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科学选择钢渣处理利用技术,实现“零排放”

来源:本站   发布时间: 2016-07-19 09:01:53   浏览:11791次  字号: [大] [中] [小]
工业固废应用技术专业委员会冶炼渣类技术论文 科学选择钢渣处理利用技术,实现“零排放”朱桂林,郝以党,张宇(中冶建筑研究总院有限公司,北京,100088,Tel:010-82227663,Email:zhuguilin246@263 net)摘

 工业固废应用技术专业委员会冶炼渣类技术论文

 

科学选择钢渣处理利用技术,实现“零排放”

朱桂林,郝以党,张宇

(中冶建筑研究总院有限公司,北京,100088

Tel010-82227663Emailzhuguilin246@263.net

摘要:为提高我国钢渣综合利用率,实现钢渣“零排放”和高附加值利用,重点介绍了钢渣处理先进技术-熔融钢渣热闷技术的基本原理、工艺流程、技术特点和技术参数及钢渣辊压破碎-有压热闷技术特点和推广应用情况,并与国内外钢渣处理技术进行了对比,同时介绍了钢渣主要利用途径。结论表明:采用热闷技术处理钢渣及钢渣粉磨加工成钢渣粉对提高我国钢渣综合利用率、推动钢渣高价值资源化利用、循环经济和节能减排工作具有重大意义。

关键词:钢渣,热闷,钢渣粉,钢铁渣粉

1.钢铁渣处理利用现状

1.1钢铁渣产生量和利用率

钢铁渣是钢铁生产的必然产物。每生产1吨铁产生330-350kg的高炉渣,每炼1吨钢产生125-140kg钢渣。2013年我国钢渣产生量约1.01亿吨,综合利用率约为25%,综合利用率较低。目前钢渣利用途径主要为生产钢渣粉作混凝土掺合料、生产钢渣水泥、供水泥厂作硅酸盐水泥配料烧熟料、钢渣作砖和道路材料,部分铸余渣返回烧结配料使用。

1.2钢铁渣堆弃量及危害

2013年我国堆弃的钢铁渣约为1.145亿吨。过去五年累计堆弃量约12.79亿吨。这势必造成占用土地,淤塞河流,破坏生态,污染环境及浪费资源的现象。

 

1 钢渣堆弃对环境和生态的破坏

2.钢渣的处理技术

2.1钢渣的化学成分

钢渣的化学成分主要有氧化钙(CaO)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、氧化亚铁(FeO)、三氧化二铁(Fe2O3)、氧化锰(MnO)、五氧化二磷(P2O5)和游离氧化钙(f-CaO)

1 部分钢厂转炉钢渣的化学成分(%)

厂名

SiO2

Fe2O3

Al2O3

CaO

MgO

FeO

MnO

P2O5

f-CaO

碱度

马钢

11.48

6.47

2.10

41.29

7.26

15.83

1.79

1.06

12.77

3.29

太钢

14.22

8.79

2.86

47.80

9.29

13.29

1.06

0.56

1.57

3.13

首钢

14.86

10.37

3.88

44.00

10.04

12.30

1.11

1.31

1.80

2.72

本钢

15.99

12.29

3.00

40.50

9.22

7.34

1.34

0.56

2.80

2.45

唐钢

15.38

12.73

2.54

40.30

9.05

14.06

1.88

1.10

1.84

2.45

鞍钢

15.43

10.71

2.44

39.29

11.04

16.48

1.27

0.74

2.02

2.43

南京钢厂

17.19

7.43

1.48

40.14

8.79

16.94

1.99

1.51

4.31

2.15

韶钢

18.38

7.46

3.04

40.77

3.14

15.49

5.38

1.27

8.57

2.07

注:碱度=

从钢渣的化学成分可知:

(1)钢渣中CaO的含量高,约为40%,且均有f-CaO存在;

(2)钢渣中铁的氧化物以FeOFe2O3的形式存在,FeO的数量高于Fe2O3

(3)钢渣中含有P2O5

2.2钢渣的矿物成分

1)钢渣矿物形成过程

在冶炼过程的初期,部分铁水被氧化后生成FeOFe2O3,铁水和炉料中的硅被氧化生成SiO2,此时在钢渣中以SiO2FeO+Fe2O3CaO三元素成分为主。由于石灰的加入,碱度逐渐提高,依次发生下列反应:

炼钢过程随着碱度的提高,钢渣的成分发生下列反应:

CaO+SiO2+MgO+FeO+MnO → CaO•RO•SiO2  (橄榄石)

2(CaO•RO•SiO2)CaO → 3CaO•RO•2SiO2(蔷薇辉石)+RO

3CaO•RO•2SiO2CaO → 2(2CaO•SiO2)+RO

2CaO•SiO2CaO → 3CaO•SiO2

式中,RO代表二价金属(Mg2+Fe2+Mn2+)氧化物连续固溶体。

P2O5首先和CaOSiO2反应生成纳钙斯密特石7CaO•P2O5•2SiO2,简写为C7PS2

钢渣的活性和钢渣的化学成分有关,但更重要的是化学成分中的氧化物在高温熔融条件下,生产矿物的种类和数量,活性矿物含量的多少决定了钢渣的活性。具有水硬活性的硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)和铁酸钙(C2F)含量越多,则钢渣的活性越高。

在钢渣中FeO一部分进入RO相,一部分铁橄榄石CaO·FeO·SiO2两者是无活性的矿物。

Fe2O3在一定条件下和CaO生产2CaO·Fe2O3,铁酸二钙是活性矿物。

通过电子显微镜分析、X-射线能谱分析、X-射线衍射分析等结合矿相分析,准确确定钢渣中主要矿物才能评估出钢渣的水硬胶凝性。

2)钢渣的主要矿物

钢渣的主要矿物有硅酸二钙(2CaO·SiO2),以C2S表示;硅酸三钙(3CaO·SiO2),以C3S表示;RO相;蔷薇辉石(3CaO·RO·2SiO2),以C3RS2表示;橄榄石(CaO·RO·SiO2),以CRS表示;铁酸二钙(2CaO·Fe2O3),以C2 F表示;铁酸钙(CaO·Fe2O3),以CF表示。游离氧化钙(f-CaO);游离氧化镁(f-MgO)。有的钢渣中还会出现黄长石(2CaO·Al2O3·SiO2),以C2AS表示;尖晶石(Fe·Mg·Mn)O(Fe·Cr·Al)2O3等。

2.3钢渣处理工艺技术

钢渣处理工艺技术应满足资源化利用的要求。我国从上世纪七十年代初开始进行钢渣处理工艺的研究,不同历史时期钢渣的主要利用途径和处理技术见表2  

           2 不同钢渣处理工艺

2 不同时期主要钢渣处理技术和利用途径表

时间

钢渣主要

利用途径

钢渣主要

处理技术

产品技术指标

研发单位

1970~1990

钢渣返回烧结

钢渣水泥

筑路材料、钢渣砖

水淬法、风淬法、粒化轮法、热泼法

粒度0-8mm,对钢渣稳定性,金属铁含量没要求

中冶建筑研究总院有限公司、马钢、济钢、湘钢、南钢等

1991~1998

钢渣返回烧结

钢渣水泥

筑路材料、钢渣砖

其他

钢渣热闷法、水淬法、滚筒法、风淬法、热泼法

钢渣稳定性好,金属铁含量小于3%

中冶建筑研究总院有限公司、宝钢、济钢、涟钢、本溪北台、上钢一厂、三厂、五厂等

1999~2013

钢渣粉

钢渣筑路材料

返回烧结

其他

钢渣热闷法、滚筒法、热泼法、钢渣余热有压热闷法

经稳定化处理f-CaO<3%,安定性合格,金属铁<2%

中冶建筑研究总院有限公司、鞍钢、首钢京唐、本钢、日照、沙钢、新余等64个钢厂

注:其他利用包括做干粉砂浆、除锈喷丸、建筑砌块、地面砖等少量应用。

2.3.1钢渣热泼工艺

目前国内大多数钢厂钢渣采用落后传统的热泼处理工艺,将热态钢渣运至钢渣热泼场,倾翻落地,喷水冷却。然后用铲运机将冷却的钢渣经粗选废钢后运出堆弃。热泼法存在投资大、占地大、对环境污染严重、5%的金属铁不能回收、钢渣稳定性不好不能有效利用等问题。二十世纪八十年代引进德国热泼法破碎磁选线,在首钢和鞍钢建成两条生产线,并在全国推广。但存在投资大、5%的金属铁不能回收、工艺设备多、钢渣不稳定、利用困难等问题。

 

 

3 传统的热泼工艺

我国钢渣综合利用率低主要是采用钢渣热泼工艺,钢渣中游离氧化钙不能充分消解,遇水体积膨胀,使用时造成危害。例如:某钢在九十年代初建设三炼钢、氧气站和能源总厂时,将堆积几十年的钢渣用作回填材料。投产使用十年后,有的地坪、墙体和柱子出现裂缝。对有问题部位地下回填的钢渣取样分析,是由于钢渣中游离氧化钙水化体积膨胀造成的开裂。石家庄钢厂建设一条现代化钢渣砖生产线,初期产品性能达到有关标准要求并在市政公路和民用建筑应用。使用五年后出现开裂现象而停产。北京至廊坊国家公路曾用首钢钢渣修路,使用一年后路面出现多处裂痕。因此,有关标准规定未经稳定化处理的钢渣不准在道路和建筑工程中应用。

2.3.2钢渣水淬工艺

上世纪七十年代,钢渣返回烧结配料成为钢渣的重要途径。只要求钢渣粒度在0-8mm,不要求钢渣稳定性好,对金属铁含量也无限制,因此济钢、中冶建筑研究总院、马钢等研发成功钢渣粒化工艺(水淬、风淬、机械粒化法)。我国炼钢技术的提高,对烧结矿要求严格。钢渣的全铁品位较低,并含有五氧化二磷等有害元素,钢渣返回烧结造成炼钢吹炼时间延长,冶炼成本增高,料耗增加等不良影响。因此除铸余渣返回烧结外,大部分钢渣返回烧结配料应用量逐渐减少。

2.3.3钢渣风淬处理工艺

1985-1987年中冶集团建筑研究总院与马钢钢研所在马钢进行了钢渣风淬粒化工艺试验,热熔钢渣被压缩空气击碎落入水中,取得了成功,后在成都钢铁厂、重钢和台湾中钢应用。

该工艺特点是:比水淬工艺技术上进步,供水系统简化、水系统基建投资省、成本低,克服水淬时爆炸的不安全因素。但风淬工艺和水淬工艺一样要求钢渣的流动性好,以保证风淬的处理率。同样钢渣粘度增大,风淬处理率越来越低,处理后的钢渣利用途径不多,流动性差的钢渣仍需热泼,影响该处理工艺的推广。  

2.3.4钢渣机械粒化工艺(滚筒法、粒化轮法)

液态钢渣倒入渣罐,用吊车将渣罐运至滚筒或粒化轮的集渣槽,倾翻入设备,在机械和水力作用下将钢渣粒化。

此工艺有以下几个问题有待解决:

(1)钢渣碱度大、流动差。钢渣不能100%处理,仍有干渣排放。

(2)设备磨损严重。

(3)钢渣经粒化方法处理后,钢渣中铁粒变成无磁性,磁选效果差。钢渣结晶致密,难磨细,其胶凝性能变差,影响钢渣在建材行业应用。

2.3.5钢渣热闷技术

钢渣热闷处理技术是钢渣稳定化处理技术,是钢渣“零排放”的支撑技术。

钢渣中含有游离氧化钙f-CaO)遇水体积膨胀而裂开,在作建筑材料和道路材料使用时危害很大。

1)热闷技术发展

中冶建筑研究总院有限公司于1992年发明了400钢渣余热自解热闷稳定化处理技术。2001年后,国家科技部项目的支持下,经7年的研究创新,研发出了1650熔融钢渣直接热闷稳定化处理技术。

第一代:1992年研究成功第一代钢渣热闷处理技术《块状钢渣的综合热闷处理方法》ZL9211257603,需将钢渣热泼,落地冷却到400左右再进行热闷。

第二代:2001年研究成功第二代钢渣热闷处理技术《一种热态钢渣热闷处理方法》ZL20041009698.0,需将钢渣热泼,落地冷却到800左右再进行热闷。

第三代:2007年研究成功第二代钢渣热闷处理技术《一种熔融钢渣热闷处理方法》ZL200710151418.21650左右熔融钢渣直接倾翻在热闷装置内进行热闷。

第四代:为了能够实现钢渣稳定化处理的连续化、设备化和自动化,2007~2009年,中冶建筑集团研究总院开始了钢渣有压热闷这一新工艺技术的研发课题,组织相关研发人员进行了配套关键设备结构的设计和相关的实验室模拟试验研究,并在2011年开始在河南济源钢铁公司建设第一条钢渣有压热闷生产线并于20128月正式竣工投产。钢渣余热有压热闷工艺技术是中冶建筑研究总院有限公司基于其已有的前热闷技术上的创新、升级,是集洁净化、机械化、连续化、高效化和自动化等优势于一体的一种新型钢渣稳定化处理技术,将钢渣热闷时间由现有的十几个小时缩短至3小时左右。

2)热闷技术原理

由于炼钢过程造渣时间短,投入的石灰过量,石灰被已经饱和的钢渣所包裹,生成死烧石灰,一般固溶有氧化亚铁(FeO),另外钢渣中硅酸三钙(C3S)在高温下分解,也产生f-CaO。钢渣中f-CaO结晶致密,活性差,常温下水化反应慢,体积膨胀98%

钢渣热闷时f-CaO消解速度取决于水蒸汽浓度及反应温度,即水蒸汽浓度越大、温度越高,反应时间越短。在自然条件下一般数年才能消解,但在高温和湿度大的条件下可加速水化,使其稳定。

因此设计在密闭容器内利用钢渣余热,喷水产生过饱和蒸汽进行热闷,使钢渣中的f-CaO快速充分消解。经多次试验,确定了在饱和蒸汽下热闷时间为8小时,钢渣粉化效果好。钢渣f-CaO消解稳定,浸水膨胀率小于2%,达到综合利用产品标准技术要求。

热闷过程发生如下物理、化学作用:

1)急冷碎裂。高温渣在大量水的作用下由于急速降温产生巨大的温度应力使钢渣碎裂。

2)汽蒸。高温渣在遇到水时产生大量过饱和蒸汽,温度在105以上,压力在0.24kPa以上,并向碎裂的钢渣缝隙内扩散、渗透,使钢渣处于饱和蒸汽的环境中,并继续产生温度应力,使钢渣疏松。

3)在750650时钢渣在硅酸二钙(C2S)β- C2S转变为γ- C2S,相变体积膨胀10%,继续碎裂。

4)钢渣在饱和水蒸气的环境下f-CaO与水起下列反应:

CaO+H2O → Ca(OH)2  体积膨胀98%

由于上述物理化学作用使钢渣粉化,消除了钢渣不稳定性,渣和钢自然分离。

3)钢渣热闷处理技术特点

1)利用钢渣余热产生蒸汽消解f-CaO,使钢渣稳定。处理装置无动力和能源消耗,无设备损耗。

2)液态渣、半固态渣、固态渣均可处理,处理率为100%

3)处理后的钢渣可100%利用。热闷后钢渣中f-CaO含量低于2.0%,符合生产钢渣粉技术要求(《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》GB/T20491要求f-CaO含量低于3.0%)。浸水膨胀率小于1.5%,符合道路材料要求(《道路用钢渣》GB/T25824要求小于2.0%)。

4)研究了熔融钢渣遇水反应产生H2的机理和热闷过程变化规律,发明了智能化排放H2和尘汽的移动罩车,消除了爆炸的隐患,实现了安全生产。

5)无噪音、无粉尘、无废水排放,实现清洁生产。

6)热闷后的钢渣中渣钢和尾渣自然分离,有利于废钢回收,通过棒磨机提纯、磁选,渣钢的品位在85%以上可直接返回转炉,磁选粉的品位在60%以上可返回作烧结矿配料。尾渣中金属铁含量小于2%,用于生产钢渣粉。

7)热闷工艺参数全自动化控制,安全可靠。

4)钢渣辊压破碎-有压热闷技术特点

钢渣辊压破碎-余热有压热闷技术与装备,实现了钢渣处理过程的高效化、装备化、自动化和洁净化,可进一步利用钢渣余热并实现热能回收,已在河南济源钢铁公司、珠海粤裕丰钢铁公司、沧州中铁装备制造材料有限公司等企业实现产业化应用。钢渣有压热闷的技术特点:

1)热闷工作压力0.4MPa。通过提高热闷工作压力,可促进f-CaOf-MgO消解反应的进行,提高水蒸气在钢渣体系中的渗透速率,加快水蒸气与钢渣的充分接触。热闷时间缩短,处理时间仅需2-3h

2)实现了整个热闷处理线的装备化、自动化,减少了热闷岗位操作人员,提高了劳动生产效率,降低了生产运行成本。

2.3.6钢渣热闷工艺技术与国内外处理技术比较

国外钢铁企业主要采用热泼处理工艺。日本有蒸汽陈化法,韩国浦项有风淬法。钢渣主要用于筑路,制定了相应的稳定化技术指标和检测方法标准,如欧盟EN1744-1:1998中规定:钢渣在100下进行蒸汽处理7天之后检验膨胀率(<3.5%);日本JISA5015-1992中规定:颗粒状的钢渣在80的水浴中,每天6小时,检验膨胀率(<2.0%),持续10天;美国ASTMD4792-00中规定:颗粒钢渣70水浴连续7天检验。日本住友金属株式会社为了获得稳定性好的钢渣,用于道路、机场建设,将热态钢渣热泼,常温后破碎至40mm以下,再通入0.6MPa的蒸汽稳定化处理3小时(称为蒸汽陈化法),钢渣的浸水膨胀率满足JISA5015-1992标准规定小于2.0%的要求,吨渣需要消耗85kg蒸汽,折合12.03kg标准煤。

我国钢渣利用的主要途径是作水泥、钢铁渣粉、道路材料,近年来新建、改扩建的钢渣处理生产线主要采用钢渣热闷法工艺。

国内外钢渣处理方法有热泼法、粒化法(滚筒法、风淬法、水淬法)、热闷法。几种方法技术比较见表3

3 钢渣处理工艺主要技术参数比较

工艺技术

钢渣余热自解热闷法

日本住友蒸汽陈化法

滚筒法

风淬法

适应性

液态、半固态和固态

冷渣

液态

液态

f-CaO质量分数(%)

<2

——

3~5

5~6

浸水膨胀率(%)

<1.5

<1.5

2.93

1.42

主机能耗(kg标煤/吨渣)

0.4

12.03

1.616

4.44

尾渣利用率(%)

100

100

途径少

途径少

经综合比较,热闷技术适应性、f-CaO、浸水膨胀率、主机能耗、尾渣利用均优于国内外其它处理工艺;尤其是利用钢渣的余热,产生蒸汽,实现稳定化处理,与较先进的日本蒸汽陈化法相比,处理每吨钢渣节能11.63千克标准煤,节能显著。

3.钢渣的利用技术

我国从上世纪六十年代开始进行钢渣的利用技术。从1955年中冶建筑研究总院设立了工业渣处理利用研究院,进行钢铁渣处理利用研究工作。1970年国家科技部和原冶金工业部正式下达了钢渣综合利用科研课题,历时8年完成了钢渣水泥、钢渣在钢铁生产中应用、钢渣砖、钢渣水泥和混凝土、钢渣在农业中应用、钢渣在道路工程中应用等子课题的研究。负责单位冶金部建筑研究总院,参加单位有中国科学院南京土壤研究所、马钢研究所、马钢建设公司、上海同济大学等。本课题19783月获全国科学大会奖。

3.1 钢渣在烧结矿中应用

钢渣中含金属铁和氧化铁(FeOFe2O3)含量在30%左右,氧化钙和氧化镁的含量约50%,因此可作烧结矿的原料。每吨烧结矿加钢渣5%-7%,烧结矿的主要技术指标与普通烧结矿相近。

该技术在全国主要钢厂实施,当时成为钢渣综合利用的主要途径。每年可节约熔剂(石灰石、白云石),回收金属并可作含铁填充机入烧结料中。

随着钢铁行业技术进步,炼铁生产对原料的要求更加严格。钢渣配烧结矿时钢渣中有害元素(CrMnP等)随之反复循环,逐渐富集,这样对钢品种和冶炼操作有不利的影响。钢渣不同于精矿粉,其含铁量较低,因此对烧结矿的品位有一定影响。近几年有些钢厂从炼钢工序分析,烧结矿不配钢渣可使铁水P含量降低,有利于炼钢操作,减少喷溅率,钢铁料消耗、石灰消耗、氧气消耗均降低,产量上升,成本下降。

钢渣作烧结矿原料的数量越来越少,铸余钢渣配烧结矿原料还是可行的。

3.2 钢渣砖

钢渣砖是以钢渣、高炉水渣(或粉煤灰)和激发剂(石灰和石膏)为主要材料加水湿搅拌,经轮碾、压制成型,然后蒸汽养护而制成的,其强度高、抗冻性好、抗折强度高,可用于工业与民用建筑。我国上世纪七十年代开始,有些钢厂建钢渣砖厂。现在由于建筑行业新的墙体材料不断更新,钢渣砖厂的数量和规模逐渐缩小。

另外钢渣砖缺点是容重大,普通粘土砖为1400~1600 kg/m3,钢渣砖为2100~2600 kg/m3。增加了构筑物重量,工人筑砖时劳动强度大。

钢渣砖成本和其他墙体材料相比没有优越性。钢渣作砖应向地面砖,渗水砖方向发展。

3.3 钢渣水泥和钢渣粉

钢渣含有硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)等水硬胶凝性矿物,与硅酸盐水泥相似。上世纪六十年代中冶建筑研究总院有限公司对钢渣成分、水化机理、钢渣中游离氧化钙和氧化镁对安定性的影响、钢渣水泥的物理力学性能及耐久性进行了大量的试验研究,并在北京、上海、太原、内蒙、安阳、邯郸等地建设钢渣水泥厂和应用。1980年中冶建研制订了《钢渣矿渣水泥》国家标准GB13590-1992。钢渣水泥的年产量达几百万吨,产品应用于河北南岗水库、天津军用机场、工业与民用建筑中,至今建筑物已使用30余年效果良好。这些奠定了目前钢渣粉、钢铁渣粉技术发展的基础。

由于我国水泥标准采用ISO国际标准,检验方法的改变及强度标准由7天和28天强度改为3天和28天强度,导致钢渣水泥3天强度较低,钢渣水泥的发展受到影响。

中冶建研总院采用超细粉磨技术使钢渣水泥质量有很大提高,相继制订了《钢渣硅酸盐水泥》GB 13590-2006、《低热钢渣硅酸盐水泥》JC/T 1082-2008、《钢渣道路水泥》GB 25029-2010、《钢渣砌筑水泥》JC/T 1090-2008等标准,企业根据市场需要生产不同品种水泥。为了解决渣粉低能耗粉磨设备,中冶建研1998年召开了有法国、德国、日本和国内有关机械设备公司参加的研讨会,确定了我国高炉渣生产矿渣粉的发展路线,采用立式辊磨设备取代管磨机。

与此同时中冶建研开展了钢渣粉科研课题的研究。

1)国内主要钢厂钢渣粉的试验研究

中冶建研总院对鞍钢、本钢、攀钢、包钢、柳钢、新余、九江、南钢等30余家钢厂的钢渣进行了作水泥和混凝土掺合料试验研究工作。其结果是钢渣的比表面积达400m2/kg时,可生产42.552.5的水泥。等量取代水泥10%-40%可配置C40-C70的混凝土。掺钢渣粉的混凝土有后期强度高、水化热低、耐磨、抗冻性好等优点。

2)有关钢渣粉标准制订

钢渣粉生产应用的前提是有产品标准和应用规范。

中冶建研总院在科技部的支持下,从2005年开始进行钢铁工业固废资源化综合利用标准体系的研究。制订了《用于水泥和混凝土的钢渣粉》GB/T20491-2006国家标准。

为了提高钢渣粉早期强度,改善粒化高炉矿渣粉的缺点,中冶建研院研发成功钢铁渣复合粉,制订了《钢铁渣粉》GB/T-28293-2012国家标准,并在国内生产和应用。

钢渣粉主要用于作混凝土掺合料。为了使建工系统对钢渣性能了解和推广应用,在国家住房和城乡建设部的支持下,由中国建筑科学院和中冶建研院及有关建工集团和混凝土公司等二十三个单位共同制订的《矿物掺合料应用技术规范》GB/T51003-2014,明确规定,钢渣粉是从炼钢炉中排出的,以硅酸盐为主要成分的熔融物,经消解稳定化处理后粉磨所得的粉体材料。肯定了热闷稳定化处理的钢渣生产钢渣粉的重要性。明确了钢渣粉可作混凝土应用于建设工程。

为了推广应用《钢铁渣粉》,中冶建研总院负责起草了《钢铁渣粉混凝土应用技术规范》GB/T-50912-2013

3)钢渣粉的生产

钢渣硬度大且含少量金属,难磨细,采用球磨机粉磨能耗较高。中冶建研院为此对国内外粉磨设备进行调研,分析对比认为法国FCB公司的卧式辊磨适合生产钢渣粉,并将不同钢厂钢渣运往法国进行粉磨试验。通过试验,卧辊可生产比表面积400-600m2/kg的钢渣粉,主机吨产品电耗小于40kwh

中冶建筑研究总院有限公司、江西萍钢实业股份有限公司合作采用卧式辊磨,于20131月建成年产40万吨钢渣粉生产线。20123月建成年产120万吨矿渣粉生产线,最终规模为160万吨钢铁渣粉生产线。H3800卧式辊磨主电机功率2300kw,生产能力48t/h,整个系统电耗≤65kwh/t

中冶建筑研究总院有限公司、新余钢铁股份有限公司和江西南方水泥有限公司共同于20125月在新余建成年产80万吨矿渣粉生产线,20138月建成年产40万吨钢渣粉生产线,形成年产120万吨钢铁渣粉。

日照京华新型建材有限公司目前建有两条80万吨/年的钢渣粉生产线,2套双姊磨即4H3800卧式辊磨系统。工程分两期建设,中国京冶工程技术有限公司总承包,一期工程于2010715日投产,二期工程于20111130日投产。

日照京华生产的钢渣粉用于生产PO42.5PSA42.5PC32.5等品种水泥,配置钢铁渣粉和钢渣粉外销,取得了良好经济和社会效益。

卧式辊磨工艺流程图:

产品技术指标均达标,见表5

5 新余中冶环保卧式辊磨机粉磨钢渣粉产品技术指标(江西省质监站检测)

序号

检测项目

技术要求

检测结果

1

密度(g/cm3

≥2.8

3.48

2

比表面积(m2/kg

≥400

423

3

流动度比(%

≥90

102

4

含水率(%

≤1.0

0.1

5

游离氧化钙(%

≤3.0

1.4

6

三氧化硫(%

≤4.0

2.2

7

安定性(%

合格

合格

8

活性指数(%

7

≥65

80

28

≥80

92

卧式辊磨粉磨钢渣粉主机设备能耗低,设备磨损小,产品质量好,优于其他粉磨设备。中国第一重型机械公司制造第一台国产卧式辊磨,于2012年在唐山新宝泰钢铁公司建成年产40万吨生产线。再加上2011915日投产的60万吨矿渣粉生产线,形成年产量100万吨钢铁渣复合粉规模。新宝泰钢渣粉细度达到470-500m2/kg的,主机电耗为31kwh/t

国内其他钢渣粉生产线见表6

6 国内钢渣粉生产线汇总表

序号

企业名称

规模(万吨/年)

主机设备

1

日照京华新型建材有限公司

钢渣粉:160

卧式辊磨

2

九江中冶环保资源开发有限公司

钢渣粉:40

卧式辊磨

3

新余中冶环保资源开发有限公司

钢渣粉:40

卧式辊磨

4

唐山新宝泰钢铁有限公司

钢渣粉:40

卧式辊磨

5

潍坊特钢

钢渣粉:50

球磨机

6

淄博金宝建材公司

钢渣粉:40

球磨机

7

山东鲁碧建材公司

钢渣粉:60

立磨

8

山西太钢哈斯科科技公司

钢渣粉:40

辊磨机+球磨机

9

福建省缸源粉体材料公司

钢渣粉:120

球磨机

10

武汉鑫缘冶金渣公司

钢渣粉:60

辊磨机+球磨机

11

上海建材公司

钢渣粉:30

球磨机

12

马鞍山市利民星火冶金渣环保技术公司

钢渣粉:30

辊磨机+球磨机

4)钢渣粉的应用

钢渣粉可以取代水泥10%-30%的水泥,配置C30-C70的混凝土,提高混凝土后期强度,改善混凝土工作性能,降低生产成本。现已在多项工程中应用。

1)福建福宁公路19标段下白石大桥


 

2)九江中冶环保公司在二期工程建设工程中采用钢铁渣粉1000吨作混凝土掺合料配置6000m3混凝土,强度等级C30,用于联合储库等建筑物和道路。

3)铁渣粉作混凝土掺合料建成的武汉大学办公楼

4)钢渣粉作混凝土掺合料建成的南通东沙大桥

5)钢渣粉前景

国家发改委发布的国家“十二五”大宗固体废物综合利用实施方案和工信部大宗固体废物综合利用“十二五”规划中均明确提出重点推广钢渣粉和钢铁渣粉应用技术。规划中提出将冶炼渣综合利用率提高到70%,通过实施重点工程新增4000万吨的年利用量。其中重点工程(1)建设一批钢渣预处理和“零排放”示范项目;(2)建设10个利用高炉渣、钢渣复合粉生产水泥和混凝土掺合料示范项目。

对钢渣粉的生产提出了十分明确的任务,在政府的支持下,钢渣粉生产应用具有广阔前景。目前钢渣粉技术成熟、标准齐全,并有生产经验和应用经验,钢渣粉的推广应用条件成熟。

今年废钢协会与国家工信部、发改委和财政部及部分企业多次就钢渣粉免税政策进行座谈,协会分别呈送了专题报告。免税政策发布后将带动钢渣粉生产线的建设,“十二五”指标将会很快实现。

3.4 钢渣在农业中应用

3.4.1 钢渣肥料是一种复合矿质肥料

钢渣含有磷、钙、硅等元素是植物需要的养分。这些元素大部分可溶于柠檬酸或柠檬酸钠的溶液中,但不能直接溶于水。钢渣只有经过弱酸溶解才能为植物所吸收。钢渣中的磷、硅、钙、锰等对植物早期和晚期都有肥效,因此是一种复合矿质肥料。

1955-1958年四川农料所在四川平原及丘陵地区土壤上进行了肥效试验。1958-1960年中科院东北林业土壤研究所,用鞍钢钢渣制肥料,在东北草甸上、棕壤上、白浆土等不同类型土壤进行了田间肥效试验。1965-1966年湖北农科所用武钢钢渣作农肥在武昌、咸宁、汉阳、汉川进行肥效试验。在科技部和冶金部课题支持下,1970-1978年中冶建研总院,中科院南京土壤研究所和江苏六合军垦农物合作进行了钢渣肥料的实验室盆栽试验、大田作物试验。钢渣肥料由马钢加工生产。

3.4.2 钢渣肥料生产工艺

钢渣肥料生产是磁选钢渣中金属铁,然后加工磨细。不经磨细不易发挥肥效。钢渣肥料通过土壤和作物根系接触过程中,在化学生物学因素的作用下发生变化,使有用元素由迟效性转变成速效性,进一步供植物吸收。一般要求80%以上通过80/厘米2的筛。

3.4.3 钢渣肥料与土壤关系

钢渣肥料只有在酸性条件下才能溶解被作物吸收。显而易见,土壤内在的物化性质对肥效有很大影响。土壤本身的酸度会影响肥料对作物的肥效。当土壤的酸度PH值在6.5以下时,肥料由较好的肥效,当土壤的酸度PH值在6.5以上时,效果较差。

除土壤酸性的影响外,土壤中的微生物对肥料的分解也有一定影响。土壤自身的肥力状况,土壤中磷、硅、钙、镁以及其他矿物质有效元素的数量是影响钢渣肥效的主要因素,也可以说是钢渣有肥效的先决条件,只有在土壤中钙、磷、硅、镁等元素缺乏时,钢渣肥料才能发挥其增产作用。

3.4.4 钢渣肥料存在的问题

1)钢渣肥料对农作物具有良好的肥效。不能推广应用是因为对钢渣适应性、施用方法等,需要长期试验观察才能下结论。

2)施用钢渣肥料对各种土壤物理或土壤化学等方向的影响缺乏研究。如湖北汉阳县索河乡施用钢渣肥料,使冷浸田有浮泥沉实现象。破坏了土壤物理状况。

3)钢渣中残留的各种微量金属元素,如:PbAsHgCdCr等。这些元素施用后逐渐积累、转移,对植物是否有害,果实被人体吸收后对人的健康是否危害都应做长期观察出结论。

4)钢渣具有胶凝性,粉肥是否会板结土壤,破坏土壤的结构,对植物生长的影响需做长期试验观察。

上述问题没有结论前,钢渣、高炉渣肥料不能推广应用。

3.5 钢渣在道路工程中应用

早在上世纪六十年代钢渣就用在道路工程:一级干道的路基承重层、中级路路面、黑色路承重层、混凝土路面基础、沥青混凝土路面层等。钢渣在道路工程中应用不经过稳定化处理,道路均出现开裂隆起现象。在钢渣热闷稳定化处理技术没有在国内钢厂普遍推广前,钢渣在道路工程中应用受到限制。

《道路用钢渣》GB/T25824-2010中规定经稳定化处理合格并用于道路工程的转炉钢渣或电炉钢渣,可用于沥青混合料中的粗骨料、道路基础和路基。

钢渣很重,相应增加了运输量提高筑路成本,长距离运输不经济。钢渣作干道黑色路面承重层,由于交通量大易产生不均匀变形或不规则龟裂。应先开放交通半年或一年,再铺黑色面层。

4.钢铁渣资源化利用的社会、经济效益

4.1社会效益

钢铁渣资源化利用,首先对钢渣进行稳定化处理,实现钢渣中金属铁大部分回收,尾渣可100%利用,少占土地、节能减排,提高我国钢渣的综合利用率,是完成“十二五”规划冶炼渣综合利用率的重大技术支撑。

对钢铁企业而言,除废钢回收外,尾渣可生产钢渣粉做混凝土掺合料或其他建材产品,可形成废渣资源化利用新的产业链,形成新的产业增长点,创造更多的劳动就业,推动地区的经济的发展。

4.2经济效益

2013年钢渣产生量的70%采用钢渣热闷技术和钢渣粉技术进行计算。

4.2.1废钢回收

2013年全国钢渣产生量10127万吨,按照70%的钢渣采用本技术,每年处理钢渣约7089万吨,每年可回收废钢(TFe≥90%)147万吨;每年可回收渣钢(TFe≥85%)248万吨;每年可回收磁选粉(TFe≥60%)1099万吨。

4.2.2少占用土地和节省排污费

按每堆1万吨渣占用0.5亩地计算,每年可节省堆渣占地3545亩。

4.3促进节能减排,低碳经济发展

经稳定化处理的钢渣采用节能低耗的粉磨设备生产钢渣粉用作水泥和混凝土掺合料。该产品按照《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》GB/T20491-2006正在国内推广应用。钢渣粉可取代水泥的20%30%配置混凝土,提高混凝土的后期强度和耐久性。

按每年生产的钢渣的70%得到处理,将钢渣回收磁性物后粉磨制成钢渣粉应用在水泥和混凝土中。按照2013年钢渣产生量的70%得到处理后生产的钢渣粉为5595万吨。

4.3.1生产钢渣粉可节约能源

以每生产1吨钢渣粉的电耗比生产水泥节省60kW·h7089万吨钢渣粉,每年可节省电耗33.57亿kW·h,相当标准煤135万吨;渣粉可节省熟料煅烧的煤耗,每吨渣粉与水泥相比可节省煤耗121kg5595万吨渣粉每年可节省标准煤677万吨。

4.3.2可节省资源消耗

钢渣代替水泥使用可节省水泥生产所用的石灰石、粘土质原料,每生产1吨水泥需要消耗1.1吨石灰石和0.18吨粘土质原料。若年生产5595万吨钢渣粉,相当于节省石灰石资源6155万吨,节省粘土1007万吨。

4.3.3可以减排CO2

水泥生产需要大量消耗,每吨水泥平均热耗0.12吨标准煤,平均电耗为110 kW·h,巨大能耗意味着大量的CO2排放。每生产1吨水泥产生0.815吨的CO2

年生产5595万吨钢渣粉,可少排4560万吨的CO2,为节能减排做出贡献。

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