台灣常用爐石與工程應用實務

 

 

 

爐石(碴)產源、種類與物化特性

台灣鋼鐵產業產出之爐石(碴)大致可分為高爐石(碴)、轉爐石(碴)及電爐石(碴)三種。高爐石為一貫作業煉鋼廠(如中鋼公司、中龍公司)在煉鐵過程產出之副產物,高爐石經急速水冷卻即形成所謂之水淬高爐石,中鋼95%高爐石係以水淬高爐石型態產出,此水淬高爐石經研磨成粉即為爐石粉,爐石粉與水泥摻配成為高爐水泥,取代一般水泥應用於營建工程。另約5%高爐石則以空氣自然冷卻方式產出,此部分氣冷高爐石大都用於道路級配使用,煉鋼流程產出之各種爐石及電弧爐煉鋼流程如圖1及圖2。

一貫作業轉爐煉鋼過程中自鐵水吹煉成鋼時亦須加入石灰石及白雲石等石材當助熔劑,以除去鐵水中的雜質,其所形成的爐碴即為轉爐石。

以中鋼公司粗鋼年產量1,000萬噸計算,年產出副產品水淬高爐石約285萬噸,氣冷高爐石約15萬噸與轉爐石約100萬噸;中龍公司年產水淬高爐石約140萬噸,氣冷高爐石約7萬噸與轉爐石約42萬噸,各種爐石相片如圖3。

電弧爐煉鋼可分為碳鋼(如豐興、東和、海光公司等)與不銹鋼(如唐榮不銹鋼公司等)製程;電弧爐煉鋼係以回收之廢鐵、廢鋼為原料,經電弧爐高溫熔煉後製成鋼材,生產過程所產生之爐石,統稱為電爐碴,台灣年產電爐碴約110萬噸,其中隨著電爐熔煉生產過程所必須的氧化期與還原期兩階段,電爐碴又可細分為氧化碴與還原碴,產出比例約7:4,各種爐石組石分析、比重如表2。電弧爐煉鋼於電爐煉製過程排放的懸浮微粒及氣體,經空氣汙染防制設備收集後稱為「電爐集塵灰」,電爐集塵灰含戴奧辛及鋅、鉛等重金屬,屬有害事業廢棄物。

台灣早期發展鋼鐵業產出大量電爐碴及電爐集塵灰,當時業者環保觀念薄弱及法令缺乏,常將電爐碴混合電爐集塵灰處理,造成環境污染,環保署官員常說,這是「歷史共業」;目前所發生之爐碴污染環境事件,其實根源就是早期電爐集塵灰未妥善處理所致,與爐石無關。高爐石、轉爐石與電爐渣經環保署檢驗為無毒害不含戴奧辛之物質。

一般常稱呼之鋼爐碴(Steel Slag) 係包含轉爐石、電爐氧化碴、電爐還原碴之泛稱,參閱表1 CNS之用語定義。

表1 CNS之用語定義

CNS 用語 CNS用語定義 引用CNS標準 補充說明
鋼爐碴(Steel Slag) 為非金屬產品,係與鋼同時在轉爐或電弧爐之煉鋼爐中所產生,主要為氧化鐵、氧化鋁、氧化錳、氧化鈣、氧化鎂及氧化矽等氧化物熔融組合而成之矽酸鹽及鐵氧化物,包含轉爐石(碴)、電弧爐氧化碴、電弧爐還原碴。 參閱CNS15310 瀝青鋪面混合料用鋼爐碴粒料。 鋼爐渣泛指轉爐石、碳鋼與不銹鋼電弧爐產出之氧化碴、還原渣。
高爐爐碴 須為非金屬產品,主要由矽酸鈣及鋁矽酸鈣,以及其他非鈣鹽基所組成。此類組成係於高爐內與鐵水同呈熔融狀態時發展而成。 參閱CNS15286水硬性混合水泥。 此即為高爐石,又依冷卻方式不同可分為水淬高爐石與氣冷高爐石。
粒狀高爐爐碴(水淬高爐爐碴) 須為玻璃質粒狀材料、係將熔融之高爐爐碴沈浸於水中,或以水柱沖淋、快速驟冷而成。 參閱CNS15286水硬性混合水泥。 業界常稱呼為水淬高爐石,水淬高爐石研磨後即為水淬爐石粉,水淬爐石粉與水泥摻配即為高爐水泥。
高爐爐碴細粒料 係於煉鐵時在熔礦高爐中與生鐵同時產出之熔融爐碴經用水、空氣等急冷後調整其級配者。 參閱CNS11890混凝土用高爐爐碴細粒料。 業界常稱呼為氣冷高爐石細粒料。
高爐爐碴粗粒料 係於煉鐵時在熔礦高爐中與生鐵同時產出之熔融爐碴,徐徐冷卻後壓碎者。  參閱CNS11824混凝土用高爐爐碴粗粒料。 業界常稱呼為氣冷高爐石粗粒料。
高爐爐碴 係於煉鐵時在高爐產出之熔融殘碴,冷卻後予以壓碎者。 參閱CNS11827道路用高爐爐碴。 業界常稱呼為氣冷高爐石級配料。

 

 

 
煉鋼流程產出之各種爐石   電弧爐煉鋼流程圖
     
   
爐石(碴)種類  

 

表2 各種爐石組石分析、比重

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國外爐石(碴)應用現況
先進歐美日本國家到底如何處理爐石(碴)?依據歐洲爐碴協會調查,歐盟每年因鋼鐵產業產出之爐石約4,500萬噸,主要用在產製水泥約佔37%及道路方面約佔42%;日本煉鋼產出之爐石用在土木工程約44%,道路約23%;美國地質調查局報告分析,美國煉鋼產出之爐石用在路基或舖面約佔52%,用在瀝青混凝土約14%,請詳圖4、5。美國、歐盟、荷蘭、日本均訂有法令政策,視爐石為有用之資源物質,更視為綠色建材,大量使用於各種土木營建工程領域,已有百餘年歷史。爐石可應用於瀝青混凝土骨材、施工便道、工程級配材料,減少河川砂石開採對環境造成之破壞,對環境保育與資源永續利用均有正面助益。

 

 

歐盟國家2010年鋼渣再利用狀況

  5  日本、韓國鋼渣再利用狀況


爐石(碴)應用應注意事項

1. 爐石再利用相關法令

爐石種類不同依現行環保署法令歸類也不同,電弧爐氧化碴、電弧爐還原碴屬事業廢棄物,其再利用管理須符合『經濟部事業廢棄物再利用種類及管理方式』編號十四『電弧爐煉鋼爐碴(石)』之規定辦理。

轉爐石及氣冷高爐石登記為產品,不屬事業廢棄物,故不屬『經濟部事業廢棄物再利用種類及管理方式』規定管理範圍,亦不屬『廢棄物清理法』管理範圍。

水淬高爐石則須依『經濟部再生利用之再生資源項目及規範』編號一『水淬高爐石(碴)』進行再生利用。

2.爐石應用常用CNS國家標準,可供政府機關、業主依據遵循,如表3示。

表3 常用爐石應用CNS國家標準

CNS編號 CNS 名稱 補充說明
CNS11827 道路用高爐爐渣。 適用範圍包含高爐爐碴。
CNS15305 級配粒料基層、底層及面層用料。 適用範圍包含高爐爐碴、鋼爐碴。
CNS15358 公路或機場底層、基層用碎石級配粒料。 適用範圍包含鋼爐碴,鋼爐碴依CNS15311『粒料受水合作用之潛在膨脹試驗法』測試其7天膨脹量不得超過0.5%。
CNS15310 瀝青鋪面混合料用鋼爐碴粒料。 適用範圍包含鋼爐碴,各工程初期使用時,建議用量不超過粒料總量之20%為宜。
CNS15286 水硬性混合水泥。 適用範圍包含水淬高爐爐碴應用於一般及特殊用途之水硬性混合水泥。
CNS15311 粒料受水合作用之潛在膨脹試驗法。 適用含游離石灰、氧化鎂之爐石,檢測其潛在性體積膨脹率,夯製試體浸入70度熱水7天量測其體積膨脹量。


3. 爐石應用常用之公共工程施工綱要規範,可供政府機關、業主依據遵循,如表4所示。

表4 常用爐石應用公共工程施工綱要規範

施工綱要規範 施工綱要規範名稱 補充說明
第02722章V6.0 第02722章級配粒料基層。 級配粒料如契約特別敘明則得採用高爐爐碴、鋼爐碴,使用高爐爐碴須符合CNS11827規定,使用鋼爐碴須符合CNS15305規定。
第02726章V6.0 第02726章級配粒料底層、 級配粒料如契約特別敘明則得採用高爐爐碴、鋼爐碴,使用高爐爐碴須符合CNS11827規定,使用鋼爐碴須符合CNS15305規定。
第02742章V9.0 瀝青混凝土舖面。 瀝青混凝土鋪面材料如契約特別敘明則得採用高爐爐碴、鋼爐碴等軋製而成之粒料,使用鋼爐碴應符合CNS15310之品質要求。


4. 環境相容性

各種爐石因富含氧化鈣一般偏鹼性,電爐石pH值約9.6~12.1,高爐石pH值約9~11,轉爐石pH約11~12.4,因此,建議爐石鋪設層與地下水或地面水體應保持1公尺以上之距離,避免水體受鹼性影響,應用於池塘或魚塭地附近尤應注意排水,避免下雨逕流水直接流入池塘、魚塭內影響魚類之生存環境。

另一大家關注之問題為重金屬鉻含量,轉爐石總鉻含量約865mg/kg,電爐石總鉻含量平均約7,553mg/kg,當工程應用與土壤接觸時,採樣常受土壤法規(目前土污法總鉻管制標準250mg/kg)困擾;環保署環署土字第0990027146號函說明: 『土壤污染調查評估及檢測資料係以土壤為主要檢測對象;另依土污法第2條第1項,土壤之定義係指陸上生物生長或生活之地殼岩石表面之疏鬆天然介質。因此若能確認其屬爐碴應當排除其級配深度,…….』。此函文說明檢測土壤污染應先排除於爐石層採樣,避免誤判;近幾年為避免此困擾,鋼鐵公會推動以毒性差異與風險評估觀點推動三價鉻、六價鉻(毒性高)分別訂立土壤污染管制標準並與國際潮流接軌,修法已在進行中,期待此修法有助解決爐石應用之困擾。

5. 體積不穩定性(膨脹)

爐石中含有游離氧化鈣及游離氧化鎂,遇水反應成氫氧化鈣及氫氧化鎂,造成體積膨脹。膨脹反應機理如下。

(1) f-CaO+H2O→ Ca(OH)2 理論體積膨脹99%

(2) f-MgO+H2O→ Mg(OH)2 理論體積膨脹118%

高爐煉鐵及電爐氧化期因製程中未添加生石灰、白雲石等添加物做為除碴劑,因此氣冷高爐石、電爐氧化碴體積安定性佳;轉爐石與電爐還原渣因轉爐煉鋼、電爐還原期加入大量石灰石等副原料故爐碴含有未完全反應之f-CaO、f-MgO 因此體積穩定性較差,f-CaO、f-MgO遇水反應成Ca(OH)2, Mg(OH)2造成體積膨脹。

轉爐石與電爐還原碴因具有游離石灰、游離氧化鎂等水合作用潛在膨脹因子,因此在應用上須特別注意,可引用國家標準CNS15311『粒料受水合作用之潛在膨脹試驗法』測試夯實之爐石級配粒料之潛在性體積膨脹,以爐石作為道路基底層其夯製試體浸入溫度70度C水中,7天膨脹率須小於0.5%。

轉爐石作為瀝青混凝土骨材應用於瀝青混凝土鋪面,因轉爐石親油性佳被瀝青包裹後阻斷f-CaO、f-MgO遇水產生反應之機制,故無膨脹之虞慮,可由轉爐石鋪築於南部縣市數十條道路成效得到驗證,國際上亦有同樣於瀝青混凝土之應用,且成效相當不錯。

6. 確保來源與品質

因爐石種類不同特性亦不同,適材適用可提升工程品質,不當誤用將造成工程品質問題,爐石雖有外觀、組成成份差異但混雜後除經經驗豐富之專業機構分析判別外,一般人不易分辨。

工程採購鋼爐碴粒料時,供應之鋼爐碴粒料須符合工程業主(甲方)之要求,訂購者必須能提出使用該鋼爐碴材料工程業主之同意文件,以確認使用鋼爐碴粒料種類、數量、物理及化學性質。供應商應於出料時正式函知工程業主,並檢附來源證明文件及檢測報告。

結論

鋼鐵工業為國家重要產業,爐石為煉鋼過程必然產生之副產物,尤其缺乏天然資源之台灣,適材適用採用爐石資源取代天然資源之開採,才是真正達到保護國土環境之手段,此亦國際爐石資源循環之潮流。

參考文獻

1.陳信榮(2011)。轉爐石對環境相容性之探討。轉爐石應用於瀝青混凝土鋪面研討會。
2.許伯良(2011)。轉爐石產製與工程應用。轉爐石應用於瀝青混凝土鋪面研討會。
3.蘇茂豐(2010)。電弧爐爐碴資源化歷程。綠基會通訊。


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