張紅奎  張大勇

（唐山鋼鐵集團有限責任公司；河北省高品質(zhì)鋼連鑄技術創(chuàng)新中心）

摘要：本文對我國鋼渣生產(chǎn)處理現(xiàn)狀進行了分析，重點介紹了唐鋼公司鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶工藝，也對后續(xù)的二次加工回收鐵資源和尾渣的資源化利用進行了闡述。最后，基于我國鋼渣產(chǎn)量大，鐵資源含量高的特點，給出未來鋼渣應加強鐵資源回收和在道路、建材領域的應用研究，以期實現(xiàn)鋼渣的零排放和零堆存。

關鍵詞：鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶；鐵資源回收；尾渣利用

1 前言

我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，2022年中國粗鋼產(chǎn)量達到10.13億噸。鋼渣是煉鋼過程中的重要副產(chǎn)品，其產(chǎn)生率為粗鋼產(chǎn)量的12～14%，2022年鋼渣排放量約1.22億噸。鋼渣的利用價值逐漸被企業(yè)所認知，但與發(fā)達國家鋼渣基本實現(xiàn)排用平衡相比，我國鋼渣利用率僅約20%，具有較大的開發(fā)利用空間。由于傳統(tǒng)鋼渣處理工藝能耗高、污染性強，無法滿足環(huán)保和市場要求，因此國內(nèi)鋼廠先后對鋼渣再處理工藝技術的開發(fā)展開深入研究。目前成熟且廣泛使用的鋼渣處理技術主要為輥壓破碎—有壓熱悶處理工藝，其特點是經(jīng)濟、安全系數(shù)高、時效快、效率高，實現(xiàn)了無塵的作業(yè)環(huán)境和鋼渣的循環(huán)再利用。

轉爐鋼渣主要由CaO、SiO₂、Al₂O₃、FeO、Fe₂O₃、MgO、MnO、P₂O₅和f-CaO、f-MgO等組成^[1]，主要礦物相為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣、游離氧化鈣（f-CaO）、RO（R代表鎂、鐵、錳的氧化物，即FeO，MgO，MnO形成的固熔體）等^[2]。因此，鋼渣除鐵后的尾渣中含有與硅酸鹽水泥熟料相似的硅酸三鈣（C₃S）、硅酸二鈣（C₂S）膠凝材料，也具有水化活性，是建材資源，具有較大的開發(fā)利用價值^{[3, 4]}。另外，鋼渣中含有8～12%左右的鐵資源（這里包含金屬鐵和可回收的鐵氧化物，下同），將鋼渣中的鐵資源進行分離、富集，可實現(xiàn)鋼渣的資源化和高附加值利用。2022年，我國的鋼產(chǎn)量接近10億噸，鋼渣中的金屬鐵約1000萬噸，因此鋼渣加工回收鐵是鋼渣資源綜合利用的關鍵內(nèi)容。

鋼渣的一次處理工藝有風淬法、水淬法、?；喎?、滾筒法、熱潑法和悶渣法等多種工藝，但一次處理工藝無法有效將鋼渣中的含鐵物相與尾渣有效分離，致使我國的鋼渣利用率不到30%，由于鋼渣利用率低，導致現(xiàn)在鋼渣堆存量高達數(shù)億噸，大量鋼渣若不利用，是巨大的資源浪費，同時鋼渣堆棄占用大量的土地，易造成環(huán)境污染。

針對鋼渣利用率低的問題，唐鋼公司在建廠時采用鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術。其熱悶工作壓力0.2～0.4MPa，在較高的壓力條件下，增大了水蒸氣的滲透壓，加快了水蒸氣與鋼渣中的游離氧化鈣的反應速率，將熱悶時間由8～12h縮短至1.5 h左右。經(jīng)該技術處理后的鋼渣經(jīng)破碎、磁選篩分，可獲得鐵品位大于85%渣鋼，可直接返回煉鋼，產(chǎn)生的磁選粉鐵品位大于40%，可直接返回燒結使用，另外，尾渣中金屬鐵含量小于2%，滿足建材使用要求。同時，該技術在進行鋼渣處理時，其整個過程基本都是在密閉體系下進行的，因此，較現(xiàn)有鋼渣處理技術相比，其潔凈化程度更高，更加環(huán)保，并為鋼渣顯熱的回收利用創(chuàng)造了條件。

2 鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術

從工藝處理過程上講，鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術可分為鋼渣輥壓破碎和余熱有壓熱悶兩個階段，其工藝流程圖如圖1所示。輥壓破碎工序主要是完成熔融鋼渣的快速冷卻、破碎，此階段的處理時間約30min。轉爐車間出渣后由渣罐運輸車將渣罐運至鋼渣熱悶處理廠房，經(jīng)由鑄造橋式起重機將裝有熔融態(tài)鋼渣的渣罐吊至渣罐傾翻車上。渣罐傾翻車行走至預定位置傾翻渣罐，輥壓破碎機反復輥壓破碎并打水處理。經(jīng)過此階段的處理，可將熔融鋼渣的溫度由1450℃左右冷卻至700℃左右，最大粒度破碎至300mm以下。余熱有壓熱悶工序主要是完成經(jīng)輥壓破碎后鋼渣的穩(wěn)定化處理，此階段的處理時間約2.5～3小時左右。通過輥壓破碎后的鋼渣經(jīng)輥壓破碎機推送至載有接渣槽的接渣轉運臺車上，接渣轉運臺車行走至行車吊裝位，行車吊起渣槽落入熱悶罐內(nèi)進行有壓熱悶。罐內(nèi)熱悶處理之后經(jīng)由行車吊出，并將鋼渣卸至振動篩上，送至后續(xù)加工磁選線。處理后鋼渣的粉化率高，穩(wěn)定性良好，-20mm粒級達到70%左右，游離氧化鈣含量小于3%，浸水膨脹率小于2%。

圖1 鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶工藝流程圖

該工藝主要有以下特點：（1）物料要求：200℃～1650℃的鋼渣，對鋼渣流動性無要求，固態(tài)、液態(tài)均可。（2）穩(wěn)定性情況：處理后鋼渣中的游離氧化鈣大量消解，其含量均低于3%，浸水膨脹率小于2%，穩(wěn)定性好。（3）渣鐵分離情況：渣鐵仍大部分包裹分離效果良好，不利于后續(xù)分選加工。（4）粉化率：處理后鋼渣中-20 mm粒級含量可達到70%以上。（5）熱悶參數(shù)：熱悶時間約1.5h，熱悶工作壓力0.2～0.4MPa，噸渣水耗約0.3 t～0.4 t。（6）環(huán)保情況：熱悶過程所產(chǎn)生的蒸汽通過管道進行有組織排放，處理過程潔凈環(huán)保。（7）配套裝備：輥壓破碎機、渣罐傾翻車、有壓熱悶罐和轉運臺車。（8）運行成本：運行費用折合噸鋼約3元。

3 鋼渣二次處理加工工藝

鋼渣二次處理的主要目的是實現(xiàn)鋼渣中的渣、鐵分離，從而提高鋼渣處理產(chǎn)物的附加值。采用簡單破碎、磁選工藝可以將鋼渣進行初步處理，但生產(chǎn)出的渣鋼品位仍然較低、產(chǎn)品附加值不高，其原因是由于渣、鋼的分離較為困難，導致選出的物料中磁性物料品位較低，需要進行磨制再加工，從而將品位較低的渣鋼經(jīng)過分離、磁選成為品位較高的粒鋼、礦粉磁選粉并同時產(chǎn)生含鐵品位較低的尾渣。

圖2 鋼渣篩分磁選工藝形象示意圖

針對渣鋼品位低的問題，唐鋼公司采用棒磨機對渣鋼進行破碎、剝離和提純，其工藝流程圖如圖2所示。具體過程是經(jīng)熱悶后的鋼渣，待鋼渣初步晾曬，經(jīng)過中轉堆場的晾曬之后，用裝載機將熱悶后的鋼渣上至地坪篩或振動給料篩上，大于150mm的鋼渣落至鋼渣槽，小于150mm的鋼渣轉送至皮帶機，經(jīng)皮帶機運至加工線進行加工處理，皮帶上方通過除鐵器選出小于150mm渣鋼。

鋼渣經(jīng)皮帶機進入粒徑規(guī)格尺寸為8mm的振動篩進行篩分，篩上大于8mm的鋼渣經(jīng)過皮帶機、給料機等設備進入1#～3#棒磨機進行解離，經(jīng)棒磨機排出的物料分別進入3臺粒徑規(guī)格尺寸為8mm的振動篩進行篩分，篩上大于8mm的鋼渣經(jīng)過除鐵器磁選出8～150mm渣鋼，其余部分循環(huán)進入棒磨機，篩下小于8mm鋼渣進入雙輥磁選機磁選，磁性部分進入0-8mm磁選粉倉或進入磁選粉堆棚儲存，非磁性部分進入0-8mm尾渣倉或進入尾渣堆棚儲存，尾渣倉下方設置輸送皮帶轉運至鋼渣粉生產(chǎn)線的轉運站。

經(jīng)過該工藝生產(chǎn)出了鐵品位大于85%渣鋼，可直接返回煉鋼，產(chǎn)生的磁選粉鐵品位大于40%，可直接返回燒結使用。另外，尾渣中金屬鐵含量小于2%，自有氧化鈣含量小于3%，滿足后續(xù)利用要求。

4 唐鋼公司鋼渣熱悶技術生產(chǎn)應用

4.1主要生產(chǎn)線組成

唐鋼鋼渣熱悶生產(chǎn)線主要由轉爐鋼渣傾翻-破碎-有壓熱悶區(qū)系統(tǒng)、脫硫渣帶罐打水系統(tǒng)、鑄余渣熱潑系統(tǒng)及長皮帶運輸系統(tǒng)組成。

圖3 輥壓破碎工藝流程圖

圖4 脫硫帶罐打水區(qū)                        圖5熱潑區(qū)                    

4.2除塵工藝

唐鋼公司通風除塵系統(tǒng)包括鋼渣處理輥壓區(qū)除塵系統(tǒng)、熱潑場除塵系統(tǒng)（含配套廢鋼切割）、脫硫渣帶罐打水除塵系統(tǒng)、地下皮帶通廊除塵系統(tǒng)、鋼渣上料除塵系統(tǒng)。

鋼渣處理輥壓區(qū)除塵系統(tǒng)共2套，熱鋼渣在輥壓區(qū)大罩內(nèi)進行輥壓破碎及打水冷卻，產(chǎn)生大量含塵水汽，水汽通過除塵管道匯集經(jīng)噴淋塔、旋流除塵器、濕式電除塵器、風機、煙囪排放，設置粉塵在線檢測裝置。

熱潑脫硫區(qū)除塵系統(tǒng)熱潑場、鑄余渣廢鋼切割工位、上料位、脫硫渣帶罐打水工位除塵，設置一套除塵系統(tǒng)，各除塵點設置閥門切換，除脫硫渣帶罐打水設置手動插板閥，其余各點均電動蝶閥切換風量。設置噴淋塔、脫水器、濕式電除塵器，風機、煙囪排放，設置粉塵在線檢測裝置。

通過上述除塵系統(tǒng)的合理應用，鋼渣處理廠房內(nèi)實現(xiàn)無組織顆粒物排放濃度≤8mg/Nm³；機械除塵系統(tǒng)排放標準≤10mg/Nm³，達到了國家排放標準。

5 鋼渣尾渣的資源化利用

唐鋼公司鋼渣尾渣的主要利用途徑如圖6所示。

圖6 鋼渣尾渣資源化利用途徑

5.1 用于道路材料

2012年，第一條使用路面基層用鋼渣混凝土的正式道路在唐山敷設完成。2020年唐鋼廠區(qū)全鋼渣試驗路，圖7展示了鋼渣在唐鋼廠區(qū)道路應用的工程案例。

圖7 鋼渣尾渣應用于唐鋼廠區(qū)道路的工程實踐

但是，與工業(yè)化國家相比，我國在道路建設中使用礦渣的差距仍然很大。美國道路建設用鋼渣利用率為49.7％。在歐洲，這一比例為43.0％；在日本為32.4％。我國的利用量徘徊在260萬噸左右，利用率僅為7.6％。

5.2 用于建筑材料

唐鋼公司鋼渣除鐵后的尾渣中含有與硅酸鹽水泥熟料相似的硅酸三鈣（C₃S）、硅酸二鈣（C₂S）膠凝材料，表明鋼渣具有膠凝性能^[6]?？梢栽诮ㄖ牧戏矫鎽茫朔矫驿撛膽幂^廣，包括制備鋼渣水泥和制備鋼渣磚等。

圖8鋼渣水泥和鋼渣磚

6 結論及建議

（1）轉爐鋼渣輥壓破碎—有壓熱悶對處理工藝采取一跨內(nèi)緊湊式工藝布局、合理的工藝流程以及EPC建設模式，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

（2）從鋼渣的礦物組分來看，通過不同的處理方式，主要成分為FeO，固溶有少量MgO相的以立方體或塊體的不同形式存在，說明壓力及冷卻方式的改變對晶體的顯微構造影響比較大。

（3）磁選出含鐵量較高的鋼渣可返回冶煉系統(tǒng)回收利用，尾渣穩(wěn)定性良好，浸水膨脹率＜2%，可供建材、水泥等行業(yè)進行深加工綜合利用，實現(xiàn)了轉爐鋼渣的循環(huán)利用，每年可有效處理轉爐鋼渣超過124萬噸，經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著。

參考文獻：

[1] 陳麗云, 張春霞, 許海川, 等. 鋼鐵工業(yè)二次能源產(chǎn)生量分析[J]. 過程工程學報, 2006, 6(S1): 123-127.

[2] Shi C, Qian J. High performance cementing materials from industrial slags — A review[J]. Resources Conservation & Recycling, 2000, 29(3): 195-207.

[3] Tsakiridis P E, Papadimitriou G D, Tsivilis S, et al. Utilization of steel slag for Portland cement clinker production[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 152(2): 805-811.

[4] Wang Q, Yan P. Hydration properties of basic oxygen furnace steel slag[J]. Construction & Building Materials, 2010, 24(7): 1134-1140.

[5] 章耿. 寶鋼鋼渣綜合利用現(xiàn)狀[J]. 寶鋼技術, 2006(01): 20-24.

[6] 丁新榜, 李建新, 余其俊, 等. 鋼渣膠凝性能的優(yōu)化及其在線重構的研究[C]. 全國水泥和混凝土化學及應用技術會議, 南京, 2007.

[7] 吳志宏, 鄒宗樹, 王承智. 轉爐鋼渣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的再利用[J]. 礦產(chǎn)綜合利用, 2005(06): 25-28.