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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○六年九月九日

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以最新標準探討鋼爐渣於道路工程之應用

陳純森 技師

前言

行政院公共工程委員會日前於網路發布新聞稿,為了推廣循環經濟,鼓勵各工程機關儘量採用轉爐石用於道路鋪面工程,工程會與經濟部協調高雄市政府於714日辦理「轉爐石運用於道路鋪面工程觀摩會」,工程會吳主委並且親臨致詞。就落實循環經濟之政策而言,如何作好資源回收,將廢棄物設法再利用,相關工程界自當極力配合,義不容辭。惟相關之完整配套措施與後遺症之防患,也是所有產官學所應該解決之嚴肅課題。

爐渣之介紹

一般工程所稱之爐渣,係包括鐵爐渣與鋼爐渣。有關鐵爐渣之介紹,筆者在第1022期技師報已有批露。其實近期坊間所稱之「爐碴」,名詞並不恰當,應正名為「爐渣」。所謂「碴」,係指「破碎之陶瓷片」,並非煉鋼過程中所衍生之渣滓;「渣」(slag),則是將水分榨乾或液體流失後所殘留之渣滓,於鋼鐵之冶煉過程,煉鐵廠(高爐blast furnace)將鐵礦熔解之鐵水,用魚雷車(torpedo car)運走之後,剩下「鐵爐渣」,或稱「高爐爐渣」;煉鋼廠於鐵水冶煉成鋼水之後,又將鋼水送往鋼胚區或鋼錠(ingot)區澆鑄,剩下「鋼爐渣」,甚至於電銲過程中,銲條熔融之鋼水沉澱在銲縫,漂浮在鋼水上方之渣滓,則稱之為「銲渣」。

爐渣處理業界為了推廣順利,將爐渣美其名為「爐石」,勉強可以接受,畢竟爐渣之成分與砂石之成分有部分相近,但如果執意稱為爐「碴」,就有些誇張了。雖然爐渣之化學成分與砂石有些相近,但由於生成過程之差異,彼此間之物理性質則有所不同,所以無法完全取代一般之砂石作為營建工程之用,必須經過嚴謹之處理與管制,且用途也受到限制,多半用於土木工程。

鋼爐渣之生成

國內煉鋼之方法分為炊氧(Basic oxygen furnace)煉鋼與電爐(Electric arc furnace)煉鋼。炊氧煉鋼係以生鐵(pig iron)之鐵水為主要原料,在煉鋼爐內吹送氧氣燃燒,將生鐵熔融精煉而轉換成鋼水,故通稱其煉鋼爐為轉爐(Converter)。歐陸各國咸認,轉爐煉鋼是奧地利Vöest鋼鐵公司於多瑙河畔之林茲城市(Linz Danube)所發明,故歐陸各國常稱為LD 轉爐(LD Converter)日本煉鋼業早期師承德國,亦泛稱轉爐為LD轉爐。中鋼公司小港廠之煉鋼廠,即購自日本川崎重工之轉爐煉鋼設備,故國內僅有中鋼系統之高雄廠、與台中之中龍廠,屬於轉爐煉鋼。轉爐煉鋼時會填加生石灰與廢鋼,煉鋼完成後每噸粗鋼,會產出約110公斤之轉爐鋼渣(Converter steel slag)  電爐煉鋼則是以廢鋼為主要原料,以電極棒之電弧將廢鋼再度熔融去除雜質,並未有材質轉換之作用,因此慣稱為電爐。國內之東和、豐興、燁聯、海光、漢泰等鋼鐵公司均採用電爐煉鋼。電爐煉鋼時會加入生石灰與合金鋼,並須加入氧氣將雜質氧化,於煉鋼完成後每噸粗鋼會產出約70公斤之氧化渣;如果鋼水在精煉爐內加入大量碳粉與石灰石等去氧脫硫材料,於煉鋼完成後每噸粗鋼則會產出約40公斤之還原渣。

換言之,轉爐煉鋼會產出轉爐渣(converter slag),但電爐煉鋼則會分別產出氧化渣(oxidizing slag)與還原渣(reducing slag),參考日本爐渣協會之資料,其流程如圖1所示。圖1上段為轉爐渣之生成過程,下段則為電爐之氧化渣與還原渣之生成過程。

1 鋼爐渣之製程與用途1

鋼爐渣之成分與特性

參見圖1之鋼爐渣之生成過程,由於在煉鋼爐冶煉鋼液時,必須摻入石灰石(CaCO3)與白雲石CaMg(CO3)2助熔,冶煉後會產生游離氧化鈣(CaO)、游離氧化鎂(MgO),一般轉爐渣與電爐渣之成分如表1所示。當鋼爐渣之氧化鈣、氧化鎂與水或濕氣發生水化作用時,CaOMgO就會形成Ca(OH)2Mg(OH)2,容易導致體積膨脹甚至渣料主體開裂或崩解,如台○事件、小○事件、樹○事件等,鋼爐渣使用前均必須設法消除其膨脹特性。而鋼爐渣之鐵質成分(T-Fe)與水發生化學反應時,則容易造成爆出(popout)與銹水現象,如巨○之痘痘屋事件與一般之馬路銹斑等,使用前必須驗證其含鐵成分有無超標。

1 日本爐渣協會之爐渣成分範例(%)1

成分 炉系スラグ(轉爐渣) 炉系スラグ
(電爐渣)
普通
セメント
酸化スラグ(氧化渣) 還元スラグ (水泥)
(還原渣)  
CaO 45.8 22.8 55.1 64.2
SiO2 11 12.1 18.8 22
T-Fe 17.4 29.5 0.3 3
MgO 6.5 4.8 7.3 1.5
Al2O3 1.9 6.8 16.5 5.5
S 0.06 0.2 0.4 2
P2O5 1.7 0.3 0.1 -
MnO 5.3 7.9 1 -

煉鋼過程所填加之廢鋼(scrap)容易夾雜其他之重金屬,因此應該檢測鋼爐渣之重金屬含量有無超標,如CdPbCr6+AsT-HgSeFB等成分,以防使用後環境遭受汙染。

鋼爐渣之用途

美國、澳洲、日本等國均曾將鋼爐渣用於道路工程,美國甚至於將鋼爐渣作為鐵路之道床(ballast),在漫長之鐵路工程,使用鋼爐渣取代一般之石材道渣,確實可以減少不少之工程經費,如照片1

照片1 鋼爐渣之鐵路道床2

在一般之道路工程,由於鋼爐渣之耐磨性能優良,是不錯之道路鋪面材料。由於鋼爐渣使用於道路工程常常造成下雨後之路面波浪起伏,所以CNS1240規定,對於有膨脹顧慮之鋼爐渣,使用前必須確實完成其「安定化」之處理程序,才可使用。國內曾經有道路工程之施工廠商因為未熟諳鋼爐渣之特性,所施作之道路於下雨過後路面波浪不平而被移送法辦。一般安定化之處理可採用天然風化法、高溫蒸氣處理法或吹氧加熱並填加玻璃細粉等改良劑處理。從圖1之日本爐渣協會所推薦之鋼爐渣用途,不難看出轉爐渣可直接用於地工用之水泥原料,但要作為道路工程之路基材料或地質改良材料時,必須事先完成「-ジング」(Aging老化)處理。氧化渣可直接作為瀝青混合物骨材、混凝土用骨材與地工材料;但要作為道路工程之路基材料或地質改良材料時,亦必須事先完成老化處理。至於還原渣則可以直接做為地工材料、水泥原料與地質改良原料,但要作為道路工程之路基材料或地質改良材料時,亦必須事先完成老化處理。轉爐渣如果嚴謹處理尚可作為農林業之肥料使用,如照片2

照片2 轉爐渣肥料1

日本鋼爐渣使用之相關規範

日本對於鋼爐渣之道路使用,除了全國性之工業標準JIS以外,產官學各界均訂有完整而嚴密之標準,其明細如下,值得國內參考跟進。

JIS 5011-4 (2013) 電気炉酸化スラグ骨材

JIS 5015 (2013) 道路用鉄鋼スラグ

JIS 5308 (2014) レディ-ミクスト コンクリ-

國土交通省港湾局 (2004) 港湾工事共通仕様書

國土交通省鉄道局 (2000) 鉄道構造物設計標準

首都高速道路公团 (2004) 土木材料共通仕様書

農林水產省 (2003) 土木工事共通仕様書

日本土木学会 (2003) 気炉酸化スラグ骨材を用いたコンクリ-トの設計·施工指針

日本道路協 (2006) 舖裝施工便覽

日本港 (2007) 湾の設施の技術上の基準·同解說

沿岸技術研究センタ- (2015) 湾·空港·海岸等における製鋼スラグ利用技術マニュアル

鉄鋼スラグ協会 (1985) 製鋼スラグ路盤設計施工指針

鉄鋼スラグ協会 (1985) 路盤用製鋼スラグ品質管理要鋼

美國鋼爐渣使用之相關規範

美國各州公路官員學會(AASHTO)之相關組織「交通環境組織」(Environment transportation organization),曾經將鋼爐渣使用於道路工程之環境影響做一完整之調查與評估,其結果顯示鋼爐渣用於瀝青鋪面之效果良好,但使用於美國廣泛硬性路面之混凝土鋪面則效果不佳,使用於路床必須有所節制,使用於路堤是可以被接受的。其彙整如表2所示。

2 美國交通環境組織對鋼爐渣使用之評估3

前述鋼爐渣骨材用於瀝青鋪面混合材之規定,以最新版之ASTM D5106-15 Standard Specification for Steel Slag Aggregates for Bituminous Paving Mixtures。最完整。該標準並未將轉爐渣與電爐渣給予個別定義,而是概括式將兩者同時包括在內,其定義如摘錄1

摘錄1 ASTM D5106-15對鋼爐渣之概括定義

ASTM D5106-15規定鋼爐渣骨材用於瀝青混合物,除了須合乎一般砂石之材質標準外,另增加三項特別條款,即「膨脹性試驗」、「環境穩定驗證」及「剝損與碎化試驗」。其所有相關取樣與試驗標準如摘錄2所示。

摘錄2 ASTM D5106-15之鋼爐渣取樣試驗標準

上述諸項試驗標準中,其中第7.1.6-膨脹性試驗需依照ASTM D4792之規定辦理;第7.1.12-環境穩定之作為係查證鋼爐渣是否有毒害汙染之滲漏問題,必須依照EPA Method SW846 1311之規定辦理,其毒害之管制程序,ASTM D5106-15之說明如摘錄3

摘錄3 ASTM D5106-15之鋼爐渣毒害管制

至於鋼爐渣之剝損與碎化試驗則須分別依照第7.1.8-ASTM D4867 Stripping與第7.1.7-ASTM C142 Friable Particles之規定辦理。

綜合結論

煉鋼之爐渣確實值得回收再利用,但是相關之配套措施與用法必須明確且具體可行,否則使用者出了問題誰能擔待責任?難怪民意代表會提案制止爐渣之使用,許多公路單位、營建機關與國營事業抵死拒用者也大有人在。其實爐渣之使用在外國行之有年,值得借鏡之標準與規範既完整又嚴謹,且都有相互之配套措施與管制辦法,畢竟涉及專業技術的作為必須符合技術的SOP才能落實有效。建議工程主管機關邀集相關目的事業主管機關,如交通部、內政部、環保署、商檢局、學術界及產業界等,及早制定具體完整之規範,包括用途、標準、處理,檢驗、管理、驗證、以及相關職責,以利爐渣之推廣及業界之使用。

參考文獻

1.  環境資材鉄鋼スラグ,日本鉄鋼スラグ協會

2.  Steel furnace slag, 173-3, National slag association, USA

3.  fhwasummary, Environment.transportation.org

4.  Standard Specification for Steel Slag Aggregates for Bituminous Paving Mixtures, ASTM D5106-15.

5.  陳純森(201231日)。趙鐵頭創建中鋼的故事。

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