宝钢钢渣处理工艺的发展

宝钢钢渣处理工艺的发展

0次资源回收利用资源的综合和利用一直是可持续发展的主题。宝钢是以钢铁为主业的大型现代化钢铁联合企业,在生产过程中涉及大量的二次资源的回收利用,其中,钢渣的综合利用一直是我们研究的命题之一。宝钢的钢渣按来源分有转炉渣、电炉渣和铸余渣,通过有效的管理手段和合理的渣处理工艺,为钢渣的综合利用创造了良好的前提条件,使宝钢钢渣的综合利用率达到了很高的水平。1宝塔渣处理1.1浅盘法薄渣水浅盘法亦即ISC工艺(InstantaneousSlagChillProcess),为日本新日铁公司开发。宝钢的浅盘工艺引自新日铁。流动性较好的A、B、C渣通过渣罐运送至渣处理间,再用120t吊车把渣倒入渣盘中,静置3~5min,第一次喷水冷却,喷水2min,停3min,如此重复4次,耗水量约为0.33m3/t,钢渣表面温度下降至500℃左右。然后将浅盘中凝固并破碎的钢渣倾倒在排渣车上,运送到二次冷却站进行第二次喷水冷却,喷水4min,耗水量为0.08m3/t,钢渣温度下降至200℃左右。再将钢渣倒入水池内进行第三次冷却,冷却时间约30min,耗水量0.04m3/t,钢渣至此温度降至50~70℃,随后输送至粒铁回收线。浅盘法工艺的优点为:(1)用水强制快速冷却,处理时间短,每炉渣1.5~2.5h即可处理结束,处理能力大;(2)整个过程采用喷水和水池浸泡,减少了粉尘污染;(3)经3次冷却后,大大减少了渣中矿物组成、游离氧化钙和氧化镁等所造成的体积膨胀,改善了渣的稳定性;(4)处理后钢渣粒度小而均匀,可减少后段破碎筛分加工工序;(5)采用分段水冷处理,蒸汽可自由扩散,操作安全;(6)整个处理工序紧凑,采用遥控操作和监视系统,劳动条件好。浅盘法的缺点是钢渣要经过3次水冷,蒸汽产生量较大,对厂房和设备有腐蚀作用,对起重机寿命有影响;另外,浅盘消耗量大,运行成本高。1.2钢渣回用工艺流程1.钢渣热闷罐法处理工艺为:当大块钢渣冷却到300~600℃时,装入翻斗汽车运至闷罐车间,倒入闷罐内,盖上罐盖。在罐盖的下方安装有能自动旋转的喷水装置,间断地向热渣喷水,使罐内产生大量蒸汽,与钢渣产生复杂的物理化学反应,使钢渣产生淬裂。钢渣由于含有游离氧化钙,遇水后会消解成氢氧化钙,发生体积膨胀,使钢渣崩解粉碎。钢渣在罐内经闷解后,一般粉化效果都能达到60%~80%,然后用反铲挖掘机挖出,进行后步处理。宝钢现有一、二炼钢两条闷罐生产线。一炼钢主要处理转炉D渣(流动性最差的)和落锤车间铸余渣残渣,称之为钢渣闷罐生产线。由于宝钢渣处理工艺路线使之进入闷罐中的钢渣温度在600℃,甚至更低,所以游离氧化钙消解并不彻底。二炼钢集中处理所有铁渣补充闷罐生产,使钢铁渣处理设施得到了充分利用。该工艺的特点是:机械化程度较高,劳动强度低;由于采用湿法处理钢渣,环境污染少,还可以部分回收热能;处理后,钢、渣分离好,可提高废钢回收率;钢渣稳定性好。1.3基于效率的钢渣矿产液滚筒法处理工艺是宝钢在购买俄罗斯专利技术的基础上,经过消化吸收和创新后,于1998年首次进行了工业化应用。生产实践表明,该装置具有流程短、投资少、环保、处理成本低以及钢渣稳定性好等优点。该工艺主要是将液态钢渣自转炉倒入渣罐后,经渣罐车运输至渣处理场,用吊车将渣罐运到滚筒装置的进渣流槽顶上,并以一定速度倒入滚筒装置内,液态钢渣在滚筒内同时完成冷却、固化、破碎及钢渣分离后,经板式输送机排出到渣场,此钢渣经卡车运输到粒铁分离车间进行粒铁分离后便可直接利用。经滚筒法处理后的钢渣游离氧化钙基本在4%以内,其中小于2%的占45%;处理后钢渣的粒度分布见表1,可见小于15mm的钢渣约占总量的97%以上,由于滚筒法渣处理可以省却与I.S.C热泼法相匹配的粒铁回收车间以及如排渣车、水池等辅助设施,大大节约基建投资。滚筒法实现了渣处理工艺的革命,代表了渣处理生产技术的发展方向,宝钢已开始实施全面的技术输出和工业化生产战略。2钢渣的高效综合利用的条件宝钢多样化处理工艺方法,形成了宝钢不同钢渣的不同特性。经过近10多年来的努力,宝钢不但扭转了建厂初期一度钢渣成灾的局面,还形成了强化分类回收、分类加工、分类管理的针对性利用等措施,从工艺、体制及制度上确保钢渣的源头管理和分类管理,为钢渣的综合利用创造良好的前提条件。表2是宝钢主要钢渣的发生量及基本特性。3全氟资源的综合利用钢渣二次利用最便捷的途径是作为高炉、转炉原料,在钢铁厂自行循环使用。此外,钢渣还可用于道路工程、建材原料、钢渣肥料及填坑造地等。3.1钢渣用于冶金原料3.1.1烧结钢渣的影响烧结矿中配加钢渣代替熔剂,不仅回收利用了钢渣中残钢、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化锰等有益成分,而且成了烧结矿的增强剂,提高了烧结矿的质量和产量。烧结矿中适量配入钢渣后,能显著地改善烧结矿的质量,使转鼓指数和结块率提高,风化率降低,成品率增加。再加上用于水淬钢渣疏松、粒度均匀、料层透气性好,有利于烧结造球及提高烧结速度。此外,由于钢渣中Fe和FeO的氧化放热,节省了烧结矿中钙、镁碳酸盐分解所需要的热量,使烧结矿燃料消耗降低。高炉使用配入钢渣的烧结矿,由于强度高,粒度组成改善,尽管铁品位略有降低,炼铁渣量略有增加,但高炉操作顺行,对其产量提高、焦比降低有利。烧结中配加钢渣值得注意的是磷富集问题。按照宝钢的统计数据,烧结矿中钢渣配入量增加10kg/t,烧结矿的磷含量将增加约0.0038%,而相应铁水中磷含量将增加0.0076%。比较可行的措施是控制烧结矿中钢渣的配入比例,另外可以在生产中有针对性地停配钢渣一个时期,待磷降下来后再恢复配料。另外,钢渣的粒度过大对烧结矿质量会带来不利影响。如钢渣平均粒度过大,较粗的钢渣在烧结混合料中产生偏析,造成烧结矿的碱度波动,给高炉生产带来不利影响。为此应该增强钢渣的破碎和筛分能力,保证粒度的均匀性。宝钢钢渣返烧结的应用开始于1996年,是经过精确计算、反复实验而确定的,目前烧结矿中使用量稳定在15万t/a的高水平。3.1.2钢渣返回转炉利用使用部分转炉钢渣返回转炉冶炼既能提高炉龄,促进化渣,缩短冶炼时间,又可降低副原料消耗,并减少转炉总的渣量。宝钢在国内率先开发了转炉脱磷脱碳的双联法工艺。即在转炉内进行铁水脱磷处理,出半钢后再进行脱碳处理,可以稳定地生产磷含量低于80×10-4%的超低磷钢。在双联法工艺中,由于脱磷负荷主要由脱磷炉分担,因此脱碳炉的钢渣磷比较低(表3),因而可以返回转炉利用。目前,宝钢已经成功进行了转炉D渣、铸余渣及脱碳炉的钢渣返回转炉利用的试验,结果表明,通过适当的工艺,合理地将钢渣返回转炉利用,可以有效地促进转炉冶炼过程的前期化渣,降低副原料的消耗,达到降本增效的目的,而且,钢渣的返回利用不会对钢水质量发生负面影响。预计推广使用后,每年可利用钢渣5万t左右。3.2钢渣三渣铺筑材料钢渣用于筑路是钢渣综合利用的一个主要途径。欧美各国钢渣约有60%用于道路工程。钢渣碎石的硬度和颗粒形状都很适合道路材料的要求。钢渣可以用于道路的基层、垫层及面层。一般是钢渣与粉煤灰或高炉水渣中加入适量水泥或石灰作为激发剂,成为道路的稳定基层。如宝钢在三期工程主干道纬十一路采用钢渣三渣在道路基层施工中进行试验。试验道路第一段采用水淬钢渣、粉煤灰和石灰三渣混合料,第二段采用粒铁回收后的规格渣、粉煤灰和石灰三渣混合料。对比路段采用天然碎石、粉煤灰和石灰三渣和高炉水渣、粉煤灰和石灰三渣。相比天然碎石三渣和高炉水渣三渣,钢渣三渣基层具有较高的承载力,铺筑沥青面层后,经一年行车考验,路面平整无裂纹,与其它路段无区别。钢渣铺路的经济效益显著,三种基层三渣材料费用比较如表4。此外,钢渣还可以用于沥青混凝土路面。钢渣在沥青混凝土中有很高的耐磨性、防滑性和稳定性,是公路建设中有价值的材料。国外曾在用沥青混凝土铺筑的试验路面上进行了路面抗防滑轮胎磨损试验,一种是用硬质天然碎石为骨料,另一种是用钢渣为骨料。结果表明钢渣路面较天然硬质岩抗磨性好,防滑性也较好。钢渣还适用于冬季修补路面的热拌沥青拌合料,因为钢渣热耗低,容重大,固定性好,用于修补路面时修补处能很好地固定在原位。3.3钢渣水泥的配比由于钢渣中含有和水泥相类似的硅酸三钙、硅酸二钙及铁酸钙等活性矿物,具有水硬胶凝性,因此可以成为生产无熟料水泥或少熟料水泥的原料,也可以作为水泥掺合料。水泥熟料是由石灰石、黏土和铁粉等高温焙烧而成。每分解1t石灰石需耗能2.1MJ,排放440kg二氧化碳,因此钢渣用于水泥生产可以有效降低能耗,减少温室气体效应。目前的钢渣水泥品种有:无熟料钢渣矿渣水泥、少熟料钢渣矿渣水泥、钢渣沸石水泥,钢渣矿渣硅酸盐水泥、钢渣矿渣高温型石膏白水泥和钢渣硅酸盐水泥等,钢渣水泥的配比见表5。水泥标号从275、325提高到425以上,并制订了相应的国家标准和行业标准。钢渣水泥不仅具有与矿渣水泥相同的物理力学性能,还具有水化热低、耐磨、抗冻、耐腐蚀、高抗折强度等优良特性。影响水泥强度的关键因素是钢渣矿渣水泥的细度。在水泥原料中,熟料和石膏的硬度比较小,容易破碎,而钢渣的硬度比较大,渣内还包裹渣钢粒,因此破碎比较困难。表6为钢渣细度与强度的关系。细度越细,水化作用越快,强度增大速度越快。但比表面积过大,水量提高,强度反而会降低。另外,钢渣水泥的早期强度相对较低。3.4混凝土应用前景钢渣在炼钢的高温下形成,因此渣中的硅酸二钙和硅酸三钙矿物结晶完整,晶粒粗大致密,水化硬化速度较慢。为了提高水泥水硬活性,需要用特殊的磨粉工艺和设备,原因是粉磨过程不仅仅是颗粒减少的过程,同时伴随着晶体结构及物理化学性质的变化。粉磨能量中一部分转化为物料新颗粒的内能和表面能,同时产生晶体晶格的位错、缺陷或在表面形成易溶于水的非晶态结构,加速水化反应。试验证明,钢渣粉比表面积在450m2/kg以上时,粒径为0~30μm的颗粒数量占80%~95%,颗粒正规分布50%的粒径为4~6μm,有利于钢渣粉水化硬化。钢渣粉做混凝土掺和料在胶材总量为320~480kg/m3时,取代水泥量10%~40%,可以配制C40~C70的混凝土。用钢渣粉配制的混凝土具有较高的耐磨性、抗碳化性,水化热低,抗折强度高,韧性好等,但早期强度低,如果采用钢渣和矿渣双掺粉,强度可以提高到C80等级。用宝钢D渣超细微粉配制的混凝土具有耐磨性好、水化热低、和易性好等优点,符合高性能混凝土的发展方向。钢渣微粉激发机理来自于超细粉末,它带动物料、晶体结构及表面理化性质发生重组转化并形成新生颗粒的内能和表面能,提高了混凝土水化反应中活性的发挥。钢渣微粉化作为商品混凝土掺合料的机理,虽同属水泥水硬性胶凝材范畴,但利用技术路线完全不同。微粉技术不但彻底消除了作为水泥生料混合原料的易磨性不同产生的均化品质影响,而且钢渣微粉替代水泥后起到了降低CO2的污染源排放作用,并且转化为新型建材将直接推动资源的高附加值利用。所以,钢渣微粉技术是钢渣综合利用技术转化为生产力的集中体现,展示了钢渣综合利用技术的全面进步。宝钢目前虽属开发推广阶段,但只要技术不断完善,必将大有可为。同时,伴随着宝钢滚筒渣处理工业化的推进,其潜在的硬度高、安定性好的特性,必将成为具有一定作用的新型建筑材料。3.5钢渣在海工混凝土中的应用利用钢渣微粉与高炉矿粉互相激发的特性,加以石膏等激发剂可配制出完全符合使用要求的高性能混凝土胶凝材。以此为基体,根据不同的使用方向,可配制出道路混凝土、海工混凝土等系列产品。其中钢渣道路混凝土抗折、抗拉强度高,耐磨性、抗渗性好;用在海工混凝土中还具有海洋生物附着率高的生态特点。这些方向的应用充分挖掘了钢渣碱度高的先天特性,有利于抑制海洋赤潮,对海洋的生态治理极具积极意义。如2000年用于上海芦潮港海工防浪块的试验证明,全钢渣水泥混凝土具有明显的海洋生物附着率高的生态特点。根据不同钢渣的物理化学特性,宝钢已有应用于耐磨地坪等多项新型建筑工程的实例,其中钢渣使用量达到70%生产的大理石与天然人造大理石相比具有耐磨性好、硬度高、耐高温、放射性元素含量极低等独特优势;用于GRC制品不但达到同类石英砂材质要求,体现高附加值,而且拓展了其在环艺工程领域的新途径。其中钢渣用于制备工厂车间还氧聚脂耐磨地坪和钢渣用于制备GRC制品都取得了良好的使用效果。3.6钢渣桩、软土地基的铺设与加固钢渣做地基回填料主要控制钢渣在地基的膨胀性能,钢渣的膨胀性能是长期的,主要与钢渣的物化性质有关。堆放一年以上的钢渣大部分已经完成膨胀过程,块度在200mm以下,可以做为回填材料,回填经过8个月后基本稳定。在回填工程中地基下沉量一般是很大的,采用钢渣作为地基回填材料,减少了地基的下沉值,对工程是有利的。在回填时要注意钢渣铺设的均匀性,才可避免地基的不均匀下沉。近年来国内钢渣作为回填材料已经大规模应用。钢渣桩加固软土地基是在软地基中用机械成孔后填入钢渣形成单独的桩柱。当钢渣挤入软土时,压密了桩间土;然后钢渣又与软土发生了物理和化学反应,钢渣进行吸水、发热、体积膨胀,钢渣周