钢渣是炼钢过程中的副产品,根据目前国内外炼钢水平,其产量为粗钢产量的10%~15%,2014年全球粗钢总产量为16.6亿吨,钢渣总产生量为2亿吨左右。迄今为止,人们已开发出了近40种有关钢渣综合利用的方法,但到目前尚未找到大规模资源化利用钢渣资源的有效途径,钢渣实现“零排放”是世界钢铁行业的难题。
国外钢渣利用的研究开展的比较早,国外发达国家钢渣利用已达到排用平衡;而国内钢渣相对利用率低,还是以回收废钢、磁选铁精粉、用作熔剂等钢厂内部循环利用方式为主,使用量有限,目前约有70%的钢渣处于堆存和填埋状态,存在环境污染、资源浪费等问题。
钢渣应用所面临的问题
钢渣的主要化学成分是由CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、MgO、Al2O3、MnO、P2O5和f-CaO(游离CaO)等氧化物。由于处理方法和分选方法不同,钢渣的成分、性能会有很大的差别,影响钢渣的利用途径。在钢渣利用过程中产生的一些问题未能得到有效解决,制约了钢渣的大规模应用。 首先是钢渣的稳定性不良。钢渣形成的温度高、时间短,渣中含有游离氧化钙和游离氧化镁,遇水水化反应生成氢氧化钙和氢氧化镁,体积膨胀;钢渣中的C2S(硅酸二钙)是一种多晶矿物,在钢渣冷却过程中,其晶型由β型向γ型转变,使体积增大。将其应用于道路、建材等行业,会出现开裂现象。 其次是钢渣的密度大。钢渣的密度为3.5t/m3左右,是普通建材的1.2~1.4倍,这决定了钢渣用于建筑工程中,其运输、使用时的能耗要增加10%左右。 再其次是钢渣中金属铁含量高。钢渣中金属铁的存在,一方面增加了钢渣的磨矿难度,造成粗大颗粒存在;另一方面,在使用过程中易出现铁锈现象。这也限制了尾渣在建筑、建材方面的利用。 最后是钢渣成分波动大。钢渣成分的复杂性和波动性,造成其使用难度增大。 基于以上原因,钢渣在很多方面的利用受限,利用率低。 钢渣处理技术分类 目前,钢渣处理工艺有冷弃法、盘泼水冷法、热泼法、水淬法、风淬法、热闷法、滚筒法和加压蒸汽陈化法等。其中,冷弃法陈化时间长,处理后的钢渣块度大,不利于钢渣的利用和加工;盘泼水冷法处理成本高,工艺复杂,污染腐蚀大;水淬、风淬法易发生爆炸,对钢渣的流动性要求高,存在操作环境恶劣等缺陷。这些方法未能在国内外大规模推广。目前,国内外钢渣处理常用的方法是热泼法、滚筒法、热闷法和加压蒸汽陈化法。其中,加压蒸汽陈化法是国外利用较多的处理工艺。 热泼法。该工艺将热熔钢渣倒入渣罐后,用车辆运到钢渣热泼车间,利用吊车将渣罐的液态渣分层泼倒在渣床上(或渣坑内),喷淋适量的水,使高温炉渣急冷碎裂并加速冷却,然后用装载机、电铲等设备进行挖掘装车,再运至弃渣场。需要加工利用的,则运至钢渣处理车间进行粉碎、筛分、磁选等工艺处理。 虽然热泼法占地面积大,处理后的钢渣稳定性不好,尾渣需陈化后才能再利用,但此工艺技术成熟、生产线流程简单、运行成本低、设备投资较少、安全可靠,经破碎、筛分、磁选出钢粒、精矿粉和熔剂能达到钢渣量的50%左右。从钢铁企业经济效益分析,该工艺投资少,安全易操作,企业采用较多。 滚筒法。该工艺是由俄罗斯研制,宝钢购买了该项专利技术,建成了世界上第一台滚筒法处理液态钢渣的工业化装置。该工艺将钢渣倒入渣罐后,由吊车吊至滚筒前,顺着溜槽将高温熔渣倒入筒体,滚筒边旋转边向桶内急速喷水使尾渣冷却,尾渣落下后被筒内钢球挤压破碎,然后随水从筒下部出口流出滚筒。 该工艺优点是钢渣粒度细小,废钢与渣分离完全,游离氧化钙含量低,炉渣不需陈化便可直接利用,自动化程度高,劳动强度低。缺点是设备复杂、维修难度大、运行费用较高、推广难度大,目前宝钢和酒钢正在采用此方法。 热闷法。该工艺将热熔钢渣用吊车将渣倾倒在热闷池或热闷罐中,压盖密封后适量间歇喷水冷却,利用池内渣的余热产生大量饱和蒸汽,与钢渣中不稳定的f-CaO、f-MgO(游离MgO)发生水化等反应,加上C2S等冷却过程中体积增大,使得钢渣自解粉化,同时渣钢分离。处理完后用挖掘机或抓斗从池内挖出外运。热闷法分闷罐法和热闷池法。其中,闷罐法处理效率和机械化水平低,目前采用此法的较少;热闷池法应用较多。此工艺的优点在于钢渣热闷工艺适应性强,液态、半固态都能处理,处理后渣铁分离好、渣性能稳、粒度小,便于后续综合利用。 加压蒸汽陈化法。该工艺是由日本住友金属工业公司研发,为了提高钢渣陈化效率,将钢渣置于封闭容器中,饱和蒸汽温度升高,加压蒸汽陈化水化反应速度比敞开式堆场蒸汽陈化速度提高24倍,在0.5MPa下稳态陈化时间仅为2小时。该工艺占地面积小,可以完全自动化,使劳动强度大大降低,同时钢渣稳定性高,粒度较小且均匀。 日、德、美钢渣利用走在前列