張仲起

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北 唐山）

引言

結(jié)合我國實(shí)際情況來看，我國是鋼金屬生產(chǎn)大國，每年都會生產(chǎn)大量的粗鋼，如2020 年，我國的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破10 億噸大關(guān)，成為全球第一個鋼金屬年產(chǎn)量達(dá)到10 億噸的國家。但在粗鋼生產(chǎn)過程中也不可避免地會產(chǎn)生固體廢棄物，如冶煉一噸粗鋼后，約會產(chǎn)生鋼渣120～150 kg，而生產(chǎn)10 噸的粗鋼，則約會產(chǎn)出1 200～1 500 kg 的鋼渣。對于鋼渣的處理而言，多數(shù)企業(yè)是以熱潑法為主，這種方法雖然具有使用簡便的特點(diǎn)，然而也存在鐵回收效率低、鋼渣安定性難以保證的問題。采用輥壓破碎-熱悶新型鋼渣處理法則可以有效解決以上相關(guān)問題，提高鋼渣處理效率[1]。

1 熔融鋼渣的組成及基本性質(zhì)

從鋼渣的物理成分組成來看，它是由生鐵中的硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)在熔煉過程中氧化而成的各種氧化物以及這些氧化物與溶劑反應(yīng)生成的鹽類所組成。鋼渣中含有較多的有用成分，包括有金屬鐵，占比2%～8%；氧化鈣，占比40%～60%；氧化鎂占比為3%～10%；鋼渣中還含有硅酸二鈣、鐵酸二鈣和游離氧化鈣等。鋼渣屬于熟料物質(zhì)，具有熔化溫度低的特征，重新熔化時，液相形成較早、流動性好[2]。

從鋼渣的化學(xué)特性來看，其與水泥熟料具有一定類似性，是一種潛在的活性膠凝材料，但也含有大量不穩(wěn)定的游離成分，包括CaO、FeO、MgO 等，這對于鋼渣的安定性具有較大的影響。鋼渣的堿度約為1.55，屬于低堿物質(zhì)。基于實(shí)際調(diào)查研究可知，我國煉鋼企業(yè)的鋼渣化學(xué)成分含量存在一定不同[3]。不同煉鋼企業(yè)煉鋼鋼渣的化學(xué)成分如表1 所示。

表1 不同煉鋼企業(yè)煉鋼鋼渣的化學(xué)成分對比

2 熔融鋼渣輥壓破碎的原理

鋼渣輥壓破碎是指在熔爐中進(jìn)行破碎處理，如圖1所示，是指將鋼渣加熱至1 200～1 600 ℃，實(shí)現(xiàn)對鋼渣的熔融處理，此時需要對鋼渣熔融狀態(tài)進(jìn)行檢測、對熔融鋼渣的粒徑進(jìn)行測定，待合格后再進(jìn)行有效回收熱悶處理，具體是將1 650 ℃左右的鋼渣直接傾翻在熱悶裝置內(nèi)，噴水使其表面固化，然后蓋上裝置蓋間斷噴水，直到鋼渣溫度降到65 ℃左右時熱悶結(jié)束，由此實(shí)現(xiàn)對鋼渣的回收利用。

圖1 輥壓破碎現(xiàn)場

為了保障輥壓破碎的有效性，該系統(tǒng)設(shè)備集合了智能化、信息化技術(shù)，如結(jié)合了紅外智能測溫系統(tǒng)，可以對輥壓破碎過程的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，這可以幫助煉鋼單位有效調(diào)節(jié)輥壓破碎系統(tǒng)的工藝參數(shù)，如可以調(diào)節(jié)打水時間、輥壓破碎時間、破碎輥頻率等，從而確保輥壓破碎系統(tǒng)的運(yùn)行效率，使其達(dá)到最佳的破碎效果；在視覺識別技術(shù)的作用下，可以捕捉和定位大塊鋼渣，加大的對鋼渣的破碎力度，從而保障破碎質(zhì)量，這也便于后續(xù)的熱悶處理，確保鋼渣處理具有較高的品質(zhì)保障[4]。

實(shí)際的溫度測定環(huán)節(jié)，是通過紅外熱像儀進(jìn)行在線監(jiān)測，在信息技術(shù)的作用下，可以精準(zhǔn)、快速地獲取渣床全局的溫度分布狀態(tài)，溫度測定環(huán)節(jié)并不會影響現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)度，為鋼渣輥壓提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。溫度測定如圖2 所示。

圖2 溫度測定示意

輥壓破碎環(huán)節(jié)，經(jīng)破碎后的鋼渣粒徑均應(yīng)小于300 mm，但也可能出現(xiàn)較大塊鋼渣未有效破碎的現(xiàn)象。此時通過圖像識別方法可以自動捕捉軋床上的大塊鋼渣粒徑，并通過計算分析得出鋼渣粒徑的大小情況，當(dāng)存在較多粒徑較大的鋼渣時，系統(tǒng)會發(fā)出預(yù)警提醒工作人員進(jìn)行多次輥壓破碎。粒徑監(jiān)測示意如圖3 所示。

圖3 鋼渣粒徑大小識別

輥壓破碎完成后，會對破碎后的鋼渣進(jìn)行有壓熱悶，熱悶后可以實(shí)現(xiàn)對鋼渣的細(xì)化處理，由此實(shí)現(xiàn)鋼渣的有效回收及利用?；跓釔炘韥碇v：熔融鋼渣會在高溫下形成完整的晶體，但也會融入FeO、MgO 等大量雜質(zhì)，導(dǎo)致其具有韌性強(qiáng)、易磨性差、活性偏低等特征，鋼渣中的主要成分即CaO、MgO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、單質(zhì)鐵、MnO 等，礦物組分包括C3S、Ca3MgSi2O8、C2S、C4AF 和含有鐵、磷氧化物固熔體的RO 相以及游離氧化鈣等。通過有壓熱悶和對鋼渣的噴淋處理，可以使鋼渣形成溫度穩(wěn)定的小粒度鋼渣。熱悶溫度為500～600 ℃，壓力(0.28±0.02)MPa，噴霧遇高溫?zé)嵩螽a(chǎn)生的飽和蒸汽與鋼渣中的f-CaO 反應(yīng)生成Ca(OH)2，體積膨脹98%；與f-MgO 發(fā)生反應(yīng)得到的Mg(OH)2，體積膨脹148%，鋼渣在化學(xué)反應(yīng)下出現(xiàn)了開裂、粉化和渣鐵分離，f-CaO 和f-MgO 都在這個過程中被完全消解，得到的鋼渣粒徑約70%左右在20 mm 以下，平均含水量低于12%，具有較好的穩(wěn)定性、活性和易磨性，同時環(huán)保效果有所提升，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼渣固廢100%資源化利用。

3 鋼渣處理常用工藝特點(diǎn)比較

從國內(nèi)外工業(yè)企業(yè)對鋼渣一次處理的現(xiàn)狀來看，涉及多種方法的應(yīng)用，如有熱潑處理法、風(fēng)淬法、池式熱悶法、滾筒法以及輥壓熱悶法五種。我國鋼渣處理以熱潑法、風(fēng)淬法、輥壓熱悶法的應(yīng)用最為普遍。不同工藝的特點(diǎn)也不盡相同[5]。

熱潑法，這種工藝方法相對簡單，主要是將磚爐液態(tài)鋼渣裝入到液態(tài)渣罐中，再利用跨車、火車等運(yùn)輸機(jī)械將其運(yùn)輸?shù)綄Ｓ娩撛鼰釢娞幚韽S中，處理廠在接收相關(guān)鋼渣后會將鋼渣進(jìn)行水冷處理；水冷處理后，將鋼渣再次運(yùn)輸，運(yùn)輸至二次處理產(chǎn)線中，由二次產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)對鋼渣的篩分、磁選、分選，再將分選后的鋼渣加以利用?；谠摴に嚨奶攸c(diǎn)來看，存在施工簡單、方便的特征，但存在粗放式處理的特征，且涉及的占地空間較大、產(chǎn)生的粉塵較多，容易造成環(huán)境的污染，同時相關(guān)資本投入也較多。

風(fēng)淬法，該工藝方法是指將液體鋼渣直接裝入專用的罐體中，再使用吊車將渣罐懸置于空中，此時鋼渣會從罐體的篩孔中自由落下，再利用高速流動的空氣對液態(tài)的鋼渣進(jìn)行沖擊、分割，從而使鋼渣成為指定大小的結(jié)構(gòu)單元，最后鋼渣落入到水池中，直接成為固態(tài)球狀鋼渣。這種工藝方法可以得到良好的鋼渣處理品質(zhì)，但處理過程存在諸多不足之處，如將鋼渣罐進(jìn)行吊起需要較多設(shè)備、空間等，且對于鋼渣的風(fēng)冷加工會產(chǎn)生較大的噪音，嚴(yán)重威脅到環(huán)境健康。

鑒于以上方法的不足，輥壓破碎-熱悶法應(yīng)運(yùn)而生，這種工藝方法總結(jié)了前三代鋼渣處理工藝的優(yōu)勢，并在劣勢上給予了有效補(bǔ)足，且借助現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋼渣處理環(huán)節(jié)的自動化、潔凈化、裝備化。輥壓破碎熱悶法主要為破碎與熱悶兩個工藝環(huán)節(jié)，先是對鋼渣進(jìn)行輥壓破碎處理，輥壓破碎過程中是按照一定的方式進(jìn)行，如涉及對倒入輥壓區(qū)的熔融鋼渣進(jìn)行輥壓，同時配合打水作業(yè)，由此實(shí)現(xiàn)對鋼渣粉碎加工的效果；待鋼渣受到輥壓力和冷卻應(yīng)變力破碎后，鋼渣會直接運(yùn)輸?shù)脚_車中，再由吊裝設(shè)備運(yùn)輸至有壓熱悶罐體中；待鋼渣裝入罐體后，進(jìn)行打水熱悶。有壓熱悶罐的工作壓力約為0.2～0.6 Mpa，在有壓熱悶狀態(tài)下，使鋼渣中的游離鈣、鎂加快了反應(yīng)速度，加快了對鋼渣的碎化處理進(jìn)度。這種工藝方法，能源消耗低，可處理各種溫度、狀態(tài)的鋼渣，處理率達(dá)100%，尾渣穩(wěn)定性好，可全部利用。上述工藝方法的主要技術(shù)參數(shù)對比如表2 所示。

表2 熔融鋼渣處理技術(shù)主要參數(shù)對比

4 熔融鋼渣輥壓破碎機(jī)制的實(shí)際應(yīng)用與能效分析

4.1 某煉鋼企業(yè)鋼渣處理工程概述

某煉鋼企業(yè)的經(jīng)營發(fā)展中，為了更好的處理鋼渣，決定建設(shè)熔融鋼渣輥壓破碎工藝產(chǎn)線。實(shí)際的產(chǎn)線建設(shè)階段，企業(yè)從實(shí)際需求出發(fā)，對鋼渣輥壓破碎-熱悶處理工藝產(chǎn)線進(jìn)行了深入的設(shè)計，并根據(jù)設(shè)計方案完成了該產(chǎn)線的建設(shè)。產(chǎn)線鋼渣處理標(biāo)準(zhǔn)為60 萬噸/年，現(xiàn)已投入實(shí)際運(yùn)行，鋼渣處理效果良好。

4.2 鋼渣特點(diǎn)

鑒于企業(yè)煉鋼生產(chǎn)實(shí)際情況，煉鋼階段通常會添加大量的石灰石，由于煉鋼速度較快，鋼渣中呈現(xiàn)較多的CaO、MgO 等元素，這種元素是以游離狀態(tài)包裹在鋼渣中?；阡撛倪@一特點(diǎn)，有機(jī)結(jié)合輥壓熱悶工藝具有積極意義，如可以將鋼渣封閉于熱悶容器中，再對熱態(tài)鋼渣進(jìn)行施水，使其產(chǎn)生過飽和水蒸氣，促進(jìn)鋼渣中f-CaO 和水蒸氣快速反應(yīng)、消解。

4.3 熔融鋼渣輥壓破碎機(jī)制與能效分析

該企業(yè)的鋼渣處理環(huán)節(jié)，決定有機(jī)結(jié)合輥壓破碎-有壓熱悶技術(shù)的應(yīng)用。該技術(shù)方法的運(yùn)用過程中，主要分為鋼渣輥壓破碎、余熱有壓熱悶兩個階段。

輥壓破碎階段：煉鋼完成后會剩下高溫液態(tài)熔融鋼渣，對于這些鋼渣主要是用渣罐車進(jìn)行運(yùn)輸，將其運(yùn)輸至密閉的工作區(qū)域進(jìn)行傾翻倒渣；待傾翻倒渣完畢后，輥壓破碎機(jī)開始運(yùn)作，將高溫鋼渣進(jìn)行冷卻破碎。輥壓破碎機(jī)運(yùn)行過程中會按照一定的速度進(jìn)行作業(yè)，確保破碎工作的有效性。破碎階段還包括對高溫熔融鋼渣的攪拌、拌和等，確保輥壓破碎的均勻性、穩(wěn)定性。為了保障破碎的有效性，破碎過程會往復(fù)運(yùn)行，由此確保鋼渣破碎的質(zhì)量。破碎時間是根據(jù)鋼渣的運(yùn)輸批次決定，常規(guī)情況下，一批次的鋼渣需要持續(xù)破碎30 min。經(jīng)過持續(xù)地對鋼渣進(jìn)行輥壓破碎，也可以實(shí)現(xiàn)對鋼渣的快速冷卻，如可以將初始狀態(tài)為1 300 ℃的鋼渣冷卻至600～800 ℃。

余熱有壓熱悶階段：為了實(shí)現(xiàn)對鋼渣的高效處理、有效再利用，待完成對鋼渣的輥壓破碎后，還需要及時對鋼渣進(jìn)行熱悶處理。對于鋼渣的余熱有壓熱悶具體是指借助罐體單元進(jìn)行熱悶，實(shí)現(xiàn)對鋼渣的深度加工。具體而言，待完成對鋼渣的輥壓破碎后，直接將鋼渣運(yùn)輸至專用的罐體內(nèi)，然后進(jìn)行噴水、噴水后進(jìn)行密封，實(shí)現(xiàn)對鋼渣的消解處理；在水蒸氣影響下，可以消解鋼渣中的游離氧化鈣、游離氧化鎂等物質(zhì)。余熱有壓熱悶工藝的持續(xù)時間為2 h 左右。從該工藝實(shí)施后的效果來看，鋼渣的穩(wěn)定性良好，鋼渣中的游離氧化鈣含量小于3%，浸水膨脹率小于2%。

從鋼輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行使用特點(diǎn)來看，熱悶過程中的工作壓力僅為0.4 Mpa；鋼渣處理時間短，輥壓破碎時間為30 min、熱悶時間為2～3 h，由此可以加快對鋼渣的處理，滿足企業(yè)快速生產(chǎn)發(fā)展方面的需求；分化率高，經(jīng)過輥壓破碎、熱悶處理后，鋼渣的粉化可以達(dá)到100%，且粒徑達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對于鋼渣的二次處理、再利用可以提高有效的幫助；降低了資本投入，由于輥壓破碎、熱悶處理工藝實(shí)現(xiàn)了自動化操作，因而相關(guān)維護(hù)、管理、控制工作均可以借助計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行操控，這提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力資本上的投入，降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本。

進(jìn)一步而言，在企業(yè)建設(shè)輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術(shù)產(chǎn)線后，鋼渣處理速度明顯加快，對比之前縮短了7～10 h；能耗上也具有明顯的節(jié)省，噸渣電耗7.25 kWh、噸渣新水耗量0.3～0.4 t。與既往的鋼渣處理工藝相比，約節(jié)省了40%的成本投入；熔融后的鋼渣指標(biāo)提升，浸水膨脹率1.6%、游離氧化鈣含量2.2%；鋼渣粉化率提高，粒徑小于20 mm 鋼渣約達(dá)到72.5%。

5 結(jié)論

綜上所述，我國是煉鋼大國，每年生產(chǎn)的粗鋼量巨大，同時產(chǎn)生的鋼渣量也十分驚人。而將鋼渣進(jìn)行直接排放既會造成環(huán)境的破壞、污染，也會造成企業(yè)巨大的經(jīng)濟(jì)損失發(fā)生。因此，對鋼渣進(jìn)行科學(xué)合理的處理尤為重要。而對于鋼渣的處理而言，傳統(tǒng)工藝中的熱潑法、滾筒法等顯得效率不高，使用后產(chǎn)生的收益也相對較少。因此，輥壓破碎-余熱熱悶處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，具有處理鋼渣效率高、呈現(xiàn)出更多經(jīng)濟(jì)回報的現(xiàn)象。但對于該工藝方法的應(yīng)用，確保輥壓破碎機(jī)制的有效也十分必要，對此，本次對輥壓破碎機(jī)制的有效性進(jìn)行了分析，并針對能效進(jìn)行了探究，從探究結(jié)果來看，切實(shí)可以幫助到煉鋼企業(yè)提升對鋼渣的處理效率，且可以創(chuàng)造更多的產(chǎn)值、節(jié)省運(yùn)營成本，并不會對環(huán)境造成污染、破壞，這不僅利于為有關(guān)企業(yè)提供有效的鋼渣處理參照，也利于推動我國煉鋼工業(yè)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。