國(guó)內(nèi)主流鋼渣一次處理工藝的對(duì)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(shù)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(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 材料工程系,河北 石家莊 050091)

鋼渣作為煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品,是一種寶貴的可再生資源。近年來(lái)我國(guó)鋼渣生產(chǎn)規(guī)模約為1億t。盡管產(chǎn)量巨大,但是鋼渣利用率依然不高,導(dǎo)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(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的重要切入點(diǎn)[1]。

鋼渣一次處理工藝是直接影響鋼渣利用的關(guān)鍵因素,其目的是以水/風(fēng)為介質(zhì)對(duì)鋼渣進(jìn)行冷卻,實(shí)現(xiàn)鋼渣中渣鐵高效分離和尾渣的快速穩(wěn)定化,為后續(xù)資源化利用創(chuàng)造條件。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外鋼渣一次處理工藝技術(shù)層出不窮,主要包括熱潑法、熱燜法、淺盤法、水淬法、風(fēng)淬法、粒化輪法、滾筒法等。目前國(guó)內(nèi)主流工藝技術(shù)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(jiǎn)單,耗水量大,環(huán)保效果不佳,已被逐漸淘汰。

本文主要對(duì)后面三種工藝的技術(shù)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)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(shù)特點(diǎn)

坑式熱燜工藝的原理是將熱態(tài)熔融轉(zhuǎn)爐渣直接傾翻在熱燜坑中,噴水冷卻到一定程度時(shí),蓋上熱燜裝置蓋進(jìn)行噴水并產(chǎn)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(fā)生反應(yīng)使鋼渣冷卻、龜裂,鋼渣進(jìn)而粉化[2]。化學(xué)反應(yīng)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(shù)解決了鋼渣中f-CaO、f-Mg0造成的鋼渣穩(wěn)定性差的問(wèn)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(shù)優(yōu)點(diǎn)在于:工藝比較簡(jiǎn)單,適用范圍廣泛,對(duì)不同流動(dòng)性的鋼渣均適用;渣鋼分離效果較好,大粒級(jí)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(qū)域環(huán)境較差;三是自動(dòng)化程度不高。目前該工藝已逐漸被更加先進(jìn)綠色的鋼渣處理工藝所淘汰。

1.2 系統(tǒng)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(duì)鋼渣進(jìn)行熱燜分解的反應(yīng)器,是鋼渣一次處理系統(tǒng)的核心部分。熱燜坑采用耐熱混凝土作坑壁并內(nèi)襯鋼坯,在坑壁和鋼坯之間采用耐熱澆注料進(jìn)行隔熱保溫,確保能夠在惡劣的工作條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。熱燜坑內(nèi)分別設(shè)有廢水排放口和蒸汽排放口,用于收集鋼渣熱燜過(guò)程中產(chǎn)生的廢水和高溫蒸汽。熱燜蓋內(nèi)設(shè)有噴水裝置,可以保證熱燜效果,縮短熱燜時(shí)間,提高粉化效果。在熱燜蓋上設(shè)有兩個(gè)泄爆閥,當(dāng)熱燜坑內(nèi)壓力超過(guò)一定值時(shí),泄爆閥能自動(dòng)開(kāi)啟,及時(shí)釋放燜渣坑的蒸汽壓力。在熱燜坑壁頂部四周設(shè)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(shè)置一道鋼板止水帶埋入混凝土中,避免熱燜坑內(nèi)部蒸汽外泄。

每個(gè)熱燜裝置采用獨(dú)立的管道將蒸汽收集后再通過(guò)煙囪排入大氣。排蒸汽管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥及壓力、溫度檢測(cè)裝置,在熱燜裝置加蓋處理過(guò)程中,動(dòng)態(tài)調(diào)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(shí)避免坑內(nèi)壓力過(guò)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(shù)特點(diǎn)

罐式有壓熱悶工藝是近年來(lái)在坑式熱燜技術(shù)基礎(chǔ)上所開(kāi)發(fā)的一種新型鋼渣穩(wěn)定化處理技術(shù)。

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(yīng)速率,將熱燜時(shí)間由20 h縮短至2～3 h。同時(shí),該技術(shù)在進(jìn)行鋼渣處理時(shí),其整個(gè)過(guò)程基本是在密閉體系下進(jìn)行,因此,與坑式熱燜工藝技術(shù)相比,其潔凈化程度更高,更加環(huán)保[4-6]。

該工藝分為鋼渣輥壓破碎和有壓熱燜兩個(gè)階段。

輥壓破碎階段:盛有高溫液態(tài)熔融鋼渣的渣罐經(jīng)由天車吊運(yùn)至渣罐傾翻車上,渣罐傾翻車將渣罐運(yùn)至密閉工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行傾翻倒渣。傾翻完畢后,由輥壓破碎機(jī)對(duì)高溫鋼渣進(jìn)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(shí)間為15～30 min,經(jīng)過(guò)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(jīng)輥壓破碎后鋼渣的穩(wěn)定化處理。裝有輥壓后鋼渣的熱燜渣罐吊入熱燜罐。關(guān)閉熱燜罐所有閥門,打開(kāi)噴水閥,噴水產(chǎn)生蒸汽。當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到0.35 MPa時(shí),打開(kāi)蒸汽出口閥門,控制蒸汽壓力在0.3～0.35 MPa,時(shí)間保持在1.0～1.5 h。處理后鋼渣的穩(wěn)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(yōu)點(diǎn):一是大幅改善環(huán)境和工人勞動(dòng)強(qiáng)度;二是顯著縮短渣處理時(shí)間;三是自動(dòng)化程度高,實(shí)現(xiàn)中控室遠(yuǎn)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(jiǎn)單,推廣優(yōu)勢(shì)更大一點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)組成

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

渣罐傾翻車主要由傾翻機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)構(gòu)成,主要用于熔融鋼渣的傾倒。

輥壓破碎機(jī)主要由破碎輥和行走機(jī)構(gòu)構(gòu)成,主要用于對(duì)熔融鋼渣的冷卻、破碎。輥壓破碎機(jī)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(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫熔融鋼渣的攪拌、輥壓破碎。輥壓破碎機(jī)可沿軌道直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼渣的多次攪拌輥壓破碎。另外,通過(guò)調(diào)整輥壓破碎機(jī)破碎輥的旋轉(zhuǎn)方向和速度,與行走機(jī)構(gòu)的行走速度達(dá)到匹配后,輥壓破碎機(jī)還可實(shí)現(xiàn)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(wěn)定化處理。通過(guò)液壓系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)罐蓋。罐蓋的開(kāi)關(guān)采用傾翻、升降和旋轉(zhuǎn)的組合模式。罐蓋內(nèi)設(shè)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(shè)置有蒸汽出口、溢流口,底部有排水口。罐內(nèi)設(shè)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(shù)特點(diǎn)

滾筒法是寶鋼開(kāi)發(fā)的一種短流程、清潔化的鋼渣處理技術(shù)。此工藝的原理是以水為冷卻介質(zhì),在旋轉(zhuǎn)的滾筒內(nèi)把高溫液態(tài)鋼渣通過(guò)裝在滾筒內(nèi)的鋼球進(jìn)行擠壓,實(shí)現(xiàn)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(diǎn)在于:

(1)處理流程短,占地面積小,生產(chǎn)效能高,鋼渣在設(shè)備中停留時(shí)間短;

(2)鋼與渣分離良好,成品渣粒度均勻、性能穩(wěn)定,便于后續(xù)處理及利用;

(3)機(jī)械化和自動(dòng)化程度高,人員勞動(dòng)強(qiáng)度低;

(4)渣處理在封閉環(huán)境中進(jìn)行,蒸汽經(jīng)收集凈化處理后有組織排放,滿足國(guó)家相關(guān)環(huán)保法規(guī);

(5)尾渣不需落地直接進(jìn)入料倉(cāng),減少渣的倒運(yùn)并避免環(huán)境揚(yáng)塵。

3.2 系統(tǒng)組成

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

圖3 滾筒法鋼渣處理工藝主要設(shè)備組成

滾筒本體裝置是滾筒法鋼渣處理系統(tǒng)的核心部分,具有耐熱、耐沖擊的特性[9]。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)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(gè)部分:進(jìn)料漏斗、工藝筒體、支撐裝置、傳動(dòng)裝置、噴淋系統(tǒng)等。噴淋系統(tǒng)由噴嘴和相應(yīng)管道組成,采用2點(diǎn)噴淋,用于鋼渣、介質(zhì)及設(shè)備冷卻。

渣罐傾動(dòng)裝置、扒渣機(jī)為機(jī)電一體化設(shè)備,布置在滾筒渣處理工藝平臺(tái)附近。渣罐傾動(dòng)裝置具有三個(gè)基本功能:支撐夾緊渣罐、平移渣罐、傾轉(zhuǎn)渣罐。通過(guò)采用渣罐傾動(dòng)裝置,使得吊車將渣罐座放到傾動(dòng)裝置后,滾筒有充裕的時(shí)間可以多進(jìn)渣和均勻進(jìn)渣,利于優(yōu)化設(shè)備配置和安全進(jìn)渣;而扒渣機(jī)的設(shè)置,則可將渣罐中的黏性較大、無(wú)法自然流出的熔融狀態(tài)的鋼渣,扒入到滾筒渣裝置的進(jìn)渣漏斗內(nèi),利于擴(kuò)大滾筒法對(duì)高黏度鋼渣的適用范圍,改善了滾筒的進(jìn)渣條件。

組合式輸送機(jī)主要用于把滾筒處理后的鋼渣通過(guò)斗提機(jī)提升直接進(jìn)入料倉(cāng)儲(chǔ)存,由卡車或者皮帶在料倉(cāng)下接料,實(shí)現(xiàn)渣不落地和清潔運(yùn)輸,最大限度避免環(huán)境揚(yáng)塵。輸送機(jī)出來(lái)的渣鋼被送至振動(dòng)篩進(jìn)行分級(jí),處理后的篩上>40 mm的渣鋼進(jìn)入旁邊粒鐵框,篩下<40 mm的渣鋼粉進(jìn)入斗提機(jī)提升至料倉(cāng)。

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(duì)鋼渣適應(yīng)性強(qiáng),不同種類、不同流動(dòng)度和溫度在200 ℃以上的鋼渣均可處理,可確保煉鋼生產(chǎn)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(wú)法通過(guò)提高蒸汽壓力來(lái)對(duì)鋼渣進(jìn)行消解。滾筒法則僅適用于處理流動(dòng)性較好的液態(tài)鋼渣,如渣中鋼水含量過(guò)高或冷鋼塊過(guò)大過(guò)多時(shí)則不能進(jìn)入滾筒處理,主要原因是過(guò)量鋼水進(jìn)入滾筒內(nèi)會(huì)凝固成大塊鋼坨,如果鋼坨直徑超過(guò)滾筒排料口尺寸大小時(shí)就不能從排料口順利排出,只能滯留在滾筒內(nèi),導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行發(fā)生異響,甚至?xí)p滾筒內(nèi)部襯板。值得注意的是,由于滾筒法鋼渣冷卻速度快,其對(duì)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(chǎn)企業(yè)予以重點(diǎn)關(guān)注。

4.2 生產(chǎn)安全性

坑式熱燜或有壓熱燜罐均為封閉性反應(yīng)空間,工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作不規(guī)范,均可能引起可燃?xì)怏w在密閉空間內(nèi)聚集而產(chǎn)生安全隱患[11-12]。由于罐式有壓熱燜法工藝裝備自動(dòng)化程度高,人為操作因素對(duì)生產(chǎn)干擾較小,通過(guò)合理控制進(jìn)入有壓熱悶工序鋼渣的溫度、在熱悶工序科學(xué)設(shè)置排氣時(shí)段、采用惰性氣體進(jìn)行置換等手段可以有效保證安全作業(yè)[13]。對(duì)于滾筒法而言,由于滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊,盡管水和鋼渣同時(shí)分層次進(jìn)入筒體,鋼渣不會(huì)將水包裹形成密閉空間,所以不會(huì)引發(fā)爆炸,在生產(chǎn)的安全性方面較為可靠[14]。

4.3 設(shè)備配置

熱燜坑處理周期較長(zhǎng),與轉(zhuǎn)爐或電爐匹配生產(chǎn)時(shí),可通過(guò)調(diào)整熱燜坑的數(shù)量、大小來(lái)滿足煉鋼排渣要求,熱燜法占地面積相對(duì)較大。滾筒法開(kāi)發(fā)了一系列不同處理能力的滾筒設(shè)備,其生產(chǎn)節(jié)奏可以跟轉(zhuǎn)爐相匹配,在設(shè)備配置上通常采用“一爐一機(jī)”形式,即一座轉(zhuǎn)爐配備一套滾筒裝置,單座滾筒占地面積較小。用戶可根據(jù)轉(zhuǎn)爐容量來(lái)選定滾筒裝置的產(chǎn)品形式及其裝機(jī)能力。

4.4 鋼渣特性

坑式熱燜法利用鋼渣余熱進(jìn)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(jí)小于300 mm,10～20 mm 粒級(jí)鋼渣可達(dá)到70%左右,渣鐵分離良好。滾筒處理后鋼渣粒度更為細(xì)小均勻,粒徑小于10 mm的比例不低于90%,因此后續(xù)分選工藝較熱燜法更簡(jiǎn)單。但是,就鋼渣活性來(lái)說(shuō),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(lǐng)域的推廣使用[15]。

4.5 環(huán)境保護(hù)

由于滾筒法和罐式有壓熱燜法工藝整個(gè)生產(chǎn)流程比較封閉,產(chǎn)生的蒸汽可經(jīng)收集凈化后達(dá)標(biāo)排放,因此在環(huán)保方面更有優(yōu)勢(shì)。坑式熱燜工藝在前期翻渣打水過(guò)程產(chǎn)生大量無(wú)組織的含塵蒸汽,目前尚未有有效手段來(lái)加以解決。

4.6 建設(shè)投資與設(shè)備維護(hù)

滾筒法和罐式有壓熱燜法工藝裝備化程度高,投資相對(duì)最高。坑式熱燜工藝投資在三者中最低。滾筒裝置設(shè)備相對(duì)龐大復(fù)雜,設(shè)備磨損嚴(yán)重,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用最高。坑式熱燜裝置維護(hù)的內(nèi)容主要為熱燜坑內(nèi)襯和挖掘機(jī)備件,運(yùn)行維護(hù)成本最低。罐式有壓熱燜法工藝設(shè)備維護(hù)成本居中。

幾種鋼渣處理方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 幾種鋼渣處理方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5 結(jié) 論

一個(gè)鋼廠選擇何種鋼渣處理工藝,需從煉鋼廠的鋼渣處理規(guī)模、產(chǎn)品方案、建設(shè)條件、安全環(huán)保、投資等方面進(jìn)行綜合考慮。企業(yè)應(yīng)該在保證煉鋼工藝順行的前提下選擇適合自身特點(diǎn)的處理工藝,兼顧經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益,力爭(zhēng)使產(chǎn)品達(dá)到100%利用,實(shí)現(xiàn)鋼渣零排放是一個(gè)終極目標(biāo)。

(1)從目前鋼渣處理工藝發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,罐式有壓熱燜法工藝和滾筒法都在持續(xù)改進(jìn),仍將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)鋼渣處理領(lǐng)域主導(dǎo)位置。二者裝備化和自動(dòng)化水平高,鋼渣處理效果好,顯著改善環(huán)境和工人勞動(dòng)條件,安全性有所保障,有條件的企業(yè)應(yīng)當(dāng)優(yōu)選這兩種工藝。

(2)從流程短、占地少的角度出發(fā),選擇滾筒法是較為合理的。

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

(4)從罐式有壓熱燜法的發(fā)展趨勢(shì)看,探索實(shí)現(xiàn)鋼渣余熱的規(guī)模化回收利用應(yīng)該是該工藝的發(fā)展方向。

(5)從滾筒法的發(fā)展趨勢(shì)看,擴(kuò)大鋼渣處理范圍、減少能源和耗材消耗、降低投資和運(yùn)行成本則更利于其推廣應(yīng)用。