转炉钢渣处理的工艺方法冶金13-A1 高善超 120133201133摘要：介绍了钢渣的组成成分，简述了目前国内钢渣的主要处理工艺，对其中最为主流的热泼法、滚筒法、热闷法等钢渣处理工艺的工作原理及其优缺点进行简要评述。转炉渣中的f-CaO是影响转炉渣安定性的主要因素，钢渣中的f-CaO遇水会进行如下化学反应：f-CaO+H2OCa（OH）2，会使转炉渣体积膨胀98%左右，导致道路、建材制品或建筑物的开裂而破坏。如果能够降低转炉渣中f-CaO的含量，那么对钢渣的利用具有很大的指导意义。游离氧化钙与二氧化碳酸化反应生成CaCO3，以消解游离氧化钙，使钢渣中氧化钙降低至3%以下，达到国家规定，从而可以在各个工程中得到良好的应用。高炉渣中含SiO2一般是32%42%，可见高炉渣可以视为一种含SiO2物料，具有潜在消解转炉钢渣中f-CaO的能力，如果实现高炉渣与转炉渣熔融态下同步处理，这无疑拓宽了冶金渣资源化处理的有效途径。本文对以上两种钢渣中游离氧化钙的处理方法进行了论述。关键词：高炉渣；转炉钢渣；游离氧化钙；二氧化碳；石英砂；高温反应；消解率0引言钢渣是生产钢铁的过程中，由于造渣材料、冶炼材料、冶炼过程中掉落的炉体材料、修补炉体的补炉料和各种金属杂质所混合成的高温固溶体，是炼钢过程中所产生的附属产品，需要再次加工方可应用【1】。钢渣在欧美等发达国家可以广泛的利用，说明了钢渣具有非常好的应用前景，对钢渣的处理、利用、开发已经成为我们国家钢铁企业的重要发展方向。由于钢渣中存在游离氧化钙这种物质，其含量在钢渣中约占010%，游离氧化钙遇水后发生反应生成Ca（OH）2，这种反应会使钢渣体积发生膨胀，膨胀后钢渣的体积约会增长一倍，这种情况制约了钢渣的使用方向，使其很难在建材与道路工程中加以使用。由于我国正处于高速发展中，各项基础设施建设需要建设，其中高速公路的发展快速，如果可以将处理后的钢渣应用其中，代替其他岩土材料，可以降低建设成本，降低其他材料的消耗，有效的处理了堆积巨大的废弃钢渣，达到实际的经济效益【1-2】。因此对钢渣进行合理的处理并应用已经成为我国钢铁企业重要的发展方向之一。1.高炉渣的组成及用途1.1高炉渣的化学组分高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的废渣。高炉冶炼时，从炉顶加人铁矿石、燃料（焦炭）以及助熔剂等，当炉内温度达到13001500时，物料熔化变成液相，在液相中浮在铁水上的熔渣，通过排渣口排出，这就是高炉渣。高炉渣是由CaO、MgO、Al2O3、SiO2、MnO、Fe2O3等组成的硅酸盐和铝酸盐。SiO2、MnO、CaO和MgO是高炉渣的主要成分，它们在高炉渣中占95%以上。由于矿石品位和冶炼生铁品种不同，高炉渣的化学成分变动较大。 高炉矿渣属于硅酸盐质材料，它的化学组成与天然岩石和硅酸盐水泥相似。因此，可以代替天然岩石和作为水泥生产原料等使用。1.2高炉渣的矿相成分高炉渣是在铁矿石提取冶金过程中矿石脉石、焦炭灰分、熔剂等形成的硅酸盐熔体，其化学成分主要是Ca、Si、Al、Mg等的氧化物，矿物组成主要是硅酸二钙（2CaOSiO2）、假硅灰石（CaOSiO2）、钙铝黄长石（2CaOAl2O3SiO2）、钙镁黄长石（2CaOMgOSiO2）、硅长石（CaOAl2O32SiO2）、钙镁橄榄石（CaOMgOSiO2）、镁蔷薇辉石（3CaOMgO2SiO2）及镁方柱石（2CaOMgO2SiO2）等。多数情况下高炉渣可视为CaO-SiO2-Al2O3的伪三元系，其中，SiO2和Al2O3主要来自脉石和焦炭中的灰分，CaO和MgO主要来自熔剂24。高炉终渣温度一般与铁水相当或略高于铁水，在14001550之间。1.3高炉渣的性质 高炉渣冷却方式不同，得到的炉渣性能不同。（1）水渣 高炉熔渣在大量冷却水的作用下急冷形成的海绵状浮石类物质。在急冷过程中，熔渣中的绝大部分化合物来不及形成稳定化合物，而以玻璃体状态将热能转化为化学能封存其内，从而构成了潜在的化学活性。（2）重矿渣 高温熔渣在空气中自然冷却或淋少量水慢速冷却而形成的致密块渣。重矿渣的物理性质与天然碎石相近，其块渣容重大多在1900kg/m3以上，其抗压性、稳定性、抗冻性、抗冲击能力（韧性）均符合工程要求，可以代替碎石用于各种建筑工程中。（3）膨珠 膨珠大多呈球形，粒径与生产工艺和生产设备密切相关。膨珠表面有釉化玻璃质光泽，珠内有微孔，孔径大的350400m，其堆积密度为4001200kg/m3。1.4高炉渣处理方法目前国内外在生产上应用的高炉渣处理方法基本上是水淬法和干渣法。由于干渣处理环境污染较为严重，且资源利用率低，现在已很少使用，一般只在事故处理时，设置干渣坑或渣罐出渣3。目前，高炉渣处理主要采用水淬法。按水渣的脱水方式，水淬法主要有如下方法。（1）转鼓脱水法：经水淬或机械粒化后的水渣流到转鼓脱水器进行脱水，前者为INBA法（因巴法），后者为TYNA法（图拉法）。图拉法在我国已获得国家发明专利，专利名称为冶金熔渣粒化装置，专利权人为中冶集团包头钢铁设计研究总院，为俄罗斯与我国共同发明。（2）渣池过滤法：渣水混合物流入沉渣池，采用抓斗吊车抓渣，渣池内的水则通过渣池底部或侧面的过滤层进行排水。底滤式加反冲洗装置，一般称为OCP法（底滤法）。（3）脱水槽法：水淬后的渣浆经渣浆泵输送到脱水槽内进行脱水，这种方法就是通常所说的RASA法（拉萨法）。我国大多数高炉采用的是深水底滤法（OCP），西方国家大部分采用因巴法（INBA）。2.转炉渣的结构2.1转炉渣的化学成分转炉钢渣是转炉炼钢产生的一种废渣，是出炉状态温度高达1400以上的液体，化学成分CaO含量为40%60%，SiO2含量为13%20%，主要矿物相是硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、钙铁橄榄石、游离氧化钙（f-CaO）、游离氧化镁等。由于游离氧化钙（f-CaO）、游离MgO等有害成分含量高，冷却处理后的钢渣中含有大量结晶粗大、结构致密的f-CaO和离MgO，这些f-CaO和游离MgO遇水后会在很长时间内持续水化并发生体积膨胀，导致钢渣利用时长期安定性极差，严重制约了钢渣的安全利用。2.2转炉渣的矿相成分钢渣中矿物成分主要为硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)、铁酸钙或者铁酸二(CaOFe2O3/2CaOFe2O3)、RO相、尖晶石相、橄榄石(CaOROSiO2)等，其中游离氧化钙(fCaO)和C2S、C3S为主要成分，总量在50%以上4。钢渣具有较高的碱度时，其碱度R3，钢渣中矿物成分含量依次为C3S，C2S、RO相、2CaOFe2O3、fCaO。钢渣具有较低的碱度时，钢渣中矿物成分含量依次为C2S，RO相、2CaOFe2O3、C3S、f-CaO。钢渣的碱度R1.5时，在钢渣中还可能有钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石、黄长石等矿物的出现5-6。2.3转炉渣中的f-CaO转炉渣的膨胀机理是渣中的f-CaO在水化过程中遇水生成Ca(OH)2后，体积增加97.9%，导致转炉渣严重膨胀而影响了其稳定性。转炉渣中的f-CaO主要有两个来源。一是炼钢造渣过程中，有一部分CaO经高温锻烧未化合，形成了f-CaO，结构比较致密，水化很慢；二是缓冷过程中，热渣中的C3S（3CaOSiO2）极不稳定，在12501100时由稳定相转变为亚稳相，从而发生矿物的相变，C3S易析出C2S和f-CaO，C2S在675再次发生相变，由一C2S相变成一C2S7。f-CaO和C2S滞留在转炉渣中，如果发生水化或相变将会严重影响转炉渣的稳定性。另外，缓冷过程中生成的f-CaO会包裹住C3S使得渣的胶凝性偏低。钢渣的一些指标压碎值、磨耗值、磨光值等指标是钢渣的基本指标。在表1.2显示的是各个钢厂生产的钢渣中的物理力学性质，表1.3显示的是几种岩石的物理力学性质。从表1.2、表1.3中可以看出，钢渣的稳定性能和强度值等基本指标都能够满足在冶金工业、城市建筑、道路交通中使用要求。和这几种岩石比较之后，钢渣的视密度较大，然而其他的各项指标都和岩石相似，因此可以使用钢渣来代替岩石在各种路面中使用8-9。表1.2钢渣基本的物理力学性质表1.3几种岩石的物理力学性质2.4转炉渣的处理方法为解决上述转炉渣利用问题，人们认识到：转炉渣组成与物性的不合理，使其无法直接利用，只有将转炉渣出炉后先进行预处理，预处理好的渣一方面利于其中含铁组分的回收，另一方面要保证其组成与结构的基本稳定。具体包括：首先将出炉渣进行预处理，或“稳定化”处理，其主旨是预先消除或消解以自由及f-CaO为主的亚稳相，使转炉渣在被利用前组成与结构基本稳定，并利于渣、铁分离【10】。其次，将预处理好的转炉渣依据需要，进行资源化利用。为此，相继开发出转炉渣的多种预处理技术。这类可称之为两步法的转炉渣利用技术，一直延续到今天，并仍起着主导作用。这类渣处理技术的出现及发展，是转炉渣利用第二阶段的本质标志。目前，国内转炉渣的生产主要是采用热泼法、水淬法、风淬法、闷罐法、滚筒法、粒化法、转碟法等11-12。转炉渣的处理一般遵循“一破、两选、三筛”的工艺，由于转炉渣的粒径尺寸差异较大，一般情况下需要破碎到一定的粒径再进行分选。转炉渣中含铁15%25%，利用价值高，因此首先要选出转炉渣中的铁。常用分选方法有磁选（强磁和弱磁）、浮选等，然后对转炉渣进行筛分。经过初步处理，再根据利用方式的不同进行精细加工，可以通过球磨等方式，将转炉渣进一步磨细。转炉渣活化和碳化后，可制备水泥等材料。激发活化包括机械激发、化学激发、热力激发等方法。碳化是利用转炉渣将CO2以碳酸盐的形式永久储存，即CO2矿物固定。碳化是处理转炉渣、固定CO2气体的有效方法，是大量利用转炉渣、缓解CO2排放压力的有效措施。在转炉渣利用过程中，单一的转炉渣不能完全发挥利用价值，就需要和其他副产品（如转炉污泥、高炉渣等）混合后再利用【13】。几种常见的转炉渣处理方法：1.热闷法此法是较早开发的转炉渣预处理技术，也是国内钢企最早采用及引进的处理工艺。原理是将出炉渣置于可封闭罐内，利用出炉渣自身的显热与潜热，喷水对其作用，产生带压蒸汽，从而对钢渣强行“消解”。对欲处理钢渣没有特殊要求，钢渣消解较彻底，渣铁易于分离，回收铁组分后的尾渣矿物组织比较稳定、均匀，利于后续粗放式利用。缺点是：间歇性处理，处理效率很低，占用处理场地大，处理时间偏长，综合处理成本偏高，安全性控制要求也较高。待熔渣温度自然冷却至300800时，将热态钢渣倾翻至热闷罐中，盖上罐盖密封，待其均热半小时后对钢渣进行间歇式喷水。急冷产生的热应力使钢渣龟裂破碎，同时大量的饱和蒸汽渗入渣中与fCaO、fMgO发生水化反应使钢渣局部体积增大从而令其自解粉化。此工艺的优点在于渣平均温度大于300均适用，处理时间短（1012h），粉化率高（粒径20以下者达85%），渣铁分离好，渣性能稳定，fCaO、fMgO含量小于2%，可用于建材和道路基层材料。其缺点为需要建固定的封闭式内嵌钢坯的热闷箱及天车厂房、建设投入大、操作程序要求较严格、冬季厂房内会产生少量蒸汽【14-15】。2.水淬法液态高温渣在流出、下降过程中，被压力水分割、击碎、速凝，在水幕中进行粒化。水淬工艺会因炼钢设备工艺布置、排渣特点不同而不同。水淬法有多种处理方法如盘泼一水淬法，滚筒一水淬法等。盘泼法优点是：用水强制快速冷却，处理时间短，生产能力大；处理过程粉尘少；钢渣粒度小，可减少破碎、筛分的工作量，便于金属料回收；钢渣游离氧化钙含量较低，改善了钢渣的稳定性，有利于综合利用。缺点是：设备投资比较大；处理过程蒸汽直接排放量较大，对厂房和设备寿命有一定影响；操作工艺比较复杂；对钢渣的流动性有一定要求，粘