鋼渣處理設施結構優化淺析

張 志 剛

(中冶南方鋼鐵工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

轉爐煉鋼生產過程中的鋼渣處理冷卻工藝，是熱態轉爐渣處理系統的核心技術。目前，鋼渣處理工藝有多種形式，其中熱潑渣廂法的應用較為廣泛。在熱潑渣冷卻處理過程中，渣廂結構的熱防護系統發揮著重要的作用，是渣廂能夠持續安全工作的重要保障。鋼渣冷卻過程中排放的大量廢水，直接影響著生產區域的周邊環境。隨著環保要求的日趨嚴格，鋼渣環保化處理也日益得到重視。如何提升渣廂結構的熱防護效能、更好的解決廢水污染的問題，值得深入研究。

1 渣處理工藝流程

1.1 渣處理設施工藝形式

目前，我國煉鋼渣處理系統有幾種常見工藝形式：冷棄法，熱潑渣廂法，熱燜渣箱法，滾筒法，水淬法等[1]。這些處理工藝，過程差異較大，鋼渣粒化效果各有優劣，不同工藝主要與建設規模、占地面積及后期運營維護成本等有密切的關系。鋼廠結合自身生產條件，因地制宜，選擇合適的處理工藝，以實現鋼渣固廢處理并二次利用的綜合效益最大化[2,3]。

近年來，鋼渣處理采用熱潑渣廂法和熱燜渣箱法逐漸成為主流工藝。這兩種工藝的基本理念相近，但處理過程差別較大：熱潑法的主要處理設施置于地上，屬于開敞式；熱燜法的處理設施置于地下，屬于密閉式。熱潑渣廂法的優點是冷卻環境要求低，安全便捷，冷卻時間短，處理能效大，鋼渣活性較好，機械化作業程度高；其缺點是占地面積相對較大、廢水排放量大、易揚塵，熱輻射明顯，故需配套建設相應的除塵、隔熱等設施來保障生產[4]。

1.2 熱潑渣工藝流程

熱潑法工藝流程為：渣罐車將高溫液態鋼渣運輸到爐渣間，吊車將渣罐吊起至渣廂上方，使高溫液態鋼渣均勻潑入地面渣廂內，同時渣廂頂部噴淋裝置向廂內噴水，熱態鋼渣隨之劇烈反應以致裂化、粉化、冷卻，待鋼渣溫度降低至60 ℃～70 ℃后，機械鏟裝運至渣場作進一步處理，最終實現鋼渣二次利用。噴淋冷卻過程中產生的廢水，經渣廂底部的過濾層，流入渣廂外的渣溝后，收集到沉淀池進行深度廢水處理。

1.3 冷卻工藝要求

熱潑法冷卻過程中，渣廂內部溫度從約1 650 ℃劇降至約60 ℃，期間伴隨劇烈的化學反應，鋼渣裂隙內產生大量的飽和高溫蒸汽，渣塊隨之崩裂粉化，這些高溫蒸汽及飛崩的高溫渣塊，對渣廂周邊擋墻產生很大的破壞性。因此，渣廂擋墻必須具有良好的熱防護性能，擋墻內壁的隔熱散熱必須高效，才能保障渣廂結構在高溫輻射、渣塊撞擊等作用下安全可靠的運行。根據渣廂不同的容積，噴淋冷卻水一般需要80 m3/h～150 m3/h耗水量[5]，隨之產生大量的冷卻廢水，而廢水中裹挾大量的渣粉，排放路徑須通暢，并具有初步濾渣功能。

2 渣廂設施優化

2.1 現行熱潑渣廂設施弊端

渣廂擋墻一般采用三面懸臂式鋼筋混凝土結構。鋼渣冷卻過程中，渣廂內長期處于700 ℃～1 650 ℃的高溫環境，擋墻混凝土須具有良好耐熱性能。以往的工程中，常采用高性能耐高溫混凝土來保障環境要求，但其制備條件要求較高，各項應用指標遠高于普通硅酸鹽混凝土。選用的骨料、制備配合比、摻和耐高溫礦粉等材料，均有嚴格要求，例如：粗骨料不能選擇石灰石、石英砂等高溫變形大的骨料，應選用耐火度高、高溫變形小的火成巖、玄武巖、高爐礦渣、黏土熟料等；細骨料須采用高爐水淬礦粉等[6]。這種耐高溫混凝土的市場應用范圍小，不便于采購，工程應用成本高，檢測合格率低；且耐高溫混凝土一般承受的溫度僅為300 ℃～700 ℃，理想條件可達900 ℃[7]，混凝土壽命短。因此，耐高溫混凝土難以滿足渣廂的環境要求，普遍發生擋墻開裂甚至崩裂損壞的現象，有的工程甚至造成了安全事故，工程實踐效果差。故僅依靠耐高溫鋼筋混凝土擋墻來實現熱防護的做法，安全生產的可靠性較低，該方法逐步遭到淘汰。

目前，渣廂擋墻熱防護措施已逐步改良，降低了材料要求，采用市場應用量大的普通礦渣硅酸鹽混凝土，強度等級為C30～C35，其持續耐熱溫度可以達到300 ℃以上，最高可達500 ℃。顯然，這種抗高溫能力也不能滿足環境要求。對此，采取在擋墻內壁設置隔熱、散熱組件來實現熱防護[8]，具體做法是：在擋墻內壁設置支撐梁，支撐梁一般采用H型鋼，將其直接焊于擋墻內壁的預埋件上，再在支撐梁頂面焊接隔熱板，隔熱板多為50 mm厚的普通碳素結構鋼，然后在隔熱板與擋墻之間的空隙內填充耐火磚，這種隔熱結構設施如圖1所示。通過這些處理措施，擋墻隔熱效果明顯提升，基本滿足渣廂環境要求。然而，在渣處理生產一定時期后，擋墻仍出現了局部規律性開裂，此外，隔熱板與支撐梁之間普遍出現松動翹曲現象，造成隔熱、散熱效果大大降低，且不便維修；廢水污染場地的現象仍未得到徹底解決。經分析發現，現行渣廂設施存在以下幾點不足：

1)隔熱板與支撐梁之間采用焊接方式，高溫引起較大變形和應力集中效應，而焊接部位限制了變形，由于梁、板變形不協調，導致連接焊縫斷裂，連接松動，隔熱板局部翹曲；

2)支撐梁焊接于擋墻內壁埋件上，從而形成熱傳遞通道，高溫熱量通過支撐梁和埋件傳遞到擋墻內壁，導致混凝土局部溫度過高，引起局部規律性開裂；

3)隔熱板與擋墻之間的空隙內填滿了耐材，其隔熱好、散熱差，內部空隙水汽高溫膨脹，飽和蒸汽難以散發出去，熱交換效率低，窩裹在內部高溫蒸汽加劇了混凝土裂縫的開展；

4)廢水排放路徑不通暢，廢水中裹挾的渣粉極易堵塞通道，從而污染場地。這種渣溝如圖2所示。

可知，對熱潑渣廂在高溫環境下的工作性能評估不足，結構選材和構造措施不合理，是造成渣廂熱防護性能較差以及場地污染的主要原因。

2.2 渣廂結構優化措施

結合工程實踐經驗，綜合考慮渣廂冷卻環境特點，采取了兩方面的優化措施：一是改良隔熱、散熱構造措施；二是改良廢水排放構造措施。優化后的隔熱結構設施如圖3所示。

2.2.1隔熱散熱構造措施

首先，在內壁設置約200 mm厚的耐火磚基座，支撐梁采用鍍鋅螺栓固定于基座上，阻隔熱源傳導路徑，避免混凝土局部高溫導致開裂。在支撐梁上翼緣兩側設置限位卡槽連接隔熱板，梁板在高溫變形時，由于變形不協調，使之既能相互自由伸縮，又可保證隔熱板不致脫落。隔熱板與擋墻之間的空隙內不再填充耐材，在隔熱板背面設置散熱板，可促進空隙內飽和蒸汽對流散熱，保證散熱通暢，散熱板亦可限制隔熱板面外翹曲變形。支撐梁采用廢鋼軌，因鋼軌具有良好的耐熱變形特性，且經濟環保。此外，錨栓連接便于后期維護，且導熱面積很小，可忽略不計。優化后的渣廂設施剖面圖如圖4所示。

優化后熱潑渣廂設施為架空式，材料均為常規材質，主要材質和規格為：普通礦渣硅酸鹽鋼筋混凝土，強度等級為C30～C35；粘土質隔熱耐火磚，性能指標為NG135-1.3，耐火度不低于1 690 ℃[9]；QU50廢鋼軌；25 mm～35 mm厚隔熱板，材質為Q235-B碳鋼或鑄鋼板；M20～M24鍍鋅錨栓，材質為Q235-B或不銹鋼。

2.2.2排水構造措施

對于噴淋冷卻廢水的排放污染，采取兩方面措施來解決：一是優化排水路徑，二是優化渣溝構造。首先，渣廂底板頂面設置5%～10%的坡度，在底板上均勻鋪設500 mm厚黏性土層，并分層夯實，夯實系數不小于0.94，在夯實后的土層上鋪設300 mm～500 mm高爐礦渣，粒徑為50 mm～150 mm。其二，渣溝蓋板中間設置60 mm×500 mm的長圓孔，并在蓋板兩邊側各增設一個30 mm×500 mm凹槽，當蓋板鋪裝后，相鄰蓋板之間自然形成了一個60 mm×500 mm的落水孔，則落水孔的面積增大1.5倍。其三，在來水方向的渣溝側壁頂部，水平增設一排約100 mm×300 mm的矩形泄水孔，孔間凈距約400 mm，并在泄水孔外側增設活動式格柵濾網，格柵濾網可采用鍍鋅碳鋼或不銹鋼，網孔宜為25 mm×25 mm左右，濾網可防止大顆粒礦渣進入渣溝。經優化后，冷卻廢水可初步過濾，大大減少廢水中的渣粉含量，減緩流速；大部分廢水首先通過渣溝側壁的泄水孔流入溝內，若仍有部分溢出，可通過頂部蓋板的落水孔流入渣溝，多道泄水路徑，明顯提升了排水效率，基本解決了場地污染。優化后的渣溝設施見圖5。

3 工程應用

優化后的熱潑渣廂設施，已應用于青鋼環保技改工程、淮鋼優特鋼改造等煉鋼渣處理工程中，在投產運行后，其隔熱、散熱效果良好，未見渣廂擋墻開裂現象，冷卻廢水排放也較為通暢，基本消除了場地大面積污染。由此可知，優化措施有效保障了渣廂的工作性能，安全可靠，后期運維便捷，有效降低了運維成本，延長了渣廂設施的使用壽命。與以往的工程相比，隔熱板的厚度減小約40%，耐火磚用量減小約80%，支撐采用廢舊鋼軌，更加節能環保。因此，該設施具有良好的經濟效益和廣泛的市場應用前景。

熱潑渣廂設施生產過程中，仍有一些細節問題值得注意：一是地面機械鏟運冷卻鋼渣時，應注意鏟渣力度，避免暴力鏟運擾動隔熱板和支撐組件；二是應建立渣溝清淤制度，定期排查，保障廢水排放通暢。由于渣廂容積和場地環境要求的不同，渣廂設施的熱防護、廢水排放等技術仍有進一步研究的空間。

4 結語

通過介紹轉爐煉鋼熱潑鋼渣冷卻工藝生產要求，對熱潑渣廂設施熱防護和廢水排放等影響因素進行了綜合分析，給出了相關優化設計措施，工程應用效果良好。得出以下幾點結論：1)熱潑渣廂熱防護采用架空式結構，通過耐火磚基座阻隔熱源直接傳導，解決了混凝土擋墻局部開裂；隔熱板和支撐梁之間卡槽連接，增設散熱板，實現高溫自由變形，渣廂整體隔熱、散熱效果顯著提升；2)渣廂底部設置坡度，采用等厚多層褥墊層，減緩流速減少攜渣，實現廢水初步過濾；3)優化渣溝泄水面積和路徑，增設格柵濾網，排水效率明顯提升，基本解決了場地污染問題；4)熱防護和廢水排放綜合優化措施，安全可靠，經濟環保。