不銹鋼廠含鉻鎳固廢資源化利用實踐

呂 韜,李秦燦, 寧曉宇,賈定慧, 李凌楠

(中冶東方工程技術(shù)有限公司，山東 青島 266555)

不銹鋼在機械加工、熱處理時表面會產(chǎn)生一層致密的氧化薄膜，影響美觀和性能，因此需通過酸洗工序?qū)⑵淙コ?。?jīng)酸洗后得到了中性鹽廢水和混酸廢水，其中，中性鹽廢水中含有的Cr6+毒性極強，對人體組織具有刺激和腐蝕作用，甚至可能致癌或誘發(fā)基因畸變[1]。針對這些廢水，國內(nèi)不銹鋼企業(yè)普遍是采用化學(xué)還原沉淀法進行處理[2-3]，由此產(chǎn)生了大量的酸洗污泥，約為不銹鋼產(chǎn)量的3%～5%[4]。此外，還與不銹鋼在冶煉各環(huán)節(jié)得到的除塵灰、電爐渣，以及冷軋時得到的連鑄研磨屑、熱軋時生成的氧化鐵皮等，共同組成了不銹鋼固廢。

目前，國內(nèi)對這類危險固廢的處理利用水平不高，主要還是采取固化穩(wěn)定化安全填埋的方式[5]。這需要占用大量的土地，且由于技術(shù)等各方面原因的條件限制，填埋場普遍是超負荷狀態(tài)，如不做防滲處理，長期來看固廢中的重金屬容易氧化并隨滲液進入地下水體系，污染水體和土壤環(huán)境，具有很大的環(huán)境隱患[6-7]。

近幾年來有不少學(xué)者和企業(yè)對固廢利用做了大量的研究和試驗，其中，火法還原是提及最多的一種方式。Ma等[8]采用石油焦對酸洗污泥進行了直接還原研究，發(fā)現(xiàn)污泥與含有相同成分的金屬氧化混合物的還原過程類似。趙海泉等[9]將含有不銹鋼除塵灰、氧化鐵皮的含鉻鎳廢棄物造磚，采用內(nèi)配焦粉的方式，并混入了13%的水泥，送入OXYCUP爐內(nèi)進行富氧冶煉，得到了高鎳鉻生鐵。孫映等[10]在不銹鋼污泥中配入了紅土尾礦和一定的石墨碳粉，采用還原-磁選的方法將鐵、鎳等提取出來。美國Midrex公司提出了Fastmelt工藝[11]，日本川崎制鐵提出了STAR工藝[12]，但國內(nèi)關(guān)于處理由除塵灰、酸洗污泥、熱軋鐵皮等組成的復(fù)雜綜合固廢的工業(yè)化處理技術(shù)還鮮有報道。

福建某不銹鋼廠每年要產(chǎn)生大量的含金屬固廢，主要包括AOD、EAF、VOD集塵灰、酸洗污泥、退酸氧化鐵粉、連鑄研磨屑、熱軋氧化銹皮等，成分組成多且復(fù)雜，含有不少的鐵、鉻、鎳等有價金屬。中冶東方針對該固廢特點，提出了固廢磨礦造球—回轉(zhuǎn)窯氧化焙燒—礦熱爐冶煉回收的工業(yè)化應(yīng)用路線[13]，可將固廢中的鉻、鎳等金屬還原至鐵水中，并與后續(xù)的煉鋼工序直接銜接，實現(xiàn)了不銹鋼固廢的資源化利用，具有很好的經(jīng)濟效益和示范推廣意義。本文重點對礦熱爐冶煉工藝及布置、電氣參數(shù)、設(shè)備選型、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)等方面進行了闡述。

1 冶煉工藝及布置

配置一定的鉻粉礦，并將其與退酸氧化鐵粉、熱軋鐵皮混合進行兩段高壓輥磨，接著加入各工序除塵灰、酸洗污泥進行圓盤造球，經(jīng)干燥后送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行氧化焙燒，得到強度合格的球團，成分如表1所示。

表1 某不銹鋼廠固廢球團典型成分 %

隨后將焙燒球團與一定比例的鉻塊礦、焦炭、硅石等一起裝入保溫料罐，由吊車吊運至密閉礦熱爐爐頂料倉，沿料管加入爐內(nèi)進行冶煉。采用連續(xù)操作方法，冶煉溫度控制在1 650～1 700 ℃，隨爐料下沉及時開閘放料，以使料面高度適宜。每隔3 h出一次鐵，鐵水和熔渣由鐵口同時放出流入煉鋼鋼包，由軌道運輸至煉鋼車間進行后續(xù)的煉鋼工序。

礦熱爐容量為60 MVA，采用三臺單相變壓器供電，各層平臺立面布置如圖1所示。

圖1 60MVA礦熱爐各層平臺布置立面圖

設(shè)有±0.00 m，+10.70 m，+14.70 m，+20.90 m和+28.50 m共五層平臺，其中：

第一層為±0.00 m地坪，布置著條形爐基礎(chǔ)(負荷30 000 kN)，有爐底風(fēng)機散布于基礎(chǔ)縫間。出鐵操作區(qū)域有一層局部小平臺(+5.60 m)，上鋪一層50 mm厚木板以便絕緣，座有開堵眼機。出鐵口下方?？砍休d鋼包的出鐵小車，車軌間距5 m，荷載10 kN /m2。

第二層為+10.70 m操作平臺，為密閉爐蓋區(qū)域，還布置有冷卻水系統(tǒng)，設(shè)3個分水器，每個重60 kN。此外，有出鐵口排煙管件懸吊于該層平臺之下，負荷約40 kN。

第三層為+14.70 m變壓器平臺，設(shè)三臺單相20 MVA變壓器，成三角布置于各自的小室內(nèi)。變壓器采用油冷卻形式，每個重600 kN。考慮到吊裝、運輸?shù)男枰?，平臺沿各自變壓器調(diào)運軌跡設(shè)有相應(yīng)的承載軌道。

第四層為+20.90 m電極檢修平臺，平臺上有6個座缸作用點，同時有爐蓋、短網(wǎng)懸吊于該層之下。此外，液壓站、高壓配電室也布置在該層平臺。

第五層為+28.50 m加料平臺，設(shè)有10個料倉，每個倉滿重200 kN。上方屋面下懸設(shè)一臺5 t單梁吊車用來吊裝電極糊、電極殼等。另要設(shè)一臺50/10 t的吊車來吊運熱料罐，其作業(yè)周期如表2所示。

表2 50/10 t吊車作業(yè)周期表

2 幾何與電氣參數(shù)

1)礦熱爐參數(shù)

60 MVA固廢礦熱爐幾何參數(shù)見表3。

表3 60MVA固廢礦熱爐幾何參數(shù)表

2)變壓器參數(shù)

60 MVA固廢礦熱爐變壓器參數(shù)見表4。

表4 60MVA固廢礦熱爐變壓器參數(shù)表

3 設(shè)備選型

考慮綠色冶金對環(huán)保的需要，結(jié)合固廢及鉻礦的理化特性，采用密閉固定式礦熱爐進行冶煉，且可通過回收煤氣用于物料干燥、鋼包烘烤或發(fā)電等，實現(xiàn)閉路循環(huán)利用。同時，也大大改善了操作環(huán)境，降低了工人的勞動強度。

1)爐襯與爐殼

使用碳質(zhì)冷凝襯砌筑，爐殼由碳鋼制成，設(shè)兩個出爐口，呈120°布置。側(cè)壁采用水冷噴淋形式，爐底則由風(fēng)機進行間斷通風(fēng)，使其始終保持在200 ℃以下，以此實現(xiàn)爐內(nèi)熱量向爐外的快速傳遞，從而使得爐渣有效凝固形成一層假爐襯，以防止筑爐爐襯被進一步侵蝕。相較于碳質(zhì)保溫襯，在達到同樣壽命的前提下，爐底及爐墻厚度可縮減500 mm以上，大大縮短了筑爐時間，降低了筑爐成本[14]。

2)電極系統(tǒng)

把持系統(tǒng)采用組合把持器，即用接觸元件代替了銅瓦，將銅瓦與電極的弧面接觸改為與筋片的平面接觸形式，提高了饋電的穩(wěn)定性，解決了受電面的刺火問題，同時消除了對電極殼的徑向壓力，使殼不易變形。此外，組合把持形式，電流是先由接觸元件流向筋片，然后再傳導(dǎo)至心部，由此可獲得良好的電流密度分布，提高了電極焙燒的質(zhì)量，大大減少了電極斷損尤其是軟斷現(xiàn)象。

壓放系統(tǒng)采用碟簧-液壓夾持滑放裝置，代替了原有的碟型彈簧-液壓機械抱閘，簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，減輕了設(shè)備質(zhì)量，并使維修更加便利。

3)爐蓋和煤氣凈化系統(tǒng)

爐蓋為水冷鋼結(jié)構(gòu)形式，中心部位采用非磁性鋼制作。爐蓋上設(shè)1個煤氣排出孔，1個事故煤氣放散孔，3個電極開孔，10個爐內(nèi)料管孔和若干防爆孔、觀察孔。

煤氣排出管通過連鎖式蝶閥與除塵系統(tǒng)管道連接，冶煉所產(chǎn)煤氣經(jīng)凈化后用于原料烘干和回轉(zhuǎn)窯焙燒的燃料。

4)加料系統(tǒng)

設(shè)10個爐頂料倉，倉上設(shè)有稱重裝置，以滿足布料均勻和短時間內(nèi)補充大批的爐料。每倉相連1根爐內(nèi)料管，管伸入爐蓋的部分通水冷卻。

5)短網(wǎng)系統(tǒng)

短網(wǎng)采用管式，水冷電纜作為軟連接部分，與電極導(dǎo)電銅管、接觸元件共同組成了一個冷卻回路。與原有板式短網(wǎng)相比，工作溫度明顯降低，減少了電損失。且電流密度提高了幾倍，相應(yīng)的減輕了短網(wǎng)質(zhì)量。

使用三臺單相變壓器進行供電，相較于單臺三相電流更加趨于平衡，解決了偏流問題，同時縮短了短網(wǎng)，提高了有用功的輸入。

6)液壓系統(tǒng)

液壓站作為電極升降、電極把持的動力源，由泵站、閥站和蓄能器組構(gòu)成。

4 冶煉主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

冶煉主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表5。

表5 冶煉主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)表

5 結(jié) 語

以某不銹鋼廠的復(fù)雜綜合固廢處理方案為例，結(jié)合中冶東方多年的工程設(shè)計經(jīng)驗，本文提出了一套具體、可實施的利用礦熱爐冶煉不銹鋼加工過程中所產(chǎn)生的固廢物的解決方案，將火法還原處理不銹鋼固廢技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用向前推進了一步。相較于現(xiàn)有的簡單填埋處置，新技術(shù)省去了填埋場的占地與投資建設(shè)，避免了運輸、堆存過程中可能產(chǎn)生的二次污染。同時，將固廢中的鐵、鉻、鎳等有價金屬提取出來，可直接熱兌入電爐進行后續(xù)的煉鋼操作，工藝銜接緊密，可有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，并降低生產(chǎn)成本，而且還提高了企業(yè)內(nèi)部的資源的利用率，節(jié)能減排效果突出，具有顯著的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。