劉士琦，王書桓

( 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063000)

摘要:轉(zhuǎn)爐渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。介紹了轉(zhuǎn)爐渣的組成、應(yīng)用及一些常規(guī)的處理方法，重點(diǎn)介紹了氣化脫磷技術(shù)的研究現(xiàn)狀、工藝特點(diǎn)及華北理工大學(xué)在轉(zhuǎn)爐渣氣化脫磷技術(shù)方面所取得的實(shí)驗(yàn)成果。

關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)爐渣; 應(yīng)用; 處理方法; 氣化脫磷

0 引言

轉(zhuǎn)爐鋼渣是轉(zhuǎn)爐在煉鋼生產(chǎn)過程中的產(chǎn)物，主要由造渣材料、冶煉反應(yīng)物、侵蝕脫落的爐體和補(bǔ)爐材料、金屬爐料帶入的雜質(zhì)和為調(diào)整鋼渣性質(zhì)而特意加入的造渣材料組成^［1］。作為一種高溫冶金排放物級(jí)次生資源，鋼渣具有高溫、量大、種類多、成分復(fù)雜、流動(dòng)性差別大、性能不穩(wěn)定等特點(diǎn)^［2］。每生產(chǎn)1 t鋼鐵就會(huì)產(chǎn)生150 ～ 20 kg 的鋼渣，根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)， 2016 年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為8． 08 億t，隨之而產(chǎn)生的鋼渣約為1． 6 億t。堆放鋼渣不但浪費(fèi)大量的土地資源，同時(shí)也會(huì)給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的威脅，影響人類的生存環(huán)境。因此，如何合理地利用轉(zhuǎn)爐鋼渣是目前亟待解決的問題。

1 鋼渣的化學(xué)組成及礦物組成

1． 1 鋼渣的化學(xué)組成

根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝及原料，所產(chǎn)生的鋼渣成分也有所區(qū)別，如河鋼承鋼的鋼渣( 表1) 中會(huì)含有少量的釩和鈦，但主要成分含量相差不多。

1． 2 鋼渣的礦物組成

CaO、MgO、FeO 和MnO 是鋼渣含有的主要氧化物。鋼渣在形成過程中會(huì)形成一種被稱為RO 的新相，由MgO、FeO、MnO 連續(xù)固溶所形成; CaO 與其他三者通過有限固溶而形成另一種相，被稱之為石灰相。一般在低堿度鋼渣中，石灰相和ＲO 相主要以橄欖石和薔薇輝石的形式即［( CaO·RO·SiC) 和( 3CaO·RO·SiC) 的形式］穩(wěn)定存在; 在中堿度鋼渣中，石灰相主要以硅酸二鈣和硅酸三鈣的形式存在; 在高堿度鋼渣中，石灰相主要以硅酸三鈣的形式存在^［3］。

2 鋼渣的應(yīng)用及主要處理方法

2． 1 鋼渣的應(yīng)用

鋼渣作為一種寶貴的資源已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，為適應(yīng)并促進(jìn)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展要求， 20 世初發(fā)達(dá)國(guó)家就開始研究鋼渣綜合利用的方法。國(guó)際權(quán)威部門對(duì)美、日、英、法、俄、德等國(guó)鋼渣利用情況的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明: 上述國(guó)家鋼渣利用率為45% ～ 100%，其中歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家多用于基礎(chǔ)建設(shè)、農(nóng)業(yè)肥料和高爐等; 美國(guó)大部分鋼渣用于燒結(jié)和高爐; 在資源匱乏的日本，政府和地方對(duì)鋼渣的利用特別重視，主要用在上層路基材料、肥料及水泥熟料，目前已實(shí)現(xiàn)100%的綜合利用^［4］; 我國(guó)對(duì)鋼渣的利用主要分為廠內(nèi)循環(huán)和廠外應(yīng)用兩個(gè)方面。

( 1) 廠內(nèi)循環(huán)包括鋼渣代替石灰石作為燒結(jié)熔劑及將鋼渣破碎回收其中的金屬鐵。

( 2) 廠外主要用于建筑與農(nóng)業(yè)方面，如用于生產(chǎn)鋼渣水泥、筑路及回填材料; 另外，鋼渣中含有很多對(duì)農(nóng)作物有利的元素，如Si、Ca、Fe、Mn、P 等，因此可用于農(nóng)作物肥料及土壤修復(fù)改良劑。

2． 2 常用的處理方法

目前轉(zhuǎn)爐渣常用的處理方法主要有: 棄渣法、熱潑法、盤潑淬冷法、風(fēng)淬法、水淬法、燜渣法、激冷法、滾桶法等。面對(duì)大量鋼渣，各個(gè)鋼廠也積極研發(fā)新的處理方法，如，河鋼唐鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣采用熱潑( 落錘) —自磨—磁選處理工藝。該工藝不僅及時(shí)處理新鋼渣，并且可處理多年堆積的大渣塊，解決渣山堆積的問題^［5］。但上述對(duì)爐渣的處理方法都是在轉(zhuǎn)爐外進(jìn)行的，通過這些處理方法爐渣的排放量以及造渣料的消耗并無(wú)明顯地減少，主要原因是爐渣中有害元素硫、磷等的富集，致使轉(zhuǎn)爐渣利用率較低^{［6，7］}。

3 轉(zhuǎn)爐渣的氣化脫磷技術(shù)

自上世紀(jì)80 年代起，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)開始轉(zhuǎn)爐渣還原脫磷方面的研究，如宮下芳雄等^［8］在其公開的專利“煉鋼熔融礦渣處理方法”中提出向轉(zhuǎn)爐出鋼倒出的渣中添加碳材、螢石并吹氧5 min，發(fā)現(xiàn)渣中90%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，余同) 的FeO，10%的MnO，90%的P₂O₅被還原，其中鐵相中與氣相中的磷分別達(dá)到60%和40%。李光強(qiáng)等人^［9］在1 800 ℃時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)爐渣進(jìn)行碳熱還原實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)渣中的磷62． 7% 進(jìn)入鐵碳合金，32． 8%氣化，4． 5%留在還原后的渣中，共脫除95． 5% 的磷。王億慈等^［10］利用碳為還原劑用微波加熱方法對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼渣的氣化脫磷反應(yīng)進(jìn)行了宏觀動(dòng)力學(xué)分析。王書桓等^［11］采用硅為還原劑對(duì)轉(zhuǎn)爐渣進(jìn)行氣化脫磷實(shí)驗(yàn)，確定了適宜濺渣護(hù)爐氣化脫磷的最佳條件，還原爐渣氣化脫磷率最高可以達(dá)到81． 23%。

轉(zhuǎn)爐渣作為一種可利用資源其中含有大量可利用成分，只要脫除渣中的硫、磷等有害元素，基本上可循環(huán)使用。轉(zhuǎn)爐渣氣化脫磷是在濺渣護(hù)爐留渣操作基礎(chǔ)上，提出的一項(xiàng)較先進(jìn)的爐渣處理方法。在濺渣的過程中，向熔池中加入適量還原劑如硅、焦炭粉，通過化學(xué)反應(yīng)氣化脫除爐渣中磷等有害雜質(zhì)，使?fàn)t渣能在下一爐中繼續(xù)使用。在濺渣護(hù)爐過程中，高壓氮?dú)馔ㄟ^氧槍后產(chǎn)生巨大的沖擊力，在大部分過程中是將爐底的熔渣擊碎成顆粒飛濺起來(lái)。這個(gè)過程為固( 焦炭) —氣( 氮?dú)? —液( 熔渣) 三者之間的反應(yīng)，濺渣護(hù)爐過程為熔渣內(nèi)部的一系列反應(yīng)提供了良好的動(dòng)力學(xué)條件，通過化學(xué)反應(yīng)可使熔渣中的磷進(jìn)入氣相達(dá)到脫除的目的^［12］。

3． 1 氣化脫磷工藝特點(diǎn)

氣化脫磷工藝的技術(shù)特點(diǎn)主要有:

( 1) 充分利用濺渣護(hù)爐階段良好的動(dòng)力學(xué)條件，不影響正常生產(chǎn)節(jié)奏。

( 2) 脫磷過程在轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成不需要增加額外的設(shè)備投入。

( 3) 轉(zhuǎn)爐終渣具有較高的氧化亞鐵含量和堿度; 脫磷后的轉(zhuǎn)爐渣可實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用; 不但能減少固體廢棄物的產(chǎn)生，而且降低了造渣料的消耗; 節(jié)約生產(chǎn)成本。

3． 2 影響氣化脫磷的因素

華北理工大學(xué)通過真空碳管電阻爐( 圖1) 進(jìn)行了流動(dòng)氮?dú)鈼l件下的氣化脫磷實(shí)驗(yàn)，分別采用硅和焦炭作為還原劑還原轉(zhuǎn)爐爐渣。通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確定轉(zhuǎn)爐內(nèi)對(duì)爐渣進(jìn)行氣化脫磷是可行的，并發(fā)現(xiàn)爐渣的粘度、溫度、FeO 含量、堿度以及氮?dú)饬髁康仁怯绊憵饣摿椎闹饕蛩?。在溫度? 700 ～ 1 900K，堿度為2． 5 ～ 3． 5，F(xiàn)eO 含量在10% ～ 30% 區(qū)間內(nèi)，以焦炭為還原劑還原轉(zhuǎn)爐鋼渣，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，降低爐渣粘度，反應(yīng)物P₂O₅向反應(yīng)界面的擴(kuò)散速度提高，反應(yīng)產(chǎn)物P2 脫離爐渣的速度也有所提高，能夠促進(jìn)氣化脫磷反應(yīng)的進(jìn)行; 提高爐渣的溫度有利于濺渣護(hù)爐中氣化脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，并且在溫度為1 900 K 時(shí)可取得較好的脫磷效果。通過對(duì)爐渣溫度、堿度、FeO 含量這3 個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)脫磷效果影響最大; 渣中FeO 含量變化會(huì)對(duì)氣化脫磷產(chǎn)生一定的影響，F(xiàn)eO 含量越高越有利于氣化脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，在此實(shí)驗(yàn)中FeO含量為30%時(shí)取得較好的脫磷效果; 在本次實(shí)驗(yàn)中堿度控制在2． 5 時(shí)對(duì)脫磷有利，即低堿度有利于氣化脫磷反應(yīng)的進(jìn)行^［13］。以單質(zhì)硅為還原劑時(shí)，確定了爐渣溫度、堿度、FeO 含量對(duì)氣化脫磷的最佳條件后，改變氮?dú)饬髁窟M(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明增加氮?dú)饬髁?，氣化脫磷率升高?/p>

目前，華北理工大學(xué)已經(jīng)取得相關(guān)專利，提出了轉(zhuǎn)爐氣化脫磷渣循環(huán)脫磷煉鋼的方法及用于下爐冶煉的作用與影響，形成高效循環(huán)煉鋼工藝。轉(zhuǎn)爐冶煉完畢出鋼后留部分爐渣( 總渣量的1 /2 ～ 2 /3) ，根據(jù)爐渣中的FeO 和P₂O₅含量計(jì)算還原劑用量，計(jì)算公式如式( 1) 所示。在頂吹氮?dú)忾_始濺渣前加入計(jì)算所需還原劑用量的一半，剩余一半在降槍吹氮開始后加入并在調(diào)渣階段全部加完，并控制槍位，獲得氣化脫磷后的爐渣。在上一爐轉(zhuǎn)爐爐渣留渣并按上述方法操作完成后，向轉(zhuǎn)爐中兌鐵加廢鋼進(jìn)行冶煉，根據(jù)需求及留渣量加入石灰、白云石、礦石和鐵皮球進(jìn)行造渣。冶煉完畢后測(cè)溫取樣，合格后出鋼。

出鋼后倒出部分鋼渣，按照上述方法進(jìn)行氣化脫磷操作，從而實(shí)現(xiàn)爐渣循環(huán)利用，減少固廢的產(chǎn)生，真正做到從源頭治理。

W( C) =［W( 渣) ×W( P₂O₅%) 60 /152 +W( 渣)×W( FeO%) 12 /72］× 1． 2 ( 1)

式中，W( C) ———焦粉加入量，kg;

W( 渣) ———渣重量，kg;

W( P₂O₅%) ———P₂O₅百分含量，%;

W( FeO%) ———FeO 百分含量，%;

1． 2———碳當(dāng)量倍數(shù)。該碳當(dāng)量為還原爐渣中

全部的FeO、P₂O₅所需焦粉的用量。

以實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)為基礎(chǔ)，薛月凱等^［14］人在河鋼唐鋼60 t 轉(zhuǎn)爐以焦粉為還原劑進(jìn)行氣化脫磷工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在濺渣護(hù)爐階段添加焦粉進(jìn)行氣化脫磷是可行的，依據(jù)多爐磷衡算法，試驗(yàn)爐次平均氣化脫磷率為25． 06%; 對(duì)比常規(guī)冶煉爐次，氣化脫磷爐次噸鋼渣量有所減少，噸鋼減少8． 66 kg鋼渣，減少比例為7． 45%; 試驗(yàn)各爐次終點(diǎn)鋼水磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在0． 02%左右波動(dòng)，可見將氣化脫磷渣進(jìn)行循環(huán)利用不會(huì)影響后續(xù)爐次的脫磷效果。

由于工業(yè)試驗(yàn)的影響因素較多，如焦粉的加入量與加入方式、濺渣護(hù)爐時(shí)頂吹及底吹氮?dú)饬髁颗c槍位高低的控制、爐渣的流動(dòng)性、焦粉與爐渣的混勻程度等均會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。而實(shí)驗(yàn)室只是進(jìn)行小渣量的實(shí)驗(yàn)，還原劑與爐渣的混勻情況良好，且有一定的保溫時(shí)間，反應(yīng)充分徹底，故與工業(yè)試驗(yàn)相比氣化脫磷率較高。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼渣中大部分成分為有用成分，通過合理的技術(shù)手段去除其中的硫、磷等有害元素后可使鋼渣變廢為寶，從而實(shí)現(xiàn)鋼渣的綜合利用。

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