煉鋼廠(chǎng)固體廢棄物循環(huán)利用的效果分析

吳 軍

(新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鋼廠(chǎng))

前言

在煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生的固體廢棄物主要有鋼渣及除塵系統(tǒng)捕集的金屬粉塵，煉鋼各生產(chǎn)工序產(chǎn)生的塵泥堆積存放，會(huì)造成環(huán)境污染；鋼渣是鋼鐵冶煉時(shí)，由鐵礦石、焦炭、廢鋼及石灰石等造渣劑通過(guò)高溫反應(yīng)排出的副產(chǎn)品[1]。隨著鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，除塵灰和鋼渣的產(chǎn)生量也在大幅增加，對(duì)固廢的處理及循環(huán)利用關(guān)系到鋼鐵廠(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展。國(guó)內(nèi)許多鋼廠(chǎng)對(duì)煉鋼固體廢棄物循環(huán)利用進(jìn)行了積極探索，并取得了好的效果。

1 含鐵塵泥制備煉鋼用冷固球團(tuán)生產(chǎn)應(yīng)用

1.1 含鐵塵泥理化性能

某鋼廠(chǎng)轉(zhuǎn)爐冶煉煙塵中的粗、細(xì)顆?；覊m被除塵器捕捉，以除塵灰和污泥的形式進(jìn)行外運(yùn)，且產(chǎn)生的量較大(見(jiàn)表1)，除塵灰和污泥排放達(dá)到約15kg/t鋼，轉(zhuǎn)爐除塵灰等固廢的化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 近三年某鋼廠(chǎng)轉(zhuǎn)爐除塵污泥、除塵灰產(chǎn)生量 萬(wàn)t

表2 轉(zhuǎn)爐含鐵塵泥等固廢理化指標(biāo) %

采用將含鋅除塵灰及部分煉鋼產(chǎn)生污泥球、除塵灰進(jìn)行混合，探索自制球團(tuán)使用的最佳配比。利用強(qiáng)力壓球機(jī)冷壓成型造球加工處理后，得到具有熔化速度快、化渣效果好、金屬回收率高等特點(diǎn)的冷固球團(tuán)(見(jiàn)表3)，可以直接返回?zé)掍撚糜谵D(zhuǎn)爐造渣以替代轉(zhuǎn)爐用冷卻劑。

表3 冷固球團(tuán)的理化指標(biāo)

1.2 除塵灰冷固球團(tuán)造渣化渣機(jī)理

在轉(zhuǎn)爐吹煉初期爐內(nèi)溫度較低環(huán)境下加入除塵灰球團(tuán)，由于熔點(diǎn)較低的除塵灰冷固球團(tuán)富含F(xiàn)e2O3，增加了初渣中的(FeO)含量。在初期通過(guò)(FeO)加速CaO的溶解速度，顯著降低爐渣粘度，加速石灰溶解過(guò)程的傳質(zhì)，從而有利于FeO向石灰晶格內(nèi)遷移并生成低熔點(diǎn)物質(zhì)，防止石灰表面2CaO·SiO2的生成。同時(shí)前期較高的渣中(FeO)能快速在鋼渣界面形成乳化渣加速脫磷反應(yīng)[2]。

前期配加除塵灰冷固球團(tuán)能均衡冶煉前期升溫速率，遏制吹煉前期因化學(xué)元素氧化期短而造成的前期渣還未化好造成吹煉中期金屬“返干”和脫磷率低現(xiàn)狀，可降低轉(zhuǎn)爐鋼鐵料損失。

除塵灰冷固球團(tuán)礦在冶煉中期為碳氧反應(yīng)期，其化學(xué)反應(yīng)的限制環(huán)節(jié)為供氧。在冶煉中后期，渣中的(FeO)含量呈下降趨勢(shì)，勢(shì)必會(huì)影響中后期化渣。選擇除塵灰球團(tuán)作為調(diào)渣劑可改善渣的流動(dòng)性；冶煉后期因熔池溫度的上升，導(dǎo)致?tīng)t渣脫磷反應(yīng)受限，除塵灰球團(tuán)的應(yīng)用完全能滿(mǎn)足后期渣中(FeO)含量在12%～15%，減少鋼水回磷現(xiàn)象發(fā)生。

1.3 冷固球團(tuán)對(duì)初渣熔化時(shí)間的影響

冷固球團(tuán)試驗(yàn)結(jié)果表明(如表4)：除塵灰冷固球團(tuán)有助于初期化渣，能實(shí)現(xiàn)加速初渣熔化及快速成渣初。分析認(rèn)為冷固球團(tuán)富含TFe增加了爐內(nèi)初渣(FeO)含量，加速了石灰的溶解，顯著降低爐渣粘度。由除塵灰、污泥及氧化鐵皮混合壓制的球團(tuán)初渣起渣時(shí)刻較正常生產(chǎn)時(shí)的初渣起渣時(shí)刻3分42秒縮短了27秒。

表4 試驗(yàn)冶煉數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.4 冷固球團(tuán)對(duì)煉鋼脫硫、脫磷的影響

脫硫、脫磷率對(duì)比可看出(表5)：試驗(yàn)除塵灰球團(tuán)，轉(zhuǎn)爐脫硫率由35.01%提高至36.48%，轉(zhuǎn)爐脫磷率由85.21%提高至89.15%，轉(zhuǎn)爐脫磷率明顯提高。

表5 脫硫、脫磷率對(duì)比

1.5 冷壓球團(tuán)冷卻效應(yīng)分析

在同等冶煉條件下就冶煉中后期配加冷壓球團(tuán)與正常工藝配加球團(tuán)礦的冷卻效果比對(duì)見(jiàn)表6。

表6 冷卻效果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

冷壓球團(tuán)與球團(tuán)礦均以TFe為主的成分組成，物理冷卻類(lèi)比相近?；瘜W(xué)冷卻以分解還原反應(yīng)吸熱為主，主要發(fā)生的吸熱反應(yīng)為氧化鐵與CO間的吸熱反應(yīng)，且TFe含量為58%的球團(tuán)礦化學(xué)冷卻吸熱較冷固球團(tuán)好，除塵灰冷固球團(tuán)冷卻效果略弱于與現(xiàn)工藝使用的球團(tuán)礦[3]。

1.6 冶煉過(guò)程情況及對(duì)輔料鐵耗的影響

除塵灰冷固球團(tuán)中含有一定量的(CaO)及(MgO)，其在作為冷卻劑使用的同時(shí)可以減少冶煉過(guò)程中輔料的加入量。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐可知，每加入300kg冷固球團(tuán)，可降低鋼鐵料消耗0.81 kg。按照鐵耗900kg/t的加入量，煉鋼冶煉過(guò)程中冷固球團(tuán)的消耗為6kg/t鋼，鐵元素的回收可增加97.2 kg/t鋼(如圖1、圖2所示)。

圖1 球團(tuán)礦加入對(duì)輔料加入影響

圖2 球團(tuán)礦加入對(duì)鋼耗的影響

2 煉鋼尾渣利用工藝方案

煉鋼過(guò)程中的鋼渣排出量約為粗鋼產(chǎn)量的10%～15%。鋼渣磁選后，大部分能夠作為金屬料直接回收使用；而鐵含量只有2%的尾渣無(wú)法處理，某煉鋼廠(chǎng)根據(jù)尾渣成分的特點(diǎn)，將其做為轉(zhuǎn)爐調(diào)渣劑使用，替代部分石灰、白云石及螢石的消耗(如表7所示)。

表7 近三年轉(zhuǎn)爐鋼渣產(chǎn)生及消耗量 萬(wàn)t

2.1 尾渣加入對(duì)前期脫磷的影響

尾渣屬于預(yù)熔渣，加入尾渣有利于前期化渣和脫磷，尾渣成分CaO 44%、SiO215.3%、MnO 2.72%、FeO 14.85%、P2O51.39%、MgO 5.43%、Al2O311.8%、R為2.88。

表8可知，加入尾渣后，渣中(FeO)含量增高，渣中(CaO)含量與單渣法相比降低，但(SiO2)含量降低，堿度有所增加。(FeO)含量高、堿度高有利于脫磷，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證明留渣法配加尾渣脫磷率更高。

表8 單渣法冶煉終渣、留渣法配加尾渣成分對(duì)比

尾渣成分基本接近轉(zhuǎn)爐渣成分，加入尾渣可以使轉(zhuǎn)爐前期爐渣中的(FeO)迅速提高，促進(jìn)石灰的熔化，促使初期渣的形成，有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行[4]。

由于尾渣中含有一定數(shù)量的(FeO)、(Fe2O3)，提高了初期爐渣中的(FeO)、(Fe2O3)含量，滿(mǎn)足了脫磷的高氧化性，初期硅迅速被氧化，有利于石灰熔化，而且吹煉初期溫度較低，有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。尾渣加入是在前期吹煉開(kāi)始全部加入，提高化渣效果，增加渣流動(dòng)性，促進(jìn)渣鋼界面反應(yīng)[5][6]。

2.2 尾渣加入對(duì)脫磷的影響

加入尾渣試驗(yàn)情況見(jiàn)表9，可以看出，當(dāng)鐵水[Si]≤0.5%，終點(diǎn)溫度<1630°C，加入尾渣后，脫磷率平均值為91.6 %。不同操作方式試驗(yàn)效果如圖3所示。

表9 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)爐次入爐鐵水條件

不同操作方式輔料消耗比較 不同操作方式終點(diǎn)[C]、[P]比較圖3 不同操作方式試驗(yàn)效果對(duì)比

從圖3中可以看出，在鐵水條件、加料情況基本相同的情況下(脫磷實(shí)驗(yàn)爐次加入石灰24.07kg/t、白云石11.51kg/t；加尾渣試驗(yàn)爐次加入石灰23.70kg/t、白云石12.62kg/t)，當(dāng)保持終點(diǎn)[C]在0.070%時(shí)，加入尾渣的試驗(yàn)爐次終點(diǎn)[P]控制在0.012%，脫磷效果更為理想。

2.3 尾渣加入對(duì)渣料消耗的影響

現(xiàn)場(chǎng)主要由三種操作方法：?jiǎn)卧戳粼卧粼?、留渣法配加尾渣?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表10。試驗(yàn)爐次的石灰消耗情況如圖4所示。

表10 三種不同操作形式平均消耗(單渣、單渣留渣、留渣法配加尾渣)

圖4 入爐鐵水硅含量與石灰消耗量

單渣未留渣操作，[Si]<0.53%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)脫磷率>85%；當(dāng)[Si]>0.53%，脫磷率不穩(wěn)定，出現(xiàn)了較低的情況。采用留渣操作，脫磷率達(dá)到90%以上。采用留渣法配加尾渣操作，在入爐鐵水[Si]<0.5%時(shí)，脫磷率均在90%以上，當(dāng)鐵水[Si]>0.5%時(shí)，脫磷率88%，由圖4可知，留渣法配加尾渣會(huì)使石灰消耗量降低。鐵水0.4%<[Si]<0.5%條件下，采用單渣未留渣操作，石灰消耗量平均為45.95kg/t；單渣留渣操作，平均為38.62kg/t；留渣法配加尾渣在入爐鐵水溫度在1330～1360°C、入爐鐵水[P]<0.20%時(shí)，石灰平均消耗為36.11kg/t。單渣留渣法配加尾渣可以降低石灰的消耗量，隨著尾渣加入量的增加，石灰消耗呈下降趨勢(shì)(見(jiàn)表11)。因此，加入尾渣有利于脫磷，同時(shí)可以有效降低渣料消耗(見(jiàn)圖5)。

表11 尾渣加入量與渣料消耗量關(guān)系

圖5 尾渣加入量與渣料消耗關(guān)系

目前，某鋼廠(chǎng)球團(tuán)的消耗量在11.5kg/t，尾渣的消耗量在4.7kg/t(見(jiàn)表12)，通過(guò)球團(tuán)及尾渣的加入，可以減少消耗石灰6.2kg/t、白云石1.3kg/t、螢石消耗1.2kg/t，按照目前轉(zhuǎn)爐渣料的成本核算，可以降低渣料成本約7.62元/t，鋼渣的加工處理費(fèi)用在0.23元/t，因此僅渣料替代一項(xiàng)，可節(jié)省煉鋼工序制造成本7.39元/t。

表12 球團(tuán)、尾渣消耗量及渣料替代量 kg/t

2.4 尾渣加入對(duì)鋼鐵料成本的影響

轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中加入鋼渣球團(tuán)和尾渣可以提高轉(zhuǎn)爐的金屬料入爐量，與此同時(shí)降低轉(zhuǎn)爐的渣量，達(dá)到降低鋼鐵料消耗的目的[7]。依照目前某鋼廠(chǎng)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中尾渣和球團(tuán)的加入量，轉(zhuǎn)爐金屬入爐量增加了3.82kg/t，轉(zhuǎn)爐總渣量由110kg/t降至96kg/t，降低鋼鐵料消耗1.47kg/t，由尾渣、球團(tuán)加入可帶來(lái)的鋼鐵料收益為12.70元/t。

3 結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)踐表明，煉鋼生產(chǎn)中產(chǎn)生的除塵灰、污泥、氧化鐵皮鐵屑按一定配比混合壓制的冷固球團(tuán)，能實(shí)現(xiàn)高效回收；加入煉鋼尾渣有利于脫磷、降低石灰消耗。

(1)除塵灰球團(tuán)造渣化渣及試驗(yàn)分析，除塵灰球團(tuán)替代還原球團(tuán)礦可行：能快速形成乳化渣，縮短初期渣熔化時(shí)間10～13s，明顯提高轉(zhuǎn)爐脫磷、脫硫率，冷卻效果與還原球團(tuán)礦基本相近，實(shí)現(xiàn)了煉鋼副產(chǎn)品的循環(huán)利用及減輕對(duì)環(huán)境的影響。

(2)尾渣屬于預(yù)熔渣，加入尾渣有利于前期化渣和脫磷。由于尾渣中含有(FeO)、(Fe2O3)，提高了初期爐渣中的(FeO)、(Fe2O3)含量，滿(mǎn)足了脫磷的高氧化性，而且吹煉初期溫度較低，這些條件均有利于脫磷反應(yīng)[8]。鐵水Si≤0.5%，終點(diǎn)溫度<1630℃，加入尾渣后，脫磷率平均值為91.6%。

(3)0.4%<[Si%]<0.5%，采用單渣未留渣操作，石灰消耗量平均為50kg/t；單渣留渣操作，平均為45kg/t；留渣法配加尾渣在入爐鐵水溫度在1330～1360℃、入爐鐵水[P%]<0.20%較為有利的條件下進(jìn)行時(shí)，石灰平均消耗為33kg/t。加尾渣可以降低石灰消耗量，對(duì)少渣冶煉極為有利。

(4)隨著尾渣加入量的增加，渣中FeO含量呈上升趨勢(shì)，脫磷率升高，且渣料消耗呈下降趨勢(shì)，可以有效降低石灰消耗。