不銹鋼渣冷卻工藝研究與實(shí)踐

羅 勝

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司制造部， 山西 太原 030003）

2006 年起，我國的不銹鋼產(chǎn)能達(dá)到了1 000 萬t/a 以上，山西太鋼不銹鋼股份有限公司產(chǎn)能超過了400 萬t/a，對應(yīng)不銹鋼渣也同步快速增長，年產(chǎn)生量為110 萬t 以上。需要對不銹鋼渣冷卻工藝進(jìn)行改進(jìn)研究。

1 不銹鋼的冶煉工藝及不銹鋼渣的分類

1.1 不銹鋼的冶煉工藝

不銹鋼的冶煉按工藝步驟分兩步法、三步法等。以“K-OBM-S－VOD－LF”是鐵水冶煉不銹鋼的三步法的典型代表，而以EAF+AOD 的生產(chǎn)工藝路線是以廢鋼為主原料的兩步法的冶煉工藝代表。

以鐵水為主要原料的冶煉工藝流程為：鐵水倒罐站→鐵水預(yù)處理（脫Si、脫S、脫P(yáng)）+中頻爐或電爐（熔化合金）→K-OBM 轉(zhuǎn)爐→VOD 爐→LF 爐→連鑄機(jī)。

以廢鋼為主要原料的冶煉工藝流程為：電爐→AOD 爐→VOD 爐→LF 爐→連鑄機(jī)。

1.2 不銹鋼渣的分類

圍繞不銹鋼的冶煉工藝流程，每一步都會(huì)產(chǎn)生不同的鋼渣，分別稱為轉(zhuǎn)爐渣、電爐渣、AOD 爐渣、LF 爐渣、鑄余渣，鐵水預(yù)處理渣（三脫渣）。

因冶煉的鋼種不同，也可按鋼種的名稱分類，具體為：300 系渣、400 系渣、200 系渣等。

因冶煉的不同階段，其生產(chǎn)的渣又可對應(yīng)地分為前期渣（電爐、AOD 爐等冶煉結(jié)束后直接在爐前倒出的鋼渣）、后期渣（鋼包扒渣）、連鑄鑄余渣等。

綜合以上分類，鋼渣處理廠就不銹鋼渣的分類綜合分為：三脫渣、電爐渣（再細(xì)分300 系400 系爐前渣、爐后扒渣）、AOD 爐渣（300 系、400 系爐前渣、爐后扒渣）、精煉渣、鑄余渣等。

不同類型不銹鋼渣的化學(xué)成分分析見表1。

表1 不同類型不銹鋼渣的化學(xué)成分表

由表1 可見，不同類型不銹鋼渣的成分是不同的。因此，帶來了冷卻工藝的差異，需進(jìn)行研究確定。

2不銹鋼渣冷卻工藝研究

按不銹鋼渣的品種分類，逐一對其冷卻工藝進(jìn)行了研究。

2.1 三脫渣的冷卻工藝研究

2.1.1 三脫渣特性

鋼鐵企業(yè)中為保證冶煉過程中使用的鐵水符合冶煉要求，通常要對鐵水進(jìn)行預(yù)處理。針對冶煉需求差異分為對鐵水進(jìn)行脫S 或脫P(yáng)、S、Si 兩種處理方式。脫S 過程產(chǎn)生的渣俗稱脫硫渣，渣中S 含量較高；脫P(yáng)、S、Si 過程產(chǎn)生的渣俗稱三脫渣。其特點(diǎn)：呈固態(tài)、鱗片狀，顏色較黑。視扒渣的干凈程度和扒渣水平的不同，其殘鐵通常在50%左右，因此冷卻過程中容易結(jié)成大塊。

2.1.2 冷卻工藝

冷卻原理：高溫狀態(tài)盡快打水，即：水淬法。

溫度：鐵渣溫度在300～800 ℃打水為最佳狀態(tài)（采用測溫槍進(jìn)行測溫）。

冷卻過程：渣子進(jìn)入冷卻位后，立即開啟開關(guān)進(jìn)行噴淋冷卻（采用0.8～1.2 t/h 冷卻霧化水嘴）。前期溫度高，水淬過程中有爆裂現(xiàn)象、火苗較大，是正?，F(xiàn)象，其后，可根據(jù)情況調(diào)整水量，一般持續(xù)冷卻10～12 h，過程中保持明水不外溢即可。

總水量的控制：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果（冷卻、裂化效果），觀察統(tǒng)計(jì)流量表數(shù)據(jù)，總水量按為0.4～0.6 t 水/t渣控制效果最佳。冷卻時(shí)間在8 h 以上。紅渣比例隨冷卻時(shí)間變化見圖1。

圖1 紅渣比例隨冷卻時(shí)間變化曲線圖

2.2 電爐渣的冷卻工藝研究

2.2.1 電爐渣特性

電爐冶煉過程產(chǎn)生的鋼渣，分前期渣（爐前渣）和后期渣（扒渣）。其特點(diǎn)為：堿度低，f-CaO 幾乎沒有。前期渣溫度高，呈液體狀，后期渣溫度低，一般呈固體狀。

2.2.2 冷卻工藝研究

冷卻原理：因其堿度低，f-CaO 幾乎沒有，因此水淬法基本適用。

溫度：溫度在300～500 ℃打水為最佳狀態(tài)（采用測溫槍進(jìn)行測溫）。

冷卻過程：前期渣溫度高，呈液體狀，后期渣溫度低，一般呈固體狀。前期渣冷卻過程時(shí)間長，難控制，我們以前期渣為研究對象。渣子進(jìn)入冷卻位后，先用測溫槍進(jìn)行測溫，做好記錄后開始開啟開關(guān)進(jìn)行噴淋冷卻（采用1.2 t/h 的冷卻霧化水嘴）。前期考慮溫度高，為安全考慮，開關(guān)開半開。前期打水急（水流量大），易造成鋼渣表面嚴(yán)重龜裂，甚至發(fā)生爆炸，通常要發(fā)生噴灰現(xiàn)象，影響環(huán)境。中期提高水流量，以明水不外溢為原則。后期基本不再供水，處于靜置狀態(tài)。整個(gè)過程不間斷用測溫槍測溫。當(dāng)測得罐體的溫度在80 ℃左右時(shí)，進(jìn)行翻罐作業(yè)，測得鋼渣的溫度基本在100 ℃以下，觀察冷卻后的鋼渣狀態(tài)基本是黑色的碎石頭狀，見圖2。表明冷卻過程控制良好。

圖2 電爐渣冷卻后效果圖

電爐渣的冷卻總水量的控制：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果（冷卻、裂化效果），觀察統(tǒng)計(jì)流量表數(shù)據(jù)，總水量按為0.4～0.6 t 水/t 渣。

冷卻時(shí)間：基本穩(wěn)定在50 h 左右。來渣溫度高，耗水量就大。

2.3 AOD 爐渣（300 系爐前渣為研究對象）的冷卻工藝研究

AOD 爐前渣指AOD 冶煉結(jié)束，直接倒入渣罐的鋼渣。因其溫度高，呈液態(tài)狀，冷卻過程復(fù)雜，以其為研究對象進(jìn)行了冷卻工藝研究。

2.3.1 特點(diǎn)

堿度高（一般在2.0 左右）。其礦物組成有鉻鎳鐵合金、硅酸三鈣（Ca3S）、硅酸二鈣（Ca2S）、鐵酸二鈣（Ca2F）、鐵酸鈣（CaF）、氟磷灰石（Ca（PO4)3（F））游離氧化鈣（f-CaO）、游離氧化鎂（f-MgO）等。最明顯的特征是粉化后，粒度細(xì)，極易揚(yáng)塵。打水冷卻過程，極難控制，吸水性差，溫度高，打水過程極易噴灰（類似火山巖噴發(fā)，見圖3）。水量急，極易形成泥狀物，將下層渣和水隔離，嚴(yán)重影響冷卻效果。

圖3 打水前期噴灰情況

2.3.2 冷卻工藝研究

冷卻原理：因其堿度高，打水作業(yè)過程完全不能采用水淬法。類似于滲水法。

根據(jù)對相關(guān)單位的前期調(diào)研情況和我們多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，制定出了幾種實(shí)驗(yàn)方案：直接連續(xù)打水冷卻、先自然冷卻再連續(xù)打水冷卻、先自然冷卻再間斷進(jìn)行打水冷卻等。經(jīng)過對幾種方法的試驗(yàn)比較，得出如下結(jié)論：

1）直接連續(xù)打水基本無法進(jìn)行，主要原因是因鋼渣溫度高，打水后，發(fā)生嚴(yán)重噴灰現(xiàn)象，污染相當(dāng)嚴(yán)重，難以滿足生產(chǎn)需要。

2）自然冷卻是一個(gè)必須環(huán)節(jié)，渣罐表面溫度在500 ℃以下，再進(jìn)行打水冷卻，噴灰現(xiàn)象基本消失，見圖4。

圖4 打水冷卻過程效果圖

3）先自然冷卻再間斷進(jìn)行打水冷卻。

以下重點(diǎn)對“先自然冷卻再間斷進(jìn)行打水冷卻工藝”進(jìn)行說明。

步驟1：先自然冷卻24 h 以上，以測溫槍測得的溫度為根據(jù)，測得渣罐表面溫度為300～500 ℃利用0.8～1.2 t/h 的霧化水嘴進(jìn)行噴霧冷卻。

步驟2：霧化水嘴進(jìn)行噴霧冷卻，持續(xù)小量打水0.5～1.0 h，以不產(chǎn)生明顯積水為標(biāo)準(zhǔn)。

步驟3：停水靜置，一般停水靜置1 h 左右，主要是使上部噴霧冷卻段進(jìn)行蒸發(fā)，形成下一步的滲水通道，以表面無水汽為標(biāo)準(zhǔn)。

步驟4：進(jìn)行霧化水嘴噴霧持續(xù)冷卻，打開水嘴開關(guān)，進(jìn)行持續(xù)冷卻，一般冷卻時(shí)間為24 h 以上。

步驟5：測定溫度和停水作業(yè)，測得渣罐表面溫度為100 ℃以下，水流量總量達(dá)到0.5 t 水/t 渣后，即可停水。

2.4 AOD 爐渣（400 系爐前渣為研究對象）的冷卻工藝

1）基本方案的研究。

在300 系爐前渣冷卻工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步跟蹤，發(fā)現(xiàn)400 系爐前渣自然冷卻溫降較快，在放置10 小時(shí)左右即可，即可進(jìn)行噴水作業(yè)。

2）理想的冷卻工藝過程。

步驟1：先自然冷卻10 h 以上，以測溫槍測溫，測得渣罐表面溫度為300～500 ℃利用0.8～1.2 t/h 的霧化水嘴進(jìn)行噴霧冷卻。

步驟2：霧化水嘴進(jìn)行噴霧冷卻：持續(xù)小量打水0.5～1.0 h，以不產(chǎn)生明顯積水，無明顯噴灰現(xiàn)象發(fā)生為標(biāo)準(zhǔn)。

步驟3：停水靜置，停水靜置1 h 左右，基本同300 系爐前渣標(biāo)準(zhǔn)。

步驟4：進(jìn)行霧化水嘴噴霧持續(xù)冷卻，打開水嘴開關(guān)，進(jìn)行持續(xù)冷卻，對冷卻后的鋼渣進(jìn)行觀察判斷，冷卻時(shí)間為40 h 以上效果最佳（鋼渣無紅色大塊，基本呈河沙狀）。

步驟5：基本同300 系爐前渣。

2.5 鑄余渣的冷卻工藝研究

鑄余渣的冷卻工藝研究基本同AOD 渣的冷卻工藝，鑄余渣和電爐渣、AOD 渣的區(qū)別是含殘鋼量大，難冷卻，消耗的水量大，打水作業(yè)過程易噴灰，其冷卻工藝基本同AOD 渣。

經(jīng)對兄弟單位的處理工藝調(diào)研發(fā)現(xiàn)，因后續(xù)渣鋼的加工難度大，通常鑄余渣的渣罐中提前放置網(wǎng)格狀的隔板，當(dāng)鑄余渣倒入渣罐后，渣鋼自然備隔斷，打水冷卻后傾翻作業(yè)，將自然分隔成塊狀，見圖5。

圖5 煉鋼廠鑄余渣鍋加格柵的圖示

2.6 鋼渣加硼砂的冷卻工藝研究

對AOD 爐前渣進(jìn)行了噴吹硼砂的試驗(yàn)研究，噴吹量為8～10 kg/t 渣，噴吹后粒度明顯改善，見圖6。

但由于運(yùn)行成本高（初步測算，噸鋼費(fèi)用在10元左右），并且大生產(chǎn)可能會(huì)產(chǎn)生污染物。因此不建議推廣使用。

圖6 加硼砂前后效果

3 不銹鋼渣冷卻工藝實(shí)踐與改進(jìn)

原始的冷卻工藝是渣盤傾翻、打水、堆燜。冷卻效果差、安全隱患多（紅渣遇水發(fā)生爆炸），環(huán)保污染嚴(yán)重。

隨著不銹鋼產(chǎn)量、鋼渣量的快速發(fā)展，2000 年以后，推廣應(yīng)用的不銹鋼渣冷卻工藝為帶罐打水冷卻，其安全、環(huán)保效果顯著。經(jīng)過近10 多年的應(yīng)用，冷卻工藝技術(shù)基本能夠滿足大生產(chǎn)需要。

因帶罐冷卻工藝投入的渣罐多、冷卻周轉(zhuǎn)場地大，過程中渣罐周轉(zhuǎn)時(shí)間長等特點(diǎn)，近幾年在帶罐打水冷卻工藝的基礎(chǔ)上，發(fā)展應(yīng)用為“坑冷打水熱燜”，其工藝技術(shù)是帶罐打水冷卻工藝為基礎(chǔ)，將渣罐改為地坑，加蓋打水熱燜。蓋子上安裝打水噴淋裝置，核心技術(shù)仍類似于帶罐打水冷卻，其空冷（由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)）是基礎(chǔ)，打水噴淋技術(shù)是核心（水流量的控制、霧化的效果、總水量的控制等）。

4 未來技術(shù)展望

不銹鋼渣的冷卻技術(shù)，因成本高、見效慢，又是非主流工藝，其技術(shù)發(fā)展緩慢。目前的前沿技術(shù)是對鋼渣的改性研究（噴硅砂、加硼砂等）。隨著科學(xué)技術(shù)大發(fā)展，鋼渣的自然冷卻工藝技術(shù)必然也會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，比如空氣、水、惰性氣體等介質(zhì)的強(qiáng)化冷卻工藝的發(fā)展等。