转炉钢渣处理的工艺方法

转炉钢渣处理的工艺方法

冶金13-A1 高善超 3

摘要：介绍了钢渣的组成成分，简述了目前国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+H2O→Ca（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0~10%，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，当炉温度达到1300~1500℃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（2CaO·SiO2）、假硅灰石（CaO·SiO2）、钙铝黄长石（2CaO·Al2O3·SiO2）、钙镁黄长石（2CaO·MgO·SiO2）、硅长石（CaO·Al2O3·2SiO2）、钙镁橄榄石（CaO·MgO·SiO2）、镁蔷薇辉石（3CaO·MgO·2SiO2）及镁方柱石（2CaO·MgO·2SiO2）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1400~1550℃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，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，珠有微孔，孔径大的350~400μm，其堆积密度为400~1200kg/m3。

1.4高炉渣处理方法

目前国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进行脱水，这种方法就是通常所说的RASA法（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(CaO·Fe2O3/2CaO·Fe2O3)、RO相、尖晶石相、橄榄石(CaO·RO·SiO2)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R>3，钢渣中矿物成分含量依次为C3S，C2S、RO相、2CaO·Fe2O3、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、2CaO·Fe2O3、C3S、f-CaO。钢渣的碱度R<1.5时，在钢渣中还可能有钙镁橄榄石、镁蔷薇辉