近日，从中央研究院传来好消息，由宝武工程科学家肖永力领衔的热态渣技术研发团队联合武汉理工大学、宝武环科、宝钢工程等几家单位，30年磨一剑，自主创新研发的《大宗钢渣固废高效低碳制备高等级沥青路面材料及工程应用关键技术》荣获2023年度上海市技术发明一等奖，这不仅让“钢渣向何处去”这个困扰钢铁行业多年的世界性难题有了“宝武方案”，还让高速公路采用钢渣替代天然集料（石料）成为现实，有力支撑了钢铁和交通两大行业的绿色低碳协同发展。
世界性难题
钢渣资源化利用
钢铁工业作为现代工业的基石，是国家建设的重要保障，是经济的重要支撑。近年来，随着我国对环境保护的要求越来越高，尤其是在“双碳”战略提出后，钢铁行业作为我国碳排放较多的行业之一，在减少碳排放方面任重道远。在实施路径方面，加快钢渣资源化利用，是我国钢铁行业落实碳达峰碳中和目标任务的重要途径之一。然而，在钢渣综合利用方面，全球钢铁行业目前仍存在利用率普遍偏低、利用途径单一等问题，大量钢渣堆存不仅占用土地资源，还给生态环境带来了较大安全隐患。
“钢渣的资源化综合利用一直是个世界性的行业难题！”肖永力在接受记者采访时开宗明义地表示，与钢铁领域的其他专业不同，作为冶金末端工艺，钢渣处理技术的发展远远滞后于主工艺，这是一块钢铁技术版图的不毛之地和荒漠。
钢铁与渣从来都是相伴而生，钢铁渣不但产量大，而且出炉温度高达1500℃，如何处理直接影响钢铁的正常生产和环保，更与钢铁行业的绿色发展和低碳冶金息息相关。在钢铁渣中，钢渣是钢铁工业产生的主要固体废物之一，每年产生量超过1.5亿吨。由于钢渣成分复杂，体积稳定性差，无法得到有效利用。
“以往很长一段时间，钢渣的资源化综合利用的主要方向是‘入土’，钢渣以粉料的形式用于水泥生产、混凝土制作等。”据初步估算，钢渣用于通用硅酸盐水泥的量，占比高点时接近50%，其中绝大部分用作水泥混合材料。
然而，2023年11月，GB175-2023《通用硅酸盐水泥》（以下简称：2023版）正式发布，并于2024年6月1日起实施。2023版的修订明确限制了钢渣在硅酸盐水泥领域的应用，钢渣的大规模消纳和资源化利用一时间成为钢铁行业急需解决的重大难题。
“一石激起千层浪！”“原用作水泥混合材料的钢渣，不能再作为通用硅酸盐水泥的混合材料。”许多业内专家不禁要问：“钢渣不能用于水泥，那每年持续产生的巨量钢渣怎么办？”“钢渣向何处去？！”
“入混凝土”不行
那就“上柏油路”！
近年来，我国公路建设飞速发展，高速公路总里程已超18万公里，每年还在以1万公里的速度快速增长。沥青路面是高速公路的核心结构，路面表层直接决定行车安全与服役周期，沥青路面材料中95%为天然集料（石料），每年新建与养护工程所需优质集料约1亿吨，这些集料都是通过炸山凿石、粉碎加工而来。随着人们环保意识的增强，天然集料日益短缺且造价逐年攀升，相关资源显现出环保压力大、逐步枯竭等现象。
“一方面，在公路交通行业，受生态保护政策和天然集料长期无节制开采的影响，沥青路面建设所需优质集料开采受限且造价逐年升高，迫切需要开发新型道路材料。”“另一方面，钢铁行业每年产生的大量钢渣急需资源化利用！”
“‘入混凝土’不行，那就‘上柏油路’！”肖永力明确表示，如果钢渣能够替代沥青路面的天然集料，意义非常重大！不仅能解决钢渣清洁处理、规模化高值利用和路用集料资源日益短缺的难题，一举破解钢铁和交通两大支柱行业发展困境，还能实现两大行业绿色协同发展，保护绿水青山。
但钢渣进入道路表层尚无先例，尤其是钢渣中的游离氧化钙难题更是令人谈虎色变，一旦路面鼓包开裂，后果不堪想象。同时，钢渣与沥青的作用机理不清晰，一缺标准二缺配套技术支撑。
作为渣世界的耕耘者，早在十多年前，由肖永力领衔的中央研究院热态渣技术研发团队就敏锐地意识到，滚筒钢渣质地坚硬、棱角较多，十分契合铺路集料的需求：“钢渣坚硬耐磨，优于天然集料”“钢渣呈现碱性，与沥青粘附性好！”
于是，研发团队扬长避短，将替代天然砂石制备沥青路面集料作为滚筒渣资源化重点推进方向。为此，研发团队携手武汉理工大学、宝武环科、宝钢工程等单位，以严谨科学的态度和自立自强的勇气，找准目标、全力攻关，着力开发钢渣沥青路面集料制备工艺和应用技术。
点渣成金
钢渣“华丽变身”天然集料
“钢渣游离氧化钙高、吸水膨胀起包，这个问题一直制约着钢渣的规模化利用。”肖永力详细介绍说，钢渣是炼钢过程中的副产物，在炼钢工艺中，过量的石灰在炼钢的高温条件下形成过烧石灰，分散在钢渣中，同时高温钢渣在冷却过程中又会析出氧化钙，这两部分石灰俗称游离氧化钙，它是影响钢渣体积稳定性的重要成分，也是影响钢渣资源化利用的关键因素。
“因为集料的性能是决定高速公路安全顺行的关键，公路交通行业对于集料的要求还是很高的，从膨胀率到与酸性沥青粘附性、再到颗粒尺度等都有很严格的要求。”研发团队加大科研力量投入，进行了大量基础研究和实验，最终采用快冷+机械搅拌的滚筒法钢渣处理工艺，利用滚动金属球破碎快冷、多点喷淋精细冷却及在线分离分选方法，使熔融态钢渣从1600℃迅速冷却至100℃以下并破碎成15mm以下颗粒。
“这个过程因冷却速率大、破碎彻底，渣中游离氧化钙含量得到较好的抑制析出、分散均化和水化，尾渣中游离氧化钙含量能够保持在3%以下，同时，钢渣的晶粒尺寸也得到约30%左右的降低。”肖永力直言，滚筒法钢渣处理工艺得到的钢渣不仅自然粒度均匀，满足集料的级配要求，钢渣颗粒性能稳定，而且比天然石料棱角丰富，骨架结构牢固，钢渣又是碱性材料，与沥青的结合更加牢固。
此外，沥青与集料之间的粘附性对于确保沥青混合料的性能和路面的耐久性至关重要。研发团队通过对钢渣形成过程及其表面构造进行研究发现，固化后钢渣表面形成了大量微孔结构，这些微孔可以起到吸附作用，使得钢渣能够更好地与沥青相互结合，并形成牢固的结构体系。这样一来，在道路建筑和使用过程中，可以通过充分利用钢渣在固化过程中产生微孔结构以及其中丰富元素所带来的优势特点，进一步改善并提升道路建设品质，并延长其使用寿命。
攻克游离氧化钙富集膨胀难题以及挖掘钢渣的天然优点，仅仅是研发团队勇闯创新“无人区”，攻克钢渣替代天然集料众多难关的一个缩影。多年来，研发团队聚焦炼钢熔渣的滚筒法高效清洁处理技术，从机理研究、工艺开发、装备研制、产品加工、标准体系建立和工程化推广应用等几个方面开展系统性研究，相继在熔渣的滚动快冷粒化、多相态钢渣清洁处理、高效低碳滚筒钢渣集料加工、系列化钢渣沥青路面材料的研制和应用方面开展关键性技术研究，并借助规范、标准体系的建立和大量工程实践，形成炼钢熔渣的全量化滚筒法快冷粒化及高值材料化解决方案，成功研发了钢渣低碳高效制备高等级沥青路面材料与应用成套关键技术，不仅畅通了大宗钢渣固废低碳循环路径，还成功在世界上第一个实现了钢渣替代天然集料用于高速公路表层，实现钢铁行业与交通行业的双赢。
目前，该发明成果已在上海、湖北、广西、内蒙古等不同气候地区应用，建设公路超过3000公里，应用钢渣沥青混凝土3000万吨，碳减排198万吨，有力支撑了钢铁与交通两大行业的绿色发展与碳中和，经济、社会和环境效益显著。
“点渣成金，破解世界性难题！”“项目成果系统解决了钢渣从处理到制备高等级沥青路面材料的一系列技术、工程和产业化瓶颈，有力支撑了低碳冶金和绿色交通。”“它不仅具有原创性和新颖性，而且具有显著的实用性，项目成果达到国际领先水平。”该发明成果，先后通过国内相关院士和专权威家的科技评定、成果验收、国外同行公开评价、科技情报检索及国内外相关技术综合对比分析后，纷纷给予高度评价。其中，在中国金属学会组织的科技成果评价会上，中国工程院院士殷瑞钰为首的专家组评价意见为——“炼钢熔渣高效清洁全量处理及产品化技术开发和应用”项目的技术成果被认定为“国际领先水平”。
作为一项钢铁行业的世纪难题，大宗钢渣的出路及高值资源化利用一直备受关注，中国宝武给出了自己的答卷和方案，如何在低碳绿色发展的大背景下，跨行跨界系统考虑各类大宗工业固废的资源化循环和利用，方兴未艾，任重道远。
