杜鑫，聶文海，柴星騰，石國(guó)平

1 前言

鋼渣是煉鋼時(shí)排出的固體廢棄物，主要包括鐵水與廢鋼中所含元素氧化后形成的氧化物、金屬爐料帶入的雜質(zhì)、造渣劑及氧化劑、脫硫產(chǎn)物和被侵蝕的爐襯材料等。根據(jù)煉鋼工藝的不同，所產(chǎn)生的鋼渣可分為轉(zhuǎn)爐鋼渣、電爐鋼渣、精煉渣、預(yù)處理渣和鑄余渣等。根據(jù)處理工藝的不同，鋼渣又可分為熱悶渣、熱潑渣、滾筒渣、盤(pán)潑渣、?；取?/p>

鋼渣主要由CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、fCaO等化學(xué)成分組成，其中，CaO占比最大，約40%～55%。有的鋼渣中還含有V2O5、TiO2等。從鋼渣的礦物組成來(lái)看，主要包括硅酸二鈣、橄欖石、鎂薔薇輝石、硅酸三鈣、RO相、納蓋斯特石和少量金屬鐵等，其中，硅酸二鈣和硅酸三鈣可達(dá)45%[1]。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為9.96億噸，而每煉1t鋼約產(chǎn)生鋼渣0.1～0.15t，鋼渣產(chǎn)生量約1.4億噸，但鋼渣的綜合利用率不高，約20%～30%。從現(xiàn)有技術(shù)條件來(lái)看，鋼渣的資源化利用途徑有很多，如做燒結(jié)料、建材輔助膠凝材料、路基填料、混凝土骨料、肥料、環(huán)保處理材料等[2]，其中，最具有大規(guī)模利用前景的是用作建材輔助膠凝材料。目前，鋼渣用作輔助膠凝材料的主要技術(shù)瓶頸是鋼渣活性低、易磨性差、有潛在的安定性風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)研究表明[3]，鋼渣磨細(xì)后，富集的fCaO均勻分散，不會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生膨脹性危害。因此，如何提高鋼渣活性、降低鋼渣粉磨電耗，成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。

提高鋼渣活性的方式主要有機(jī)械活化、化學(xué)活化和熱力活化等，其中，機(jī)械活化是成本最低的實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)粉磨裝備實(shí)現(xiàn)鋼渣機(jī)械活化，是將鋼渣粉磨細(xì)化，使鋼渣在微觀結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生晶格畸變，從而提高鋼渣微粉的活性。目前主要有輥磨終粉磨、輥壓機(jī)終粉磨、輥壓機(jī)球磨機(jī)聯(lián)合粉磨、球磨機(jī)終粉磨、筒輥磨終粉磨等鋼渣粉磨技術(shù)，其中，以輥磨、輥壓機(jī)等為代表的料床粉磨裝備最具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)[4]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐，開(kāi)展了不同金屬鐵含量、鋼渣易磨性以及除鐵裝置對(duì)粉磨電耗的影響研究，現(xiàn)將所得結(jié)果介紹如下。

2 試驗(yàn)研究

（1）邦德粉磨功指數(shù)

依據(jù)GB/T 26567-2011水泥原料易磨性試驗(yàn)方法（邦德法），采用φ305mm×305mm球磨機(jī)，進(jìn)行鋼渣物料易磨性試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程中，將試樣破碎至粒度＜4mm，混勻測(cè)定700ml松散試樣的質(zhì)量，裝入球磨機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，待磨機(jī)每轉(zhuǎn)實(shí)際成品量（G值）均很接近平衡狀態(tài)時(shí)（循環(huán)負(fù)荷250%），以最后2～3次試驗(yàn)的G值求其算術(shù)平均值，按式（1）求得粉磨功指數(shù)：

式中：

Wi——粉磨功指數(shù)，MJ/t

P——成品篩的篩孔尺寸，μm

G——平衡狀態(tài)下三個(gè)Gj的平均值，g/r

P80——成品的80%通過(guò)粒度，μm

F80——試樣的80%通過(guò)粒度，μm

（2）TRM5.6輥磨試驗(yàn)

TRM5.6輥磨磨盤(pán)直徑為560mm，產(chǎn)量400～600kg/h，其試驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程和工業(yè)化輥磨終粉磨系統(tǒng)完全一致，TRM5.6輥磨試驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)采用集中控制，可調(diào)節(jié)、記錄有關(guān)參數(shù)；試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)整喂料量控制系統(tǒng)功耗，最后通過(guò)稱(chēng)量成品質(zhì)量計(jì)算產(chǎn)量和電耗。

圖1 TRM5.6輥磨試驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 金屬鐵含量對(duì)粉磨功指數(shù)的影響

眾所周知，將物料由粗粒級(jí)粉磨至細(xì)粒級(jí)，需要消耗一定的能量，對(duì)于如何表征物料細(xì)度變化所需要的能量，各國(guó)學(xué)者提出了不同的理論，其中公認(rèn)的粉磨理論包括傳統(tǒng)的雷廷格、基克和邦德三派“粉碎”學(xué)說(shuō)。邦德粉磨功指數(shù)是基于邦德裂縫學(xué)說(shuō)，在粉磨領(lǐng)域被廣泛使用，其所得結(jié)果數(shù)值越大表示物料越難磨。本研究采用邦德粉磨功指數(shù)作為表征鋼渣易磨性的方法之一，用于判斷鋼渣的易磨性差異。

以廣東某鋼廠的熱悶鋼渣為原材料，分別做破碎未除鐵、簡(jiǎn)單破碎一道除鐵、破碎多道除鐵處理，測(cè)定不同金屬鐵含量下的鋼渣粉磨功指數(shù)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同鐵含量下的鋼渣粉磨功指數(shù)

從表1可以看出，隨著鋼渣預(yù)處理除鐵作用強(qiáng)度的增大，金屬鐵含量逐步下降，鋼渣的粉磨功指數(shù)從26.7kW·h/t降低至21.3kW·h/t，降幅達(dá)20.2%。這主要是因?yàn)榉勰スχ笖?shù)采用間歇式球磨機(jī)試驗(yàn)，粉磨過(guò)程中金屬鐵不能有效排出，一直停留在磨內(nèi)影響粉磨效率，宏觀表現(xiàn)為粉磨能耗增大、粉磨功指數(shù)增加。

以公司粉磨功指數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，鋼渣的邦德粉磨功指數(shù)最小值為14.5kW·h/t，最大值為35.5kW·h/t（樣品數(shù)量103個(gè)），波動(dòng)范圍較寬，不同鋼渣的易磨性差距較大，但多數(shù)集中在25～30kW·h/t。從易磨性差異情況來(lái)看，鋼渣易磨性的差異與鋼渣處理工藝、鋼渣中金屬鐵含量明顯相關(guān)。

中山大學(xué)趙計(jì)輝等[5]采用球磨機(jī)設(shè)備，將鋼渣粉磨不同時(shí)間后，測(cè)定0.9mm篩的篩上物成分，發(fā)現(xiàn)粉磨前期鋼渣中0.9mm篩的篩上物為鈣鐵相、RO相和金屬鐵相，而粉磨后期鋼渣中難磨相主要為金屬鐵相，且粉磨時(shí)間越長(zhǎng)，金屬鐵相的含量越高，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。鋼渣的比表面積一般控制在≥4 500cm2/g，D50在18～20μm，粒徑小，由此可以看出，鋼渣粉磨過(guò)程中的除鐵對(duì)鋼渣粉磨電耗影響較大。

圖2 不同粉磨時(shí)間下的篩上物中金屬鐵含量

3.2 金屬鐵含量對(duì)輥磨電耗的影響

TRM5.6輥磨試驗(yàn)系統(tǒng)可以滿足水泥、礦渣、鋼渣、尾礦等多種物料的半工業(yè)化試驗(yàn)，同時(shí)滿足公司新技術(shù)開(kāi)發(fā)的需要[6]。以此為基礎(chǔ)，已建成多套30～100萬(wàn)噸/年的鋼渣輥磨生產(chǎn)線。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與工業(yè)應(yīng)用的對(duì)比，該輥磨試驗(yàn)結(jié)果與工業(yè)應(yīng)用實(shí)際情況一致。

以廣東某鋼廠的熱悶鋼渣為原材料，分別做破碎未除鐵、簡(jiǎn)單破碎一道除鐵、破碎多道除鐵處理，采用輥磨粉磨鋼渣，并統(tǒng)一換算至比表面積4 500cm2/g，其粉磨電耗數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3、表2。

從表2和圖3可以看出，隨著入磨物料鐵含量的降低，輥磨粉磨電耗從42.6kW·h/t下降至28.9kW·h/t，下降幅度達(dá)到32%；鋼渣中金屬鐵含量與粉磨電耗呈指數(shù)相關(guān)性，金屬鐵含量越高，粉磨電耗越高，且金屬鐵含量對(duì)輥磨電耗的影響程度大于邦德功指數(shù)。輥磨電耗絕對(duì)值大于邦德功指數(shù)，是因?yàn)闇y(cè)試方法不同。邦德功指數(shù)控制的是80μm物料的通過(guò)量，而輥磨控制的是比表面積為4 500cm2/g的物料，輥磨粉磨的鋼渣物料更細(xì)。

表2 不同金屬鐵含量下的輥磨粉磨電耗

圖3 不同金屬鐵含量對(duì)粉磨電耗的影響

輥磨電耗變化幅度大于邦德磨功指數(shù)，是因?yàn)殇撛械慕饘勹F與渣是相互包覆存在的，只有鋼渣被粉磨至一定細(xì)度，鐵才能被剝離出來(lái)。鐵含量越高，金屬鐵和渣剝離需要的能耗越高。輥磨系統(tǒng)中設(shè)置除鐵裝置，鋼渣中的金屬鐵在粉磨過(guò)程中被及時(shí)排出，粉磨能量損失少、電耗低，隨著金屬鐵含量的降低，電耗明顯下降；球磨機(jī)粉磨時(shí)，金屬鐵一直在球磨機(jī)內(nèi)，無(wú)法排出，且物料細(xì)度控制偏粗，隨金屬鐵含量的增加，邦德功指數(shù)增加幅度小于輥磨。另外，對(duì)于輥磨而言，入磨物料中金屬鐵含量的降低，可以改善輥磨運(yùn)行的穩(wěn)定性，磨機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，能量利用率高。因此，輥磨電耗降幅更大，在工業(yè)應(yīng)用中也已得到了驗(yàn)證。

從工業(yè)應(yīng)用情況來(lái)看，2014年，我公司年產(chǎn)30萬(wàn)噸鋼渣輥磨在江蘇某公司投入使用，采用TRMG32.2輥磨，裝機(jī)功率1 600kW，磨盤(pán)直徑3.2m。該輥磨系統(tǒng)除具有完善的原料破碎除鐵預(yù)處理系統(tǒng)外，在輥磨粉磨工藝系統(tǒng)中還采用了多重除鐵技術(shù)，入磨的金屬鐵含量基本在1.0%～1.5%。粉磨純鋼渣時(shí)，控制比表面積≥4 500cm2/g，輥磨電耗僅25～28kW·h/t。河北某企業(yè)采用TRMG45.2粉磨鋼渣，裝機(jī)功率3 350kW，磨盤(pán)直徑4.5m，入磨金屬鐵含量也在1.5%以下，粉磨純鋼渣時(shí)，控制比表面積4 700～4 800cm2/g，輥磨電耗僅26～29kW·h/t。

2017年，年產(chǎn)30萬(wàn)噸規(guī)模的鋼渣輥磨在浙江某企業(yè)投產(chǎn)運(yùn)行，受場(chǎng)地等條件限制，未使用原料破碎除鐵系統(tǒng)，入磨的金屬鐵含量基本在3.5%～4.0%。粉磨純鋼渣時(shí)，控制比表面積≥4 300cm2/g，輥磨電耗達(dá)41～44kW·h/t，生產(chǎn)成本大幅增加。河北某企業(yè)擁有60萬(wàn)噸/年鋼渣微粉生產(chǎn)線，入磨金屬鐵含量基本在3%，粉磨純鋼渣時(shí)，控制比表面積≥4 500cm2/g，粉磨主機(jī)電耗約40kW·h/t。由此可見(jiàn)，控制入磨金屬鐵含量是降低輥磨粉磨電耗、節(jié)約粉磨能耗的重要措施之一。

根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的情況反饋，建議鋼渣入磨金屬鐵含量控制在<1.5%，并在粉磨系統(tǒng)中配置高效除鐵裝置。金屬鐵含量的增加不僅會(huì)導(dǎo)致粉磨電耗增加，更會(huì)降低耐磨件的使用壽命[7]、增加運(yùn)行維護(hù)成本。對(duì)于鋼渣金屬鐵含量＞1.5%的原料，可以配套適宜的破碎除鐵預(yù)處理系統(tǒng)。從現(xiàn)有的破碎除鐵預(yù)處理系統(tǒng)的除鐵效果來(lái)看，多數(shù)鋼渣可以實(shí)現(xiàn)金屬鐵含量1.0%～1.5%。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著鋼渣中金屬鐵含量的增加，鋼渣易磨性變差、粉磨能耗增加。工業(yè)制備鋼渣微粉時(shí)，建議將鋼渣入磨金屬鐵含量控制在1.5%以下，并在粉磨系統(tǒng)中配置高效除鐵裝置，以降低粉磨能耗、降低生產(chǎn)維護(hù)成本。