论文部分内容阅读
摘要：为解决钢渣喷水冷却存在的扬尘污染严重、粉碎难等问题， 设计开发了利用钢渣余热的焖渣技术。 依据产渣量设计了焖渣坑个数、装渣量、焖渣时间等基本参数。 通过对转炉渣冷却时间、焖渣水压力和焖渣水流量等工艺参数的探索与优化， 实现了全部钢渣的粉化。
关键词：转炉钢渣；热焖；应用
钢渣是炼钢生产过程中排出的废渣，其产出量约为粗钢产量的10%～15%。2014年我国钢渣产生量约1亿t，目前全国未利用的钢渣累积堆存量达3亿t。而我国对钢渣的实际综合利用率仅为10%左右，远低于西方发达国家。大量未被充分、高价值资源化利用的钢渣，不仅浪费资源，也会造成环境污染。
钢渣的矿物组成主要是硅酸三钙（ C3S）、硅酸二钙（ C2S）、RO相（ CaO、MgO和FeO 组成的固溶体）等，是潜在的胶凝材料。但与水泥熟料相比，钢渣存在胶凝成分较少、胶凝活性低、易磨性能差、完全水化时间长、体积稳定性差等缺陷，严重制约了其高价值资源化利用。因此，必须对钢渣进行预处理，使钢渣尽量粉化，实现铁渣分离以尽可能多地回收金属料，同时激发钢渣的活性并降低尾渣中的游离氧化钙含量，提高尾渣综合利用率。
目前，国内钢渣处理方法比较多。各钢铁企业一般都是根据自身炼钢设备、钢渣性能、现场条件和钢渣利用需求等实际情况选取不同的钢渣处理方法。但近几年新建的钢渣处理生产线多数采用热焖法。
1. 工艺流程
熔融钢渣余热热焖自解技术的工艺流程如下：
1） 倾倒熔融钢渣。渣罐倾翻桥式吊车将800～1600℃的熔融钢渣倾倒在钢渣热焖池中。
2） 挖掘机翻渣-破碎。对钢渣热焖池内的熔融钢渣交替进行表面喷水冷却，挖掘机扒齿翻渣，并使用破碎锤进行敲击破碎，使钢渣温度降至200～800℃且粒度下降至300mm以下。
3） 装渣。逐罐喷水-翻渣-破碎，至热焖池排气口下50mm时，完成装渣。
4） 消解。盖上热焖池盖，采用自动喷水装置向热焖池内的块状钢渣表面喷水产生蒸汽，且在交变的蒸汽压力下消解钢渣中游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO），使钢渣自解粉化。
5） 出渣。等热焖罐内温度低于60℃时，停止喷水雾，打开热焖盖出渣。
6） 筛分。利用振动筛分选，去除热焖后钢渣中粒径200mm的大块废钢。
7） 除去渣钢。利用安装在皮带机上的除铁器去除热焖后钢渣中的渣钢，供给炼钢使用。
8） 磁选。利用滚筒式磁选机选出粒径<10mm，TFe>40%的磁选粉供给烧结使用。
9） 尾渣堆存。将最后所剩的尾渣转运堆存在尾渣堆场进行外销、配比烧结熔剂、制作钢渣脱硫剂或后续再加工。
2 基本原理
由前期研究得出： 钢渣在热焖过程中发生物理变化和化学变化，钢渣在冷却收缩应力、相变应力和化学反应膨胀应力共同作用下发生碎裂粉化，实现渣钢分离和降低游离氧化钙。
2.1 物理变化
高温钢渣遇水发生急速冷却时，因钢与渣的膨胀系数不同，钢渣不同部位产生不均匀收缩，致使钢渣开裂。另外，当温度冷却至525℃时，钢渣中的硅酸二钙（ C2S）由β-C2S转变为γ-C2S，这一过程导致钢渣体积膨胀10%，引起钢渣进一步粉化。
2.2 化学变化
钢渣中少量的f-CaO（1%～7%）和MgO（1%～10%）遇水会发生水解反应，出现不同程度的体积膨胀，在热焖罐内高温、高压条件下实现钢渣的快速消解粉化，消除钢渣的不稳定性。具体反应为：
f-CaO+H2O→Ca（OH）2（体积膨胀 98%）（1）
f-MgO+H2O→Mg（OH）2（体积膨胀 148%）（2）
另外，当钢渣中的硅酸三钙（C3S）冷却到1250℃以下时，发生分解反应生成硅酸二钙（C2S）和游離氧化钙（f-CaO），反应式为
C3S→C2S+f-CaO（3）
在式（3）的反应过程中，钢渣体积会发生膨胀，同时反应生成的游离氧化钙遇水又会发生如式（1）的膨胀反应。根据渗透理论，传质系数随水蒸汽分压的增大而增大。因此，在钢渣热焖过程中，热焖罐内水蒸汽浓度越大，水化反应时间越短。钢渣有压热焖自解技术利用热焖罐内的钢渣余热， 喷水产生过饱和蒸汽进行热焖，可使钢渣中的f-CaO和f-MgO快速充分消解。
3技术特点
主要技术特点体现在以下几个方面：
1） 实现钢渣即产即消处理，流程短，效率高；
2） 适应性强，对钢渣的流动性和初始温度没有严格要求；
3） 可通过调整热焖过程中的温度、压力等工艺参数，控制处理后钢渣中的f-CaO含量，以满足钢渣资源化利用的不同需求；
4） 热焖时间短，一般在10～12h，比其他方法处理时间大幅缩短，可以满足现代大中型转炉炼钢生产快速排渣的要求；
5） 尾渣稳定性较好，其水硬性矿物的活性未降低，有利于尾渣的高价值资源化利用；
6） 钢渣破碎、粉化彻底。理后的钢渣中粒度<10 mm的占比在60% 以上；
7） 處理后的钢渣含铁量低，钢渣在后续粉磨加工时功耗较低；
8） 整个处理过程可实现自动化和连续化，有利于实现安全生产和降低工人劳动强度；
9） 处理过程环保节能，利用钢渣余热和在密闭空间热焖，利于清洁生产。
4应用效果
1）采用焖渣处理，钢渣处理周期由原来的30 h缩短到目前的不足15h，消除了原来渣跨堆积大量渣山的情况；钢渣热焖后含有10%～15%水分，现场二次扬尘的现象得到杜绝。渣处理场地空气平均含尘量由原来的10 mg/m3降低到4 mg/m3，较好地改善了环境。 2）采用焖渣处理后的钢渣，粒度<20 mm的量占60%～80%，与原来的钢渣热泼工艺相比，省去了后续深处理的多级破碎设备，同时吨渣节电约5kW·h，吨钢成本降低0.36元。
3）钢渣分离效果好，大粒级的钢渣铁品位高，金属回收率由原来的94%提高到95%；尾渣中金属含量<2%，减少了金属资源的浪费。
4）钢渣热焖处理使尾渣中的游离CaO和游离MgO充分消解，消除钢渣不稳定因素，使钢渣用于建材和道路工程安全可靠，尾渣的利用率达100%。
5）粉化钢渣中水硬性矿物硅酸二钙、硅酸三钙的溶性不降低，保证了钢渣质量。
6）钢渣热焖处理使用来自于其他工序产生的污水，不需要新水补充，節约水资源，同时减少了废水排放对环境的污染。
将进一步总结经验，消除热焖生产工艺中存在的安全隐患，并研究进一步提高钢渣处理工序的自动化水平。
5总结
为了实现钢渣“零”排放，采用目前最先进、渣利用率最高的钢渣热焖工艺，可以有效减少生产现场环境污染，实现转炉渣处理的干净整洁，实现国家节能减排目标及可持续发展，也符合企业的当前实际情况，还可以充分回收钢渣中的含铁物料，降低炼钢成本，后续产品开发及综合利用价值较高，在回收鐵钢的同时，更重要是尾渣的综合利用，尾渣粉可用来生产钢渣超细粉、钢渣砖，也可用于水泥厂配料，不存在钢渣膨胀开裂及稳定性的问题，不仅提高了企业的效益，更重要的是保护了环境和生态，将取得了较好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 尹卫平.转炉钢渣热焖技术的开发应用.钢铁研究，2010，4（2）：24-25.
[2]安连志.钢渣热焖工艺的设计与应用[J].金属世界，2015（1）：59-61.
[3]于明兴，郭玉安，刘敬东，等.钢渣热焖技术在生产中的应用[J].河南冶金，2011，19（2）：45.
[4]谷金生，薛军.钢渣热焖技术及再利用分析[J].鞍钢技术，2010（5）：56-58.
[5]Yi Huang，Xu Guoping，Cheng Huigao，et al.An overview of utilization of steel slag[J].Procedia Environmental Sciences，2012，26：791-801.
关键词：转炉钢渣；热焖；应用
钢渣是炼钢生产过程中排出的废渣，其产出量约为粗钢产量的10%～15%。2014年我国钢渣产生量约1亿t，目前全国未利用的钢渣累积堆存量达3亿t。而我国对钢渣的实际综合利用率仅为10%左右，远低于西方发达国家。大量未被充分、高价值资源化利用的钢渣，不仅浪费资源，也会造成环境污染。
钢渣的矿物组成主要是硅酸三钙（ C3S）、硅酸二钙（ C2S）、RO相（ CaO、MgO和FeO 组成的固溶体）等，是潜在的胶凝材料。但与水泥熟料相比，钢渣存在胶凝成分较少、胶凝活性低、易磨性能差、完全水化时间长、体积稳定性差等缺陷，严重制约了其高价值资源化利用。因此，必须对钢渣进行预处理，使钢渣尽量粉化，实现铁渣分离以尽可能多地回收金属料，同时激发钢渣的活性并降低尾渣中的游离氧化钙含量，提高尾渣综合利用率。
目前，国内钢渣处理方法比较多。各钢铁企业一般都是根据自身炼钢设备、钢渣性能、现场条件和钢渣利用需求等实际情况选取不同的钢渣处理方法。但近几年新建的钢渣处理生产线多数采用热焖法。
1. 工艺流程
熔融钢渣余热热焖自解技术的工艺流程如下：
1） 倾倒熔融钢渣。渣罐倾翻桥式吊车将800～1600℃的熔融钢渣倾倒在钢渣热焖池中。
2） 挖掘机翻渣-破碎。对钢渣热焖池内的熔融钢渣交替进行表面喷水冷却，挖掘机扒齿翻渣，并使用破碎锤进行敲击破碎，使钢渣温度降至200～800℃且粒度下降至300mm以下。
3） 装渣。逐罐喷水-翻渣-破碎，至热焖池排气口下50mm时，完成装渣。
4） 消解。盖上热焖池盖，采用自动喷水装置向热焖池内的块状钢渣表面喷水产生蒸汽，且在交变的蒸汽压力下消解钢渣中游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO），使钢渣自解粉化。
5） 出渣。等热焖罐内温度低于60℃时，停止喷水雾，打开热焖盖出渣。
6） 筛分。利用振动筛分选，去除热焖后钢渣中粒径200mm的大块废钢。
7） 除去渣钢。利用安装在皮带机上的除铁器去除热焖后钢渣中的渣钢，供给炼钢使用。
8） 磁选。利用滚筒式磁选机选出粒径<10mm，TFe>40%的磁选粉供给烧结使用。
9） 尾渣堆存。将最后所剩的尾渣转运堆存在尾渣堆场进行外销、配比烧结熔剂、制作钢渣脱硫剂或后续再加工。
2 基本原理
由前期研究得出： 钢渣在热焖过程中发生物理变化和化学变化，钢渣在冷却收缩应力、相变应力和化学反应膨胀应力共同作用下发生碎裂粉化，实现渣钢分离和降低游离氧化钙。
2.1 物理变化
高温钢渣遇水发生急速冷却时，因钢与渣的膨胀系数不同，钢渣不同部位产生不均匀收缩，致使钢渣开裂。另外，当温度冷却至525℃时，钢渣中的硅酸二钙（ C2S）由β-C2S转变为γ-C2S，这一过程导致钢渣体积膨胀10%，引起钢渣进一步粉化。
2.2 化学变化
钢渣中少量的f-CaO（1%～7%）和MgO（1%～10%）遇水会发生水解反应，出现不同程度的体积膨胀，在热焖罐内高温、高压条件下实现钢渣的快速消解粉化，消除钢渣的不稳定性。具体反应为：
f-CaO+H2O→Ca（OH）2（体积膨胀 98%）（1）
f-MgO+H2O→Mg（OH）2（体积膨胀 148%）（2）
另外，当钢渣中的硅酸三钙（C3S）冷却到1250℃以下时，发生分解反应生成硅酸二钙（C2S）和游離氧化钙（f-CaO），反应式为
C3S→C2S+f-CaO（3）
在式（3）的反应过程中，钢渣体积会发生膨胀，同时反应生成的游离氧化钙遇水又会发生如式（1）的膨胀反应。根据渗透理论，传质系数随水蒸汽分压的增大而增大。因此，在钢渣热焖过程中，热焖罐内水蒸汽浓度越大，水化反应时间越短。钢渣有压热焖自解技术利用热焖罐内的钢渣余热， 喷水产生过饱和蒸汽进行热焖，可使钢渣中的f-CaO和f-MgO快速充分消解。
3技术特点
主要技术特点体现在以下几个方面：
1） 实现钢渣即产即消处理，流程短，效率高；
2） 适应性强，对钢渣的流动性和初始温度没有严格要求；
3） 可通过调整热焖过程中的温度、压力等工艺参数，控制处理后钢渣中的f-CaO含量，以满足钢渣资源化利用的不同需求；
4） 热焖时间短，一般在10～12h，比其他方法处理时间大幅缩短，可以满足现代大中型转炉炼钢生产快速排渣的要求；
5） 尾渣稳定性较好，其水硬性矿物的活性未降低，有利于尾渣的高价值资源化利用；
6） 钢渣破碎、粉化彻底。理后的钢渣中粒度<10 mm的占比在60% 以上；
7） 處理后的钢渣含铁量低，钢渣在后续粉磨加工时功耗较低；
8） 整个处理过程可实现自动化和连续化，有利于实现安全生产和降低工人劳动强度；
9） 处理过程环保节能，利用钢渣余热和在密闭空间热焖，利于清洁生产。
4应用效果
1）采用焖渣处理，钢渣处理周期由原来的30 h缩短到目前的不足15h，消除了原来渣跨堆积大量渣山的情况；钢渣热焖后含有10%～15%水分，现场二次扬尘的现象得到杜绝。渣处理场地空气平均含尘量由原来的10 mg/m3降低到4 mg/m3，较好地改善了环境。 2）采用焖渣处理后的钢渣，粒度<20 mm的量占60%～80%，与原来的钢渣热泼工艺相比，省去了后续深处理的多级破碎设备，同时吨渣节电约5kW·h，吨钢成本降低0.36元。
3）钢渣分离效果好，大粒级的钢渣铁品位高，金属回收率由原来的94%提高到95%；尾渣中金属含量<2%，减少了金属资源的浪费。
4）钢渣热焖处理使尾渣中的游离CaO和游离MgO充分消解，消除钢渣不稳定因素，使钢渣用于建材和道路工程安全可靠，尾渣的利用率达100%。
5）粉化钢渣中水硬性矿物硅酸二钙、硅酸三钙的溶性不降低，保证了钢渣质量。
6）钢渣热焖处理使用来自于其他工序产生的污水，不需要新水补充，節约水资源，同时减少了废水排放对环境的污染。
将进一步总结经验，消除热焖生产工艺中存在的安全隐患，并研究进一步提高钢渣处理工序的自动化水平。
5总结
为了实现钢渣“零”排放，采用目前最先进、渣利用率最高的钢渣热焖工艺，可以有效减少生产现场环境污染，实现转炉渣处理的干净整洁，实现国家节能减排目标及可持续发展，也符合企业的当前实际情况，还可以充分回收钢渣中的含铁物料，降低炼钢成本，后续产品开发及综合利用价值较高，在回收鐵钢的同时，更重要是尾渣的综合利用，尾渣粉可用来生产钢渣超细粉、钢渣砖，也可用于水泥厂配料，不存在钢渣膨胀开裂及稳定性的问题，不仅提高了企业的效益，更重要的是保护了环境和生态，将取得了较好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 尹卫平.转炉钢渣热焖技术的开发应用.钢铁研究，2010，4（2）：24-25.
[2]安连志.钢渣热焖工艺的设计与应用[J].金属世界，2015（1）：59-61.
[3]于明兴，郭玉安，刘敬东，等.钢渣热焖技术在生产中的应用[J].河南冶金，2011，19（2）：45.
[4]谷金生，薛军.钢渣热焖技术及再利用分析[J].鞍钢技术，2010（5）：56-58.
[5]Yi Huang，Xu Guoping，Cheng Huigao，et al.An overview of utilization of steel slag[J].Procedia Environmental Sciences，2012，26：791-801.