趙旭章，俞海明

（1.新疆八鋼佳域工貿(mào)總公司；2.新疆八一鋼鐵股份有限公司）

轉(zhuǎn)爐鋼渣熱能回收利用的理論分析和實(shí)踐

趙旭章1，俞海明2

（1.新疆八鋼佳域工貿(mào)總公司；2.新疆八一鋼鐵股份有限公司）

鋼渣的熱能回收利用，是目前國(guó)內(nèi)外冶金企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。八鋼公司自主開(kāi)發(fā)了利用鋼渣熱能改質(zhì)、利用鋼渣烘烤潮濕原輔料等工藝方法，實(shí)踐結(jié)果表明，通過(guò)梯級(jí)利用鋼渣熱能的工藝方法獲得了好的效果。

鋼渣；熱能回收；熱能利用

1 前言

轉(zhuǎn)爐鋼渣的溫度高于鋼水溫度的，并且鋼渣的熱熔值較大。熔融鋼渣溫度在1400～1750℃,渣的比熱容約為1.25kJ/（kg·℃）。通過(guò)計(jì)算可知，鋼渣從1400℃降低到400℃，每噸熔渣可回收1.2×109J的顯熱，相當(dāng)于40kg標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒后所產(chǎn)生的熱量[1]。所以回收轉(zhuǎn)爐鋼渣的熱能，能夠降低鋼鐵企業(yè)的能耗。八鋼公司通過(guò)多種途徑回收利用轉(zhuǎn)爐鋼渣熱能，并取得了很好的節(jié)能降耗效果。

2 轉(zhuǎn)爐鋼渣熱能利用的難點(diǎn)

由于鋼渣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，鋼渣的主要巖相結(jié)構(gòu)屬于硅酸鹽相，硅酸鹽類(lèi)爐渣有如下特點(diǎn)[2]∶

（1）導(dǎo)熱系數(shù)低，1400～1500℃的液相階段約為0.1～0.3W/（m·K），玻璃相階段為1～2W/(m·K)，晶體相階段約為7W/(m·K)，平均的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.4 W/（m·K）。

（2）鋼渣的粘度隨溫度降低急劇升高，鋼渣的預(yù)處理工藝和鋼渣的結(jié)晶過(guò)程有著較為緊密的聯(lián)系，鋼渣的處理工藝過(guò)程中，各項(xiàng)渣處理的工藝參數(shù)波動(dòng)較大。

（3）熔渣熱焓大，鋼渣中的熱含量隨著渣的溫度變化波動(dòng)很大，加上其導(dǎo)熱率低，換熱慢，換熱介質(zhì)難以選擇。

（4）轉(zhuǎn)爐液態(tài)鋼渣采用水淬工藝處理，高溫蒸汽內(nèi)含有的f-CaO對(duì)于回收熱能的設(shè)備損壞嚴(yán)重。

鋼渣的特性決定了回收回收其含有的熱能工藝難度大。通過(guò)冶金工作者的不懈努力，鋼渣顯熱回收利用技術(shù)開(kāi)發(fā)已有成功的方法，這些工藝方法主要是利用渣處理過(guò)程中的空氣或者蒸汽帶走的鋼渣熱能,用于發(fā)電、取暖等。

3 轉(zhuǎn)爐鋼渣熱能利用的實(shí)踐

八鋼3×120t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線(xiàn)，產(chǎn)能350萬(wàn)t/年，年產(chǎn)42萬(wàn)t轉(zhuǎn)爐鋼渣。

轉(zhuǎn)爐鋼渣的噸鋼渣量，95～150 kg/t；

轉(zhuǎn)爐的渣罐重量，28～33t；

轉(zhuǎn)爐渣罐的容積，11m3；

轉(zhuǎn)爐鋼渣的渣溫，1400～1750℃。

對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼渣采用熱悶渣工藝處理，針對(duì)鋼渣的熱能回收利用研究與工藝方法的應(yīng)用探索已經(jīng)有4年，鋼渣的余熱被用于煉鋼生產(chǎn)中。

3.1 利用液態(tài)鋼渣的熱能處理部分冶煉渣

該廠鋼渣余熱的利用最初的思路是利用鋼渣的熱能，用于鋼渣的改質(zhì)。即將鋼廠產(chǎn)生的其它不能夠用于熱悶渣處理的冶煉渣，加入到高溫液態(tài)轉(zhuǎn)爐鋼渣中間，利用鋼渣的熱能促進(jìn)鋼渣的改質(zhì)反應(yīng)。進(jìn)行改質(zhì)反應(yīng)的主要是轉(zhuǎn)爐的脫硫渣和高爐的瓦斯灰，軋鋼的含酸塵泥與含油氧化鐵泥。將這部分冶煉渣加入到轉(zhuǎn)爐的液態(tài)氧化鋼渣中間，利用反應(yīng)吸熱，將轉(zhuǎn)爐的液態(tài)鋼渣迅速降溫到約1400℃，利用熱能將不能夠進(jìn)行熱悶渣處理的冶煉渣加熱到熱悶渣工藝能夠?qū)嵤┑臏囟龋眠@些冶煉渣中間的還原性物質(zhì)還原轉(zhuǎn)爐液態(tài)鋼渣中間的氧化物，將熱能向反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)移，然后將處于接近固態(tài)的鋼渣用于熱悶處理，在隨后的工藝環(huán)節(jié)進(jìn)一步回收利用。運(yùn)行的三年的工藝實(shí)踐表明，這種改質(zhì)的工藝方法，是穩(wěn)定回收鋼渣液態(tài)高溫階段熱能的有效方法之一。

這種工藝方法主要在渣罐內(nèi)進(jìn)行，所以反應(yīng)過(guò)程中的化學(xué)熱基本上是液態(tài)鋼渣提供的，其中脫硫渣改質(zhì)反應(yīng)的主要方程[3]∶

式（1）中的Al來(lái)源于KR脫硫渣中間沒(méi)有反應(yīng)完全的高鋁渣粉，式（2）～（5）的反應(yīng)中間的Si、Mn、C、P等來(lái)源于脫硫渣扒渣過(guò)程中進(jìn)入渣罐的鐵液或者鐵珠。

改質(zhì)反應(yīng)結(jié)束后的氧化物SiO2、MnO、Al2O3等，在溫度合適的條件下，還有可能與渣中的f-CaO和f-MgO進(jìn)行成渣反應(yīng)，有利于鋼渣處理后的穩(wěn)定性改善。其中成渣反應(yīng)需要的熱能仍然來(lái)源于鋼渣的顯熱，鋼渣的成渣反應(yīng)主要方程式∶

3.2 鋼渣余熱用于烘烤潮濕的合金和渣輔料

煉鋼使用的原料，比如螢石、石灰石、白云石等通常在露天堆放。由于雨雪天氣以及在空氣濕度較大的時(shí)候，會(huì)吸潮。它們?cè)跓掍摴に嚟h(huán)節(jié)使用，其中的水分一方面會(huì)吸收煉鋼的熱能，增加能耗；另外一方面，在煉鋼環(huán)節(jié)使用，水分與高溫鋼水接觸，會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，存在潛在發(fā)生爆炸事故的安全隱患。為了減少爆炸事故，提高冶煉鋼水的質(zhì)量，大多數(shù)鋼廠對(duì)于這些原料采用烘烤的方法來(lái)保持干燥，烘烤通常采用燃?xì)夂推渌哪茉唇橘|(zhì)氣體，這種方法會(huì)增加煉鋼工序成本和CO2的排放量。

由于液態(tài)鋼渣中間含有較為豐富的熱能，在1000℃時(shí)，固體堿性渣的比熱容為 1.255kJ/（kg·℃），1650℃液體渣的比熱容約為 2.51kJ/（kg·℃）。在1600～1650℃時(shí)，液體堿性渣的焓變值為1670～2343J/g。轉(zhuǎn)爐渣的焓見(jiàn)表1[4]∶

表1 轉(zhuǎn)爐鋼渣的熱焓值

即每噸1600℃的液態(tài)轉(zhuǎn)爐渣，含有較多的熱能，同時(shí)煉鋼的渣罐采用鑄鋼件制作，既可以盛裝液態(tài)鋼渣，也能夠盛裝一般煉鋼使用的原料，并且渣罐的重量較重。比如一座120t轉(zhuǎn)爐使用的容積為11m3鑄鋼件渣罐，其鑄造重量在30～35t，當(dāng)其盛裝液態(tài)轉(zhuǎn)爐鋼渣以后，渣罐本體在30min左右，溫度達(dá)到350～550℃，倒出其中的鋼渣，向這個(gè)渣罐內(nèi)裝入需要加熱或者干燥的煉鋼原料，在3～6h，渣罐本體的大部分熱能被需要干燥的煉鋼原料吸收，實(shí)現(xiàn)干燥物料的目的。

實(shí)踐中該廠發(fā)現(xiàn)，渣罐在倒出其中的紅熱鋼渣后，從4km的鋼渣廠由特種汽車(chē)?yán)\(yùn)返回到煉鋼廠，冬季環(huán)境溫度在-20℃的時(shí)候，采用紅外線(xiàn)測(cè)溫槍測(cè)得的空渣罐溫度在250～350℃，潮濕物料被加熱到攝氏20℃以上，并且保持4h，渣罐外壁溫度在50℃時(shí)，倒出其中的烘烤物料，就能夠完全烘干潮濕原料中間的水分。

鋼的比熱容為0.47kJ/（kg·℃），按照33t渣罐的鑄造重量計(jì)算，如果60%的熱能被潮濕的原料吸收，則鋼渣的余熱利用為∶

33×1000kg×0.47kJ/（kg·℃）×（300-50）℃× 60%=2326500kJ，相當(dāng)于每次烘烤一次潮濕物料，節(jié)約80kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

3.3 熱悶渣回水余熱用于廠區(qū)取暖

該廠鋼渣熱悶生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)置12個(gè)熱悶裝置，設(shè)計(jì)每個(gè)熱悶裝置平均用水量35m3/h，最大40m3/h，用水壓力0.3～0.4MPa。熱悶過(guò)程中噴水被熱熔鋼渣吸收并蒸發(fā)約為30%，其余為回水，回水溫度80～90℃，熱悶后的回水經(jīng)熱悶池底部裝置的排水孔通過(guò)一道篦網(wǎng)進(jìn)入排水管，經(jīng)排水通廊匯流進(jìn)入回水井，再由液下泵供水至沉淀池，經(jīng)沉淀處理后循環(huán)利用。

該廠鋼渣熱悶裝置多余的回水由底部排水通廊排入回水井，回水溫度在80～90℃，通過(guò)在回水井內(nèi)安裝換熱器進(jìn)行余熱利用，加熱換熱器內(nèi)部循環(huán)使用的采暖管網(wǎng)的水，使經(jīng)過(guò)熱交換后的采暖管道的水溫度達(dá)到規(guī)定值，由水泵將熱水供入供暖管道中，為水路閥門(mén)間、設(shè)備維修間、鋼渣加工生產(chǎn)線(xiàn)供暖。該工藝于2015年9月實(shí)施后，用于鋼渣廠主要休息場(chǎng)所和辦公場(chǎng)所的冬季供暖。

3.4 利用熱悶池內(nèi)紅熱鋼渣烘烤冷固球團(tuán)

冷固球團(tuán)指利用煉鋼和軋鋼的氧化鐵皮，OG泥等含鐵塵泥，在壓球機(jī)上添加粘結(jié)劑壓制成為T(mén)Fe含量在45%以上的含鐵球團(tuán)。球團(tuán)的尺寸控制在30～50mm，直接用于煉鋼，替代煉鋼的球團(tuán)礦、部分廢鋼和鐵礦石等。由于冷固球團(tuán)的粘結(jié)劑多采用水溶性材料，故球團(tuán)在成球以后，需要烘烤去除其中的水分，提高球團(tuán)的強(qiáng)度，減少水分入爐以后對(duì)于冶煉造成的負(fù)面影響。所以國(guó)內(nèi)有部分的廠家采用專(zhuān)門(mén)的烘干設(shè)備，對(duì)冷固球團(tuán)進(jìn)行干燥處理。八鋼鋼渣廠采用在熱悶渣渣池子內(nèi)倒入約150t的紅熱鋼渣，不打水降溫，直接將裝筐的冷固球團(tuán)吊入渣池子內(nèi)，然后蓋上熱悶渣的蓋子，就像蒸饅頭一樣，基本上解決了八鋼每月5000～8000t的球團(tuán)烘烤難題。

3.5 利用紅熱鋼渣烘烤新修砌的鐵水包

煉鋼使用的鐵水包，其外殼由壓力容器鋼制作，內(nèi)壁通常由永久層、隔熱層和工作層組成。其永久層使用鎂鋁澆注料或者鋁碳質(zhì)澆注料澆鑄而成；隔熱層是由輕質(zhì)鎂磚或者硅磚修砌；工作層是與鐵水接觸的耐火磚，通常是由鋁碳磚修砌。由于在修砌過(guò)程中，采用水作為結(jié)合劑使用，新修砌的鐵水包中間含有一定的水分，此外鋁碳質(zhì)在生產(chǎn)過(guò)程中，采用的粘結(jié)劑中間，含有一定的揮發(fā)分，如果直接用于與高溫的鐵水接觸，新鐵水包中間的水分和揮發(fā)分在短時(shí)間內(nèi)受熱氣化，在從磚體和澆注料中間逸出時(shí)，會(huì)引起修砌的耐火材料垮塌等事故，所以鐵水包修砌好以后，需要采用燃料或者燃?xì)鈱?duì)其進(jìn)行烘烤升溫，并且烘烤升溫的供熱制度嚴(yán)格按照從低溫階段向高溫階段緩慢進(jìn)行的原則實(shí)施。

為解決這個(gè)問(wèn)題，該廠利用高溫固態(tài)紅熱鋼渣烘烤新修砌的鐵水包，具體的工藝操作方法∶

（1）將轉(zhuǎn)爐的液態(tài)鋼渣熱潑在渣池子中間，選取一定量的熱潑后凝固的紅熱態(tài)鋼渣（表面發(fā)紅的鋼渣渣溫在750～1100℃）裝入渣罐，然后將紅熱態(tài)鋼渣倒入新修砌好的鐵水包內(nèi)。鐵水包倒入鋼渣前，里面鋪墊部分的廢棄木板，防止鋼渣砸壞鐵水包底部。

（2）按照鐵水包的烘烤曲線(xiàn)，使用熱態(tài)鋼渣烘烤鐵水包。

以上過(guò)程中，按照鐵水包的烘烤升溫曲線(xiàn)，不同烘烤溫度階段（工藝分為200℃、300℃、500℃三個(gè)階段），加入鐵水包的紅熱態(tài)鋼渣的加入量（t）的計(jì)算公式∶

固態(tài)鋼渣的比熱容為1.25kJ（/kg·℃）；耐火材料的比熱容為1.05kJ（/kg·℃）；鋼渣傳熱效率最低時(shí)時(shí)的溫為度300℃。

（3）鐵水包烘烤到500℃，倒出鐵水包內(nèi)的固態(tài)鋼渣，將鐵水包采用燃?xì)饣蛘呷加屠^續(xù)將鐵水包烘烤到900℃，投入使用即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)爐鋼渣的余熱利用是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，目前國(guó)內(nèi)外利用熱能的模式集中在利用熱空氣、蒸汽、高溫水進(jìn)行換熱，然后進(jìn)行下一步的利用。八鋼渣處理工序利用鋼渣余熱的模式，以及取得的實(shí)踐結(jié)果表明，在高溫階段進(jìn)行的改質(zhì)反應(yīng)充分利用了高溫階段的鋼渣熱，是很有效的工藝方法。相對(duì)于固態(tài)紅熱鋼渣的熱能利用的工藝運(yùn)行方法較為穩(wěn)定，也便于操作。

[1]馮向鵬，廖洪強(qiáng)，余廣煒等.融熔鋼渣顯熱回收技術(shù)現(xiàn)狀與展望.全國(guó)能源與熱工.2008學(xué)術(shù)年會(huì)[C],443.

[2]戴曉天，齊淵洪，張春霞.熔融鋼鐵渣干式?；惋@熱回收技術(shù)的進(jìn)展[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2008，（7）∶2.

[3]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，（6）∶23.

[4]陳肇友.煉鋼常用圖表數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京∶冶金工業(yè)出版社，2010.

The Theory Analysis and Practice of Heat Recovery Utilization in Converter Steel-slag Treatment Process

ZHAO Xu-zhang，YU Hai-ming
（1.Xinjiang Bayi Steel Jiayu Industry and Trade Co.；2.Xingjiang Bayi Iron&Steel Stock Co.,Ltd）

The heat energy recycling of steel-slag is the focus of metallurgy enterprise.Bayi Steel independently develops several methods,using steel-slag thermal to improve quality and using steel-slag to roast damp raw materials.According to the practical results,it obtains a good effect with steel-slag thermal cascaded utilization.

steel slag；heat recovery；heat energy utilization

X757

A

1672—4224（2015）04—0042—03

聯(lián)系人：趙旭章，男，39歲，本科，助理工程師，烏魯木齊（830022）新疆八鋼佳域工貿(mào)總公司鋼渣廠

E-mail:zhaoxz@bygt.com.cn