寶鋼鋼渣處理工藝的發(fā)展

寶鋼鋼渣處理工藝的發(fā)展

0次資源回收利用資源的綜合和利用一直是可持續(xù)發(fā)展的主題。寶鋼是以鋼鐵為主業(yè)的大型現(xiàn)代化鋼鐵聯(lián)合企業(yè),在生產(chǎn)過程中涉及大量的二次資源的回收利用,其中,鋼渣的綜合利用一直是我們研究的命題之一。寶鋼的鋼渣按來源分有轉爐渣、電爐渣和鑄余渣,通過有效的管理手段和合理的渣處理工藝,為鋼渣的綜合利用創(chuàng)造了良好的前提條件,使寶鋼鋼渣的綜合利用率達到了很高的水平。1寶塔渣處理1.1淺盤法薄渣水淺盤法亦即ISC工藝(InstantaneousSlagChillProcess),為日本新日鐵公司開發(fā)。寶鋼的淺盤工藝引自新日鐵。流動性較好的A、B、C渣通過渣罐運送至渣處理間,再用120t吊車把渣倒入渣盤中,靜置3~5min,第一次噴水冷卻,噴水2min,停3min,如此重復4次,耗水量約為0.33m3/t,鋼渣表面溫度下降至500℃左右。然后將淺盤中凝固并破碎的鋼渣傾倒在排渣車上,運送到二次冷卻站進行第二次噴水冷卻,噴水4min,耗水量為0.08m3/t,鋼渣溫度下降至200℃左右。再將鋼渣倒入水池內(nèi)進行第三次冷卻,冷卻時間約30min,耗水量0.04m3/t,鋼渣至此溫度降至50~70℃,隨后輸送至粒鐵回收線。淺盤法工藝的優(yōu)點為:(1)用水強制快速冷卻,處理時間短,每爐渣1.5~2.5h即可處理結束,處理能力大;(2)整個過程采用噴水和水池浸泡,減少了粉塵污染;(3)經(jīng)3次冷卻后,大大減少了渣中礦物組成、游離氧化鈣和氧化鎂等所造成的體積膨脹,改善了渣的穩(wěn)定性;(4)處理后鋼渣粒度小而均勻,可減少后段破碎篩分加工工序;(5)采用分段水冷處理,蒸汽可自由擴散,操作安全;(6)整個處理工序緊湊,采用遙控操作和監(jiān)視系統(tǒng),勞動條件好。淺盤法的缺點是鋼渣要經(jīng)過3次水冷,蒸汽產(chǎn)生量較大,對廠房和設備有腐蝕作用,對起重機壽命有影響;另外,淺盤消耗量大,運行成本高。1.2鋼渣回用工藝流程1.鋼渣熱悶罐法處理工藝為:當大塊鋼渣冷卻到300~600℃時,裝入翻斗汽車運至悶罐車間,倒入悶罐內(nèi),蓋上罐蓋。在罐蓋的下方安裝有能自動旋轉的噴水裝置,間斷地向熱渣噴水,使罐內(nèi)產(chǎn)生大量蒸汽,與鋼渣產(chǎn)生復雜的物理化學反應,使鋼渣產(chǎn)生淬裂。鋼渣由于含有游離氧化鈣,遇水后會消解成氫氧化鈣,發(fā)生體積膨脹,使鋼渣崩解粉碎。鋼渣在罐內(nèi)經(jīng)悶解后,一般粉化效果都能達到60%~80%,然后用反鏟挖掘機挖出,進行后步處理。寶鋼現(xiàn)有一、二煉鋼兩條悶罐生產(chǎn)線。一煉鋼主要處理轉爐D渣(流動性最差的)和落錘車間鑄余渣殘渣,稱之為鋼渣悶罐生產(chǎn)線。由于寶鋼渣處理工藝路線使之進入悶罐中的鋼渣溫度在600℃,甚至更低,所以游離氧化鈣消解并不徹底。二煉鋼集中處理所有鐵渣補充悶罐生產(chǎn),使鋼鐵渣處理設施得到了充分利用。該工藝的特點是:機械化程度較高,勞動強度低;由于采用濕法處理鋼渣,環(huán)境污染少,還可以部分回收熱能;處理后,鋼、渣分離好,可提高廢鋼回收率;鋼渣穩(wěn)定性好。1.3基于效率的鋼渣礦產(chǎn)液滾筒法處理工藝是寶鋼在購買俄羅斯專利技術的基礎上,經(jīng)過消化吸收和創(chuàng)新后,于1998年首次進行了工業(yè)化應用。生產(chǎn)實踐表明,該裝置具有流程短、投資少、環(huán)保、處理成本低以及鋼渣穩(wěn)定性好等優(yōu)點。該工藝主要是將液態(tài)鋼渣自轉爐倒入渣罐后,經(jīng)渣罐車運輸至渣處理場,用吊車將渣罐運到滾筒裝置的進渣流槽頂上,并以一定速度倒入滾筒裝置內(nèi),液態(tài)鋼渣在滾筒內(nèi)同時完成冷卻、固化、破碎及鋼渣分離后,經(jīng)板式輸送機排出到渣場,此鋼渣經(jīng)卡車運輸?shù)搅ｈF分離車間進行粒鐵分離后便可直接利用。經(jīng)滾筒法處理后的鋼渣游離氧化鈣基本在4%以內(nèi),其中小于2%的占45%;處理后鋼渣的粒度分布見表1,可見小于15mm的鋼渣約占總量的97%以上,由于滾筒法渣處理可以省卻與I.S.C熱潑法相匹配的粒鐵回收車間以及如排渣車、水池等輔助設施,大大節(jié)約基建投資。滾筒法實現(xiàn)了渣處理工藝的革命,代表了渣處理生產(chǎn)技術的發(fā)展方向,寶鋼已開始實施全面的技術輸出和工業(yè)化生產(chǎn)戰(zhàn)略。2鋼渣的高效綜合利用的條件寶鋼多樣化處理工藝方法,形成了寶鋼不同鋼渣的不同特性。經(jīng)過近10多年來的努力,寶鋼不但扭轉了建廠初期一度鋼渣成災的局面,還形成了強化分類回收、分類加工、分類管理的針對性利用等措施,從工藝、體制及制度上確保鋼渣的源頭管理和分類管理,為鋼渣的綜合利用創(chuàng)造良好的前提條件。表2是寶鋼主要鋼渣的發(fā)生量及基本特性。3全氟資源的綜合利用鋼渣二次利用最便捷的途徑是作為高爐、轉爐原料,在鋼鐵廠自行循環(huán)使用。此外,鋼渣還可用于道路工程、建材原料、鋼渣肥料及填坑造地等。3.1鋼渣用于冶金原料3.1.1燒結鋼渣的影響燒結礦中配加鋼渣代替熔劑,不僅回收利用了鋼渣中殘鋼、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化錳等有益成分,而且成了燒結礦的增強劑,提高了燒結礦的質量和產(chǎn)量。燒結礦中適量配入鋼渣后,能顯著地改善燒結礦的質量,使轉鼓指數(shù)和結塊率提高,風化率降低,成品率增加。再加上用于水淬鋼渣疏松、粒度均勻、料層透氣性好,有利于燒結造球及提高燒結速度。此外,由于鋼渣中Fe和FeO的氧化放熱,節(jié)省了燒結礦中鈣、鎂碳酸鹽分解所需要的熱量,使燒結礦燃料消耗降低。高爐使用配入鋼渣的燒結礦,由于強度高,粒度組成改善,盡管鐵品位略有降低,煉鐵渣量略有增加,但高爐操作順行,對其產(chǎn)量提高、焦比降低有利。燒結中配加鋼渣值得注意的是磷富集問題。按照寶鋼的統(tǒng)計數(shù)據(jù),燒結礦中鋼渣配入量增加10kg/t,燒結礦的磷含量將增加約0.0038%,而相應鐵水中磷含量將增加0.0076%。比較可行的措施是控制燒結礦中鋼渣的配入比例,另外可以在生產(chǎn)中有針對性地停配鋼渣一個時期,待磷降下來后再恢復配料。另外,鋼渣的粒度過大對燒結礦質量會帶來不利影響。如鋼渣平均粒度過大,較粗的鋼渣在燒結混合料中產(chǎn)生偏析,造成燒結礦的堿度波動,給高爐生產(chǎn)帶來不利影響。為此應該增強鋼渣的破碎和篩分能力,保證粒度的均勻性。寶鋼鋼渣返燒結的應用開始于1996年,是經(jīng)過精確計算、反復實驗而確定的,目前燒結礦中使用量穩(wěn)定在15萬t/a的高水平。3.1.2鋼渣返回轉爐利用使用部分轉爐鋼渣返回轉爐冶煉既能提高爐齡,促進化渣,縮短冶煉時間,又可降低副原料消耗,并減少轉爐總的渣量。寶鋼在國內(nèi)率先開發(fā)了轉爐脫磷脫碳的雙聯(lián)法工藝。即在轉爐內(nèi)進行鐵水脫磷處理,出半鋼后再進行脫碳處理,可以穩(wěn)定地生產(chǎn)磷含量低于80×10-4%的超低磷鋼。在雙聯(lián)法工藝中,由于脫磷負荷主要由脫磷爐分擔,因此脫碳爐的鋼渣磷比較低(表3),因而可以返回轉爐利用。目前,寶鋼已經(jīng)成功進行了轉爐D渣、鑄余渣及脫碳爐的鋼渣返回轉爐利用的試驗,結果表明,通過適當?shù)墓に?合理地將鋼渣返回轉爐利用,可以有效地促進轉爐冶煉過程的前期化渣,降低副原料的消耗,達到降本增效的目的,而且,鋼渣的返回利用不會對鋼水質量發(fā)生負面影響。預計推廣使用后,每年可利用鋼渣5萬t左右。3.2鋼渣三渣鋪筑材料鋼渣用于筑路是鋼渣綜合利用的一個主要途徑。歐美各國鋼渣約有60%用于道路工程。鋼渣碎石的硬度和顆粒形狀都很適合道路材料的要求。鋼渣可以用于道路的基層、墊層及面層。一般是鋼渣與粉煤灰或高爐水渣中加入適量水泥或石灰作為激發(fā)劑,成為道路的穩(wěn)定基層。如寶鋼在三期工程主干道緯十一路采用鋼渣三渣在道路基層施工中進行試驗。試驗道路第一段采用水淬鋼渣、粉煤灰和石灰三渣混合料,第二段采用粒鐵回收后的規(guī)格渣、粉煤灰和石灰三渣混合料。對比路段采用天然碎石、粉煤灰和石灰三渣和高爐水渣、粉煤灰和石灰三渣。相比天然碎石三渣和高爐水渣三渣,鋼渣三渣基層具有較高的承載力,鋪筑瀝青面層后,經(jīng)一年行車考驗,路面平整無裂紋,與其它路段無區(qū)別。鋼渣鋪路的經(jīng)濟效益顯著,三種基層三渣材料費用比較如表4。此外,鋼渣還可以用于瀝青混凝土路面。鋼渣在瀝青混凝土中有很高的耐磨性、防滑性和穩(wěn)定性,是公路建設中有價值的材料。國外曾在用瀝青混凝土鋪筑的試驗路面上進行了路面抗防滑輪胎磨損試驗,一種是用硬質天然碎石為骨料,另一種是用鋼渣為骨料。結果表明鋼渣路面較天然硬質巖抗磨性好,防滑性也較好。鋼渣還適用于冬季修補路面的熱拌瀝青拌合料,因為鋼渣熱耗低,容重大,固定性好,用于修補路面時修補處能很好地固定在原位。3.3鋼渣水泥的配比由于鋼渣中含有和水泥相類似的硅酸三鈣、硅酸二鈣及鐵酸鈣等活性礦物,具有水硬膠凝性,因此可以成為生產(chǎn)無熟料水泥或少熟料水泥的原料,也可以作為水泥摻合料。水泥熟料是由石灰石、黏土和鐵粉等高溫焙燒而成。每分解1t石灰石需耗能2.1MJ,排放440kg二氧化碳,因此鋼渣用于水泥生產(chǎn)可以有效降低能耗,減少溫室氣體效應。目前的鋼渣水泥品種有:無熟料鋼渣礦渣水泥、少熟料鋼渣礦渣水泥、鋼渣沸石水泥,鋼渣礦渣硅酸鹽水泥、鋼渣礦渣高溫型石膏白水泥和鋼渣硅酸鹽水泥等,鋼渣水泥的配比見表5。水泥標號從275、325提高到425以上,并制訂了相應的國家標準和行業(yè)標準。鋼渣水泥不僅具有與礦渣水泥相同的物理力學性能,還具有水化熱低、耐磨、抗凍、耐腐蝕、高抗折強度等優(yōu)良特性。影響水泥強度的關鍵因素是鋼渣礦渣水泥的細度。在水泥原料中,熟料和石膏的硬度比較小,容易破碎,而鋼渣的硬度比較大,渣內(nèi)還包裹渣鋼粒,因此破碎比較困難。表6為鋼渣細度與強度的關系。細度越細,水化作用越快,強度增大速度越快。但比表面積過大,水量提高,強度反而會降低。另外,鋼渣水泥的早期強度相對較低。3.4混凝土應用前景鋼渣在煉鋼的高溫下形成,因此渣中的硅酸二鈣和硅酸三鈣礦物結晶完整,晶粒粗大致密,水化硬化速度較慢。為了提高水泥水硬活性,需要用特殊的磨粉工藝和設備,原因是粉磨過程不僅僅是顆粒減少的過程,同時伴隨著晶體結構及物理化學性質的變化。粉磨能量中一部分轉化為物料新顆粒的內(nèi)能和表面能,同時產(chǎn)生晶體晶格的位錯、缺陷或在表面形成易溶于水的非晶態(tài)結構,加速水化反應。試驗證明,鋼渣粉比表面積在450m2/kg以上時,粒徑為0~30μm的顆粒數(shù)量占80%~95%,顆粒正規(guī)分布50%的粒徑為4~6μm,有利于鋼渣粉水化硬化。鋼渣粉做混凝土摻和料在膠材總量為320~480kg/m3時,取代水泥量10%~40%,可以配制C40~C70的混凝土。用鋼渣粉配制的混凝土具有較高的耐磨性、抗碳化性,水化熱低,抗折強度高,韌性好等,但早期強度低,如果采用鋼渣和礦渣雙摻粉,強度可以提高到C80等級。用寶鋼D渣超細微粉配制的混凝土具有耐磨性好、水化熱低、和易性好等優(yōu)點,符合高性能混凝土的發(fā)展方向。鋼渣微粉激發(fā)機理來自于超細粉末,它帶動物料、晶體結構及表面理化性質發(fā)生重組轉化并形成新生顆粒的內(nèi)能和表面能,提高了混凝土水化反應中活性的發(fā)揮。鋼渣微粉化作為商品混凝土摻合料的機理,雖同屬水泥水硬性膠凝材范疇,但利用技術路線完全不同。微粉技術不但徹底消除了作為水泥生料混合原料的易磨性不同產(chǎn)生的均化品質影響,而且鋼渣微粉替代水泥后起到了降低CO2的污染源排放作用,并且轉化為新型建材將直接推動資源的高附加值利用。所以,鋼渣微粉技術是鋼渣綜合利用技術轉化為生產(chǎn)力的集中體現(xiàn),展示了鋼渣綜合利用技術的全面進步。寶鋼目前雖屬開發(fā)推廣階段,但只要技術不斷完善,必將大有可為。同時,伴隨著寶鋼滾筒渣處理工業(yè)化的推進,其潛在的硬度高、安定性好的特性,必將成為具有一定作用的新型建筑材料。3.5鋼渣在海工混凝土中的應用利用鋼渣微粉與高爐礦粉互相激發(fā)的特性,加以石膏等激發(fā)劑可配制出完全符合使用要求的高性能混凝土膠凝材。以此為基體,根據(jù)不同的使用方向,可配制出道路混凝土、海工混凝土等系列產(chǎn)品。其中鋼渣道路混凝土抗折、抗拉強度高,耐磨性、抗?jié)B性好;用在海工混凝土中還具有海洋生物附著率高的生態(tài)特點。這些方向的應用充分挖掘了鋼渣堿度高的先天特性,有利于抑制海洋赤潮,對海洋的生態(tài)治理極具積極意義。如2000年用于上海蘆潮港海工防浪塊的試驗證明,全鋼渣水泥混凝土具有明顯的海洋生物附著率高的生態(tài)特點。根據(jù)不同鋼渣的物理化學特性,寶鋼已有應用于耐磨地坪等多項新型建筑工程的實例,其中鋼渣使用量達到70%生產(chǎn)的大理石與天然人造大理石相比具有耐磨性好、硬度高、耐高溫、放射性元素含量極低等獨特優(yōu)勢;用于GRC制品不但達到同類石英砂材質要求,體現(xiàn)高附加值,而且拓展了其在環(huán)藝工程領域的新途徑。其中鋼渣用于制備工廠車間還氧聚脂耐磨地坪和鋼渣用于制備GRC制品都取得了良好的使用效果。3.6鋼渣樁、軟土地基的鋪設與加固鋼渣做地基回填料主要控制鋼渣在地基的膨脹性能,鋼渣的膨脹性能是長期的,主要與鋼渣的物化性質有關。堆放一年以上的鋼渣大部分已經(jīng)完成膨脹過程,塊度在200mm以下,可以做為回填材料,回填經(jīng)過8個月后基本穩(wěn)定。在回填工程中地基下沉量一般是很大的,采用鋼渣作為地基回填材料,減少了地基的下沉值,對工程是有利的。在回填時要注意鋼渣鋪設的均勻性,才可避免地基的不均勻下沉。近年來國內(nèi)鋼渣作為回填材料已經(jīng)大規(guī)模應用。鋼渣樁加固軟土地基是在軟地基中用機械成孔后填入鋼渣形成單獨的樁柱。當鋼渣擠入軟土時,壓密了樁間土;然后鋼渣又與軟土發(fā)生了物理和化學反應,鋼渣進行吸水、發(fā)熱、體積膨脹,鋼渣周