國內主流鋼渣一次處理工藝的對比分析

袁曉峰,王 斌,曹 磊,封偉華,陳建輝,黃書友

(1.中冶南方工程技術有限公司 煉鋼分公司,湖北 武漢 430223;

2.青島特殊鋼鐵有限公司,山東 青島 266409;

3. 河北工業職業技術大學 材料工程系,河北 石家莊 050091)

鋼渣作為煉鋼生產過程中的副產品,是一種寶貴的可再生資源。近年來我國鋼渣生產規模約為1億t。盡管產量巨大,但是鋼渣利用率依然不高,導致大量鋼渣因得不到充分利用而被堆棄。鋼渣作為一種可再生資源,其資源化利用已成為我國鋼鐵工業發展循環經濟和節能減排的重要切入點[1]。

鋼渣一次處理工藝是直接影響鋼渣利用的關鍵因素,其目的是以水/風為介質對鋼渣進行冷卻,實現鋼渣中渣鐵高效分離和尾渣的快速穩定化,為后續資源化利用創造條件。經過幾十年的發展,國內外鋼渣一次處理工藝技術層出不窮,主要包括熱潑法、熱燜法、淺盤法、水淬法、風淬法、?；喎?、滾筒法等。目前國內主流工藝技術主要有熱潑法、坑式熱燜法、罐式有壓熱燜法以及滾筒法。由于熱潑法原始簡單,耗水量大,環保效果不佳,已被逐漸淘汰。

本文主要對后面三種工藝的技術特點和設計方案進行對比分析,以期為鋼渣處理工藝的選擇策略提供參考。

1 坑式熱燜法處理工藝

1.1 工藝原理和技術特點

坑式熱燜工藝的原理是將熱態熔融轉爐渣直接傾翻在熱燜坑中,噴水冷卻到一定程度時,蓋上熱燜裝置蓋進行噴水并產生飽和蒸汽,利用水汽與鋼渣中的游離氧化鈣(f-CaO)和游離氧化鎂(f-MgO)發生反應使鋼渣冷卻、龜裂,鋼渣進而粉化[2]?；瘜W反應方程式如下:

f-CaO + H2O → Ca(OH)2體積膨脹98%

f-MgO + H2O → Mg(OH)2體積膨脹148%

該技術解決了鋼渣中f-CaO、f-Mg0造成的鋼渣穩定性差的問題,坑式熱燜法工藝路線如圖1所示。

圖1 坑式熱燜法工藝流程

坑式熱燜法的主要技術優點在于:工藝比較簡單,適用范圍廣泛,對不同流動性的鋼渣均適用;渣鋼分離效果較好,大粒級的渣鋼含鐵品位高,金屬回收率較高。但是,這種處理工藝存在一定不足:一是耗水量大,噸渣耗水量約500 kg[3];二是廠房煙氣彌漫,處理區域環境較差;三是自動化程度不高。目前該工藝已逐漸被更加先進綠色的鋼渣處理工藝所淘汰。

1.2 系統組成

熱燜裝置由熱燜坑、熱燜蓋、水封槽等幾部分組成。熱燜坑是對鋼渣進行熱燜分解的反應器,是鋼渣一次處理系統的核心部分。熱燜坑采用耐熱混凝土作坑壁并內襯鋼坯,在坑壁和鋼坯之間采用耐熱澆注料進行隔熱保溫,確保能夠在惡劣的工作條件下長期穩定運行。熱燜坑內分別設有廢水排放口和蒸汽排放口,用于收集鋼渣熱燜過程中產生的廢水和高溫蒸汽。熱燜蓋內設有噴水裝置,可以保證熱燜效果,縮短熱燜時間,提高粉化效果。在熱燜蓋上設有兩個泄爆閥,當熱燜坑內壓力超過一定值時,泄爆閥能自動開啟,及時釋放燜渣坑的蒸汽壓力。在熱燜坑壁頂部四周設地腳螺栓將水封槽直接固定在混凝土坑壁上。水封槽底部中央設置一道鋼板止水帶埋入混凝土中,避免熱燜坑內部蒸汽外泄。

每個熱燜裝置采用獨立的管道將蒸汽收集后再通過煙囪排入大氣。排蒸汽管道上設置調節閥及壓力、溫度檢測裝置,在熱燜裝置加蓋處理過程中,動態調整蒸汽閥門,保證蒸汽在一定壓力下與鋼渣充分接觸,使鋼渣粉化徹底,同時避免坑內壓力過高造成安全事故。

2 罐式有壓熱燜法處理工藝

2.1 工藝原理和技術特點

罐式有壓熱悶工藝是近年來在坑式熱燜技術基礎上所開發的一種新型鋼渣穩定化處理技術。

該工藝工作壓力0.2～0.4 MPa,比常壓池式熱燜工藝的工作壓力提高了約100～200倍,在較高的壓力條件下,增大了水蒸氣的滲透壓,加快了水蒸氣與鋼渣中的游離氧化鈣的反應速率,將熱燜時間由20 h縮短至2～3 h。同時,該技術在進行鋼渣處理時,其整個過程基本是在密閉體系下進行,因此,與坑式熱燜工藝技術相比,其潔凈化程度更高,更加環保[4-6]。

該工藝分為鋼渣輥壓破碎和有壓熱燜兩個階段。

輥壓破碎階段:盛有高溫液態熔融鋼渣的渣罐經由天車吊運至渣罐傾翻車上,渣罐傾翻車將渣罐運至密閉工作區域內進行傾翻倒渣。傾翻完畢后,由輥壓破碎機對高溫鋼渣進行冷卻破碎。該階段主要是完成熔融鋼渣的快速冷卻、破碎,每罐鋼渣在此階段的處理時間為15～30 min,經過此階段的處理,可將熔融鋼渣的溫度由1 600 ℃以上冷卻至600～800 ℃,粒度破碎至300 mm以下。

有壓熱燜階段:主要是完成經輥壓破碎后鋼渣的穩定化處理。裝有輥壓后鋼渣的熱燜渣罐吊入熱燜罐。關閉熱燜罐所有閥門,打開噴水閥,噴水產生蒸汽。當蒸汽壓力達到0.35 MPa時,打開蒸汽出口閥門,控制蒸汽壓力在0.3～0.35 MPa,時間保持在1.0～1.5 h。處理后鋼渣的穩定性良好,其游離氧化鈣含量小于3%,浸水膨脹率小于2%。

罐式有壓熱燜法的優點:一是大幅改善環境和工人勞動強度;二是顯著縮短渣處理時間;三是自動化程度高,實現中控室遠程操作。有壓熱燜又分為臥式和立式兩種形式,相比較而言,立式有壓熱燜占地面積小,操作更為簡單,推廣優勢更大一點。

2.2 系統組成

該工藝配套的關鍵工藝裝備主要有:渣罐傾翻車、輥壓破碎機、接渣車和有壓熱燜裝置。

渣罐傾翻車主要由傾翻機構和行走機構構成,主要用于熔融鋼渣的傾倒。

輥壓破碎機主要由破碎輥和行走機構構成,主要用于對熔融鋼渣的冷卻、破碎。輥壓破碎機的主體部分為一表面帶齒的圓柱形破碎輥,破碎輥可按一定的速度旋轉,實現對高溫熔融鋼渣的攪拌、輥壓破碎。輥壓破碎機可沿軌道直線往復運動,實現對鋼渣的多次攪拌輥壓破碎。另外,通過調整輥壓破碎機破碎輥的旋轉方向和速度,與行走機構的行走速度達到匹配后,輥壓破碎機還可實現推渣落料的功能。

鋼渣有壓熱燜裝置為壓力容器,其主要用于鋼渣的穩定化處理。通過液壓系統自動開關罐蓋。罐蓋的開關采用傾翻、升降和旋轉的組合模式。罐蓋內設置有均布的冷卻水噴嘴以及防高溫輻射的隔板。罐蓋上安裝有安全閥、放散閥。罐體上部設置有蒸汽出口、溢流口,底部有排水口。罐內設置有安放渣罐的鞍座。密封圈采用耐高溫、耐磨損的橡膠。

3 滾筒法處理工藝

3.1 工藝原理和技術特點

滾筒法是寶鋼開發的一種短流程、清潔化的鋼渣處理技術。此工藝的原理是以水為冷卻介質,在旋轉的滾筒內把高溫液態鋼渣通過裝在滾筒內的鋼球進行擠壓,實現鋼渣的急冷、固化、破碎[7]。

滾筒法工藝路線如圖2所示。

圖2 滾筒法工藝流程

滾筒法的主要特點在于:

(1)處理流程短,占地面積小,生產效能高,鋼渣在設備中停留時間短;

(2)鋼與渣分離良好,成品渣粒度均勻、性能穩定,便于后續處理及利用;

(3)機械化和自動化程度高,人員勞動強度低;

(4)渣處理在封閉環境中進行,蒸汽經收集凈化處理后有組織排放,滿足國家相關環保法規;

(5)尾渣不需落地直接進入料倉,減少渣的倒運并避免環境揚塵。

3.2 系統組成

滾筒法鋼渣處理工藝的主要設備組成包括:滾筒本體裝置、渣罐傾翻裝置、扒渣機、組合式輸送機、斗提機、除塵系統等,如圖3所示[8]。

圖3 滾筒法鋼渣處理工藝主要設備組成

滾筒本體裝置是滾筒法鋼渣處理系統的核心部分,具有耐熱、耐沖擊的特性[9]。目前已經開發出了雙腔和單腔傾斜型滾筒,處理能力在1～3 t/min不等。滾筒本體裝置包括如下幾個部分:進料漏斗、工藝筒體、支撐裝置、傳動裝置、噴淋系統等。噴淋系統由噴嘴和相應管道組成,采用2點噴淋,用于鋼渣、介質及設備冷卻。

渣罐傾動裝置、扒渣機為機電一體化設備,布置在滾筒渣處理工藝平臺附近。渣罐傾動裝置具有三個基本功能:支撐夾緊渣罐、平移渣罐、傾轉渣罐。通過采用渣罐傾動裝置,使得吊車將渣罐座放到傾動裝置后,滾筒有充裕的時間可以多進渣和均勻進渣,利于優化設備配置和安全進渣;而扒渣機的設置,則可將渣罐中的黏性較大、無法自然流出的熔融狀態的鋼渣,扒入到滾筒渣裝置的進渣漏斗內,利于擴大滾筒法對高黏度鋼渣的適用范圍,改善了滾筒的進渣條件。

組合式輸送機主要用于把滾筒處理后的鋼渣通過斗提機提升直接進入料倉儲存,由卡車或者皮帶在料倉下接料,實現渣不落地和清潔運輸,最大限度避免環境揚塵。輸送機出來的渣鋼被送至振動篩進行分級,處理后的篩上>40 mm的渣鋼進入旁邊粒鐵框,篩下<40 mm的渣鋼粉進入斗提機提升至料倉。

4 不同鋼渣一次處理工藝的分析與比較

4.1 工藝適用性

坑式熱燜法對鋼渣適應性強,不同種類、不同流動度和溫度在200 ℃以上的鋼渣均可處理,可確保煉鋼生產排渣順暢;罐式有壓熱燜法工藝要求鋼渣溫度最好不低于900 ℃,否則無法通過提高蒸汽壓力來對鋼渣進行消解。滾筒法則僅適用于處理流動性較好的液態鋼渣,如渣中鋼水含量過高或冷鋼塊過大過多時則不能進入滾筒處理,主要原因是過量鋼水進入滾筒內會凝固成大塊鋼坨,如果鋼坨直徑超過滾筒排料口尺寸大小時就不能從排料口順利排出,只能滯留在滾筒內,導致設備運行發生異響,甚至會磨損滾筒內部襯板。值得注意的是,由于滾筒法鋼渣冷卻速度快,其對于抑制不銹鋼渣粉化和Cr3+氧化析出有顯著效果[10],建議不銹鋼生產企業予以重點關注。

4.2 生產安全性

坑式熱燜或有壓熱燜罐均為封閉性反應空間,工藝設計不當或操作不規范,均可能引起可燃氣體在密閉空間內聚集而產生安全隱患[11-12]。由于罐式有壓熱燜法工藝裝備自動化程度高,人為操作因素對生產干擾較小,通過合理控制進入有壓熱悶工序鋼渣的溫度、在熱悶工序科學設置排氣時段、采用惰性氣體進行置換等手段可以有效保證安全作業[13]。對于滾筒法而言,由于滾筒內部結構特殊,盡管水和鋼渣同時分層次進入筒體,鋼渣不會將水包裹形成密閉空間,所以不會引發爆炸,在生產的安全性方面較為可靠[14]。

4.3 設備配置

熱燜坑處理周期較長,與轉爐或電爐匹配生產時,可通過調整熱燜坑的數量、大小來滿足煉鋼排渣要求,熱燜法占地面積相對較大。滾筒法開發了一系列不同處理能力的滾筒設備,其生產節奏可以跟轉爐相匹配,在設備配置上通常采用“一爐一機”形式,即一座轉爐配備一套滾筒裝置,單座滾筒占地面積較小。用戶可根據轉爐容量來選定滾筒裝置的產品形式及其裝機能力。

4.4 鋼渣特性

坑式熱燜法利用鋼渣余熱進行自解,處理后的鋼渣粒徑小于20 mm的比例不低于60%;罐式有壓熱燜法工藝處理后的鋼渣,最大粒級小于300 mm,10～20 mm 粒級鋼渣可達到70%左右,渣鐵分離良好。滾筒處理后鋼渣粒度更為細小均勻,粒徑小于10 mm的比例不低于90%,因此后續分選工藝較熱燜法更簡單。但是,就鋼渣活性來說,坑式熱燜法和有壓熱燜工藝處理后鋼渣易于水化,活性較高。滾筒法冷卻速度快,硅酸鹽相晶粒微小,很難水化,活性較低,這限制了其在混凝土領域的推廣使用[15]。

4.5 環境保護

由于滾筒法和罐式有壓熱燜法工藝整個生產流程比較封閉,產生的蒸汽可經收集凈化后達標排放,因此在環保方面更有優勢?？邮綗釥F工藝在前期翻渣打水過程產生大量無組織的含塵蒸汽,目前尚未有有效手段來加以解決。

4.6 建設投資與設備維護

滾筒法和罐式有壓熱燜法工藝裝備化程度高,投資相對最高?？邮綗釥F工藝投資在三者中最低。滾筒裝置設備相對龐大復雜,設備磨損嚴重,運行維護費用最高?？邮綗釥F裝置維護的內容主要為熱燜坑內襯和挖掘機備件,運行維護成本最低。罐式有壓熱燜法工藝設備維護成本居中。

幾種鋼渣處理方法的技術經濟指標如表1所示。

表1 幾種鋼渣處理方法的技術經濟指標

5 結 論

一個鋼廠選擇何種鋼渣處理工藝,需從煉鋼廠的鋼渣處理規模、產品方案、建設條件、安全環保、投資等方面進行綜合考慮。企業應該在保證煉鋼工藝順行的前提下選擇適合自身特點的處理工藝,兼顧經濟效益、社會效益和環境效益,力爭使產品達到100%利用,實現鋼渣零排放是一個終極目標。

(1)從目前鋼渣處理工藝發展趨勢來看,罐式有壓熱燜法工藝和滾筒法都在持續改進,仍將在未來一段時間內占據鋼渣處理領域主導位置。二者裝備化和自動化水平高,鋼渣處理效果好,顯著改善環境和工人勞動條件,安全性有所保障,有條件的企業應當優選這兩種工藝。

(2)從流程短、占地少的角度出發,選擇滾筒法是較為合理的。

(3)從工藝適應范圍廣、投資和控制運行成本低的角度出發,罐式有壓熱燜法則更為合適。

(4)從罐式有壓熱燜法的發展趨勢看,探索實現鋼渣余熱的規?；厥绽脩撌窃摴に嚨陌l展方向。

(5)從滾筒法的發展趨勢看,擴大鋼渣處理范圍、減少能源和耗材消耗、降低投資和運行成本則更利于其推廣應用。