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1、1 第四章 炉渣的处理与利用 4.1 高炉渣、转炉渣、点炉渣的产生和性质 1高炉渣 高炉渣在高炉炼铁过程中产生从高炉排出时其温度约为1500呈熔融状态根据冷却方法分为缓冷渣和水淬渣。 2钢渣包括转炉吹炼铁水炼钢时产生的转炉渣和用电炉以废钢为原料炼钢时产生的电炉渣铁水预处理时产生的渣成为铁水预处理渣一般统计为转炉渣。 电炉渣分为氧化期渣和还原期渣。 3高炉渣缓慢冷却时生成各种结晶矿物相急冷时生成大量无定形的玻璃体和微晶酸性高炉渣急冷时全部凝结成玻璃体。 2 4钢渣不论缓冷或急冷都生成结晶矿物相不形成玻璃态物质。 5初期渣的主要物相钙铁橄榄石和钙镁橄榄石的固溶体其次还有硅酸二钙C2S和未熔石灰颗粒
2、。C2S初期以粗大颗粒结晶析出后又被熔融炉渣再吸收。 后期渣的主要物相次生C2S硅酸三钙C3SRO相。其次还有少量的铁酸钙、方镁石及未溶石灰颗粒不同的炼钢过程钢号、铁水、造渣材料都可造成钢渣的物相不同、成分波动。 6转炉渣的主要物相 C2S是炉渣的主要物相 碱度偏高的炉渣中与次生C2S紧密共生结晶出一种较细等轴暗色物相RO相。 RO相的物量仅次C2S是转炉渣的基本物相。 钢渣中未溶解或过饱和析出的CaO称为自由氧化钙它是影响钢渣稳定性的重要物相。 转炉渣特点FeO含量高 残留的石灰自由氧化钙 电炉炼钢过程中精炼方法和所炼钢种的不同产生的渣也不同主要可分为电炉溶化期和氧化精炼期发生的氧化渣以及还
3、原精炼期和钢包精炼产生的还原渣。 氧化渣由于吹氧时产生氧化铁较多。 还原渣中CaO和S较多。 4.2 炉渣处理技术 4.2.1 高炉渣处理技术 1高炉渣用不同的处理方法可以得到四种产品 缓冷高炉渣 膨化和泡沫高炉渣与缓冷渣的区别在于其相对高的孔隙度和低的体积密度。 球状高炉渣冷却速度越快玻璃相越多结晶越少。 粒状高炉渣其水硬性很适合作水泥的添加剂。 2我国高炉渣水淬处理方法 Ocp法滤渣法 Rasa法搅拌槽法 特点冲渣水闭路循环渣速为6t/min时补充水量为5.08m3/min约占冲渣水量的9。 水淬后的渣浆用管道输送到离高炉较远的地方脱水。 渣水比为110渣浆及渣浆输送管道易磨损渣泵寿命1年
4、到1年半中级泵寿 3 命约为4年排泥泵约1.5年渣浆管道约为2年。 耗电量较多 不能完全避免浮渣的产品处理较为复杂 Tyna法粒化轮法 工艺过程高炉渣由渣沟流下落到有一定高差的粒化轮上当渣粒和粒化轮相碰时因机械作用使熔渣粒化被粒化的渣粒在短时间内被喷水冷却渣与水一起落入脱水转鼓。装有水渣混合物的滤斗在转动过程中逐步脱水当达到安装位置的上部时过滤脱水基本结束渣粒落入导向漏斗由外部皮带机运至渣场。 脱出的水进入转鼓下方的上水槽通过溢流管流入下水槽。溢流口保证上水槽的水位使转鼓下部浸入水中一定深度以便继续冷却转鼓。下水槽设计有水位计和冲渣水泵冲渣水泵将下水槽的水往粒化轮上下的喷水口供冷却、粒化熔渣用
5、。补充水维持下水槽的水位。下水槽沉积的残渣有一套气动提升装置使其返回转鼓脱水器减少其对冲渣泵的磨损。 技术指标表46 特点a. 运行安全 b. 作业率高 c. 脱水转鼓小巧灵活 d. 循环水量小、动力消耗少 e. 粒化轮渣含水量少 f. 装置占地面积小 4 INBA法是高炉熔渣经水淬粒化脱水运输全系统的循环。 粒化过程熔炼通过渣道流至喷水箱上方在水流作用下粒化然后水渣经过水渣通道到脱水转鼓脱水。当粒化水与熔渣接触时渣流被破碎成片状和线状进一步沿水渣通道前进变成渣滴。 在水渣通道上只有少部分渣被粒化多数在撞击到接收仓的挡板时或者落入接收仓后才完全粒化。 只有部分水流是用来粒化高炉渣的从喷水箱喷出
6、的水流有一部分用来冷却水渣通道的耐磨保护板。 5 粒化槽的作用槽中有一定量的水为粒化过程提供补充水。炉渣在粒化槽中湍流水的作用下比在水渣通道上粒化快。被喷水推进粒化槽内的炉渣与粒化槽中水的热交换过程也被强化。 高炉渣中含有12的硫硫在渣中的存在形式主要是CaS。粒化过程中高温的高炉渣与水和空气发生反应释放出H2S和SO2气体。 CaSH2OH2SCaO CaS3/2O2SO2CaO 采用冷水冲渣加上蒸汽冷凝系统可以减少H2S的排放。 4.2.2 钢渣的处理工艺 钢渣中自由氧化钙的存在不利于钢渣的利用。 6 钢渣破碎热拔、盘泼水冷、水淬、风淬等与水作用使氧化钙转变为氢氧化钙钢渣处理间进行破碎、筛
7、分、磁选等工艺处理回收铁粒。 1 钢渣“焖渣”处理工艺及设备 首钢钢渣处理工艺及设备 鞍钢钢渣加工工艺及设备 7 武钢钢渣加工工艺及设备 唐钢钢渣加工工艺及设备 8 2 盘泼水冷ISC法 浅盘水淬法的优点 用水强制快速冷却处理时间短 整个过程采用喷水和水池浸泡减少粉尘对环境污染 改变了渣的稳定性 减少分段破碎、筛分加工工序 采用分段水冷却处理、蒸汽可自由扩散操作安全 整个处理工序紧凑劳动条件好。 缺点产生蒸汽量较多蒸汽对厂房设备有影响对起重机寿命有影响。 3 钢渣水淬工艺 指熔融的钢渣在流出、下降过程中被压力水分割、击碎。再加上熔渣遇水急冷收缩产生应力集中而破裂使熔渣粒化。 工艺特点 用压力水
8、粒化液态钢渣既能满足在瞬间快速排渣又能实现加工渣粒产品的目的。 工艺形成 渣罐倾翻池内水淬工艺 渣罐孔流沟内水淬工艺 直接水淬工艺 不论采用何种工艺形式其流程基本相同 液态钢渣压力水粒化器水淬钢渣水淬集渣池抓斗抓出送往用户 9 关于钢渣水淬产生中的爆炸问题 物理现象 引起“爆炸”的成因均是因大量的高温液态熔渣成固融状态把水覆盖包住产生局部过热高温区形成“封闭系统”水迅速汽化变成过热饱和蒸汽体积急速膨胀甚至可以达到几千倍一旦内部压力达到冲破“封闭系统”阻力的临界压力时瞬间以冲击波的形式将能量放出形成“爆炸”。 消除“爆炸”钢渣水淬中“水”要限制液态钢渣既能深入水幕之中而又不超过水幕之外在水力集中
9、点上把钢渣击碎、粒化使之不形成局部过热高温区就可以消除“爆炸”现象和事故发生。 钢渣水淬工艺设计生产要点 a. 钢渣具有良好的流动性是实现钢渣水淬的前提。 b. 保证供水是防止和消除“爆炸”的关键。 c. 有效地控制渣流量是防止“爆炸”的重要手段。 d. 严格操作 水淬渣的用途 a. 因急冷潜在较多的内孔并抑制了C2S的晶型转变及C2S分解使其性能稳定。 b. 呈颗粒状、粒度均匀、无粉尘、不需要再加工产品质量好为综合利用提供了非?奖愕奶跫?c. 烧结料层透气性好显著提高了烧结矿强度及烧结机产量。 d. 制造水泥加工简便、强度高、性能稳定 e. 生产农用肥磷、钙等有益成分容易被植物所吸收 f.
10、既可以代替河沙又可用于喷砂除锈 g. 既可筑路又可方便回收钢锭 水淬工艺的特点 a. 简化了工艺 b. 炼钢排渣速度快 c. 钢渣水淬工艺要求水淬点尽量靠近排渣点因而其工艺环节紧凑占地面积小。 d. 基建投资省、运行成本低 e. 水淬钢渣质量好利用价值高可满足多种途径利用钢渣的要求经济效益好。 钢渣水淬工艺生存条件 10 a. 具有掌握“钢渣水淬工艺”生产的技术力量 b. 钢渣性能好 c. 有用户要求水淬钢渣可以用于制作渣砖、水泥也可以作烧结矿添加剂在有此类需求的情况下水淬钢渣就有市场。 4辊筒水池热淬法 操作过程从炉内放出的液态渣通过渣罐倒入安装在对辊上方的中间罐钢渣从中间罐下口按一定速度流
11、到对辊之间由于对辊旋转形成薄层渣并逐渐落入水池中急冷。有的采用单辊式。 5风淬法 经风淬而形成微粒的转炉渣可做建筑材料 工艺流程前处理段、风淬段、热回收段、后处理段 11 优点处理钢渣的同时可回收钢渣显热的41。这种处理方法液态钢渣不与水接触无爆炸危险整个过程在罩式锅炉内操作环境好排出的热空气和热渣的热量还可以进一步回收。 工艺参数 a. 工作压力0.350.6MPa压缩空气 b. 耗气量35m3/t渣标态 c. 处理能力22.5t/min d. 对钢渣流动性的要求能倒入中间包并能从中间包流出即可。 主要设备及构筑物 a. 风淬钢渣平台及倾翻装置220-型渣罐车的渣罐倾翻传动装置 b. 压缩空
12、气管网及自动控制系统 c. 粒化器外形尺寸650mm360mm120mm布有8mm、10mm的27个喷吹孔 d. 中间包11m3渣罐 e. 固定渣罐座 f. 10t桥式抓斗起重机1.5m3抓斗 g. 粒化钢渣冷却池14.5m6m4.2m h. 水幕系统 特点 a. 技术成熟、工艺简单、投资少 b. 占场地小同时需水量少完全做到循环使用不外排 c. 粒化彻底、处理能力大 12 d. 节约渣罐、经济效应明显 6钢渣粉化处理 粉化方式自然老化、温水老化及蒸汽老化 自然老化利用雨水、空气中的水分或人工洒水对钢渣进行自然水和需较大的渣场处理时间约2年。 温水老化处理时间1周设备成本高微粒成分偏析 蒸汽老
13、化2天 7选择钢渣处理方法的原则 处理能力大 处理后的成品状态适合于应用 处理后的成品应用效果好经济效益高 生产工艺流程和设备简单 安全易行 处理成本低 4.3 炉渣的资源化途径与存在的问题 4.3.1 高炉渣利用途径 13 1粒化高炉渣做水泥混合材 2粒化高炉渣矿粉做水泥和混凝土掺和料 3粒化高炉渣做砖 4高炉渣做硅肥 5缓冷渣做混凝土骨料、道路材料 6膨胀矿渣珠做混凝土轻骨料 7做矿渣棉、铸石、微晶玻璃材料 4.3.2 钢渣利用途径 1钢渣利用途径做水泥、做砖和砌块、作炼铁烧结矿原料、道路基层材料配烧水泥熟料等。 2钢渣的厂内循环再利用和冶金功能 A. 用作烧结矿溶剂代替石灰石等 优点提高
14、烧结矿强度改善烧结矿质量 有利于提高烧结矿产量 有利于降低燃料消耗 有利于降低烧结矿的生产成本 B. 钢渣用作高炉溶剂 优点提高铁水含锰量在某些特定条件下还能富集钒、铌等有益元素提高了资源综合利用程度 利用钢渣中的铁取代部分铁矿石降低了生产成本 代替石灰石减少碳酸盐分解热有利于降低焦比 钢渣中的MnO、MgO有利于改善高炉渣的流动性 3筑路和建筑材料 A.建筑材料降低膨胀性 B.铺筑道路 优点防滑性好不易开裂、拉裂钢渣沥青路面 承重层变形小道路工作寿命长轮碾试验 抗冻解冻性适应寒冷气候开放道路的使用 4钢渣用于农业 钢渣是一种以钙、硅为主含有多种成分的具有速效又有后劲的复合矿物质肥料。 14
15、钢渣磷肥对酸性、中性和碱性土壤都有用同时渣中丰富的CaO和SiO2等也有不同程度的肥效。 5钢渣作水泥 由于C2S的含量较多水泥的后期强度持续增长 优点良好的耐磨性、耐腐蚀性、抗冻融性、水化热低、收缩率小等一系列特点。 不足水泥细度难以保证细度不够影响水泥早期强度水泥性能不稳定尽量减少水泥中的MgO的含量。 6钢铁渣作水泥的生态意义 水泥的制造过程 采用石灰石配烧熟料在高温下分解为CaO和CO2直接参与反应的是CaO而CO2排放到大气中同时带走大量的热能水泥的生产需要能耗大量的能源。 能源的巨大消耗意味着大量CO2的排放 因此在水泥生产中应愈来愈多地使用其他有水硬性能的原材料至今为止最重要的是
16、钢铁渣作为水泥的部分替代原料 用钢铁渣配料则无CaCO3的分解也不存在CO2污染大气现象对水泥工业节能降耗、保护环境都有重要作用。 7钢渣资源化所受的限制 CaO和MgO的存在使钢渣的体积不稳定 CaSiO4由相向相的转变使钢渣容易粉化 其中氟和重金属有被雨水、浸出污染环境的危险 铁氧化物含量较高 与其他天然材料的市场竞争 钢渣直接返回冶金流程中再利用时磷会逐渐富集到铁中 某些含有有价元素如Cr、V等的钢渣还没有很好地开发利用 8其他利用途径 如果能除去钢渣中的P2O5其余成分皆可作为炼钢溶剂循环使用。 转炉渣在缓慢冷却凝固时其中所含有的P2O5大部分固溶于初晶相Ca2SiO4-Ca3PO42
17、中渣炉渣中的磷有98进入初晶相Ca2SiO4-Ca3PO42中。 将转炉渣用碳质还原剂进行还原可以将炉渣中的Fe、Mn、V、P等元素还原得到碳饱和铁炉渣冷却后可回收铁粒。脱出了Fe、Mn、V、P等元素的转炉渣则主要含有CaO、SiO2、 15 MgO等成分很适合作冶金熔剂或其他材料。 还原过程可以在转炉出渣时进行利用高温炉渣的潜热可以减少能量消耗。 转炉渣高温碳热还原不需添加任何溶剂金属和氧化物容易分离除磷彻底如果在热态下进行还可以充分利用转炉渣的热能不失为转炉渣资源化的一个新途径。 4.4 少渣冶炼 钢渣量增加的解决方法 一、减少钢渣的发生量 二、促进钢渣的有效利用 4.4.1 日本几个钢铁
18、公司的少渣冶炼工艺 1新日铁的少渣冶炼工艺 A. 转炉双联法一座转炉专用于脱磷另一座用来脱碳 B. 同炉出铁排渣再装入方式 16 C. 同炉连续处理方式脱磷后不出铁倾炉排渣后即开始脱碳 三种方式的特点 A. 转炉双联法二座转炉同时操作分别脱磷和脱碳生产能力高可以避免磷渣带入脱碳炉中。 B. 同炉出铁排渣再装入方式一座转炉用来脱磷和脱碳可能被带入脱碳过程的脱磷渣较少高温脱碳渣可以直接用于脱磷。 C. 同炉连续处理方式没有中间出铁和再装入过程冶炼周期短高温脱碳渣可以直接用于脱磷。 有利于脱磷的渣A. 高TFe低碱度、低CaO/O比 B. 低Tfe高碱度、高CaO/O比 2NKKJFE Steel的
19、零渣量工艺Zero Slag Process控制铁水低硅含量 技术脱硅站高效脱硅高炉低硅冶炼 手段灵活控制炉内炉料分布利用低硅烧结矿控制高炉作业通过精确测定铁水温度t 17 3神户制钢加古川钢铁厂的工艺 转炉渣再利用的主要渠道是返回铁水预处理用来替换一部分生石灰加古川钢铁厂 4川崎制铁JFE Steel的钢渣再利用 改善鱼类罐车的运行方法提高周转效率 建设Mg脱硫站 增设吹氧设备 鱼雷罐车大型化 4.4.2 转炉渣在利用和钢渣发生量的模拟 提高铁水预处理的比例转炉脱碳渣作为铁水预处理的脱磷剂或烧结原料及其他途径的再利用是减少钢渣发生量的有效办法。 前提条件发生的渣量以铁水预处理脱磷渣和转炉渣为
20、对象。 高炉渣、脱碳渣、脱磷渣均不带入下一道工序。 铁水预处理脱磷渣和转炉渣的磷分配比分别为常数。 铁水脱硅、脱磷预处理和转炉渣的再生利用是减少钢渣发生量的有效手段。 合理分配铁水预处理和转炉吹炼的脱磷负担在转炉渣再利用的情况下适当提高预处理后的铁水磷浓度也可以减少渣量。 4.5 复合矿冶炼渣中有价元素的回收 渣中含有价金属矿物的主要特征 “分散”和“细小”分散指渣中有价金属分散在多种矿物相中细小指这些矿物相晶粒度非常细小平均在10m左右。 18 解决办法之一是从源头对渣进行改性预处理。 隋智通教授的“选择性析出原理” 原理创造一定的条件使渣中有价金属通过“选择性富集、长大、分离”成为可利用的资源。 技术特点清洁低成本和处理能力大。 A. 选择性富集采用调整熔渣组成等改性措施使渣中的有价金属的走向和分布改变发生有价金属的转移和集中使有价金属富集到一种矿物相中。 B. 选择性长大通过控制熔渣冷却速度优化析出长大条件选择适当数量和种类的添加剂来改变有价金属相的析出形貌。 C. 选择性分离对改性炉渣的工艺矿物研究考察成分、结晶及嵌布特征分析测定各矿物相的可选性、可磨度及单体解离度确立分离流程。