熔融鋼渣輥壓破碎機制與能效分析

張仲起

（唐山鋼鐵集團有限公司，河北 唐山）

引言

結合我國實際情況來看，我國是鋼金屬生產大國，每年都會生產大量的粗鋼，如2020 年，我國的粗鋼產量已經突破10 億噸大關，成為全球第一個鋼金屬年產量達到10 億噸的國家。但在粗鋼生產過程中也不可避免地會產生固體廢棄物，如冶煉一噸粗鋼后，約會產生鋼渣120～150 kg，而生產10 噸的粗鋼，則約會產出1 200～1 500 kg 的鋼渣。對于鋼渣的處理而言，多數企業是以熱潑法為主，這種方法雖然具有使用簡便的特點，然而也存在鐵回收效率低、鋼渣安定性難以保證的問題。采用輥壓破碎-熱悶新型鋼渣處理法則可以有效解決以上相關問題，提高鋼渣處理效率[1]。

1 熔融鋼渣的組成及基本性質

從鋼渣的物理成分組成來看，它是由生鐵中的硅、錳、磷、硫等雜質在熔煉過程中氧化而成的各種氧化物以及這些氧化物與溶劑反應生成的鹽類所組成。鋼渣中含有較多的有用成分，包括有金屬鐵，占比2%～8%；氧化鈣，占比40%～60%；氧化鎂占比為3%～10%；鋼渣中還含有硅酸二鈣、鐵酸二鈣和游離氧化鈣等。鋼渣屬于熟料物質，具有熔化溫度低的特征，重新熔化時，液相形成較早、流動性好[2]。

從鋼渣的化學特性來看，其與水泥熟料具有一定類似性，是一種潛在的活性膠凝材料，但也含有大量不穩定的游離成分，包括CaO、FeO、MgO 等，這對于鋼渣的安定性具有較大的影響。鋼渣的堿度約為1.55，屬于低堿物質。基于實際調查研究可知，我國煉鋼企業的鋼渣化學成分含量存在一定不同[3]。不同煉鋼企業煉鋼鋼渣的化學成分如表1 所示。

表1 不同煉鋼企業煉鋼鋼渣的化學成分對比

2 熔融鋼渣輥壓破碎的原理

鋼渣輥壓破碎是指在熔爐中進行破碎處理，如圖1所示，是指將鋼渣加熱至1 200～1 600 ℃，實現對鋼渣的熔融處理，此時需要對鋼渣熔融狀態進行檢測、對熔融鋼渣的粒徑進行測定，待合格后再進行有效回收熱悶處理，具體是將1 650 ℃左右的鋼渣直接傾翻在熱悶裝置內，噴水使其表面固化，然后蓋上裝置蓋間斷噴水，直到鋼渣溫度降到65 ℃左右時熱悶結束，由此實現對鋼渣的回收利用。

圖1 輥壓破碎現場

為了保障輥壓破碎的有效性，該系統設備集合了智能化、信息化技術，如結合了紅外智能測溫系統，可以對輥壓破碎過程的溫度進行實時監測，這可以幫助煉鋼單位有效調節輥壓破碎系統的工藝參數，如可以調節打水時間、輥壓破碎時間、破碎輥頻率等，從而確保輥壓破碎系統的運行效率，使其達到最佳的破碎效果；在視覺識別技術的作用下，可以捕捉和定位大塊鋼渣，加大的對鋼渣的破碎力度，從而保障破碎質量，這也便于后續的熱悶處理，確保鋼渣處理具有較高的品質保障[4]。

實際的溫度測定環節，是通過紅外熱像儀進行在線監測，在信息技術的作用下，可以精準、快速地獲取渣床全局的溫度分布狀態，溫度測定環節并不會影響現場生產作業進度，為鋼渣輥壓提供有效的數據依據。溫度測定如圖2 所示。

圖2 溫度測定示意

輥壓破碎環節，經破碎后的鋼渣粒徑均應小于300 mm，但也可能出現較大塊鋼渣未有效破碎的現象。此時通過圖像識別方法可以自動捕捉軋床上的大塊鋼渣粒徑，并通過計算分析得出鋼渣粒徑的大小情況，當存在較多粒徑較大的鋼渣時，系統會發出預警提醒工作人員進行多次輥壓破碎。粒徑監測示意如圖3 所示。

圖3 鋼渣粒徑大小識別

輥壓破碎完成后，會對破碎后的鋼渣進行有壓熱悶，熱悶后可以實現對鋼渣的細化處理，由此實現鋼渣的有效回收及利用。基于熱悶原理來講：熔融鋼渣會在高溫下形成完整的晶體，但也會融入FeO、MgO 等大量雜質，導致其具有韌性強、易磨性差、活性偏低等特征，鋼渣中的主要成分即CaO、MgO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、單質鐵、MnO 等，礦物組分包括C3S、Ca3MgSi2O8、C2S、C4AF 和含有鐵、磷氧化物固熔體的RO 相以及游離氧化鈣等。通過有壓熱悶和對鋼渣的噴淋處理，可以使鋼渣形成溫度穩定的小粒度鋼渣。熱悶溫度為500～600 ℃，壓力(0.28±0.02)MPa，噴霧遇高溫熱渣后產生的飽和蒸汽與鋼渣中的f-CaO 反應生成Ca(OH)2，體積膨脹98%；與f-MgO 發生反應得到的Mg(OH)2，體積膨脹148%，鋼渣在化學反應下出現了開裂、粉化和渣鐵分離，f-CaO 和f-MgO 都在這個過程中被完全消解，得到的鋼渣粒徑約70%左右在20 mm 以下，平均含水量低于12%，具有較好的穩定性、活性和易磨性，同時環保效果有所提升，能夠實現鋼渣固廢100%資源化利用。

3 鋼渣處理常用工藝特點比較

從國內外工業企業對鋼渣一次處理的現狀來看，涉及多種方法的應用，如有熱潑處理法、風淬法、池式熱悶法、滾筒法以及輥壓熱悶法五種。我國鋼渣處理以熱潑法、風淬法、輥壓熱悶法的應用最為普遍。不同工藝的特點也不盡相同[5]。

熱潑法，這種工藝方法相對簡單，主要是將磚爐液態鋼渣裝入到液態渣罐中，再利用跨車、火車等運輸機械將其運輸到專用鋼渣熱潑處理廠中，處理廠在接收相關鋼渣后會將鋼渣進行水冷處理；水冷處理后，將鋼渣再次運輸，運輸至二次處理產線中，由二次產線實現對鋼渣的篩分、磁選、分選，再將分選后的鋼渣加以利用?；谠摴に嚨奶攸c來看，存在施工簡單、方便的特征，但存在粗放式處理的特征，且涉及的占地空間較大、產生的粉塵較多，容易造成環境的污染，同時相關資本投入也較多。

風淬法，該工藝方法是指將液體鋼渣直接裝入專用的罐體中，再使用吊車將渣罐懸置于空中，此時鋼渣會從罐體的篩孔中自由落下，再利用高速流動的空氣對液態的鋼渣進行沖擊、分割，從而使鋼渣成為指定大小的結構單元，最后鋼渣落入到水池中，直接成為固態球狀鋼渣。這種工藝方法可以得到良好的鋼渣處理品質，但處理過程存在諸多不足之處，如將鋼渣罐進行吊起需要較多設備、空間等，且對于鋼渣的風冷加工會產生較大的噪音，嚴重威脅到環境健康。

鑒于以上方法的不足，輥壓破碎-熱悶法應運而生，這種工藝方法總結了前三代鋼渣處理工藝的優勢，并在劣勢上給予了有效補足，且借助現代化科學技術實現了鋼渣處理環節的自動化、潔凈化、裝備化。輥壓破碎熱悶法主要為破碎與熱悶兩個工藝環節，先是對鋼渣進行輥壓破碎處理，輥壓破碎過程中是按照一定的方式進行，如涉及對倒入輥壓區的熔融鋼渣進行輥壓，同時配合打水作業，由此實現對鋼渣粉碎加工的效果；待鋼渣受到輥壓力和冷卻應變力破碎后，鋼渣會直接運輸到臺車中，再由吊裝設備運輸至有壓熱悶罐體中；待鋼渣裝入罐體后，進行打水熱悶。有壓熱悶罐的工作壓力約為0.2～0.6 Mpa，在有壓熱悶狀態下，使鋼渣中的游離鈣、鎂加快了反應速度，加快了對鋼渣的碎化處理進度。這種工藝方法，能源消耗低，可處理各種溫度、狀態的鋼渣，處理率達100%，尾渣穩定性好，可全部利用。上述工藝方法的主要技術參數對比如表2 所示。

表2 熔融鋼渣處理技術主要參數對比

4 熔融鋼渣輥壓破碎機制的實際應用與能效分析

4.1 某煉鋼企業鋼渣處理工程概述

某煉鋼企業的經營發展中，為了更好的處理鋼渣，決定建設熔融鋼渣輥壓破碎工藝產線。實際的產線建設階段，企業從實際需求出發，對鋼渣輥壓破碎-熱悶處理工藝產線進行了深入的設計，并根據設計方案完成了該產線的建設。產線鋼渣處理標準為60 萬噸/年，現已投入實際運行，鋼渣處理效果良好。

4.2 鋼渣特點

鑒于企業煉鋼生產實際情況，煉鋼階段通常會添加大量的石灰石，由于煉鋼速度較快，鋼渣中呈現較多的CaO、MgO 等元素，這種元素是以游離狀態包裹在鋼渣中?；阡撛倪@一特點，有機結合輥壓熱悶工藝具有積極意義，如可以將鋼渣封閉于熱悶容器中，再對熱態鋼渣進行施水，使其產生過飽和水蒸氣，促進鋼渣中f-CaO 和水蒸氣快速反應、消解。

4.3 熔融鋼渣輥壓破碎機制與能效分析

該企業的鋼渣處理環節，決定有機結合輥壓破碎-有壓熱悶技術的應用。該技術方法的運用過程中，主要分為鋼渣輥壓破碎、余熱有壓熱悶兩個階段。

輥壓破碎階段：煉鋼完成后會剩下高溫液態熔融鋼渣，對于這些鋼渣主要是用渣罐車進行運輸，將其運輸至密閉的工作區域進行傾翻倒渣；待傾翻倒渣完畢后，輥壓破碎機開始運作，將高溫鋼渣進行冷卻破碎。輥壓破碎機運行過程中會按照一定的速度進行作業，確保破碎工作的有效性。破碎階段還包括對高溫熔融鋼渣的攪拌、拌和等，確保輥壓破碎的均勻性、穩定性。為了保障破碎的有效性，破碎過程會往復運行，由此確保鋼渣破碎的質量。破碎時間是根據鋼渣的運輸批次決定，常規情況下，一批次的鋼渣需要持續破碎30 min。經過持續地對鋼渣進行輥壓破碎，也可以實現對鋼渣的快速冷卻，如可以將初始狀態為1 300 ℃的鋼渣冷卻至600～800 ℃。

余熱有壓熱悶階段：為了實現對鋼渣的高效處理、有效再利用，待完成對鋼渣的輥壓破碎后，還需要及時對鋼渣進行熱悶處理。對于鋼渣的余熱有壓熱悶具體是指借助罐體單元進行熱悶，實現對鋼渣的深度加工。具體而言，待完成對鋼渣的輥壓破碎后，直接將鋼渣運輸至專用的罐體內，然后進行噴水、噴水后進行密封，實現對鋼渣的消解處理；在水蒸氣影響下，可以消解鋼渣中的游離氧化鈣、游離氧化鎂等物質。余熱有壓熱悶工藝的持續時間為2 h 左右。從該工藝實施后的效果來看，鋼渣的穩定性良好，鋼渣中的游離氧化鈣含量小于3%，浸水膨脹率小于2%。

從鋼輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術的實際運行使用特點來看，熱悶過程中的工作壓力僅為0.4 Mpa；鋼渣處理時間短，輥壓破碎時間為30 min、熱悶時間為2～3 h，由此可以加快對鋼渣的處理，滿足企業快速生產發展方面的需求；分化率高，經過輥壓破碎、熱悶處理后，鋼渣的粉化可以達到100%，且粒徑達到相關標準，對于鋼渣的二次處理、再利用可以提高有效的幫助；降低了資本投入，由于輥壓破碎、熱悶處理工藝實現了自動化操作，因而相關維護、管理、控制工作均可以借助計算機技術進行操控，這提高了生產效率，節省了人力資本上的投入，降低了生產運行成本。

進一步而言，在企業建設輥壓破碎-余熱有壓熱悶技術產線后，鋼渣處理速度明顯加快，對比之前縮短了7～10 h；能耗上也具有明顯的節省，噸渣電耗7.25 kWh、噸渣新水耗量0.3～0.4 t。與既往的鋼渣處理工藝相比，約節省了40%的成本投入；熔融后的鋼渣指標提升，浸水膨脹率1.6%、游離氧化鈣含量2.2%；鋼渣粉化率提高，粒徑小于20 mm 鋼渣約達到72.5%。

5 結論

綜上所述，我國是煉鋼大國，每年生產的粗鋼量巨大，同時產生的鋼渣量也十分驚人。而將鋼渣進行直接排放既會造成環境的破壞、污染，也會造成企業巨大的經濟損失發生。因此，對鋼渣進行科學合理的處理尤為重要。而對于鋼渣的處理而言，傳統工藝中的熱潑法、滾筒法等顯得效率不高，使用后產生的收益也相對較少。因此，輥壓破碎-余熱熱悶處理技術應運而生，具有處理鋼渣效率高、呈現出更多經濟回報的現象。但對于該工藝方法的應用，確保輥壓破碎機制的有效也十分必要，對此，本次對輥壓破碎機制的有效性進行了分析，并針對能效進行了探究，從探究結果來看，切實可以幫助到煉鋼企業提升對鋼渣的處理效率，且可以創造更多的產值、節省運營成本，并不會對環境造成污染、破壞，這不僅利于為有關企業提供有效的鋼渣處理參照，也利于推動我國煉鋼工業行業的進一步發展。