鄭志輝^[1]    李景超^[1]    李保海^[1]   王磊^[2]   申琪^[2]  李國(guó)超^[2]

（1.首鋼股份公司遷安鋼鐵公司 河北遷安；2.北京鼎盛成包裝材料有限公司遷安分公司 河北遷安）

摘要：首鋼股份公司遷安鋼鐵公司固廢資源綜合利用堅(jiān)持以“減量化，再利用，資源化”為原則，初步建成固體二次資源綠色循環(huán)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，實(shí)現(xiàn)了鋼渣、脫硫渣的集中加工處置，實(shí)現(xiàn)鐵元素最大程度的回收利用，改善了有害元素在鋼鐵流程的影響，實(shí)現(xiàn)了尾渣在建材行業(yè)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：脫硫渣；資源化；研究與實(shí)踐

1  國(guó)內(nèi)外脫硫渣資源化現(xiàn)狀

煉鋼鐵水預(yù)處理工序生產(chǎn)，在扒渣過(guò)程中，有一定量的鐵水被同時(shí)扒出，在渣罐中冷卻后凝結(jié)成大型渣坨，造成脫硫渣坨加工難度大，生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，渣場(chǎng)存放困難，易造成環(huán)境污染。并且難于破碎、加工和回收利用。為了解決這一問(wèn)題，各企業(yè)相繼開(kāi)發(fā)綜合利用方法。例如：返生產(chǎn)利用法、返燒結(jié)法、隔斷劑法等。

攀鋼采用脫硫扒渣分層隔斷劑^[5]。隔斷劑處理脫硫渣有明顯效果，降低了破碎難度，破碎率達(dá)到80%，減少了渣鐵的塊度，有利于渣鐵的綜合利用。

重鋼將脫硫渣破碎后的渣鐵，通過(guò)電弧爐熔化后提煉出生鐵，再將生鐵用于煉鋼生產(chǎn)。

日本鹿島制鐵采用KR法脫硫工藝，脫硫渣返回鐵水脫硫工序再利用^[6]。KR脫硫渣運(yùn)到熔渣處理站，裝入上部帶有滾筒篩的罐車(chē)內(nèi)，然后運(yùn)到鐵水坑旁的脫硫渣專(zhuān)用料斗，并通過(guò)料斗下部的盤(pán)式輸送機(jī)按所需量將脫硫渣投入鐵水罐，待鐵水裝入后再進(jìn)機(jī)械攪拌處理。結(jié)果表明，返回脫硫渣再次利用后自由氧化鈣減少了一半，硫含量則大幅增加。該方法脫硫率要比石灰脫硫率高。主要原因是返回利用脫硫渣加入量較大；另外返回渣余熱利用，石灰更容易參加反應(yīng)。

2  首鋼遷鋼脫硫渣綜合利用現(xiàn)狀

首鋼遷鋼公司有六座鐵水預(yù)處理站，其中三座是鐵水復(fù)合噴吹顆粒鎂工藝，三座KR機(jī)械攪拌脫硫工藝。2017年開(kāi)始將三座噴吹工藝改造為KR機(jī)械攪拌工藝，脫硫渣年出量約15萬(wàn)噸。

2.1   KR脫硫渣特性

KR法脫硫是將攪拌器插入鐵水包液面下一定深度，并旋轉(zhuǎn)攪拌，同時(shí)加入石灰和螢石按一定比例的混合的脫硫劑。攪拌器旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，脫硫劑與鐵水發(fā)生脫硫反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，所生成的干稠狀渣子浮于鐵水表面，后扒除到渣罐中，形成了KR脫硫渣。其形態(tài)為固態(tài)，氧化鈣、金屬鐵含量較高。

表1  KR脫硫渣成分

2.2   綜合利用現(xiàn)狀

鐵水預(yù)處理工藝產(chǎn)出的脫硫渣含有大量的金屬鐵元素和自由氧化鈣。目前，遷鋼公司逐步完善了脫硫渣綜合利用工藝。首先在源頭減量少上，熱態(tài)返回利用和冷態(tài)返回脫硫站的工藝，重復(fù)利用2-3次，就需要外排處理。針對(duì)外排脫硫渣，遷鋼公司不斷完善了加工工藝，建設(shè)脫硫渣罐悶一次處理工藝生產(chǎn)線；棒磨二次加工工藝處理線；渣鐵粉冷壓球工藝生產(chǎn)線；渣鐵粉水洗球磨線，實(shí)際了脫硫渣金屬鐵元素回收利用率達(dá)到98%，尾渣建材行業(yè)利用率達(dá)到100%。

3   脫硫渣減量化技術(shù)

3.1   KR脫硫渣重復(fù)利用

在鐵水溫度下，石灰與鐵水反應(yīng)是固-液相反應(yīng)，固相反應(yīng)慢，為了提高反應(yīng)速度，石灰中加入一定比一會(huì)兒的化渣劑：遷鋼為（CaO-CaF₂系），日本各大鋼廠（CaO-Al₂O₃系）。固-液相反應(yīng)在石灰表面形成CaS和CaSiO₄的殼，阻止反應(yīng)的進(jìn)行，有大量自由氧化鈣未反應(yīng)?？梢灾貜?fù)利用未反應(yīng)的氧化鈣。主要采用兩種形式重復(fù)利用：

KR法脫硫渣扒除后，直接返回下一包鐵包中。另外是采用返回脫硫工序回收利用工藝。

基本流程如下：

圖1  KR脫硫渣返回利用流程圖

3.2   KR脫硫吹渣技術(shù)

鐵水包的鐵水頂部有大約0.5%的鐵渣，二氧化硅含量較高，不利于脫硫反應(yīng)進(jìn)行，通過(guò)在脫硫站加裝側(cè)吹趕渣，扒除頂渣，有利于降低脫硫劑的加入量，從而減少脫硫渣的產(chǎn)生。另外，后扒渣通過(guò)吹渣減少鐵損，也減少了脫硫渣的產(chǎn)生。

4  脫硫渣的綜合利用

4.1  一煉鋼復(fù)合噴吹脫硫渣處理工藝

遷鋼一煉鋼脫硫?yàn)殒V基復(fù)合脫硫劑噴吹脫硫工藝，此工藝產(chǎn)生的脫硫渣為坨狀，因含鐵量較大，破碎困難。目前遷鋼采用隔斷劑，使渣坨更易破碎，產(chǎn)出大塊渣鐵和渣土。大塊渣鐵返煉鋼使用，而渣土在堆存。但由于大塊渣鐵轉(zhuǎn)爐回硫較高，影響其回吃量。本研究，針對(duì)目前問(wèn)題，提出了兩種工藝。一是大塊渣鐵熔融處理工藝；二是渣土分級(jí)破碎磁選工藝?；玖鞒倘缦?。

圖2  一煉鋼脫硫渣處理工藝

脫硫渣分級(jí)破碎磁選工藝簡(jiǎn)介：

二級(jí)破碎：裝載機(jī)將250mm脫硫渣倒入格篩中，> 250mm傾翻到渣池中；< 250mm經(jīng)過(guò)給料機(jī)，利用破碎機(jī)將脫硫渣從250mm破碎到70mm，然后從70mm破碎到10mm。

六級(jí)磁選：利用粗選機(jī)選出>70mm的渣鐵，通過(guò)溜槽進(jìn)入渣池；其余脫硫渣通過(guò)磁選機(jī)選出<70mm的渣鐵，通過(guò)皮帶機(jī)運(yùn)輸和篩分機(jī)將渣鐵分成70-10mm的渣鐵和<10mm的渣鐵，進(jìn)入不同的料倉(cāng)待用。

三級(jí)篩分：脫硫渣全部破碎到<10mm，經(jīng)過(guò)破碎、篩分、磁選，尾渣中的渣鐵 最大程度地磁選出來(lái)，得到盡量多的渣鐵，使磁選后的尾渣中渣鐵含量小于2%。尾渣運(yùn)入料倉(cāng)儲(chǔ)存。

4.2   KR脫硫渣處理工藝

KR脫硫渣處理工藝流程：

圖3  KR脫硫渣處理工藝

（1）KR脫硫渣帶罐熱悶工藝

    傳統(tǒng)工藝采用渣罐中的脫硫渣倒鐵斗中，鐵斗汽車(chē)運(yùn)輸?shù)叫读蠄?chǎng)地，翻渣后進(jìn)行打水冷卻。翻卸過(guò)程煙塵很大，為無(wú)組織排放，環(huán)境污染大。采用帶罐汽車(chē)運(yùn)，罐中打水，水份控制在7%左右，實(shí)現(xiàn)有組織排放，節(jié)約水資源。

（2）脫硫渣棒磨生產(chǎn)工藝

工藝采用“一級(jí)棒磨、四級(jí)篩分、一級(jí)磁選”。棒磨機(jī)采用2745型干式棒磨機(jī)（Φ2700×4500），入磨原料為300mm以下，出口尺寸300mm。處理能力100-150t/h，襯板壽命不低于12個(gè)月，渣鐵品位≥85%，尾渣磁性物含量≤1.5%。

四級(jí)篩分：根據(jù)KR脫硫渣的特性以及產(chǎn)品應(yīng)用流程，工藝設(shè)計(jì)為四級(jí)篩分，一級(jí)振動(dòng)篦，為原料篩分，尺寸250*250mm，篩上轉(zhuǎn)落錘產(chǎn)線，篩下滿(mǎn)足入磨原料要求。二級(jí)篩為10mm振動(dòng)篩，篩下直接進(jìn)入精煉機(jī)，篩上物進(jìn)入棒磨機(jī)。三篩、四篩為成品篩，分別篩出0-10、10-40、40-250mm渣鐵產(chǎn)品，0-10mm進(jìn)入精選機(jī)；10-40mm渣鐵供高爐；40-250mm渣鐵供轉(zhuǎn)爐。

一級(jí)磁選：此工藝設(shè)計(jì)了一級(jí)磁選設(shè)備，棒磨機(jī)出料端未設(shè)計(jì)磁選機(jī)，直接進(jìn)行篩分，篩下0-10mm與一級(jí)篩篩下一同進(jìn)精選機(jī)磁選。

渣鐵TFe含量：10-40、40-250渣鐵>90%；精選機(jī)磁選渣鐵粉>50%。

（3）落錘技術(shù)

鐵和鋼最根本的區(qū)別是含碳量，理論上一般把碳含量小于2.11%稱(chēng)之為鋼，熔點(diǎn)在1450-1500℃，C大于2.11%的為生鐵，熔點(diǎn)在1100-1200℃。隨著碳含量的增加，其強(qiáng)度、硬度增加，而塑性和沖擊韌性降低。生鐵硬而脆，幾乎沒(méi)有塑性，針對(duì)大塊渣鐵的加工采用落錘工藝最為合適，采用高重錘和夾板錘兩種。

（4）脫硫渣鐵粉水洗磨提純技術(shù)

水洗磨加工線主要設(shè)施包括原料皮帶、水洗磨機(jī)（Φ2200×7000）、滾篩、雙輥磁選機(jī)（Φ1050×3000，滾筒表面磁感應(yīng)強(qiáng)度2400/3000GS）、成品皮帶、螺旋輸送機(jī)等工藝設(shè)備以及泥漿泵、斜板沉淀器、壓濾機(jī)等水處理設(shè)施和配套的土建、電氣、自動(dòng)化設(shè)備。設(shè)計(jì)能力40噸/小時(shí)，。工藝流程如下圖所示：

圖4  渣鐵粉水洗球磨工藝

水洗磨與球磨機(jī)不同之處，在于內(nèi)部襯板結(jié)構(gòu)，與溢流型球磨機(jī)比，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，更有利用磨料和產(chǎn)能提高。主要特點(diǎn)：進(jìn)料端每轉(zhuǎn)一周進(jìn)料兩次，給料器雙頭向心給料；筒體內(nèi)部出料端設(shè)有一十六件獨(dú)立儲(chǔ)料斗，成品進(jìn)入此料斗后，磨機(jī)每轉(zhuǎn)一周把所有物料全部罐向特制椎體，通過(guò)椎體八個(gè)斜面強(qiáng)制出磨；進(jìn)入與磨連接在一體的滾筒篩篩分；磨機(jī)筒體分工作倉(cāng)和筒體工作倉(cāng)和成品相形排料倉(cāng)，兩倉(cāng)之間由特殊設(shè)計(jì)環(huán)形孔襯板隔開(kāi)。

產(chǎn)品指標(biāo)情況：

表2  水洗線產(chǎn)品指標(biāo)

5  脫硫尾渣的綜合利用

5.1  脫硫渣粉磨試驗(yàn)研究

依照GB/T20491-2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》和GB/T28293-2012《鋼鐵渣粉》進(jìn)行脫硫尾渣粉磨試驗(yàn)。

（1）密度試驗(yàn)

表3  KR脫硫渣粉磨密度試驗(yàn)結(jié)果

（2）粉磨及比表面積試驗(yàn)（未添加助磨劑）

表4  粉磨及比表面積試驗(yàn)

（3）化學(xué)成分分析

表5  粉磨成份分析結(jié)果

注：依據(jù)GB/T20491-2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》要求：

三氧化硫含量≤4.0%    氯離子含量≤0.06%   游離氧化鈣含量≤4%

實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)顯示脫硫渣三氧化硫含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，兩種鋼渣氯離子含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，且 MgO含量均大于5%，需要做壓蒸法安定性試驗(yàn)。

（4）晶像分析（XRD分析）

主要礦物組成γ-C2S、CaF₂、f-CaO 、Ca(OH)₂、CaCO₃、MgO、C、硫硅鈣石、CaS、黃長(zhǎng)石、單質(zhì)鐵、白云石等。

（4）放射性實(shí)驗(yàn)

表6  粉磨放射性檢測(cè)結(jié)果

（5）安定性

表7  粉磨安定性試驗(yàn)結(jié)果

（6）流動(dòng)度比（≥95%）基準(zhǔn)水泥

表8  粉磨流動(dòng)度比試驗(yàn)結(jié)果

（8）活性指數(shù)

a.基準(zhǔn)水泥

表9  粉磨基準(zhǔn)水泥洗性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

b.普通水泥

表10  粉磨普通水泥洗性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

5.2  復(fù)合粉試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)多年的探索和實(shí)踐，礦渣微粉用于水泥和混凝土所具有的優(yōu)良性能及經(jīng)濟(jì)性已得到普遍認(rèn)可，其社會(huì)需求量大，使用廣泛，效果突出。但是，近年來(lái)隨著京津冀區(qū)域鋼鐵業(yè)去產(chǎn)能、藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的強(qiáng)力推行、大量中小鋼鐵企業(yè)關(guān)停，礦渣和礦粉的來(lái)源大幅減少，市場(chǎng)出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，這給鋼渣粉或復(fù)合粉帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，同時(shí)解決鋼鐵行業(yè)固廢資源的利用問(wèn)題。復(fù)合粉采用礦渣粉與脫硫渣粉按一定比例摻合進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體試驗(yàn)按3種比例進(jìn)行試驗(yàn)，礦渣粉：脫硫渣粉分別為1代表1:1；2代表1:2；3代表2:1。

（1）復(fù)合粉流動(dòng)度比（≥95%）

表11  復(fù)合粉流動(dòng)度比試驗(yàn)結(jié)果

（2）復(fù)合粉活性指數(shù)（普通水泥）

表12  復(fù)合粉普通水泥活性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

6  結(jié)論

6.1 KR脫硫渣作為鋼鐵行業(yè)固廢資源，因其金屬鐵元素、自由氧化鈣含量高，內(nèi)部熱態(tài)或冷態(tài)循環(huán)利用，即實(shí)現(xiàn)了減量化，又節(jié)約了自然資源，是首選采用的綜合利用技術(shù)。各企業(yè)因自身特點(diǎn)，采用方式不盡相同。

6.2脫硫渣加工處理產(chǎn)生的渣鐵產(chǎn)品，因其硫含量較高，對(duì)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)會(huì)帶來(lái)一定的影響，特別是煉鋼品種生產(chǎn)、鐵水質(zhì)量以及煙氣脫硫系統(tǒng)。渣鐵提純工藝是必要選擇。目前遷鋼公司采用棒磨機(jī)和水洗磨工藝是比較有效的工藝，渣鐵產(chǎn)品品位均可達(dá)到90%以上。

6.3經(jīng)試驗(yàn)研究，將脫硫渣磨細(xì)至比表面積400㎡/kg，脫硫渣粉7天活性指數(shù)均達(dá)到一級(jí)鋼渣粉指標(biāo)要求，但28天強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，判定為二級(jí)鋼渣。但氧化鎂含量、脫硫渣的游離氧化鈣含量均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，但兩種鋼渣樣品的安定性及壓蒸安定性指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.4 復(fù)合粉試驗(yàn)表明，礦渣粉與脫硫渣粉按2：1比例混合成的鋼鐵渣粉，7天活性指數(shù)能達(dá)到G95級(jí)要求，但其28天活性指數(shù)基本無(wú)增長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]  石枚梅，俞海明.鐵水預(yù)處理KR脫硫渣特點(diǎn)和資源化處理工藝的開(kāi)發(fā)[J].特殊鋼，2013，34（6）:42.

[2]  倫惠林，彭康，李阿鵬，等.脫硫渣制備高性能礦物材料的研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2013，27（9）:113.

[3]  張亮亮,昨天艷瑞.鋼鐵廠冶渣分類(lèi)及礦物組成[J].中國(guó)建材科技，2014，31（2）:59.

[4]  蘇興文.鞍鋼冶金渣處理應(yīng)用技術(shù)[C].2011年全國(guó)冶金節(jié)能減排與低碳技術(shù)發(fā)展研討會(huì)論文集.唐山;中國(guó)金屬學(xué)會(huì)

[5]  劉勇,陳躍軍,俞海明.鐵水噴吹脫硫渣新型隔斷劑的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)[J].特殊鋼，2013，34（4）:40.

[6]  JFE開(kāi)發(fā)環(huán)境和諧型鐵水預(yù)處理工藝,世界金屬導(dǎo)報(bào),2015（53）:16.