国内主流钢渣一次处理工艺的对比分析

袁晓峰,王 斌,曹 磊,封伟华,陈建辉,黄书友

(1.中冶南方工程技术有限公司 炼钢分公司,湖北 武汉 430223;

2.青岛特殊钢铁有限公司,山东 青岛 266409;

3. 河北工业职业技术大学 材料工程系,河北 石家庄 050091)

钢渣作为炼钢生产过程中的副产品,是一种宝贵的可再生资源。近年来我国钢渣生产规模约为1亿t。尽管产量巨大,但是钢渣利用率依然不高,导致大量钢渣因得不到充分利用而被堆弃。钢渣作为一种可再生资源,其资源化利用已成为我国钢铁工业发展循环经济和节能减排的重要切入点[1]。

钢渣一次处理工艺是直接影响钢渣利用的关键因素,其目的是以水/风为介质对钢渣进行冷却,实现钢渣中渣铁高效分离和尾渣的快速稳定化,为后续资源化利用创造条件。经过几十年的发展,国内外钢渣一次处理工艺技术层出不穷,主要包括热泼法、热焖法、浅盘法、水淬法、风淬法、粒化轮法、滚筒法等。目前国内主流工艺技术主要有热泼法、坑式热焖法、罐式有压热焖法以及滚筒法。由于热泼法原始简单,耗水量大,环保效果不佳,已被逐渐淘汰。

本文主要对后面三种工艺的技术特点和设计方案进行对比分析,以期为钢渣处理工艺的选择策略提供参考。

1 坑式热焖法处理工艺

1.1 工艺原理和技术特点

坑式热焖工艺的原理是将热态熔融转炉渣直接倾翻在热焖坑中,喷水冷却到一定程度时,盖上热焖装置盖进行喷水并产生饱和蒸汽,利用水汽与钢渣中的游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO)发生反应使钢渣冷却、龟裂,钢渣进而粉化[2]。化学反应方程式如下:

f-CaO + H2O → Ca(OH)2体积膨胀98%

f-MgO + H2O → Mg(OH)2体积膨胀148%

该技术解决了钢渣中f-CaO、f-Mg0造成的钢渣稳定性差的问题,坑式热焖法工艺路线如图1所示。

图1 坑式热焖法工艺流程

坑式热焖法的主要技术优点在于:工艺比较简单,适用范围广泛,对不同流动性的钢渣均适用;渣钢分离效果较好,大粒级的渣钢含铁品位高,金属回收率较高。但是,这种处理工艺存在一定不足:一是耗水量大,吨渣耗水量约500 kg[3];二是厂房烟气弥漫,处理区域环境较差;三是自动化程度不高。目前该工艺已逐渐被更加先进绿色的钢渣处理工艺所淘汰。

1.2 系统组成

热焖装置由热焖坑、热焖盖、水封槽等几部分组成。热焖坑是对钢渣进行热焖分解的反应器,是钢渣一次处理系统的核心部分。热焖坑采用耐热混凝土作坑壁并内衬钢坯,在坑壁和钢坯之间采用耐热浇注料进行隔热保温,确保能够在恶劣的工作条件下长期稳定运行。热焖坑内分别设有废水排放口和蒸汽排放口,用于收集钢渣热焖过程中产生的废水和高温蒸汽。热焖盖内设有喷水装置,可以保证热焖效果,缩短热焖时间,提高粉化效果。在热焖盖上设有两个泄爆阀,当热焖坑内压力超过一定值时,泄爆阀能自动开启,及时释放焖渣坑的蒸汽压力。在热焖坑壁顶部四周设地脚螺栓将水封槽直接固定在混凝土坑壁上。水封槽底部中央设置一道钢板止水带埋入混凝土中,避免热焖坑内部蒸汽外泄。

每个热焖装置采用独立的管道将蒸汽收集后再通过烟囱排入大气。排蒸汽管道上设置调节阀及压力、温度检测装置,在热焖装置加盖处理过程中,动态调整蒸汽阀门,保证蒸汽在一定压力下与钢渣充分接触,使钢渣粉化彻底,同时避免坑内压力过高造成安全事故。

2 罐式有压热焖法处理工艺

2.1 工艺原理和技术特点

罐式有压热闷工艺是近年来在坑式热焖技术基础上所开发的一种新型钢渣稳定化处理技术。

该工艺工作压力0.2～0.4 MPa,比常压池式热焖工艺的工作压力提高了约100～200倍,在较高的压力条件下,增大了水蒸气的渗透压,加快了水蒸气与钢渣中的游离氧化钙的反应速率,将热焖时间由20 h缩短至2～3 h。同时,该技术在进行钢渣处理时,其整个过程基本是在密闭体系下进行,因此,与坑式热焖工艺技术相比,其洁净化程度更高,更加环保[4-6]。

该工艺分为钢渣辊压破碎和有压热焖两个阶段。

辊压破碎阶段:盛有高温液态熔融钢渣的渣罐经由天车吊运至渣罐倾翻车上,渣罐倾翻车将渣罐运至密闭工作区域内进行倾翻倒渣。倾翻完毕后,由辊压破碎机对高温钢渣进行冷却破碎。该阶段主要是完成熔融钢渣的快速冷却、破碎,每罐钢渣在此阶段的处理时间为15～30 min,经过此阶段的处理,可将熔融钢渣的温度由1 600 ℃以上冷却至600～800 ℃,粒度破碎至300 mm以下。

有压热焖阶段:主要是完成经辊压破碎后钢渣的稳定化处理。装有辊压后钢渣的热焖渣罐吊入热焖罐。关闭热焖罐所有阀门,打开喷水阀,喷水产生蒸汽。当蒸汽压力达到0.35 MPa时,打开蒸汽出口阀门,控制蒸汽压力在0.3～0.35 MPa,时间保持在1.0～1.5 h。处理后钢渣的稳定性良好,其游离氧化钙含量小于3%,浸水膨胀率小于2%。

罐式有压热焖法的优点:一是大幅改善环境和工人劳动强度;二是显著缩短渣处理时间;三是自动化程度高,实现中控室远程操作。有压热焖又分为卧式和立式两种形式,相比较而言,立式有压热焖占地面积小,操作更为简单,推广优势更大一点。

2.2 系统组成

该工艺配套的关键工艺装备主要有:渣罐倾翻车、辊压破碎机、接渣车和有压热焖装置。

渣罐倾翻车主要由倾翻机构和行走机构构成,主要用于熔融钢渣的倾倒。

辊压破碎机主要由破碎辊和行走机构构成,主要用于对熔融钢渣的冷却、破碎。辊压破碎机的主体部分为一表面带齿的圆柱形破碎辊,破碎辊可按一定的速度旋转,实现对高温熔融钢渣的搅拌、辊压破碎。辊压破碎机可沿轨道直线往复运动,实现对钢渣的多次搅拌辊压破碎。另外,通过调整辊压破碎机破碎辊的旋转方向和速度,与行走机构的行走速度达到匹配后,辊压破碎机还可实现推渣落料的功能。

钢渣有压热焖装置为压力容器,其主要用于钢渣的稳定化处理。通过液压系统自动开关罐盖。罐盖的开关采用倾翻、升降和旋转的组合模式。罐盖内设置有均布的冷却水喷嘴以及防高温辐射的隔板。罐盖上安装有安全阀、放散阀。罐体上部设置有蒸汽出口、溢流口,底部有排水口。罐内设置有安放渣罐的鞍座。密封圈采用耐高温、耐磨损的橡胶。

3 滚筒法处理工艺

3.1 工艺原理和技术特点

滚筒法是宝钢开发的一种短流程、清洁化的钢渣处理技术。此工艺的原理是以水为冷却介质,在旋转的滚筒内把高温液态钢渣通过装在滚筒内的钢球进行挤压,实现钢渣的急冷、固化、破碎[7]。

滚筒法工艺路线如图2所示。

图2 滚筒法工艺流程

滚筒法的主要特点在于:

(1)处理流程短,占地面积小,生产效能高,钢渣在设备中停留时间短;

(2)钢与渣分离良好,成品渣粒度均匀、性能稳定,便于后续处理及利用;

(3)机械化和自动化程度高,人员劳动强度低;

(4)渣处理在封闭环境中进行,蒸汽经收集净化处理后有组织排放,满足国家相关环保法规;

(5)尾渣不需落地直接进入料仓,减少渣的倒运并避免环境扬尘。

3.2 系统组成

滚筒法钢渣处理工艺的主要设备组成包括:滚筒本体装置、渣罐倾翻装置、扒渣机、组合式输送机、斗提机、除尘系统等,如图3所示[8]。

图3 滚筒法钢渣处理工艺主要设备组成

滚筒本体装置是滚筒法钢渣处理系统的核心部分,具有耐热、耐冲击的特性[9]。目前已经开发出了双腔和单腔倾斜型滚筒,处理能力在1～3 t/min不等。滚筒本体装置包括如下几个部分:进料漏斗、工艺筒体、支撑装置、传动装置、喷淋系统等。喷淋系统由喷嘴和相应管道组成,采用2点喷淋,用于钢渣、介质及设备冷却。

渣罐倾动装置、扒渣机为机电一体化设备,布置在滚筒渣处理工艺平台附近。渣罐倾动装置具有三个基本功能:支撑夹紧渣罐、平移渣罐、倾转渣罐。通过采用渣罐倾动装置,使得吊车将渣罐座放到倾动装置后,滚筒有充裕的时间可以多进渣和均匀进渣,利于优化设备配置和安全进渣;而扒渣机的设置,则可将渣罐中的黏性较大、无法自然流出的熔融状态的钢渣,扒入到滚筒渣装置的进渣漏斗内,利于扩大滚筒法对高黏度钢渣的适用范围,改善了滚筒的进渣条件。

组合式输送机主要用于把滚筒处理后的钢渣通过斗提机提升直接进入料仓储存,由卡车或者皮带在料仓下接料,实现渣不落地和清洁运输,最大限度避免环境扬尘。输送机出来的渣钢被送至振动筛进行分级,处理后的筛上>40 mm的渣钢进入旁边粒铁框,筛下<40 mm的渣钢粉进入斗提机提升至料仓。

4 不同钢渣一次处理工艺的分析与比较

4.1 工艺适用性

坑式热焖法对钢渣适应性强,不同种类、不同流动度和温度在200 ℃以上的钢渣均可处理,可确保炼钢生产排渣顺畅;罐式有压热焖法工艺要求钢渣温度最好不低于900 ℃,否则无法通过提高蒸汽压力来对钢渣进行消解。滚筒法则仅适用于处理流动性较好的液态钢渣,如渣中钢水含量过高或冷钢块过大过多时则不能进入滚筒处理,主要原因是过量钢水进入滚筒内会凝固成大块钢坨,如果钢坨直径超过滚筒排料口尺寸大小时就不能从排料口顺利排出,只能滞留在滚筒内,导致设备运行发生异响,甚至会磨损滚筒内部衬板。值得注意的是,由于滚筒法钢渣冷却速度快,其对于抑制不锈钢渣粉化和Cr3+氧化析出有显著效果[10],建议不锈钢生产企业予以重点关注。

4.2 生产安全性

坑式热焖或有压热焖罐均为封闭性反应空间,工艺设计不当或操作不规范,均可能引起可燃气体在密闭空间内聚集而产生安全隐患[11-12]。由于罐式有压热焖法工艺装备自动化程度高,人为操作因素对生产干扰较小,通过合理控制进入有压热闷工序钢渣的温度、在热闷工序科学设置排气时段、采用惰性气体进行置换等手段可以有效保证安全作业[13]。对于滚筒法而言,由于滚筒内部结构特殊,尽管水和钢渣同时分层次进入筒体,钢渣不会将水包裹形成密闭空间,所以不会引发爆炸,在生产的安全性方面较为可靠[14]。

4.3 设备配置

热焖坑处理周期较长,与转炉或电炉匹配生产时,可通过调整热焖坑的数量、大小来满足炼钢排渣要求,热焖法占地面积相对较大。滚筒法开发了一系列不同处理能力的滚筒设备,其生产节奏可以跟转炉相匹配,在设备配置上通常采用“一炉一机”形式,即一座转炉配备一套滚筒装置,单座滚筒占地面积较小。用户可根据转炉容量来选定滚筒装置的产品形式及其装机能力。

4.4 钢渣特性

坑式热焖法利用钢渣余热进行自解,处理后的钢渣粒径小于20 mm的比例不低于60%;罐式有压热焖法工艺处理后的钢渣,最大粒级小于300 mm,10～20 mm 粒级钢渣可达到70%左右,渣铁分离良好。滚筒处理后钢渣粒度更为细小均匀,粒径小于10 mm的比例不低于90%,因此后续分选工艺较热焖法更简单。但是,就钢渣活性来说,坑式热焖法和有压热焖工艺处理后钢渣易于水化,活性较高。滚筒法冷却速度快,硅酸盐相晶粒微小,很难水化,活性较低,这限制了其在混凝土领域的推广使用[15]。

4.5 环境保护

由于滚筒法和罐式有压热焖法工艺整个生产流程比较封闭,产生的蒸汽可经收集净化后达标排放,因此在环保方面更有优势。坑式热焖工艺在前期翻渣打水过程产生大量无组织的含尘蒸汽,目前尚未有有效手段来加以解决。

4.6 建设投资与设备维护

滚筒法和罐式有压热焖法工艺装备化程度高,投资相对最高。坑式热焖工艺投资在三者中最低。滚筒装置设备相对庞大复杂,设备磨损严重,运行维护费用最高。坑式热焖装置维护的内容主要为热焖坑内衬和挖掘机备件,运行维护成本最低。罐式有压热焖法工艺设备维护成本居中。

几种钢渣处理方法的技术经济指标如表1所示。

表1 几种钢渣处理方法的技术经济指标

5 结 论

一个钢厂选择何种钢渣处理工艺,需从炼钢厂的钢渣处理规模、产品方案、建设条件、安全环保、投资等方面进行综合考虑。企业应该在保证炼钢工艺顺行的前提下选择适合自身特点的处理工艺,兼顾经济效益、社会效益和环境效益,力争使产品达到100%利用,实现钢渣零排放是一个终极目标。

(1)从目前钢渣处理工艺发展趋势来看,罐式有压热焖法工艺和滚筒法都在持续改进,仍将在未来一段时间内占据钢渣处理领域主导位置。二者装备化和自动化水平高,钢渣处理效果好,显著改善环境和工人劳动条件,安全性有所保障,有条件的企业应当优选这两种工艺。

(2)从流程短、占地少的角度出发,选择滚筒法是较为合理的。

(3)从工艺适应范围广、投资和控制运行成本低的角度出发,罐式有压热焖法则更为合适。

(4)从罐式有压热焖法的发展趋势看,探索实现钢渣余热的规模化回收利用应该是该工艺的发展方向。

(5)从滚筒法的发展趋势看,扩大钢渣处理范围、减少能源和耗材消耗、降低投资和运行成本则更利于其推广应用。