钢渣综合循环利用现状.docx

总第 149 期2014 年第3 期 综 述 山 西 冶 金SHANXI METALLURGYTotal 149 No.3，2014钢渣综合循环利用现状郭川（山西首钢国际工程技术有限公司， 山西 长治 046000）摘 要：在阐述钢渣的分类、钢渣的性质、钢渣处理工艺的基础上，指出钢渣在厂内循环利用时可用做冶金原 料、烧结熔剂、炼钢熔剂，并提出了实现钢渣利用的途径和钢渣返回利用应注意的问题。关键词：钢渣 熔剂 磁选 循环利用中图分类号：X757文献标识码：A文章编号：1672- 1152（2014）03- 0001- 04在炼钢过程中，由金属炉料中各元素被氧化的 氧化物、侵蚀的炉衬和补炉材料、金属炉料不慎参入 的杂质（泥砂）和特意加入的造渣材料（石灰石、白云 石、萤石、铁矿石、硅石）形成冶炼废弃物，其中造渣 材料是钢渣的主要来源1。由于炼钢工艺技术和工 艺装备的差异，钢渣的产生率一般保持在占粗钢产 量的 15202。在钢企内部，钢渣一般都成为了企业废物被遗 弃，不仅严重占用了企业仅有的土地资源，还对堆渣 场附近及周边的空气质量造成了严重的污染。为了 响应近年来国家向雾霾宣战的口号，国内各大钢企 和中小钢铁厂都已经将最大限度循环利用钢渣的问 题提到了生产日程上来。1钢渣的分类由各个钢铁企业所选取的冶炼工艺、造渣制度 的不同，可将钢渣分为平炉钢渣、转炉钢渣以及电炉 钢渣。平炉炼钢由于其炼钢工艺有着特殊鲜明的阶段性，故平炉钢渣又可分为初期渣、精炼渣、出钢渣 和浇钢余渣；而电炉钢渣也可依据电炉炼钢时的化 学反应过程分为氧化渣和还原渣。冶炼排出的炉渣矿物主要成分中的碱性氧化物 的质量含量与酸性氧化物的质量含量的比值，即为 该钢渣的碱度值。由于各个钢企对冶炼工艺的要求 不同，钢渣碱度值差异较大，因此钢渣也可依照炉渣 具体碱度值进行分类。碱度 2.5 的钢渣被称为高碱度钢渣。由于企业所用矿物的来源和品位不同，冶炼炉 型和炉料配比、产品要求、冶炼工艺的不同，冶炼出 的钢渣矿物组成也有较大差异，有的钢渣还含有 V2O5、ViO2 等。见表 1。硅酸二钙渣或硅酸三钙渣是转炉钢渣主要的矿物组成形式。当碱度值偏低时，炉渣中经常会有橄榄 石（CaOROSiO2）、蔷薇辉石（3CaORO2SiO2）、RO表 1 钢渣的化学组成%钢渣种类w(CaO)w(SiO2)w(Al2O3)w(FeO)w(Fe2O3)w(MgO)w(MnO)w(P2O5)w(f- CaO)转炉渣43.1558.2212.2616.362.163.847.9019.223.1811.342.2813.220.914.590.564.721.576.95平 炉 渣初期渣13.4643.7718.6428.301.8010.316.3439.601.316.284.6018.871.4115.800.738.04精炼渣34.5553.329.7023.081.129.257.6218.532.2519.204.5016.230.625.270.337.40出钢渣38.2551.5014.0025.002.309.337.6015.351.809.004.6015.001.6010.470.622.00浇钢余渣42.6049.2016.104.027.003.009.000.983.624.7011.605.007.000.102.00电 炉 渣氧化渣40.0050.0010.0020.004.0010.0012.0025.004.0010.005.0012.000.502.00还原渣50.0055.0015.0020.0012.0016.000.200.60010.000.200.400.502.000.101.00收稿日期：2014- 03- 28作者简介：郭川（1984），男，就职于山西首钢国际工程技术 有限公司设备室，助理工程师。E- mail:相等矿物出现；而碱度值偏高时，炉渣中会出现矿物 硅酸二钙（2CaOSiO2）和硅酸三钙（3CaOSiO2）。 2 山 西 冶 金E- mail:第 37 卷2 钢渣的性质通过对国内各大钢铁企业所排炉渣的抽样、调 查、分析以及针对氧化性炉渣的研究表明，钢渣具有 五大特点。一是具有氧化性质的钢渣含有大量密度非常高 的矿物化合物，所以具有氧化性质的钢渣其密度普 遍较大，一般在 3.110 3 3.610 3 kg/m3 之间；而具有 还原性质的炉渣其密度则相对较小3。二是由于炼钢环境因素的影响，排出的钢渣普 遍质地坚硬，其物理抗压强度达 169306 MPa，难以 破碎。三是虽然炼钢工艺不断优化，但是钢渣金属铁 含量依然较多，硬度大、难以破碎、研磨。四是可以作为水泥熟料的钢渣具有高碱性，研 磨之后，可部分替代水泥熟料补偿配入的水硬性胶 凝材料，由此可见该部分钢渣具有水硬胶凝性。五是在冶炼出的炉渣中常含有 f- CaO、f- MgO 等物质，该物质在常温炉渣中较不稳定，只有当 f- CaO、f- MgO 消解完或者炉料配比恰当使其含量很 少时，才能够稳定地存在于炉渣中。因此，对于占用 大量土地资源的堆渣场，在经过自然冷却之后，渣块 会发生膨胀风化，会变成沙粒般的粉末状，极易造成 对周边自然环境的粉尘污染。3 钢渣处理工艺针对冶炼之后排出转炉的炉渣，其处理方法包 括热泼法、风淬法、粉化法、盘泼法、水淬法和弃渣法 等六种方法，其中只有水淬率达到 50%的水淬法能 够将炉渣处理达到可以直接使用的要求；而对于其 他方式处理的钢渣，只有经过深度加工处理筛分，才 能够达到其他各工序直接使用的程度，于是机械破 碎、磁选（水选）、筛分则成为了钢渣细化加工工艺不 可或缺的工序。机械破碎阶段主要以自磨机处理工 艺和干破碎处理工艺攻克钢渣质地坚硬的特点4。 4钢渣厂内循环利用在企业内部，对自产钢渣返回钢前、铁前及烧结部分的综合利用，主要取决于所产炉渣的性质，而与 其物理性质、化学成分及结构组成关系最大的是炼 钢过程中各步骤处理工艺、不同工序各物料的化学 成分。企业自身需要根据钢渣的用途、冶炼工艺的特 点、熟料成分及配比、熔剂配比、缓释型化肥组成成 分等特点，以有利于提高自身冶炼生产能力为目标，选择具体的路渣处理工艺及工序，从而在不影响整 体企业冶炼生产经济指标的情况下，提高钢渣返回 利用率5。4.1用做烧结熔剂 由于钢渣在成渣过程中随着碳酸盐分解的吸热会形成一定量的铁酸钙，并且成渣之后钙、镁等金属 元素均以固熔体形式存在，故可在混合料中配入 510粒度小于 8 mm 的返回钢渣来代替烧结 熔剂中石灰石和菱镁石等原材料，既有效回收了炼 钢工序未完全利用的精矿粉、氧化铁（TFeO）、氧化 钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化锰（MnO）、稀 有元素（V、Nb）等成分，又改善了烧结矿强度，降低烧结 物料成本6。回收烧结过程中掺入的钢渣使总体烧结物料物 相更加均匀，加之软化钢渣所需温度较低，可在烧结 过程中较快形成烧结矿液，增加内部黏结相，均匀高 温中的烧结物料；同时可降低粉化率及焦炭配比、抑 制硅酸二钙的相变，在返回利用的同时有效提升烧 结矿的品质。4.2用做高炉熔剂 在炼铁过程中，冶炼物料中配入经热泼法处理并破碎到 830 mm 之间的钢渣，以替代部分高炉 熔剂（石灰石、白云石、萤石），降低炼铁熔剂成本，并 可在此工序回收利用钢渣中的有益成分。随着钢渣 的配入，高炉操作良好，运行正常，提高了产量，降低 了焦比。其缺点是，由于冶炼过程中并不能完全脱 磷、硫，从而使钢渣化学成分不够稳定。4.3用做炼钢返回渣 在转炉炼钢过程中，对每吨转炉物料配入 25 kg左右的高碱度钢渣，配合白云石、石灰石等造渣材料进 行冶炼，可使冶炼渣在炼钢初期较快形成，减少对炉内 耐火炉衬的侵蚀，提高高炉使用寿命，减少耐火材料的 使用量，并且减少炼钢熔剂的使用量（萤石用量）。 4.4用于回收铁在钢铁企业所废弃或者堆积的钢渣中含有大量 金属铁，金属铁的含量（铁的质量分数）占钢渣总量 的 10%15%左右。数据显示，破碎、分级筛分、闭环 分级磁选外加完善的收集制度可以有效地将钢渣中 的金属铁降低到一个可控的范围。筛分出的 300100 mm 钢渣颗粒，其中 6.4%的 金属铁可被磁选出来被应用于后序破碎磁选或者其 他用途；钢渣颗粒在 10080 mm，可回收 7.6%的金2014 年第 3 期郭川：钢渣综合循环利用现状 3 属铁；棒磨或者锥破到 7025 mm，可磁选出 15%的 金属铁。该种选矿方式主要通过对钢渣破碎、磁力筛 选、分类储备的有序链接，通过磁力选矿机形成的高 磁通磁场选取出现时生产的或者堆储钢渣中的磁性 四氧化三铁，降低钢渣中的金属铁含量，虽然铁矿分 为赤铁矿（无磁性）和磁铁矿（部分磁性），但是能够 对自身渣山的吃干榨尽，做到最大限度的回收金属 铁，已是国内钢铁企业面对资源匮竭、环境污染，努 力挖掘自身资源的不二法宝。磁选工艺能够最大限度地将废渣中的金属铁遴 选出来，筛分、磁选之后的废渣，其中的金属铁可以 低到 3%4%之间。250250筛网粗选一次 破碎铁铁仓仓精选三级筛分渣渣仓仓二次破碎使用筛网将小于 250 mm250 mm 的钢渣筛分 出来，进入下一步工序，对该部分钢渣进行初级磁 选，之后进行一次破碎、筛分，较大颗粒进入二次破 碎、筛分闭合循环，随后将分级筛分和磁选之后的金 属铁分仓存放。图 1 和图 2 为两种不同的钢渣磁选 工艺。面对企业自身生产排出的钢渣，利用初级破碎、 初级磁选、闭环破碎、分级筛分以及高磁通磁选等，可 大量回收钢渣中含有的金属铁以及废钢，该处理工艺 所得产品可重新回炉冶炼或实现其他无害化用途。 5实现钢渣利用的途径5.1合理钢渣排放节点必须在企业内部建立相应的炉渣性能评价指标 体系，针对不同工序所排炉渣的理化性能及特点，制 定相应的评价标准。从产业链系统层面，通过评价体 系制定分级分类收集措施、细分钢渣级别及用途，合 理有效、统筹规划钢渣返回利用。通过合理的各阶段 物料熔剂配比，降低磷、硫在本工序及下阶段的富集。系统层面合理有效安排冶炼产业链的各个节 点，尽量减少产业链上的出渣点，控制物料平衡，创 建一套完善的钢渣分层收集、稳定理化性能、综合全 产业链的综合利用方案。通过合理有效的钢渣综合 利用工艺来实现企业效益的最大化。针对必须对外排的钢渣有必要增加其产业利用 价值，增加钢渣产业附加值，延长钢渣产业链。 5.2实现钢渣梯级利用随着冶炼产业链的逐步延伸，脱硫、脱磷工艺的 有效控制，排渣中 S、P 的有效含量越来越低，返回替 代潜力越来越大。因此，通过对各级炉渣成分和性能 的分析研究，逐步细化返回利用的节点、用量，使用 各种类型渣，即钢渣梯级返回应用，将其潜力得到充 分发挥。由以上钢渣梯级返回利用理念绘制出了转 炉（或电炉）冶炼工艺的炉渣梯级利用示意图（图 3）6。选分后的建材预处理渣炉外精炼渣铁水预处理转炉冶炼炉外精炼连铸转炉冶炼渣图 1 磁选工艺 1图 2 磁选工艺 2图 3 转炉冶炼工艺炉渣梯级利用示意图钢渣尾渣250250 筛网烧结精炼除尘粗选精选除尘1号棒磨机2号棒磨机通过炉渣返回利用，一方面，用钢渣替代炼钢阶 段的造渣材料返回利用，既减少了造渣材料的消耗， 降低炼钢生产成本，又提高了企业经济效益；另一方 面，用钢渣替代炼钢阶段的造渣材料进行返回利用， 可在炉温良好状态下提高造渣材料的反应效率，减 少钢渣在炼钢阶段的最终排出量。6钢渣用做冶炼熔剂的局限性在钢渣形成之前的烧结阶段和炼铁阶段，并不 能够将物料中的磷完全脱离，从而造成了磷元素在 4 山 西 冶 金E- mail:第 37 卷后部工序中的不断富集，当钢渣充当部分烧结熔剂或 者炼铁熔剂之后，就会造成在炼钢阶段磷含量不断 升高，从而增加炼钢阶段石灰石脱磷的压力，随之而 来的是本工序的排渣量增加和炼钢熔剂成本的增加。虽然尽量使得钢渣在企业内部循环利用是一个 极佳的工艺排布方案，但是从工艺全流域考虑并不 一定合理。再则，面对钢渣中含量仅为 10%15%（铁 在钢渣中的质量分数）的金属铁，配入高炉炉料中势 必会降低炉料品位。虽然近来煤炭价格逐渐走低，衍 生的焦炭市场逐渐低迷，环保要求严苛，但钢渣作为 烧结和高炉熔剂的做法仍需商榷。7钢渣返回利用应注意的问题7.1热态钢渣返回用于精炼炉精炼的温度控制 对于精炼炉钢渣热态返回精炼炉用于精炼的过程，由于精炼炉冶炼过程中钢渣和浇余钢渣的产生 量就少，积蓄的热量有限，在返回过程中的倒包又加 剧了热量的散失，热态钢渣或者浇余随着温度的降 低很有可能使钢包结包或堵塞水口。故在采用此方 法进行热态返回利用时，务必做好钢包的烤包工作， 确保钢包自身温度，减少钢渣在空包内的存放时间， 缩短倒包及钢包使用周期。当钢包内钢水完全浇铸 入连铸机之后，迅速将剩余热态钢渣和浇余转而倒 入下一炉钢水精炼。紧凑的热态返回利用过程是本 工序钢渣返回循环利用较为有效的不二选择。7.2钢渣返回利用中的炉渣调制 由于冶炼产业链长，产生炉渣的产出点多，当某产出点的炉渣返回或者向后延伸应用于其他工序替 代使用时，由于不同产出点炉渣在温度、物理性质、 化学组成及所需替代使用工序对钢渣的要求不同， 需要针对该替代工序对替代炉渣的温度和性能的要 求对所返回的钢渣、炉渣进行调质处理。该调制过程 可安排在需替代使用工序，也可安排在炉渣产出点进行。7.3钢渣返回利用技术与其他技术的有效配合 钢渣返回循环利用并不是钢渣返回应用工艺的简单叠加或者堆栈，它在整个冶炼链上的逐步应用 必然会对本身单纯的冶炼技术产生影响。因此，需要 在主冶炼链周边布置合理有效的副链工艺或者协调 各个返回工序的无缝对接，这样才能够使得整个冶 炼产业链有效运行，实现整体效益最大化。8结语钢渣曾作为固体废弃物带来一系列坏境问题。 但是随着国内各大企业对钢渣综合循环利用技术的 逐步应用，已经逐渐意识到其在厂内效益和环境保 护等方面的诸多益处。据有关方面的统计数据显示， 我国的钢渣综合利用水平仅在 10%左右，而钢渣在 一些发达国家的返回使用率高达 95%以上。要缩短 这样巨大的差距，需要政策引导和企业的积极参与， 通过对钢渣参数的不断研究，加快钢渣固体废弃物 在众多领域的综合利用水平。综合返回利用钢渣是 完全符合国家现行环保要求，因此问题的核心是在 工艺构架和经济效益等方面的有效实施。参考文献1 朱桂林，孙树杉.钢铁渣综合利用的现状及高价值利用新进展G.2003 年冶金能源环保生产技术会议文集，2003：18- 23.2 韩孝永. 浅谈钢渣的综合利用J. 再生资源研究，2007（6）：39- 42.3 赵俊学，李小明，唐雯珃.钢渣回收利用到底难在哪儿？DB/OL.2013- 08- 29. http : /www. csteelnews . c