽之侵蝕而溶出於水層當中。

•地下水中重金屬含量測值多為無法檢出或極其微量，而檢出有微量數值的重金屬為鋅、鋇、砷等，推測應為當地土樣之微量礦物所致。

小結



改善電弧爐還原碴膨脹特性之研究


氧化碴

還原碴

EAF Slag 1260,000 T / yr

電弧爐氧化碴與還原碴的產出流程


53

Autoclaved Test Method

(ASTM C151)

200 0C / 8 bar

2 (degrees)

10 20 30 40 50 60 70 80

Inte

nsi

ty

C：Lime, CaO B：Brucite, (MgOH)2Q：Quartz, SiO2 F：Iron oxide, Fe2O3M：Periclase, MgO P：Portandite, Ca(OH)2 H：Hatrurite, Ca3(SiO4)O A：Coruridm, Al2O3 W：Wollastonite, CaSiO3 U：Mullite, Al5.65Si0.35O9.175CF：Calcium Iron oxide, Ca4Fe14O25 C3：Calcium carbonate, CaCO3C2F：Srebrodolskite, Ca2Fe2O5CAF：Calcium Aluminum Iron oxide, Ca3(Al,Fe)2O6C2S：Calcium Silicate, Ca2SiO4CMS：Calcium Magnesium Silicate, CaMgSiO4

C

C3C3

P

P

P

M

MB

B

BB

QQ H

A

C

WMA

U

W

CF

CF

C2S

CMS

CMS

CAF

C2S

WFC3

Ca(OH)2

f-CaO f-MgO

f-MgO

Mg(OH)2

Mg(OH)2

還原碴之主要晶相組成為氫氧化鈣、f-CaO、氫氧化鎂及f-MgO。

鈣(鎂)矽酸鹽類及鐵鋁酸鈣 (CAF) 及鐵酸鈣 (C2F)具膠凝活性。

還原碴的健性不穩定性


熱壓膨脹前後之熱重熱流曲線 (左) LS (右) LSG

熱壓膨脹之長度變化率

電弧爐還原碴細粉料有健性不穩定之問題。

LS之Ca(OH)2及Mg(OH)2蒸壓後增加10.46 %及7.06 % ；LSG則增加7.19 %及7.59 %。

f-CaO及f-MgO轉換為Ca(OH)2和Mg(OH)2造成體積脹裂。

熱壓膨脹前後之XRD圖譜 (左) LS (右) LSG

電弧爐還原碴健性試驗-水泥水化

2 (degrees)

10 20 30 40 50 60 70 80

Inte

nsit

y

OPLSG

OPLSG(A)

C：Lime, Cao M：Periclase, MgOP：Portandite, Ca(OH)2 B：Brucite,(MgOH)2Q：Quartz, SiO2 H：Hatrurite, Ca3SiO5CS：Calicium Silicate, CaSiO4 J：Jeffeite, Ca6(Si2O7)(OH)6A：Corundom, Al2O3 I： Iron oxide, Fe2O3T：Tobermorite-9A, CSH R：Riversideite, CSHMS：Magnesium Silicate, MgSiO4CSH：Calcium silicate hydroxide, Ca2(SiO3)(OH)

P

P

P

P

T

R

CSH

CSH

CSH

B

P

P

C

A M MP

PC

MS

B

PP

C

Q

P

I

CS

T

C

CSHMSMS

CSH

J

2 (degrees)

10 20 30 40 50 60 70 80

Inte

nsit

y

OPLS

OPLS(A)

C：Calcium oxide, Cao M：Periclase, MgOP：Portandite, Ca(OH)2 B：Brucite,(MgOH)2Q：Quartz, SiO2 H：Hatrurite, Ca3SiO5CS：Calicium Silicate, CaSiO4 J：Jeffeite, Ca6(Si2O7)(OH)6A：Corundom, Al2O3 I： Iron oxide, Fe2O3T：Tobermorite-9A, CSH R：Riversideite, CSHMS：Magnesium Silicate, MgSiO4CSH：Calcium silicate hydroxide, Ca2(SiO3)(OH)

P

P

P

P

T T

CSH

CSH

CSHB

P

P

C

MM

P

P

PJ

PC

Q

C

C

I

I

CS

A

CSH

R

P

B CCMS

Ca(OH)2

Mg(OH)2 Ca(OH)2

Mg(OH)2

Ca(OH)2

Ca(OH)2

Ca(OH)2 Ca(OH)2 Mg(OH)2 Mg(OH)2

Before

After

Before

After

f-CaO f-MgO f-MgO

f-CaO

鹼活化技術鹼活化係利用高鹼性之活化劑，提升材料之卜作嵐

特性，通常 CaO含量較高之材料便適合利用鹼活化技術提升其活性，其機制主要是利用Na2SiO3, NaOH等鹼活化劑本身高鹼之特性，提升環境鹼度以破壞材料表面之玻璃表面，將 Ca2+解離出來與活化劑之 Si 離子反應形成水化產物，即產生鹼活化反應。

鹼活化系統之概念圖

熱壓膨脹之長度變化率

鹼活化LS及LSG熱壓膨脹試驗之長度變化率皆符合規範

初期f-CaO及f-MgO即被反應，鹼活化程序有較佳之水化效率

鹼活化程序具有克服電弧爐還原碴健性不穩定之能力

電弧爐還原碴健性試驗-鹼活化

熱壓膨脹前後之熱重熱流曲線 (左)LS (右) LSG

Temperature (oC)

200 400 600 800

Weig

ht

(%)

80

85

90

95

100

Heat

flow

(W

/g)

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

Weight

Heat flow

Exo

Endo

Temperature (oC)

200 400 600 800

Weig

ht

(%)

80

85

90

95

100

Heat

flow

(W

/g)

-4

-3

-2

-1

0

1

Weight

Heat flow

Exo

Endo

Temperature (oC)

200 400 600 800

Weig

ht

(%)

80

85

90

95

100

Heat

flow

(W

/g)

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

Weight

Heat flow Exo

Endo

Temperature (oC)

200 400 600 800

Weig

ht

(%)

80

85

90

95

100

Heat

flow

(W

/g)

-4

-3

-2

-1

0

1

Weight

Heat flow

Exo

Endo

Before Before

After After

CSH CSH

Raw-CSH Raw-CSH

熱壓膨脹前後之XRD圖譜 (左)LS (右) LSG

2 (degrees)

10 20 30 40 50 60 70 80

Inte

nsi

ty

AALSG

AALSG(A)

C：Lime, Cao M：Periclase, MgO P：Portandite, Ca(OH)2 B：Brucite,Mg(OH)2

MA：Magnesium Aluminum Silicate, MgAlSi1.5O6R：Riversideite, CSH CSH：Calcium silicate hydroxide

P

PC

R

CSH

CSH

B

P C

M

M

C

C

MA

CSH

CSH

CSH

2 (degrees)

10 20 30 40 50 60 70 80

Inte

nsi

ty

AALS

AALS(A)

C：Lime, CaO M：Periclase, MgO P：Portandite, Ca(OH)2 B：Brucite,(MgOH)2R：Riversideite, CSH CSH：Calcium silicate hydroxide

P

CSH

R

CSH

CSH

CSH

B

P

P

C

M

M

B

M

CSH

B

CSH CSH

應用無機礦物黏著技術發展功能材料

泥碴合成沸石結構材料

技術

輕質防火建材產製技術

鋼碴安定化技術

鹼活化技術

無機礦物黏著材料

應用鹼活化爐石技術 (Alkali-Activated Slag)

「轉化」轉爐石、電弧爐還原碴游離氧化鈣及氧化鎂形成體積穩定、耐候性佳的膠結材料

應用轉爐石、還原碴低水化反應特性改善鹼活化爐石材料速凝、乾縮的缺點形成工作性佳、具功能特性的膠結材料

無機礦物黏著材料 Inorganic Mineral Adhesive

解決鋼碴膨脹問題

低碳綠色膠結材料

產製輕質防火隔熱建材

無機礦物黏著材料

防火功能測試系統

節能建材 (輕質˙隔熱˙防火)

防火測試背溫隨加熱時間變化圖

鹼活化輕質產品密度800kg/m3(樣品一)及密度1000kg/m3(樣品二)在20min的加熱試程中，背面溫度曲線如圖所示，密度愈低則背溫上升速度愈緩，樣品一於20min加熱試程最高背溫低於100℃。

應用無機礦物資材產製輕質防火節能建材

不定型節能建材輕質/隔音/隔熱

預鑄型節能建材隔熱/防火/高強度

高壓鑄型節能建材抗裂/隔熱/隔音

熱傳導係數

(W/m.K)

單位重 (kg/m3)

產品單價 (元/m2)

耐候性

抗壓強度 (kgf/cm2)

耐火特性

聚苯板花崗石磁磚混凝土成大節能發泡玻璃

0.037 0.040 0.174 1.395 1.3 3.5

28~40 120~150 800 2300 2400 2800

N/A 10~20 50~100 210 >250 >1000

550 2000 200 200~600 5000~10000

差優優優優優

差優優優優優

勝

勝

勝

勝

勝

勝

勝 500

鹼活化綠色工程材料與市售產品之比較

綜觀國際鋼鐵工業之發展趨勢，提升環境效益與資源利用效率

為重要的發展方向，其中促進煉鋼爐石資源化與加值化即為重

點課題。

目前由於技術限制或成本因素，煉鋼爐石經分選等程序加工後

其資源化途徑仍以原形利用為主要的方式。然因爐渣混合集塵

灰非法棄置事件使得煉鋼爐石蒙受污名化，提高了爐石資源化

之困難度。

煉鋼爐石是優良的綠色工程料，提昇技術層次方面，可朝向開

發多元化與本土化之資源化用途，例如作為填海造陸料源、人

工礁石、水工護岸材料、土壤液化與地層沉陷等地質改良，開

發高價爐石產品並結合地方需求以促使煉鋼爐石之有效利用。

管理上應加速訂定煉鋼爐石資源化產品之原料品質、製程規

範、產品用途規格及施工規範等相關準則，以進一步建立煉鋼

爐石等之資源化產業鏈。

同體大悲珍惜萬物循環共生永續家園

結語

Documents

煉鋼爐石資源化利用與展望 - Forchetta餐廳 … · 張祖恩 特聘教授 國立成功大學環境工程學系 106年10月12日 煉鋼爐石資源化利用與展望 中國礦冶工程學會年會--臺灣能礦展望與挑戰專題研討會

煉鋼爐石資源化利用與展望 - Forchetta餐廳 … · 張祖恩特聘教授國立成功大學環境工程學系 106年10月12日煉鋼爐石資源化利用與展望中國礦冶工程學會年會--臺灣能礦展望與挑戰專題研討會