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钢渣的常见处理工艺及利用途径介绍与对比分析

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发布日期:2024-03-12 浏览次数:287
核心提示:钢渣是炼钢过程中排出的废渣,根据炼钢所用炉型的不同,钢渣分为转炉渣和电炉渣。 炼钢过程是除去生铁中的碳、硅、磷和硫等杂质,使钢具有特定性能的过程,也是造渣材料和冶炼反应物以及熔融的炉衬材料生成融和物的过程。因此,钢渣是炼钢过程中必然的产物,其排出量约为粗钢产量的15-20%。 钢渣的形成温度在1500-1700℃,钢渣在高温下呈液态状态,缓慢冷却后呈块状或粉状;转炉渣一般为深灰、深褐色,电炉渣多为白色。

钢渣的常见处理工艺及利用途径介绍与对比分析

1、概述

钢渣是炼钢过程中排出的废渣,根据炼钢所用炉型的不同,钢渣分为转炉渣和电炉渣。

炼钢过程是除去生铁中的碳、硅、磷和硫等杂质,使钢具有特定性能的过程,也是造渣材料和冶炼反应物以及熔融的炉衬材料生成融和物的过程。因此,钢渣是炼钢过程中必然的产物,其排出量约为粗钢产量的15-20%。

钢渣的形成温度在1500-1700℃,钢渣在高温下呈液态状态,缓慢冷却后呈块状或粉状;转炉渣一般为深灰、深褐色,电炉渣多为白色。

1.1 钢渣的组成

钢渣是由钙、铁、硅、镁、铝、锰、磷等氧化物所组成。其中钙、铁、硅氧化物占绝大部分。各种成分的含量依炉型、钢钟不同而异,有时差异悬殊。以氧化钙为例:转炉渣中含量常在50%左右;电炉氧化渣中约含30-40%,电炉还原渣中则含50%以上。钢渣化学成分见下表。

钢渣的主要矿物组成为硅酸三钙(C3 S)、硅酸二钙(Cz S)、钙镁橄榄石(CMS)、钙镁蔷薇辉石(C3 MSz )、铁酸二钙(CzF), RO

1.2 钢渣的利用

钢渣的利用途径大致可分为内循环和外循环。内循环是指在钢铁企业内部利用,作为烧结矿的原料和炼钢的返回料。外循环主要是指用于建筑建材行业。

1.2.1 钢渣的内循环利用

钢渣返烧结主要是利用钢渣中的残钢、氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化锰等有益成分,而且可以作为烧结矿的增强剂,因为它本身属于熟料,且含有一定数量的铁酸钙,对烧结矿的强度有一定的改善作用,另外转炉渣中的钙、镁均以固溶体形式存在,代替溶剂后,可降低溶剂(石灰石、白云石、菱镁矿)消耗,使烧结过程碳酸盐分解热减少,降低固体燃料的消耗。

钢渣在钢铁企业内部循环历来受到重视和普遍应用,配加转炉渣的烧结矿可改善高炉的流动性,增加铁的还原产量。但是配矿工艺对烧结矿有影响,过度使用会造成磷等有害元素的富集;配加转炉渣的烧结矿品位、碱度有所降低。研究表明,当高炉炉料使用100%自融性球团矿时,5%转炉渣作为溶剂加入会引起高炉运行不畅,原因是明显影响球团矿的软熔特性,增大软熔温度间隔,使炉渣黏性增大。另外钢渣的成分波动较大,烧结配矿时要求钢渣中各种氧化物成分波动≤±2%,粒度要求一般小于3mm,钢渣在成分上很难满足要求,对钢渣破碎和筛分的要求也高。

由于这些不利因素存在,尤其是各大钢铁公司普遍采用富矿冶炼,推行精料入炉方针,同时要求炼钢和炼钢工序的能耗和消耗指标不断下降,致使返回烧结利用的钢渣越来越少。目前,马鞍山钢铁混匀烧结矿中只加入1%左右,而且是间断式配加。

1.2.2 钢渣的外循环利用

钢渣的外循环利用主要是建筑建材行业,钢渣在此行业中利用受制约的主要因素是钢渣的体积不稳定性,钢渣不同于高炉渣的地方是钢渣中存在f-CaO、f-MgO,它们在高于水泥配料烧成温度下形成,结构致密,水化很慢,f-CaO遇水后水化形成Ca(OH)2,体积膨胀98%,f-MgO遇水后形成Mg(OH)2,体积膨胀148%,容易在硬化的水泥浆体中发生膨胀,导致建材制品开裂,因此钢渣在利用之前必须采用有效的处理,使f-CaO、f-MgO充分消解才能使用。

2 钢渣的处理工艺

由于炼钢设备、工艺布置、造渣制度、钢渣物化性能的多样性及其利用上的多种途径,决定了钢渣处理工艺的多样化。必须从钢渣用途、炼钢工艺特点以及有利于提高炼钢生产能力出发选择处理工艺。

钢渣处理的工艺比较多,根据钢渣用途、炼钢工艺和有利于提高炼钢生产能力的原则选择处理工艺,已达到尽快排渣和合理利用钢渣的目的。为减少运输和温降,保持钢渣具有良好的流动性,新建的钢渣间宜与主厂房并列布置。大部分钢渣应以成品或半成品的形式运出去。钢渣的处理方法有水淬法、风淬法、盘泼法、热泼法、焖渣法、激冷法、漆渣法和热焖渣法等。

2.1 排渣工艺

2.1.1冷弃法

钢渣倒入渣罐后直接运至渣场抛弃,这种工艺投资大,设备多,不利于钢渣加工和合理利用,有时因排渣不畅而影响炼钢。所以新建的炼钢厂不宜采用此种工艺。

2.1.2热泼法

炼钢渣倒入渣罐后,经车辆运输到钢渣热泼车间,用吊车将渣罐的液态渣分层泼倒在渣床上(或者渣坑内)喷淋适量的水,使高温炉渣急冷碎裂并加速冷却,然后用装载机、电铲等设备进行挖掘装车,再运至弃渣场。需要加工利用的,则运至钢渣处理车间进行破碎、筛分、磁选等工艺进行处理。热泼碎石工艺流程见下图:

热泼法排渣速度快,但需要大量的装载挖掘机械,设备损耗大,占地面积大,破碎加工粉尘量大,钢渣加工量大。

2.1.3盘泼水冷(ISC)法

盘泼水冷法流程为:在钢渣车间设置高架泼渣盘,利用吊车将渣罐内液态钢渣泼在渣盘内,渣层一般为30-120mm后,然后喷以适量的水促使急冷碎裂。再将碎渣翻倒在渣车上,驱车至池边喷水降温,再将渣卸在水池内进一步降温冷却。渣的粒度一般为5-100mm,最后用抓斗抓出装车,送至钢渣处理车间,进行磁选破碎、筛分、精加工。盘泼水冷工艺流程见下图。该工艺安全可靠,对环境污染小、钢渣加工量少,但此种工艺繁琐,环节多,生产成本高。

2.1.4钢渣水淬法

由于钢渣比高炉矿渣碱度高、黏度大,使水淬难度也大。我国在电炉上有较成熟的水淬工艺,转炉的钢渣水淬也形成了生产线。钢渣水淬工艺特点是高温液态钢渣在流出、下降过程中,被压力水分割、击碎,再加上高温熔渣遇水急冷收缩产生应力集中而破裂,同时进行了热交换,使熔渣在水幕中进行粒化。

由于炼钢设备、工艺布置、排渣特点不同,水淬工艺有多种形式,一般有三种形式组合。

①倾翻罐-水池法

对于一些大中型转炉炼钢车间,在钢渣物化性能比较稳定,渣流动性比较好时,采用渣罐和水渣池水淬工艺。通过倾翻罐使钢渣徐徐落入水池水淬,同时还有一排压力水流在水面上冲散熔渣,起到搅动池中水的作用,以避免局部过热,倾翻罐-水池法水淬工艺示意图如下。

②中间罐(开孔)-压力水-水池(或渣沟)法

对于电炉、小型转炉炼钢车间,采用渣罐打孔在水渣沟水渣沟水淬工艺。钢渣从炉中流到炉下开孔的渣罐内,经节流入水淬槽内,与压力水流相遇,骤冷水淬成粒,并借水力把渣粒输送到车间外的集渣池中。此法的特点是用渣罐孔径限制最大渣流量,尽量做到水淬地点靠近排渣点附近,提高水淬率。该装置示意图如下:

③炉前直接水淬工艺

只能用于炼钢排渣量控制比较稳定、渣量较少或连续排渣的工艺生产中。电炉前期排渣、小型转炉渣及铸锭渣可采用此工艺。炉前直接水淬工艺的特点是取消了带流渣孔的中间罐,改用导渣槽把熔渣导入水淬槽内,用水冲渣,炉前直接水淬工艺布置示意图如下:

钢渣水淬工艺的特点是流程简单,占地少,排渣速度快,运输方便。这对改革炼钢工艺及其区域布置,提高炼钢生产能力、降低生产成本都是有利的。

2.1.5风淬法

以上各种处理工艺都不能回收高温熔渣所含热量(约为每吨2100-2200MJ),20世纪70年代末,日本开始研究风淬法处理钢渣的新工艺,并投产使用。

风淬法工艺流程如下:渣罐接渣后,运到风淬装置处,倾翻渣罐,熔渣经过中间罐流出,被一种特殊喷嘴喷出的空气吹散,破碎成微粒,在罩式锅炉内回收高温空气和微粒渣中所散发的热量并捕集渣粒。

由锅炉产生的中温蒸汽,用于干燥氧化铁皮。经过风淬而成微粒的转炉渣,成为3mm以下的坚硬球体,目前主要用于灰浆的细骨料等建筑材料。

风淬法的主要工艺参数和生产指标如下:

高压风速80-300m/s,风淬强度约1.33t/min;空气与渣的比值:1000m³/t,以最大风淬强度80t/h来风淬1400-1500℃熔渣时,可日产蒸汽量200t/h,月干燥氧化铁皮量1.1万吨。

①由于完全不用水冷处理,避免了熔渣遇水爆炸的问题,有利于安全生产;

②粒化渣全部进入罩式锅炉内,改善了处理炉渣时的高温、粉尘的操作环境;

③性质稳定的粒化渣便于开展综合利用;

④这种装置能够以蒸汽的形式回收熔渣含热量41%,排出的热空气与热渣所含的热量还有进一步回收的可能。

2.1.6热焖渣法

热闷法是将热熔钢渣用吊车将渣倾倒在热闷池或热闷罐中,压盖密封后适量间歇喷水冷却,利用池内渣的余热产生大量饱和蒸汽与钢渣中不稳定的游离氧化钙(f-CaO)、游离氧化镁(f-MgO)发生水化等反应,加上C2S等冷却过程中体积增大,使钢渣自解粉化,同时渣钢分离,处理后用挖掘机或抓斗从池内挖出外运。

其优点有:①适应性强,液态、半固态都能处理;②处理后渣铁分离好,粉化率高,20mm以下达80%;③渣性能稳定、粒度小,f-CaO、f-MgO体积分数小于2%,便于后续综合利用。

其缺点有:处理周期长,处理后的钢渣粒度不匀,以及在冬季渣处理厂房内蒸汽较大,且余热不能完全利用等。

2.1.7滚筒法

滚筒法是将液态钢渣倒入渣罐后,由吊车吊至滚筒前,顺着溜槽将高温熔渣倒入筒体,滚筒边旋转边向筒内急速喷水使尾渣冷却,尾渣落下后被筒内钢球挤压破碎,然后随水从筒下部出口流出滚筒。

其优点有:①封闭处理,尾气经净化处理达标后排放,较为清洁;②钢渣粒度细小,废钢与渣可分离完全;③游离氧化钙质量分数低,一般小于4%,炉渣不需陈化便可利用在建材行业。

其缺点为滚筒法处理工艺装置自动化程度高,环保效果好,但具有一定的应用局限性,仅适用于处理热状液态渣,且运行设备、动力成本高。此外,滚筒法与热闷法相比对渣的处理率较低。

2.2 钢渣破碎加工

钢渣一般需要二次加工以后才能进行应用,普遍的加工方式一般为将钢渣破碎、粉磨、分拣挑选以及陈化堆存,钢渣加工处理和综合利用的流程如下图所示:

2.2.1破碎

钢厂生产的钢渣都呈规则不均匀的块状,钢粒、铁粉和渣子都混合在一起。必须先通过破碎、研磨,把钢渣打碎,才能够分选,便于后面的利用。由于钢渣多成块状,且硬度大,采用破碎比大、耐用的颚式破碎机对钢渣进行粗碎,进入粗碎的钢渣粒度一般在300mm左右。粗碎过后粒度小于100mm的钢渣进入细碎破碎机(如圆锥式破碎机),否则返回粗破。细破后如果粒度能达到相应磨机的入磨粒度要求,那么可以直接送入磨机内进行研磨,否则需要送入细粒破碎机进行二次破碎。

2.2.2粉磨

仅仅通过破碎机无法将钢渣彻底打碎,还需将钢渣进行研磨,常用磨机有:钢渣球磨机、钢渣棒磨机和钢渣立磨机。目前不少钢渣微粉生产企业采用多段联合粉磨工艺,主流工艺有:辊压机+球磨;棒磨+立磨;立磨+球磨等。磨机的选择应根据实际生产需求具体选择,如对钢渣成品均匀度要求较高,则可选择钢渣棒磨机;若对钢渣研磨成品需求为粉状,则可选择多段粉磨工艺设备;若要尽可能提高钢渣粉活性则可采用超细球磨技术。

2.2.3分选

经过充分破碎、研磨,将钢渣、铁粉、渣子之间的连接体结构打碎,从而进行下一步分选。钢渣一般含有10%-30%的金属铁,其回收不但可以提高钢铁冶金原料的利用率,为钢铁企业带来巨大的经济效益,同时也是钢渣综合利用的先决条件。国内钢铁企业采用的钢渣选铁工艺方法大同小异,一般为多段破碎和磁选相结合。其中:磁选机有悬挂式永磁除铁器、平板磁选机、强磁磁选机、永磁筒式磁选机、管式磁选机等;筛子有格筛、单层振动筛和双层振动筛;设备之间用皮带运输机和提升机连接。

2.2.4陈化处理

钢渣中会存在f-CaO,而将f-CaO消除的最好方式就是将钢渣陈化堆存,使得钢渣性能趋于稳定,以便下一步的处理与应用。虽然陈化处置是消除膨胀组分的简单有效方法,但是陈化需经历漫长的过程。陈化处置时会占用大量堆放场地,且在陈化过程中钢渣膨胀粉化,活性有所降低。为了缩短陈化时间,日本开发了温水陈化、蒸汽陈化和蒸汽加压陈化法。各种陈化处理方式效果对比见表3。现已有多家钢铁公司建有蒸汽陈化钢渣设施。

3、钢渣利用途径探讨

3.1 钢渣利用存在的问题

作为钢厂产量较大的一种二次资源,钢渣有作为铁回收、尾渣利用和热能回收的潜力。但目前的钢渣处理工艺和资源化利用途径只关注了钢渣物质的回收,如渣钢、磁选粉、尾渣。但在高温冶金渣余热余能的高效转化、余热余能回收的高效利用方面关注度不够,特别是高温钢渣余热回收技术及装备有待突破。在钢渣处理过程中,不同企业采取的工艺技术和水平存在一定差别,部分企业处理后的钢渣存在游离钙镁氧化物超标,钢渣安定性不合格的问题。使用安定性不达标的钢渣用于道路、房屋等建设,就会出现道路、地面、砖开裂等一系列问题。这些失败的案例对企业自身带来了经济损失,更为钢渣的资源化利用造成了严重的负面影响。同时,我国循环经济发展处于起步阶段,对于用钢渣制备的产品,客户还缺乏足够的认识,接受度较差。另外,钢渣的资源化利用往往是跨行业领域,即钢渣是钢铁行业固废,而实际应用客户往往是建筑、交通等行业,导致钢渣产品的市场认可度差。钢渣制品附加值低,资源综合利用缺乏可操作的政策支持等也是导致钢渣资源化利用受限重要原因。

3.2 钢渣资源化利用途径探讨

3.2.1 用作冶金原料

(1)回收废钢铁,钢渣中含有较大数量的铁,平均质量分数约为25%,其中金属铁约占10%。磁选后,可回收各粒级的废钢,其中大部分含铁品位高的钢渣作为炼钢、炼铁原料。

(2)钢渣用作烧结材料,由于转炉钢渣中含40%~50%的CaO,用其代替部分石灰石作烧结配料,不仅可回收利用钢渣中残钢、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化锰、稀有元素(V、Nb等)等,而且可使转鼓指数和结块率提高并有利于烧结造球及提高烧结速度。钢渣中Fe、FeO在氧化反应过程中产生的热量可降低烧结矿燃料消耗。

(3)钢渣用作高炉熔剂,转炉钢渣中含有40%~50%的CaO、6%~10%的MgO,将其回收作为高炉助溶剂可代替石灰石、白云石,从而节省矿石资源。

另外,由于石灰石(CaCO3)、白云石[CaMg(CO3)2]分解为CaO、MgO的过程需耗能,而钢渣中的Ca、Mg等均以氧化物形式存在,从而节省大量热能。

(4)钢渣用作炼钢返回渣料,钢渣返回转炉冶炼可降低原料消耗,减少总渣量。对于冶炼本身还可促进化渣,缩短冶炼时间。

3.2.2 钢渣用于道路工程

(1)钢渣生产水泥及混凝土掺合料,钢渣中含有具有水硬胶凝性的硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)及铁铝酸盐等活性矿物,符合水泥特性。因此可以用作生产无熟料水泥、少熟料水泥的原料以及水泥掺合料。钢渣水泥具有耐磨、抗折强度高、耐腐蚀、抗冻等优良特性。

(2)钢渣代替碎石和细骨料,钢渣碎石具有强度高、表面粗糙、耐磨和耐久性好、容重大、稳定性好、与沥青结合牢固等优点,相对于普通碎石还具有耐低温开裂的特性,因而可广泛用于道路工程回填。钢渣作为铁路道渣,具有不干扰铁路系统电讯工作、导电性好等特点。由于钢渣具有良好的渗水和排水性,其中的胶凝成分可使其板结成大块。钢渣同样适于沼泽、海滩筑路造地。

3.2.3 新型建筑材料工程的应用

(1)新型混凝土,通过磨细加工,使工业废渣的活性提高并作为一种混凝土用掺合料进入混凝土的第6组分———矿物细掺料。细磨加工不仅使渣粉颗粒减小,增大其比表面积,使渣粉中的f-CaO进一步水化以提高渣粉稳定性,还伴随着钢渣晶格结构及表面物化性能变化,使粉磨能量转化为渣粉的内能和表面能,提升钢渣胶凝性。利用钢渣微粉与高炉矿粉相互间的激发性,加以适当的激发剂可配制出高性能的混凝土胶凝材料。

同时,根据不同的使用要求,还可配制出道路混凝土(抗拉强度高,耐磨、抗折、抗渗性好)、海工混凝土(良好的渗水、排水性,海洋生物附着率高)等系列产品。

(2)碳化钢渣制建筑材料,造成钢渣稳定性不好的主要因素是游离氧化钙和游离氧化镁,它们都可以和CO2进行反应,且钢渣在富CO2环境下,会在短时间内迅速硬化。利用这种性质,可利用钢渣制成钢渣砖,再次用到不同的建筑中,其重要意义在于碳化养护材料的物理化学性能得到了重大改进。与此同时,有效控制了CO2的排放,改善温室效应。

3.2.4 钢渣制微晶玻璃

矿渣微晶玻璃自20世纪60年代研发出来以后,在许多国家形成了规模化生产。

3.2.5 钢渣在环境工程方面的应用

钢渣较高的碱性和较大的比表面积可用于处理废水。研究表明,钢渣具有化学沉淀和吸附作用。在钢渣处理含铬废水研究中,铬的去除率达到99%。钢渣处理含锌废水的研究中,锌的去除率达98%以上,处理后的废水达到GB 897888污水综合排放标准。钢渣处理含汞废水的研究中,汞的去除率达到90.6%。其研究结果为解决海洋汞污染提供了一种有效途径。钢渣还可用于处理含磷废水及含其他重金属废水。

3.2.6 钢渣在农业上的应用

钢渣作为碱性渣可以用于酸性土壤中,其中的CaO、MgO可改良土壤土质。含磷高的钢渣也可用于缺磷碱性土壤中并增强农作物的抗病虫害能力。硅是水稻生长需求量最大的元素,SiO2含量高于15%的钢渣可作硅肥。

3.2.7 其他应用

钢渣还可生产免烧砖、铸造砂、水泥膨胀剂、制流态砂硬化剂等。

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