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作为资源,钢渣利用的中外对比

2019-06-15来源:善知识与道


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

国外钢渣利用的研究开展的比较早,世界著名的几个产钢大国钢渣的主要利用途径是选铁、做水泥原料、筑路材料、市政工程材料、肥料、土壤调节剂,一部分钢渣返高炉、烧结作熔剂等,各国钢渣的综合利用发展并不平衡。

日本钢渣资源化利用情况。日本钢渣大部分粉碎后磁选回收废钢,剩余尾渣几乎全部被用于水泥、道路工程、混凝土骨料和土建材料等方面。同时,日本钢渣在改善海洋环境方面开发了一些新工艺———利用钢渣修复海域环境。钢渣中含有大量的海藻生长所需的2价铁(FeO)和SiO2,可将钢渣作为在营养贫化海域制造海藻场的基质材料和肥料。同时,钢渣中含有CaO,将导致封闭性海域营养富化的磷元素变成磷灰石进行固化;钢渣呈碱性并含有铁,具有抑制沉积在疏浚凹地和海底的硫化物还原为硫化氢的功能。因此,钢渣可用来抑制富营养物的产生,改善海底质量。住友金属、新日铁等钢铁企业正在采用此法改善日本邻海。利用钢渣造人工礁由JFE钢铁公司成功开发,该公司将钢渣粉碎回收部分废钢铁后,通过喷吹CO2与尾渣中CaO反应形成CaCO3块状物且带孔,将其沉入近海的海底,海藻类附在带孔渔礁上生长,有利于改善海洋生态环境,该法现已在日本海岸的近海推广。

德国钢渣资源化利用情况。德国钢渣利用率较高,可以替代土木工程、道路工程、水利工程和铁路工程技术的矿质材料,也可以用作农肥以及配入烧结和高炉进行再利用。德国钢渣处理主要有热泼法堆存和其它特殊处理法,对于安定性好的钢渣采用超慢冷却,获取到直径为100mm~500mm的粒度,满足水利工程所需的粗粒径。

美国钢渣资源化利用情况。美国的钢渣已达到排用平衡,37%用于路基工程,22%用于回填工程,22%用于沥青混凝土集料,剩余钢渣用于钢铁企业内部循环利用、生产水泥和改善土壤的肥料。

英国钢渣资源化利用情况。英国在钢渣处理上,开发了干式成粒法工艺。钢渣主要用于沥青混凝土、大体积混凝土、柏油路骨架料、道路建筑材料。干式颗粒可作为水泥补充剂或填料。

其他国家利用情况。加拿大的钢渣少部分配入烧结和高炉等再利用和道路建设,大部分用于就地堆积或者运往其他地方进行回填;土耳其等国也开始将钢渣作为水泥掺合料进行研究,但还未见大规模应用的报道;南非土壤是酸性的,其钢渣一部分做土壤改良剂,其它填埋、堆存;瑞典通过向熔融钢渣中加入碳、硅和铝质材料对钢渣进行成分重构后,回收渣中渣钢尾渣用于水泥生产。

从国外钢渣应用情况可以看出,各国钢渣的资源化利用目前着重放在建筑和建材行业,在水泥、混凝土、路面和建材制品中的利用是钢渣利用的发展方向,市场前景广阔。钢铁工业较为发达的国家在钢渣利用方面研究较深,投入较多,成果显著,基本达到了钢渣“零排放”。但其他国家大部分堆存,利用情况不理想。

 

我国钢渣利用前景可期

目前,我国钢渣的利用率还很低,约有70%的钢渣处于堆存和填埋状态。

国内钢渣以回收废钢、磁选铁精粉、用作熔剂作为各钢厂内部循环利用的首选,但使用量有限。部分钢铁企业在钢渣利用方面研究较多。目前国内钢渣中全铁含量在20%左右,其中金属铁约占10%,通过破碎磁选回收各种粒度的废钢是大部分中小型钢铁企业利用钢渣的主要手段,其余钢渣则外卖或堆存渣场。此外,小粒度、含铁量高的尾渣经过进一步破碎、球磨、干法或湿法磁选可获得铁精粉,含铁量大于65%,可以直接用于烧结。钢渣中含40%~50%的CaO、6%~10%的MgO等, 利用钢渣中的残钢、氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化锰等有益成分,可以作为炼钢前期化渣剂、冷却剂等;可以作为烧结矿的增强剂,因为其本身是熟料,且含有一定数量的铁酸钙,对烧结矿的强度有一定的改善作用。很多大中型钢铁企业均利用钢渣做烧结矿熔剂,取得了良好的经济效益和社会效益。

除了内部循环利用,我国钢渣外部循环利用主要是生产钢渣微粉、用于公路材料、制砖、用作碳化钢渣制建筑材料、制作微晶玻璃、处理废水、改良土壤土质、做特种型砂等。用于生产水泥、砖、混凝土掺和料、筑路材料是钢渣资源化利用的发展方向,这方面不仅适用范围广,而且需求量大,能够消化钢渣的巨大产量。此外,我国是海洋大国,海岸线有1.8万公里,近年来海洋环境污染较重,我国沿海钢铁企业分布较多,开发钢渣新产品改善海洋环境成为我国钢渣大规模利用的新方向。

当前,我国要实现大规模资源化合理利用钢渣和“零排放”的目标,当务之急是要加大对钢渣有效处理工艺的研究。比较目前钢渣处理工艺,热闷法和加压蒸汽陈化法处理效果较好,渣铁分离较彻底,稳定性较好,但也存在一些问题,投资和运行成本高,热闷法易爆炸等。钢渣处理的发展方向是:最大化的把渣铁分离,需要钢渣冷却过程中粉化;去除钢渣中的游离氧化钙、氧化镁,在处理过程中游离氧化钙和氧化镁与水或者其它物质完全反应。

来源:钢铁冶金

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