談循環經濟材料再利用 - 鋼爐渣

陳純森  技師

成功大學建築研究所教授級專家

高雄大學土木環工系副教授專技

壹、鋼爐渣之產出

國內常遇到的鋼爐渣，可分為碳鋼爐渣（carbon steel slag）、不銹鋼爐渣（stainless steel slag）兩種。

一、碳鋼鋼渣

  碳鋼俗稱「黑鐵」，包括低碳鋼、中碳鋼與高碳鋼。國內冶煉碳鋼之方法，有中鋼系統之轉爐煉鋼(converter steel making)與其他系統之電爐煉鋼(electric furnace steel making)兩種。中鋼公司之小港煉鋼廠與中龍公司之台中煉鋼廠，均採用轉爐煉鋼，係以鐵水作為煉鋼之主要原料，經炊氧冶煉之後將鐵水轉換為鋼水，故稱為「轉爐」；其他系統的鋼鐵公司，包括東和、威致、海光、豐興、致一、漢泰與協勝發等，則採用電爐煉鋼，係以廢鋼作為煉鋼之主要原料，用電極棒高溫冶煉。兩種煉鋼系統之流程，如圖1。

煉鋼爐之鋼水被取走之後會殘留鋼爐渣，轉爐煉鋼時會填加生石灰與廢鋼，煉鋼完成後，每噸粗鋼(crude steel)產出約110公斤之轉爐鋼渣(converter steel slag)。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(oxidizing slag)；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(reducing slag)。

二、不銹鋼渣

銹鋼因為外觀呈現銀白，俗稱「白鐵」，其煉製過程，如圖2。首先將廢鋼原料與特殊合金(如鉻鎳Ni、Cr等)，放入電爐熔融，再經轉爐冶煉成不銹鋼，然後倒入真空精煉爐，灌入氧氣、氬氣(或氮氣)予以脫碳，學理稱為氬-氧脫碳精煉(argon-oxygen decarburization–AOD)，將碳元素燒成一氧化碳(CO)逸出，其化學反應方程式如下。

4 Cr_(鋼水) + 3 O₂ → 2 Cr₂O_3(鋼渣)

Cr₂O_3(鋼渣) + 3 C_(鋼水) →2 Cr_(鋼水) + 3 CO_(氣體)

不銹鋼冶煉時，有時會使用氮氣取代氬氣協助脫碳。工程上常用的304不銹鋼，含有26%的鎳+鉻耐蝕成分；而316不銹鋼，則含有32%的鎳+鉻成分，所以耐腐蝕性極強，泛稱為不銹鋼。從圖2得知：不銹鋼渣有三種，即電爐渣、轉爐渣與AOD爐渣，有的不銹鋼廠會多一道精煉程序，將不銹鋼水放入盛桶爐(ladle furnace)，以電極棒再精煉(ladle refining)，則會產生盛桶爐渣(ladle furnace slag)。

貳、鋼爐渣之成分

根據日本鉄鋼爐渣協會^【1】之資料，煉製碳鋼時之轉爐渣與電爐渣之成分，如表1所示。但由於煉鋼時均須加入量體不等的廢鋼，視廢鋼之來源與性質的差異，會有不同程度之汙染成分。此外，由於煉鋼過程中，煉鋼爐必須填加入石灰石(limestone-CaCO₃)與白雲石(dolomite-MgCO₃)等之還原劑，過量之還原劑熔解後，CO₂飛走了，鋼渣會殘留剩餘之游離氧化鈣(CaO⁺)與游離氧化鎂(MgO⁺)。

表1 碳鋼爐渣之化學成分

至於不銹鋼渣之成分，由於不銹鋼之鎳、鉻之含量偏高，其污染性質更甚於碳鋼之鋼爐渣。表2為不銹鋼渣之成分樣本(wt%)^【2】。

表2 不銹鋼爐渣之化學成分

叁、鋼爐渣之再利用

一、碳鋼鋼渣

碳鋼鋼渣之主要用途，為基礎或路基之回填材料。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大量作為鐵路之道床(ballast)，以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  鐵路道床【3】		照片2  轉爐渣處理後之肥料【1】

日本爐渣協會，推薦鋼爐渣作為地工用之水泥原料，與道路工程之路基或地質改良材料。其中轉爐渣，如果特殊處理尚可作為農林業之肥料使用，如照片2。氧化渣可作為瀝青混合物之粒料、地工混凝土用粒料與其他地工材料。至於還原渣則直接做為地工材料、水泥原料與地質改良原料。

二、不銹鋼渣

不銹鋼渣之處理，可分為二種方式，其一將爐渣打碎或磨粉，篩選鎳、鉻成分作為後續煉製不銹鋼之填加料;其二將爐渣固化處理為塊磚再利用或掩埋。

肆、品質管控

一、鋼爐渣之膨脹性

由於煉鋼過程中，鋼渣殘留過量之游離氧化鈣(CaO⁺)與游離氧化鎂(MgO⁺)，此兩種游離物與水或濕氣發生水化作用時，就會形成Ca(OH)₂及Mg(OH)₂，容易導致體積膨脹，甚至渣料主體開裂或崩解。所以CNS 1240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，否則不能隨便使用。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。安定化處理後，如果作為路基或路床使用，須按照 CNS 15311之試驗方法，驗證是否符合CNS 15358或ASTM D2940所規定之膨脹性限制，7天之膨脹比應小於0.5%。

國內許多道路工程的路基或路床，採用了未安定化處理之鋼爐渣回填，於下過大雨後路面浮凸不平，甚至路面崩裂，造成不可收拾之交通事故，有的造成頗具爭議之訴訟案件，如台○大道事件、西○○事件等。照片3為台○大道鄰近相關水利工程的土質善後處理；照片4為西○○事件之路面隆起爆裂之情況，爭訟數年仍未解決。

照片3 台○大道鄰近工程之土質善後		照片4 西○○道路路面隆起爆裂

安定化之鋼爐渣，如未受汙染作為混凝土使用時，另須控制其鹼骨材膨脹性反應，應符合CNS 13619之規定，於三個月小於0.05%或六個月小於0.1%。

二、鋼爐渣之汙染性

由於煉鋼過程須填加廢鋼(scrap)，容易夾雜其他之重金屬與雜質，因此鋼爐渣使用前，應該檢測重金屬含量有無超標，如Cd、Pb、Cr⁶⁺、As、T-Hg、Se、Ni、F及B等成分，以防止使用後之重金屬環境汙染。且廢鋼等材料亦容易夾帶油(烤)漆、塑膠、橡膠、藥品等化學物品，以及放射性物質，故化學汙染或輻射汙染亦當檢測。

至於不銹鋼渣，除了要檢測安定性外，更必須嚴格檢驗其污染成分，否則只有固化處理，且其固化處理與溶出檢驗，要比一般嚴謹，因為固化之後面臨酸雨之環境，也有污染物滲出之顧慮。

任何回填或與土壤共用之處理方式，必須控制使污染成分少於土壤污染治法之限制，但此種處理過程必須極其嚴格管制，並登錄管理、定期監測以釐清責任。土壤汙染整治法所規定土壤汙染監測標準，如表3。

表3 重金屬全量分析每一公斤土壤中（乾基）所含污染物之毫克數表

三、鋼爐渣之鐵質成分

煉鋼爐容易夾雜鐵質成分(T-Fe)，當其與水發生化學反應時，會發生爆出(pop-out)與銹水現象，部分建築工程誤用混有氧化渣之水泥或混凝土後，混凝土表面會散佈開花之麻點，酷似「青春痘」、「出麻疹」，被諷刺為「痘痘屋」。有些道路鋪面之AC，採用鋼爐渣粒料者，則呈現散佈不均之銹斑現象，使用前必須驗證其含鐵成分。

伍、結論

總之，使用鋼爐渣做為工程材料時，必須事先驗證其汙染性、安定性與鐵質含量，才能避免使用後的環境汙染、膨脹鼓起與銹斑等缺失。不銹鋼渣更需要嚴謹控管環境汙染問題。

 參考文獻

【1】環境資材鐵鋼スラグ，日本鐵鋼スラグ協會。

【2】不銹鋼渣中鎳鐵金屬回收之研究，董志嘉、鄭大偉，台北科技大學資源工程研究所，民國104年12月。

【3】Steel furnace slag, 173-3, National Slag Association，USA。