综述：中国钢渣的增值途径及新兴应用：综述

《Journal of Environmental Management》：Valorization pathways and emerging applications of steel slag in China: A review

钢渣年产量超15亿吨但利用率不足30%，传统应用附加值低。新标准GB175-2023限制其用于普通波特兰水泥，需发展高附加值应用如碳捕获、环境修复、功能材料及3D打印，并探讨其物理化学性质与性能的关联及未来方向。

　　

钱 王 | 张 苏 | 杨 宋琳 | 白 岩 | 宗 志芳 | 杜 小燕 | 陈 梁军 | 张 浩 | 龙 洪明

安徽工业大学能源与环境学院，安徽省马鞍山，243002，中国

摘要

钢渣（SS）是钢铁生产的主要副产品。其在中国迅速积累，年产量超过1.5亿吨，但利用率仍低于30%。钢渣的大量积累带来了严重的环境问题。因此，提高钢渣的再利用率对于提高资源效率和环境保护至关重要。传统的应用领域如金属回收、水泥制造和道路建设虽然消耗了钢渣，但附加值较低，经济效益有限。此外，新颁布的GB175-2023标准明确禁止将钢渣作为普通波特兰水泥的混合材料使用，进一步限制了其利用。最近在钢渣用于碳捕获、环境修复、功能材料和3D打印方面的进展展示了巨大的潜力。本文系统地评估了基于钢渣物理化学性质的增值途径，涵盖了传统的大规模应用和新兴的高价值应用，阐明了钢渣成分、响应性和在不同应用中的性能之间的关联，并指出了关键挑战、潜在解决方案以及实现可持续和低碳发展的未来方向。

引言

钢铁是世界上最重要的金属之一，钢铁工业是现代基础设施和制造业的基石。钢渣（SS）是钢铁生产过程中产生的复杂副产品。作为全球最大的钢铁生产和出口国，中国自2020年起粗钢年产量已超过10亿吨。钢渣占粗钢产量的10-15%（Fan等人，2024年），相当于每年在中国产生约1.5亿吨钢渣。全国累计库存现已达到约11亿吨（Zhang等人，2025a）。然而，其利用率仍低于日本和欧洲等发达国家，仅为30%左右。钢渣的低利用率不仅导致土地占用过多，还可能带来潜在的环境危害（Zhang等人，2023a）。f-CaO和f-MgO的水化延迟可能导致体积膨胀和结构损坏，储存过程中有毒元素的渗出可能污染土壤和地下水（Gao等人，2023年）。

提高钢渣的利用效率和可持续性对于资源保护和环境保护至关重要。传统上，钢渣主要应用于金属回收（Ju等人，2021年）、水泥制造（Gu等人，2023a）和道路建设（Yang等人，2024年）等领域。这些应用对钢渣的消耗起到了重要作用，但由于附加值低和质量不均而受到限制。特别是在中国，钢渣的管理和利用面临重大挑战。GB175-2023《普通波特兰水泥》标准的实施禁止直接将钢渣用作胶凝材料，这标志着其利用策略的一个转折点。如果没有新的高效利用途径，钢渣的大规模堆积及其相关的环境风险将进一步加剧。因此，系统地回顾钢渣场外利用的研究进展并识别关键的科学和工程挑战对于推动技术创新和大规模工业应用至关重要。

近年来，得益于材料科学和环境工程的进步，钢渣的高价值利用已成为重要的研究焦点。研究人员正在探索钢渣在碳捕获、利用与储存（CCUS）、环境修复和功能无机材料等领域的应用，同时也扩展到3D打印、催化材料和低碳化学品等新兴领域。然而，大多数综述主要集中在传统的胶凝应用上，对新兴利用途径的关注较少，缺乏系统和深入的讨论（Li等人，2023年；Ren和Li，2023年；Martins等人，2021年）。此外，以往的研究主要集中在钢渣的处置过程和应用结果上（Shu和Sasaki，2022年），而将钢渣的物理化学性质与其多功能利用性能联系起来的基础机制仍不够充分。

本文旨在全面总结基于钢渣物理化学性质的多功能应用。首先概述了钢渣的分类、生成和利用情况。然后，基于钢渣的基本物理化学性质，本文：（1）系统总结了在场外利用方面的最新进展和实践，包括碳捕获与储存、环境修复、功能材料以及3D打印、催化和低碳化学填料等新兴应用；（2）评估了传统大规模处理与高附加值新兴应用的优势和劣势；（3）阐明了钢渣物理化学性质与其在不同应用中表现之间的内在机制；（4）提出了未来的研究方向和发展策略，以推动技术创新和大规模工业应用，实现钢渣的增值和全面利用。

章节片段

钢渣的生成与回收

钢渣是钢铁生产过程中产生的副产品，主要由铁矿石、废钢和热金属等金属原料中的杂质在高温氧化过程中形成的氧化物组成（Park等人，2024年；Naidu等人，2020年）。此外，石灰石和二氧化硅等熔剂、它们的反应产物以及炉衬材料（如耐火砖）也参与了钢渣的组成。钢渣的化学成分非常复杂

有价值成分的提取

钢渣含有多种有价值的元素，如Fe、Ca、Si和P。提取和利用这些元素及其氧化物和化合物可以减少对自然矿产资源的依赖。钢渣中的铁含量通常超过20%，具有很高的回收潜力。然而，铁含量高的相往往会导致研磨困难和高研磨成本（Cao等人，2023年）；因此，从钢渣中回收铁是一种经济上有利的方法（Ryu等人，

碳捕获、利用与储存

钢渣富含硅酸盐、f-CaO和f-MgO，具有较高的碳酸化反应性，能与CO₂反应生成稳定的碳酸盐，实现长期CO₂封存。据报道，钢渣的碳封存潜力为每吨钢渣99-135公斤CO₂（Qiao，2020年）。钢渣的碳酸化可以有效抑制有毒元素的渗出，并提高其体积稳定性，从而实现环境修复和性能提升的双重效益（Chen等人，2021年）。

自2016年以来，人们对钢渣的利用越来越关注

3D打印

近年来，由于钢渣具有潜在的水硬活性、高密度和粗糙的表面纹理，它已被系统地应用于“可打印”水泥基和地质聚合物系统的配方设计和流变控制中，用于增材制造。

对于3D打印建筑材料，混合物必须同时满足可打印性和可建造性要求。在打印前阶段，浆料应具备足够的可加工性，以及较低的屈服应力

结论与展望

促进钢渣的资源高效和高价值利用对于钢铁行业的绿色和低碳转型至关重要。从增值途径的角度出发，本文总结了传统的大规模应用以及最近在高价值和新兴应用方面的进展，指出了关键挑战和潜在解决方案，得出以下结论：

钢渣富含有价值元素，有效提取和利用这些元素可以减少

CRediT作者贡献声明

钱 王：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源整理。张 苏：资源整理，方法论研究。杨 宋琳：方法论研究。白 岩：监督，资源整理。宗 志芳：可视化处理，资源整理。杜 小燕：监督，方法论研究。陈 梁军：可视化处理，监督。张 浩：撰写 – 原稿，资金获取，正式分析。龙 洪明：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢以下机构的财政支持：国家自然科学基金 [项目编号 U23A20605]、国家自然科学基金 [项目编号 52404333]、中国宝武低碳冶金创新基金会 [项目编号 BWLCF-202202]、安徽省重大科技项目 [项目编号 202305a12020019] 以及张家港市科技计划校企合作产业-大学研究前瞻性项目