转炉渣的综合利用

转炉渣的综合利用

摘要：随着冶金行业的快速发展，冶金业对资源的利用越来越多，钢铁冶金渣的排放量也逐年增多。我国对钢渣的处理和利用处于较落后的状态，大量的钢渣至今没有得到有效的处置和利用，有些钢厂已是渣满为患，影响生产，对环境造成污染。为了提高钢渣的合理回收，本文介绍了钢渣的各种处理技术，从而实现了资源化综合利用，并展望了钢渣综合利用的未来前景。本文综合阐述了国内外钢渣综合处理技术，钢渣是炼钢工业的副产品。分析了钢渣的基本物理特性、化学成份、矿物组成等理化性能。介绍钢渣在筑路、烧结矿、水泥、建材、环境工程和农业等领域的综合利用。

关键词：转炉渣；资源；冶金

黑色及有色金属生产伴随着大量炉渣的形成，这些炉渣不能被利用只好堆积在废料场，占据了庞大的土地面积，严重影响着冶金工厂区域的生态环境。目前，炼钢渣、粗铜、镍及其合金的生产废渣的再处理已成为一个越来越严重的问题。 2007 年，全世界生产钢15 亿t，产生的炉渣不少于2.2 亿t，主要是氧化转炉和电炉炼钢渣(30%～45%CaO；15%～20%SiO2；20%～40%FenOm。；3%～10%MgO；3%～5%Al2O3)，其中以金属珠和碎金属形式出现的金属铁为5%～8%，未被利用的石灰石达3%～4%。精炼渣中含有55%～60%CaO，15%～18%SiO2，8%Al2O3，不少于1%FeO，10%MgO，一定量的磷。估计全世界每年精炼渣的产生在1500 万t～2500 万t。由于炼钢渣反应形成温度高, 碱度高, 游离氧化钙含量大, 并且夹带金属铁粒, 使得炼钢渣往往具有硬度大、易磨性差, 早期活性低、胶凝性差, 易膨胀、体积稳定性差等特点, 其利用率相对较低, 应用范围也较窄, 如2005 年我国钢渣综合利用率仅为10%[ 2] . 根据国家发展和改革委员会产业政策司发布的2006 年钢铁行业生产运行情况通报显示, 2006 年全国粗钢产量41 878 万t , 炼钢渣排出量按粗钢产量的14%计算, 全年排钢渣量达5 863万t , 堆放占地和处理带来的环境问题非常突出, 因此发展新技术以提高炼钢渣的再循环利用率是我国冶金工业清洁、绿色生产的前提.

一.转炉渣的产生和来源

高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的废物，当炉温达到1400~1600℃时，炉料熔融，矿石中的脉石、焦炭中的灰分和助溶剂和其他不能进入生铁中的杂质形成以硅酸盐和铝酸盐为主浮在铁水上面的熔渣。高炉渣中主要成分为CaO、SiO2、Al2O3。转炉钢渣是转炉炼钢过程中产生的废渣，主要来源于铁水与废钢中所含元素氧化后形成的氧化物，金属炉料带入的杂质，加入的造渣剂( 如石灰石、萤石、硅石) 、氧化剂、脱硫产物和被侵蚀的炉衬材料等。

二.钢渣的化学特性

表1为部分钢铁公司转炉钢渣的基本化学组成。

转炉钢渣的矿物结构主要取决于化学组成。当炉渣的碱度(CaO /SiO2 ) < 1. 8时,主要矿物为CMS (镁橄榄石) 、C3MS2 (镁蔷薇辉石) ;碱度为1. 8～2. 5时,主要矿物为C2 S(硅酸二钙) 、C2 F (铁酸二钙)及RO 相(以FeO为主的Fe、Mn、Mg二价金属氧化物固熔体) ;碱度为2. 5以上时,主要矿物为C3 S (硅酸三钙) 、C2 S、C2 F及RO相;此外,钢渣中还含有少量的游离氧化钙。

表1部分钢铁公司转炉钢渣的化学组成

名称转炉渣的化学组成/%

企业CaO SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 MnO P2O5 f - CaO

首都钢铁公司44. 00 15. 86 3. 88 10. 04 22. 37 1. 11 1. 31 0. 80

本溪钢铁公司41. 14 15. 99 3. 00 9. 22 12. 29 1. 34 0. 56 0. 80

唐山钢铁公司40. 30 13. 38 2. 54 9. 05 12. 73 1. 88 1. 40 0. 84

太原钢铁公司49. 80 14. 22 2. 86 9. 29 8. 79 1. 06 0. 56 1. 57

马鞍山钢铁公司43. 19 15. 55 3. 84 3. 42 5. 19 2. 31 1. 40 3. 56

三.转炉渣处理工艺

3.1 钢渣热闷处理工艺

对钢渣热闷处理工艺研究发现, 利用熔融态冶金渣自身热量, 在水蒸气的条件下快速自解粉化,实现钢渣粉化、渣-铁充分分离、f-CaO和f-MgO水化, 使钢渣的磁性物易于分离、钢尾渣性能稳定, 是钢渣处理过程中应着力解决的最根本问题。

该项技术研究的方案是: 在露天条件下, 采用多点均匀打水、自然闷渣和延长陈化时间等技术措施进行热闷处理。具体做法是将进厂的钢罐采用热泼法翻往渣道, 一条渣道一般分为8个区进行循环作业。一个区域翻满冶金渣后进行多点连续打水(7天) 、自然热闷, 随后用电铲进行降坡(将闷完的冶金渣进行倒垛) , 最后再经过7 天的钢渣陈化过程。

3.2钢渣热闷处理特点

钢渣的生成温度在1600～1700℃, 钢渣中含有水硬性矿物硅酸二钙和硅酸三钙, 且总量在50%以上, 钢渣属于过烧的硅酸盐水泥熟料。钢渣热闷是使钢渣从热熔状态变为常温, 是钢渣本身性质变化的一个复杂物理-化学过程。钢渣经热闷后, 可消除钢渣中有害的物质, 保留钢渣有益的性能。具体表现为:

1) 钢渣可充分粉化, 实现了渣- 铁的有效分离, 使钢渣中的磁性物质易于分离出来;

2) 钢渣中的有害物质f-CaO 和f-MgO在水蒸气的作用下水化为Ca(OH)2和Mg(OH)2, 从而消除了钢渣的膨胀因素;

3) 钢渣中的活性矿物硅酸二钙和硅酸三钙实现了急冷, 使钢尾渣保留了较高的水硬性。

3.3钢渣磁选工艺

矿渣开发公司现有的磁选线是1988年从德国引进的240万t/a 钢渣磁选加工线, 是目前国内惟一一条技术最先进、加工能力最大的钢渣磁选加工线, 钢渣中40%的磁性物质回送钢厂, 其余60%的钢渣最佳应用途径是建材行业。其工艺是将钢渣原料进行三筛、二破、三磁选处理的工艺。

热闷处理后的钢渣经磁选后, 可从钢渣中选出: TFe品位>80%的渣钢, 占钢渣原渣的10%;粒径10～50 mm、TFe品位>62%的粒钢, 占钢渣原渣的10%; 粒径0～10mm、TFe品位42%的磁选粉, 占钢渣原渣的20% , 即从钢渣中磁选出40%的含铁物料。

四.炼钢渣冶金资源化利用

炼钢渣固态冶金资源化循环利用现状

炼钢渣固态冶金资源化利用是一种将废渣从冶炼炉排出、冷却并简单处理后的再利用方式. 其应用方式包括用作烧结和炼钢助熔剂、造渣剂和精炼剂等方面.

1 用作烧结熔剂

钢渣用作烧结熔剂是目前最为成熟的炼钢渣冶金二次利用方式, 已在我国和世界各钢厂广泛采用. 烧结矿中配加钢渣代替熔剂, 不仅回收利用了钢渣中残钢、FeO、CaO、MgO、MnO 等有益成分, 而且由于高温熔炼后炼钢渣的软化温度低, 物相均匀特点, 对提高烧结矿质量, 降低烧结燃料消耗也起着有益作用. 梅山钢铁集团公司采用在烧结原料中配加转炉钢渣1. 0% ~ 2. 0% 后, 取得烧结原料成本下降3. 1 元/ t 的效果[ 13] . 烧结中配加钢渣值得注意的是磷的富集问题. 钢渣用作烧结

熔剂会使烧结矿含磷量增加, 而高炉不具备脱磷能力, 从而加重炼钢脱磷负担. 按照宝山钢铁集团

公司的统计数据, 烧结矿中钢渣配入量增加10 kg/ t, 烧结矿的磷含量将增加约0. 003 8% , 而相

应铁水中磷含量将增加0. 007 6% . 考虑磷富集问题, 钢渣配入烧结矿的比例目前在我国不超过3% .

2 用作炼钢返回料

炼钢渣富含CaO、A12O3的特点使得近年来出现了将钢渣用作炼钢返回渣料或助熔剂的技术.如宝山钢

铁集团公司采用转炉脱磷脱碳双联炼钢工艺, 将磷含量较低的脱碳炉钢渣返回转炉利用, 有效地促

进转炉冶炼过程的前期化渣, 降低副原料的消耗, 达到降本增效的目的. 崔九霄等人利用精炼废渣

成分与炼钢过程中所需的助熔剂---铝钒土的成分类似的这一特点, 将精炼废渣配加一定的添加剂

和含铁矿粉, 经成型干燥后,代替铁矾土等加入转炉作为炼钢助熔剂, 并在鞍钢一、二炼钢厂进行现

场实验, 取得了化渣速度快、节约炼钢助熔剂和石灰等效果. 在炼钢和精炼过程中, 钢液中的磷、

硫经冶炼过程大量富集在钢渣和精炼渣中, 上述将钢渣和钢包炉精炼废渣用作炼钢造渣剂和助熔剂

的方法存在磷、硫富集的问题, 因此限制了炼钢渣二次利用的利用率和适用钢种.

3 用作电炉喷吹剂

这是一种在意大利Ferrier e No rd 钢厂、北方钢公司和斯蒂发纳钢公司实施的一项旨在回收钢水

包、中间罐和炼钢炉炉渣及耐火材料的技术[ 17] ,这项技术于2002 年1 月投入使用, 可连续处理

和回收所产生的钢包炉渣. 该技术将钢包炉炉渣冷却、破碎并运送到喷吹系统喷吹入电炉作为炼钢

造渣剂. 用这种技术可以显著节省石灰添加剂的用量( 节省量可达15% ) . 由于该技术仍属一种对

炼钢渣进行的简单物理处理, 同上述各炼钢渣循环利用技术一样, 存在的主要的问题仍是循环利用

过程中炉渣中有害物质的循环累积. 1.1.4用作钢水精炼脱磷剂该法是由日本福山钢管开发的

技术, 是在精炼过程中将仍具有较高磷容量的转炉渣加入精炼炉, 并配加一定的石灰和硅酸苏打,

吹气强烈搅拌, 对钢液进行脱磷操作, 该法的脱磷率可达50%. 转炉冶炼完毕后转炉渣的磷含量较

高, 这种简单的循环利用方式引起的有害物质循环累计现象也不能真正解决渣再利用的问题, 同时

为提高脱磷率加入的硅酸苏打对耐材有较大的侵蚀.

五.存在的主要问题以及未来发展趋势

有关冶金渣的资源化利用已经进行了诸多的研究，并且取得了一些成果。但是，尚存在着一些问题。目前，除了一部分作为冶金溶剂使用外，冶金渣基本上还是用于代替部分砂石而使用的，即主

要用于水泥生产或作为建筑材料来使用。虽然作为农用肥料和土壤改良剂进行了一些研究和开发，

但还只是简单地利用了冶金渣中的一些有效成分，如CaO，MgO，Si02和P205，应用范围较小。另外，

虽然目前冶金渣已经被应用于水泥生产，但冶金渣的活性要远低于硅酸盐水泥的活性。另外，炉渣

的碱度过高，渣中含有大量的自由氧化钙和氧化镁，不宜作为水泥、建材和工程回填材料。钢渣不

易磨，直接用于水泥生产会降低生产能力。

钢渣在企业内部回用是一种理想的方法，但在目前的回用方法中，作烧结溶剂和高炉炼铁熔剂

虽然有积极的报道,但烧结和炼铁过程无法脱磷,钢渣的循环,必然使铁水的磷含量不断提高，给下一

步的炼钢增加负担，要求炼钢工序消耗更多的石灰，产出更大的渣量满足脱磷要求，所以从工艺全

盘考虑是不一定合理的。将钢渣用作铁水预处理渣剂，不能解决现代炼钢工艺中不同阶段的炉渣的回用问题。除此之外，在目前的所有利用方法当中，冶金渣在高温时的这部分潜在热能也没有得到合理的利用。

根据冶金炉渣性能分析，从现实的环保要求出发，冶金渣资源化应用进一步研究应主要集中在以下几个方面：

（1）根据钢铁企业炼钢工序不同阶段产出钢渣的特性，利用梯级回用的方法，使炼钢炉渣尽量在炼钢工艺中循环利用，发掘其最大冶金潜能，实现最大限度的回用，提高炼钢造渣材料的利用效率，减少造渣材料消耗，减少炉渣的外摊，从而实现对炼钢炉渣的资源化利用和生态工业的要求，提高企业的经济和社会效益。

（2）利用冶金渣生产缓释性钾肥。所谓的“缓释性肥料”，是指难溶于水，而易溶于从植物根部分泌出来的柠檬酸溶液的肥料。因此可以从根本上减少因灌溉用水和雨水等所引起的肥料流失。植物在生长期对钾肥的需求量相对较少，而在植物的结果期则需求较多。因此，一般要求钾肥的肥效要长，即要求其要具有缓释性。生产缓释性钾肥主要使用的是铁水预处理时所产生的脱硅渣。这种渣的主要化学成分为SiO2和CaO，向其中添加K2CO3或KOH合成钾肥时，可利用脱硅渣的余热形成CaO-SiO2—K2O三元渣系。一般认为，根据含钾化合物的种类以及K2O含量的不同，其溶解特性，即缓释性会有明显的差异。因此，通过控制CaO-SiO2-K2O三元渣系的化学组成以及冷却速度是生产缓释性钾肥的重要手段。

六.结束语

钢渣的处理与利用已经成为世界性的课题。目前处理后的钢渣主要应用于烧结配料炼钢熔剂、水泥添加剂或建筑材料等没有得到高效利用。钢渣处理方法主要用湿法, 这种方法既污染了环境而且钢渣中的铁资源和大量的余热资源没有得到良好地回收利用。目前的钢渣处理没有兼顾资源回收和环境保护, 因此开发一种合理科学的钢渣处理方法是冶金工作者的首要任务之一。

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