鐵棉聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)礦渣棉生產(chǎn)工藝

王 東，周揚(yáng)民，羅思義，儀垂杰

(青島理工大學(xué) 冶金爐渣高效資源化利用國家地方聯(lián)合工程研究中心，山東 青島 266520)

高爐渣是高爐煉鐵工序產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品.截至2012年底，中國已形成生鐵產(chǎn)能9億t[1].，每噸生鐵要產(chǎn)生0.3～0.6 t[2]的渣,每年高爐渣的產(chǎn)能達(dá)3億t以上.

我國大部分的高爐渣以水沖粒化渣的形式用于水泥工業(yè)，售價(jià)不超過100元/t，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低.因此做好高爐渣的資源化利用，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，是提高鋼鐵企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑.礦渣棉是一種以高爐渣為主要原料，通過離心噴吹方法制取的一種棉絲狀礦物纖維.我國制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)“GB/T11835-2007《絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品》[3]”，但在國內(nèi)礦渣棉多為小作坊生產(chǎn)，質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，絕大部分用于工業(yè)保溫，只有10%用于建筑業(yè).而國外礦渣棉制品80%～90%用于建筑業(yè).優(yōu)質(zhì)礦渣棉不僅是一種性能優(yōu)良的保溫材料，而且具有吸音和防火的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、建筑、化工和交通等部門，是一種基于鋼鐵工業(yè)的超高附加值產(chǎn)品.為此，青島理工大學(xué)冶金爐渣高效資源化利用國家地方聯(lián)合工程研究中心對鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)鐵棉聯(lián)產(chǎn)應(yīng)成為鋼鐵企業(yè)一個新的經(jīng)濟(jì)效益增長點(diǎn).

1 傳統(tǒng)礦渣棉生產(chǎn)工藝特點(diǎn)

傳統(tǒng)礦渣棉生產(chǎn)工藝以冷態(tài)高爐渣為主要原料，配加其他輔料，如焦炭、白云石、硅石等，經(jīng)沖天爐高溫熔化，得到高溫熔體后，經(jīng)吹制或離心得到直徑為十幾μm的纖維化礦渣棉，該工藝能耗、成本相對高，礦渣棉制品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，用于低端工業(yè)保溫居多.

1.1 礦渣棉的成分控制

高爐渣是常見的SiO2-CaO-Al2O3-MgO四元體系，其典型成分如表1所示.一般來說，能夠形成礦渣棉的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍[4]為，SiO2: 36%～68%，Al2O3: 5%～28%,CaO: 23%～48%.

為了得到成纖性能、易熔性、和耐水性等優(yōu)良的性能指標(biāo)，需要合適的酸度系數(shù)MK，將MK定義為w(SiO2+Al2O3)與w(CaO+MgO)的比值(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)).礦渣棉的酸度系數(shù)在1.0～1.4范圍，而酸度系數(shù)大于1.6則為巖棉制品.在礦渣棉質(zhì)量控制過程中，通過原料配比優(yōu)化，提高硅石粉或石英砂配比，準(zhǔn)確控制酸度系數(shù)是保證礦渣棉質(zhì)量的有效辦法.

表1 高爐煉鐵爐渣成分控制典型值(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 礦渣棉的能耗分析

傳統(tǒng)沖天爐礦渣棉生產(chǎn)工藝，要把常溫的高爐干渣、硅石粉等原料加熱到熔融狀態(tài)，才能達(dá)到離心成纖的要求，在此期間消耗能量約占總能耗的70%～75%[5].按照國內(nèi)當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)水平，生產(chǎn)每噸礦渣棉的焦炭平均消耗量在490 kg左右[6]，屬于典型的高耗能工藝.沖天爐熱平衡計(jì)算中熱收入計(jì)算表見表2.

表2 沖天爐礦渣棉熱平衡熱收入計(jì)算表

沖天爐熱平衡收入分析計(jì)算結(jié)果表明，熱量總收入的86.64%[5]來自燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量.因此，直接利用高溫熔融態(tài)的高爐渣，按照鐵棉聯(lián)產(chǎn)的思路進(jìn)行礦渣棉生產(chǎn)的成本將大幅降低；同時，鋼鐵企業(yè)的質(zhì)量控制體系非常成熟，礦渣棉質(zhì)量將得到有力保證.

2 鐵棉聯(lián)產(chǎn)礦渣棉生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢

鋼鐵工業(yè)“十二五”規(guī)劃中，明確指出把“冶金渣綜合利用技術(shù)”作節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)推廣項(xiàng)目.鋼鐵企業(yè)開發(fā)鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝，符合國家節(jié)能、環(huán)保政策，生產(chǎn)高端礦渣棉具有明顯優(yōu)勢.

2.1 原料優(yōu)勢

一個年產(chǎn)10萬t的礦渣棉生產(chǎn)線，每年需高爐渣8萬t，硅石7萬t，白云石1萬t.依托煉鐵廠，建設(shè)礦渣棉生產(chǎn)線，使得高爐渣從高爐生產(chǎn)現(xiàn)場到運(yùn)輸?shù)降V渣棉生產(chǎn)線，物流成本幾乎為零；而硅石和白云石都是煉鐵廠生產(chǎn)必需原料，質(zhì)量穩(wěn)定，且僅占煉鐵的原料比重不足10%，無須單獨(dú)采購，就地解決即可，這也充分地利用了鋼鐵廠的優(yōu)勢.

2.2 能耗優(yōu)勢

出爐的高爐渣，其溫度一般在1 500 ℃左右，經(jīng)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，每t高爐渣含有1.6～1.8×106kJ的顯熱，折合60 kg左右標(biāo)準(zhǔn)煤，標(biāo)準(zhǔn)煤熱量為29.27 MJ/kg.

鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝的實(shí)施可以實(shí)現(xiàn)高爐渣的熱裝、熱送，高爐渣顯熱回收效率可達(dá)到80%[4]以上.按照先進(jìn)的沖天爐熔煉工藝工序能耗計(jì)算[5]，每熔煉1 t熔渣的工序能耗為445 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，用于熔融過程的熱量約6.0×106kJ(折合205 kg標(biāo)準(zhǔn)煤)[5]，即在高爐渣熱能完全利用的情況下，工序能耗僅有240 kg標(biāo)準(zhǔn)煤.

此外，鋼鐵廠具有大量的廢熱，這些熱量通過合理的工藝措施，可以在礦渣棉板的固化、聚合過程中得到充分利用，不僅可以提高這些廢熱的利用率，同時也節(jié)約了生產(chǎn)礦渣棉板所需的熱量.

2.3 配套輔助設(shè)施優(yōu)勢

礦渣棉生產(chǎn)線所需配套輔助設(shè)施主要有供電、供水、供氣三項(xiàng).10萬t/年的礦渣棉生產(chǎn)線裝機(jī)容量一般在6 000 kW左右；所需軟水滿足200 m3/h即可；壓縮風(fēng)壓力0.2 MPa.在鋼鐵企業(yè)里，以750 m3高爐為例，軟水流量一般在1 500 m3/h，且富余量較大，壓縮風(fēng)壓力一般在0.4 MPa以上，具備了發(fā)展鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝的基本條件.因此，鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝的配套輔助設(shè)施不需單獨(dú)設(shè)計(jì)、建設(shè)，這也進(jìn)一步地降低了生產(chǎn)建設(shè)成本.

2.4 管理優(yōu)勢和技術(shù)

現(xiàn)代化的鋼鐵企業(yè)，不僅自動化技術(shù)水平高，而且管理團(tuán)隊(duì)也相當(dāng)完善.鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝生產(chǎn)線的建成，無需單獨(dú)配備相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人員，甚至可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守，生產(chǎn)線視頻監(jiān)控和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作.這不僅可以使得員工免于礦渣棉生產(chǎn)過程中對其身心健康的損害，也對產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性提供了保證.

2.5 節(jié)能優(yōu)勢

傳統(tǒng)礦渣棉工藝沒有利用熔融態(tài)高爐渣的顯熱，在二次熔融的過程中，使用沖天爐需要使用大量的焦炭，能耗成本嚴(yán)重削弱了其市場競爭力.為了獲得市場份額，通過犧牲質(zhì)量控制水平來降低成本，是礦渣棉生產(chǎn)廠的常規(guī)做法，如此也限制了礦渣棉工藝的進(jìn)步.

2.6 鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝技術(shù)的提出

隨著鋼鐵工業(yè)節(jié)能技術(shù)的深入研究，圍繞著熔融態(tài)高爐渣顯熱的充分利用技術(shù)，出現(xiàn)了一步法礦渣棉生產(chǎn)技術(shù).但是由于工藝因素的限制，無法在吹制或離心成纖之前進(jìn)行補(bǔ)熱、調(diào)質(zhì)、成分和溫度的均化，直接將熔融態(tài)的高爐渣轉(zhuǎn)化為礦渣棉.這樣生產(chǎn)的礦渣棉纖維相對較粗，保溫性能差，質(zhì)量難以保證.

本文提出了高爐渣氧煤混噴二次加熱技術(shù)的鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝技術(shù).在礦渣棉的生產(chǎn)過程中增加了調(diào)質(zhì)爐，對熔融態(tài)的高爐渣進(jìn)行二次加熱、調(diào)質(zhì)，均溫，為提高質(zhì)量、降低成本創(chuàng)造了條件.

3 氧煤混噴二次加熱技術(shù)的鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝

3.1 鐵棉聯(lián)產(chǎn)新型工藝流程的設(shè)計(jì)

鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝技術(shù)是建立在對高爐渣顯熱充分回收利用的理念之上的，但不是簡單地直接利用，而是必須經(jīng)過高爐渣的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸、加熱和調(diào)質(zhì)等工藝環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，就必須建立一個調(diào)質(zhì)爐.該設(shè)備需要完成對高爐渣的再次提溫加熱、成分調(diào)整和均勻，而氧煤混噴二次加熱技術(shù)的采用可以解決該問題.

同時為了滿足成分的要求，按照既定配比，加入硅石粉、氧化鐵皮等輔助原料，將高爐渣酸度系數(shù)調(diào)整到1.3以上，以獲得具有良好的成纖能力、合適的黏度和表面張力的熔體.之后通過常規(guī)的礦渣棉生產(chǎn)工藝流程，進(jìn)行優(yōu)質(zhì)礦渣棉的生產(chǎn)，工藝流程如下圖所示：

圖1 氧煤槍技術(shù)的鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram based on the dual-purpose of iron and slag wool production

3.2 氧煤混噴加熱技術(shù)

氧煤混噴加熱技術(shù)是借鑒Smelting Reduction熔融還原理論，將熔融態(tài)的高爐渣轉(zhuǎn)入調(diào)質(zhì)爐后，把氧煤混合噴槍通入調(diào)質(zhì)爐，可控的定量煤粉在富氧、高溫條件下劇烈燃燒，釋放出超高熱能，從而實(shí)現(xiàn)高爐渣的二次加熱；同時反應(yīng)過程中產(chǎn)生的CO2和CO把熔渣進(jìn)行劇烈攪拌，使得高溫熔體在熔融硅石粉、氧化鐵皮的同時，實(shí)現(xiàn)了熔體自身的成分均一性.

3.3 礦渣棉調(diào)質(zhì)工藝簡析

傳統(tǒng)礦渣棉與巖棉的質(zhì)量差別主要是因?yàn)椋汉趸F較低的熔體，在保證高溫熔體的黏度的同時，熔體的酸度系數(shù)必須控制在1.2左右，很難超過1.3.熔體的Mk值在1.2左右時，在最佳成纖溫度下有寬而穩(wěn)定的黏度范圍(1～3 Pa·S)[7]，在這種情況下即使體溫度上下波動 100 ℃，其纖維質(zhì)量和成纖率不受明顯影響[8].

鋼鐵企業(yè)的鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝可充分利用鋼鐵企業(yè)的資源優(yōu)勢，以良好的質(zhì)量控制體系運(yùn)行為基礎(chǔ)，優(yōu)化配比結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與巖棉生產(chǎn)工藝具有相同的質(zhì)量控制目標(biāo)如：Mk值、FeO含量和相應(yīng)溫度下的熔體黏度.通過表3我們可以看出，質(zhì)量配比為75%的高爐渣、12%的氧化鐵皮和13%的硅石粉組合形成的混合熔體的Mk值可以提高到1.41，甚至更高，可以按照巖棉的成分控制要求進(jìn)行配比結(jié)構(gòu)優(yōu)化.試驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)，制取的礦渣棉纖維如圖2所示.

表3 熔渣調(diào)質(zhì)配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))核算表

圖2 試驗(yàn)過程及礦渣棉局部放大圖片F(xiàn)ig.2 Photos of the slag wool

3.4 氧煤混合噴吹加熱技術(shù)的鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)

(1)高爐渣的顯熱能夠得到充分利用，僅有部分輻射熱損失；

(2)高爐渣的改質(zhì)升溫過程中，氧煤混合噴槍的氧氣和煤粉都能夠得到有效控制，因此加熱效率高；

(3)采用氧煤混合噴槍對高溫熔渣具有強(qiáng)烈的攪拌作用，使得熔渣的成分和溫度更加均勻；

(4)建廠設(shè)備和人力投資低，氧煤混噴所需要的原料，氧氣和煤粉在鋼鐵企業(yè)中容易得到；

(5)能耗低，由于氧煤混合噴吹加熱技術(shù)的應(yīng)用，煤粉的燃燒得到強(qiáng)化，煤粉的充分燃燒為熔渣調(diào)質(zhì)提供了足夠的熱量，每噸礦渣棉所需能耗將明顯降低.

4 結(jié) 語

通過對國內(nèi)外高爐渣高效資源化研究成果的分析，結(jié)合國內(nèi)鋼鐵大環(huán)境，總結(jié)出充分利用高爐渣顯熱，并同時制備出高附加值產(chǎn)品是當(dāng)前乃至以后高爐渣高效資源化利用的主要研究方向.與傳統(tǒng)的礦渣棉生產(chǎn)工藝相比，基于氧煤混噴加熱技術(shù)的鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝流程具有突出的節(jié)能、優(yōu)質(zhì)、高效優(yōu)勢，成本更低，市場競爭力更強(qiáng).鐵棉聯(lián)產(chǎn)工藝技術(shù)的推廣，不僅使熔融高爐渣的熱量得到了充分利用，大幅降低了生產(chǎn)能耗，同時也大大提高了高爐渣的附加值，減少了水沖渣處理工藝而產(chǎn)生的蒸汽污染，改善了生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景.

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