近日，從中央研究院傳來好消息，由寶武工程科學家肖永力領銜的熱態渣技術研發團隊聯合武漢理工大學、寶武環科、寶鋼工程等幾家單位，30年磨一劍，自主創新研發的《大宗鋼渣固廢高效低碳制備高等級瀝青路面材料及工程應用關鍵技術》榮獲2023年度上海市技術發明一等獎，這不僅讓“鋼渣向何處去”這個困擾鋼鐵行業多年的世界性難題有了“寶武方案”，還讓高速公路采用鋼渣替代天然集料（石料）成為現實，有力支撐了鋼鐵和交通兩大行業的綠色低碳協同發展。
世界性難題
鋼渣資源化利用
鋼鐵工業作為現代工業的基石，是國家建設的重要保障，是經濟的重要支撐。近年來，隨著我國對環境保護的要求越來越高，尤其是在“雙碳”戰略提出后，鋼鐵行業作為我國碳排放較多的行業之一，在減少碳排放方面任重道遠。在實施路徑方面，加快鋼渣資源化利用，是我國鋼鐵行業落實碳達峰碳中和目標任務的重要途徑之一。然而，在鋼渣綜合利用方面，全球鋼鐵行業目前仍存在利用率普遍偏低、利用途徑單一等問題，大量鋼渣堆存不僅占用土地資源，還給生態環境帶來了較大安全隱患。
“鋼渣的資源化綜合利用一直是個世界性的行業難題！”肖永力在接受記者采訪時開宗明義地表示，與鋼鐵領域的其他專業不同，作為冶金末端工藝，鋼渣處理技術的發展遠遠滯后于主工藝，這是一塊鋼鐵技術版圖的不毛之地和荒漠。
鋼鐵與渣從來都是相伴而生，鋼鐵渣不但產量大，而且出爐溫度高達1500℃，如何處理直接影響鋼鐵的正常生產和環保，更與鋼鐵行業的綠色發展和低碳冶金息息相關。在鋼鐵渣中，鋼渣是鋼鐵工業產生的主要固體廢物之一，每年產生量超過1.5億噸。由于鋼渣成分復雜，體積穩定性差，無法得到有效利用。
“以往很長一段時間，鋼渣的資源化綜合利用的主要方向是‘入土’，鋼渣以粉料的形式用于水泥生產、混凝土制作等。”據初步估算，鋼渣用于通用硅酸鹽水泥的量，占比高點時接近50%，其中絕大部分用作水泥混合材料。
然而，2023年11月，GB175-2023《通用硅酸鹽水泥》（以下簡稱：2023版）正式發布，并于2024年6月1日起實施。2023版的修訂明確限制了鋼渣在硅酸鹽水泥領域的應用，鋼渣的大規模消納和資源化利用一時間成為鋼鐵行業急需解決的重大難題。
“一石激起千層浪！”“原用作水泥混合材料的鋼渣，不能再作為通用硅酸鹽水泥的混合材料。”許多業內專家不禁要問：“鋼渣不能用于水泥，那每年持續產生的巨量鋼渣怎么辦？”“鋼渣向何處去？！”
“入混凝土”不行
那就“上柏油路”！
近年來，我國公路建設飛速發展，高速公路總里程已超18萬公里，每年還在以1萬公里的速度快速增長。瀝青路面是高速公路的核心結構，路面表層直接決定行車安全與服役周期，瀝青路面材料中95%為天然集料（石料），每年新建與養護工程所需優質集料約1億噸，這些集料都是通過炸山鑿石、粉碎加工而來。隨著人們環保意識的增強，天然集料日益短缺且造價逐年攀升，相關資源顯現出環保壓力大、逐步枯竭等現象。
“一方面，在公路交通行業，受生態保護政策和天然集料長期無節制開采的影響，瀝青路面建設所需優質集料開采受限且造價逐年升高，迫切需要開發新型道路材料。”“另一方面，鋼鐵行業每年產生的大量鋼渣急需資源化利用！”
“‘入混凝土’不行，那就‘上柏油路’！”肖永力明確表示，如果鋼渣能夠替代瀝青路面的天然集料，意義非常重大！不僅能解決鋼渣清潔處理、規模化高值利用和路用集料資源日益短缺的難題，一舉破解鋼鐵和交通兩大支柱行業發展困境，還能實現兩大行業綠色協同發展，保護綠水青山。
但鋼渣進入道路表層尚無先例，尤其是鋼渣中的游離氧化鈣難題更是令人談虎色變，一旦路面鼓包開裂，后果不堪想象。同時，鋼渣與瀝青的作用機理不清晰，一缺標準二缺配套技術支撐。
作為渣世界的耕耘者，早在十多年前，由肖永力領銜的中央研究院熱態渣技術研發團隊就敏銳地意識到，滾筒鋼渣質地堅硬、棱角較多，十分契合鋪路集料的需求：“鋼渣堅硬耐磨，優于天然集料”“鋼渣呈現堿性，與瀝青粘附性好！”
于是，研發團隊揚長避短，將替代天然砂石制備瀝青路面集料作為滾筒渣資源化重點推進方向。為此，研發團隊攜手武漢理工大學、寶武環科、寶鋼工程等單位，以嚴謹科學的態度和自立自強的勇氣，找準目標、全力攻關，著力開發鋼渣瀝青路面集料制備工藝和應用技術。
點渣成金
鋼渣“華麗變身”天然集料
“鋼渣游離氧化鈣高、吸水膨脹起包，這個問題一直制約著鋼渣的規模化利用。”肖永力詳細介紹說，鋼渣是煉鋼過程中的副產物，在煉鋼工藝中，過量的石灰在煉鋼的高溫條件下形成過燒石灰，分散在鋼渣中，同時高溫鋼渣在冷卻過程中又會析出氧化鈣，這兩部分石灰俗稱游離氧化鈣，它是影響鋼渣體積穩定性的重要成分，也是影響鋼渣資源化利用的關鍵因素。
“因為集料的性能是決定高速公路安全順行的關鍵，公路交通行業對于集料的要求還是很高的，從膨脹率到與酸性瀝青粘附性、再到顆粒尺度等都有很嚴格的要求。”研發團隊加大科研力量投入，進行了大量基礎研究和實驗，最終采用快冷+機械攪拌的滾筒法鋼渣處理工藝，利用滾動金屬球破碎快冷、多點噴淋精細冷卻及在線分離分選方法，使熔融態鋼渣從1600℃迅速冷卻至100℃以下并破碎成15mm以下顆粒。
“這個過程因冷卻速率大、破碎徹底，渣中游離氧化鈣含量得到較好的抑制析出、分散均化和水化，尾渣中游離氧化鈣含量能夠保持在3%以下，同時，鋼渣的晶粒尺寸也得到約30%左右的降低。”肖永力直言，滾筒法鋼渣處理工藝得到的鋼渣不僅自然粒度均勻，滿足集料的級配要求，鋼渣顆粒性能穩定，而且比天然石料棱角豐富，骨架結構牢固，鋼渣又是堿性材料，與瀝青的結合更加牢固。
此外，瀝青與集料之間的粘附性對于確保瀝青混合料的性能和路面的耐久性至關重要。研發團隊通過對鋼渣形成過程及其表面構造進行研究發現，固化后鋼渣表面形成了大量微孔結構，這些微孔可以起到吸附作用，使得鋼渣能夠更好地與瀝青相互結合，并形成牢固的結構體系。這樣一來，在道路建筑和使用過程中，可以通過充分利用鋼渣在固化過程中產生微孔結構以及其中豐富元素所帶來的優勢特點，進一步改善并提升道路建設品質，并延長其使用壽命。
攻克游離氧化鈣富集膨脹難題以及挖掘鋼渣的天然優點，僅僅是研發團隊勇闖創新“無人區”，攻克鋼渣替代天然集料眾多難關的一個縮影。多年來，研發團隊聚焦煉鋼熔渣的滾筒法高效清潔處理技術，從機理研究、工藝開發、裝備研制、產品加工、標準體系建立和工程化推廣應用等幾個方面開展系統性研究，相繼在熔渣的滾動快冷粒化、多相態鋼渣清潔處理、高效低碳滾筒鋼渣集料加工、系列化鋼渣瀝青路面材料的研制和應用方面開展關鍵性技術研究，并借助規范、標準體系的建立和大量工程實踐，形成煉鋼熔渣的全量化滾筒法快冷粒化及高值材料化解決方案，成功研發了鋼渣低碳高效制備高等級瀝青路面材料與應用成套關鍵技術，不僅暢通了大宗鋼渣固廢低碳循環路徑，還成功在世界上第一個實現了鋼渣替代天然集料用于高速公路表層，實現鋼鐵行業與交通行業的雙贏。
目前，該發明成果已在上海、湖北、廣西、內蒙古等不同氣候地區應用，建設公路超過3000公里，應用鋼渣瀝青混凝土3000萬噸，碳減排198萬噸，有力支撐了鋼鐵與交通兩大行業的綠色發展與碳中和，經濟、社會和環境效益顯著。
“點渣成金，破解世界性難題！”“項目成果系統解決了鋼渣從處理到制備高等級瀝青路面材料的一系列技術、工程和產業化瓶頸，有力支撐了低碳冶金和綠色交通。”“它不僅具有原創性和新穎性，而且具有顯著的實用性，項目成果達到國際領先水平。”該發明成果，先后通過國內相關院士和專權威家的科技評定、成果驗收、國外同行公開評價、科技情報檢索及國內外相關技術綜合對比分析后，紛紛給予高度評價。其中，在中國金屬學會組織的科技成果評價會上，中國工程院院士殷瑞鈺為首的專家組評價意見為——“煉鋼熔渣高效清潔全量處理及產品化技術開發和應用”項目的技術成果被認定為“國際領先水平”。
作為一項鋼鐵行業的世紀難題，大宗鋼渣的出路及高值資源化利用一直備受關注，中國寶武給出了自己的答卷和方案，如何在低碳綠色發展的大背景下，跨行跨界系統考慮各類大宗工業固廢的資源化循環和利用，方興未艾，任重道遠。
