鋼渣熱悶工藝的設計與應用

供稿|安連志 / An Lian-zhi

鋼渣是轉爐煉鋼的必然產物，約占粗鋼產量的10%～15%。鋼渣的主要礦物組成為硅酸二鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣、游離氧化鈣、游離氧化鎂，并夾裹部分殘鋼及氧化鐵等。其中，鐵元素的質量分數(shù)約為10%～20%，經回收其中鐵元素后，可作為鋼渣微粉、鋼渣砌塊磚、路基水穩(wěn)層等原料，具有很高的回收再利用價值。

目前，國內外鋼渣處理工藝主要有熱潑法、淺盤法、風淬法、水淬法、滾筒法、粒化法、熱悶法等。熱潑法冷卻時間短，處理量大，但反應不封閉，環(huán)境污染嚴重，且處理后的鋼渣穩(wěn)定性差。淺盤法處理量大，但設備維護量大、易爆炸、環(huán)境污染嚴重。風淬法、水淬法、滾筒法、?；ㄖ贿m用于流動性好的液態(tài)渣。而熱悶法具有適用范圍廣，處理后的鋼渣的穩(wěn)定性好、粉化率高、渣鐵分離充分等優(yōu)點，可以實現(xiàn)鋼渣零排放。

鋼渣熱悶工藝原理

鋼渣熱悶工藝的反應機理包括物理變化和化學反應。

物理變化

物理變化是指高溫鋼渣遇水蒸氣急速冷卻，由于鋼與渣的膨脹系數(shù)不同，產生不均勻冷縮，致使渣殼爆裂分開。另外，隨著鋼渣溫度的降低，渣中的水硬性礦物C3S開始發(fā)生晶形轉變，體積膨脹，鋼渣進一步粉化。以上物理變化是鋼渣熱悶工藝實現(xiàn)渣鋼分離的基礎。水硬性礦物C3S的晶形轉變過程如下：

化學反應

化學反應是指鋼渣中游離的氧化鈣和氧化鎂遇水蒸氣發(fā)生水解反應。這種水解反應消除了鋼渣的不穩(wěn)定性，是鋼渣資源化利用的基礎。具體反應為：CaO+H2O== Ca(HO)2，體積膨脹97.8%；MgO+H2O== Mg(HO)2，體積膨脹148%。

鋼渣熱悶工藝流程

高溫鋼渣用渣車送至鋼渣處理車間，用天車潑入悶渣池（潑渣）。打水冷卻龜裂后，經挖掘機破碎成小塊，確保熱悶裝置內的鋼渣表面無積水后，進行第二次潑渣，重復上述“打水-破碎”步驟，如此往復，直至悶渣池內鋼渣達到額定容量。之后蓋上熱悶裝置蓋，開始噴水霧1 h后，停止噴水，開始熱悶；l h后，再開始噴水；如此反復，進行4次；第4次結束后，悶渣6 h。熱悶期間，注意調節(jié)水渣比、噴水強度、排氣量并控制排水，使悶渣池維持足夠的飽和蒸汽和較高水浸溫度。熱悶完畢后開蓋，用挖掘機松動鋼渣，并將鋼渣抓至汽車運到破碎、篩分、磁選加工生產線。鋼渣熱悶工藝流程，如圖1所示。

鋼渣熱悶工藝設計應用

通過對多家鋼渣熱悶生產線的實地考察，筆者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的鋼渣熱悶工藝存在渣池側壁襯板壽命短，蒸汽收集系統(tǒng)以及除塵系統(tǒng)運行效果差等不足之處。針對這些不足之處，筆者對傳統(tǒng)鋼渣熱悶工藝進行了改進，開發(fā)了工字鋼穿插式襯板固定技術、移動罩車式蒸汽煙塵收集技術、通風巷道噴淋技術和水冷擋墻技術，并成功應用到某廠120萬t鋼渣熱悶生產線上。

圖1 鋼渣熱悶工藝流程圖

鋼渣熱悶工藝布置

某廠120萬t鋼渣熱悶生產線車間，包括渣池及悶渣裝置、蒸汽煙塵收集設施以及水處理設施等。鋼渣熱悶生產線的平面布置和橫斷面布置，如圖2和圖3所示。

圖2 鋼渣熱悶生產線的平面布置

圖3 鋼渣熱悶生產線的橫斷面布置

車間內設置12個悶渣池，單個悶渣池可以處理鋼渣360 t。

車間內部設置1條鐵路線，用渣罐車運輸液態(tài)鋼渣。外運鐵路貫穿車間廠房，鐵路軌道坐落于H1平面高度，以悶渣池為界，池底為H0平面，電鏟出渣操作于H0平面，電鏟出渣裝運輸車外運出廠房。

車間廠房上方設置天窗，可以有效通風，另外悶渣池上方位置設移動罩車用于收集煙塵和蒸汽，罩車運行為高低軌形式，一側軌道位于H1平面上，另一側位于悶渣池前端的H0平面上。

鋼渣熱悶工藝新技術

1）工字鋼穿插式襯板固定技術

傳統(tǒng)渣池側壁處理方式是用螺栓將200 m×200 m的鑄坯固定于側壁表面，以便可以有效增加渣池側壁的耐磨性，提高渣池側壁使用壽命，但是在實際生產過程中，由于熱膨脹導致螺栓變形甚至被拉開，以致鑄坯脫落，實際應用效果并不理想。

本設計采用工字鋼穿插形式將小塊鑄鐵板（熱膨脹系數(shù)?。┕潭ㄓ谠貍缺冢仍黾恿嗽貍缺诘哪湍バ?，又避免了因熱膨脹導至側壁襯板脫落的現(xiàn)象，有效的提高渣池側壁使用壽命。

2）移動罩車式蒸汽收集技術

傳統(tǒng)蒸汽收集方式是在屋頂設置煙塵蒸汽排出裝置以及渣池側壁設置蒸汽煙塵排出通道， 及時將鋼渣熱悶處理過程中的蒸汽煙塵排出。在對非紅熱狀態(tài)下的鋼渣進行噴水冷卻時，這種設計還可以將產生的蒸汽煙塵排出，但是在對紅熱狀態(tài)下鋼渣進行噴水冷卻時，由于產生的蒸汽煙塵大大增加，這種設計無法將產生的蒸汽煙塵全部排出，影響了悶渣車間內的能見度，對吊車的走行帶來很大的不便，冬季更為嚴重。

為了解決上述問題，本設計設置了兩套通風系統(tǒng)：強制通風系統(tǒng)和自然通風系統(tǒng)。強制通風系統(tǒng)主要設備為移動罩車式蒸汽收集裝置、風機和通風管道，而自然通風系統(tǒng)是指傳統(tǒng)悶渣蓋和自然通風管道。在對紅熱狀態(tài)下鋼渣進行預處理時，移動罩車式蒸汽收集裝置開至渣池上方進行噴水冷卻操作，移動罩車上的通風管道通過快速接頭與強制通風管道連接，以確保及時將渣池內的蒸汽排出。在進行熱悶處理時，移動罩車駛離，用天車將悶渣蓋放至渣池上方，渣池內的蒸汽通過自然通風系統(tǒng)排出。

3）通風巷道噴淋技術

悶渣處理過程產生大量蒸汽煙塵，排入巷道后，僅依靠水蒸汽自然冷凝沉降作用，無法保證蒸汽煙塵達標排放，導致環(huán)境污染。

針對此問題，本設計為每個悶渣池設置了噴淋小室，蒸汽煙塵由通風巷道進入噴淋小室，經噴霧沉降作用后再排放。噴淋小室的設置不僅將煙塵沉降到水中，而且將蒸汽轉化成液態(tài)水。這部分水經水處理設施處理后可以循環(huán)使用。

4）水冷擋墻技術

該技術主要是針對某廠120萬t鋼渣熱悶生產線預留鋼渣處理場地存在一定的高程差而設計的。傳統(tǒng)的悶渣池一般都是由地面向下挖坑，然后對坑壁進行特殊處理。而該廠預留鋼渣處理場地高程差較大（H1?H0＞4 m），如果按照傳統(tǒng)施工方法，需要事先平整場地，工程量巨大。

經實地 考察后，筆者決定充分利用現(xiàn)有地勢，坡底一側池壁采用活動水冷擋墻，其余三面池壁采用傳統(tǒng)施工方法。這種設計不僅可以減少工程量，節(jié)約資金，而且由于水冷擋墻為活動式，池壁維護、池底清理以及悶渣結束后的鋼渣破碎和裝車操作更為方便。

結束語

某廠120萬t鋼渣熱悶生產線于2013年底正式投產運行。生產實踐表明，該鋼渣熱悶生產線的工藝布置合理，設備選型先進實用且運行平穩(wěn)，自動化水平高，最大限度地實現(xiàn)了渣鋼的高效分離，處理后的鋼渣穩(wěn)定性好，各項性能指標均達到或超過設計指標（如鋼渣粉化率大于60%；鋼渣浸水膨脹率小于2%），為實現(xiàn)鋼渣零排放創(chuàng)造了有利條件。

此外，鋼渣熱悶工藝新技術的應用，很好的解決了傳統(tǒng)熱悶工藝渣池側壁使用壽命短、蒸汽煙塵不達標排放等難題，降低了工人的勞動強度和環(huán)境污染。水冷擋墻技術的開發(fā)應用，使得鋼渣熱悶生產線的建設選址更為靈活，為鋼渣熱悶工藝的進一步推廣提供了新的支撐點。

[1] 郭紅. 鋼渣處理工藝的選擇. 冶金能源, 2011, 30(4): 46-50.

[2] 柴軼凡, 彭軍, 安勝利. 鋼渣綜合利用及鋼渣熱悶技術概述. 內蒙古科技大學學報, 2012, 31(3): 250-253.

[3] 牛興明, 王軍, 魏春新，等. 鞍鋼鲅魚圈轉爐渣熱悶工藝改進實踐.鞍鋼技術, 2012 (1): 51-54.