杜鑫1 ,聂文海1 ,柴星腾1 ,薛青龙2 ,孔令洋1（1中材装备集团有限公司，天津北辰，300400；2江苏融达再生资源集团，江苏南通，226500）摘要：钢铁冶炼废渣的资源化利用是目前废渣应用领域的发展趋势，矿渣和

 

杜鑫¹ ,聂文海¹ ,柴星腾¹ ,薛青龙² ,孔令洋¹

（1中材装备集团有限公司，天津北辰，300400；2江苏融达再生资源集团，江苏南通，226500）

摘要：钢铁冶炼废渣的资源化利用是目前废渣应用领域的发展趋势，矿渣和钢渣作为建材产品使用具有很多的优势，但是矿渣和钢渣的成分和性能有着明显的区别。在对江苏融达物料性能充分研究的基础上，中材装备集团有限公司研发设计了TRMSG32.2矿渣/钢渣立式辊磨，目前已达标达产运行半年有余，钢渣产量43~45t/h，比表面积 ≥450m²/kg，主电机电耗24~26kwh/t；矿粉产量50t/h，平均比表面积≥420 m²/kg，平均主电机电耗26~27kwh/t，全部达到或超过了设计指标，并且实现一种磨机粉磨两种物料，为立磨粉磨钢渣提供了可靠的技术经验。

关键词：钢渣  粉磨  立磨  矿渣

1.引言

钢渣是炼钢过程中产生的副产物，炼钢的目的是脱碳、脱磷、脱硫，是一个经过吹氧氧化、造渣和脱除元素的产物向炉渣相富集的过程，根据钢渣的冶炼方法、处理工艺、形态和碱度可以将钢渣分为不同的种类。2013年我国粗钢产量7.79亿吨^[1]，钢渣的产量约为0.91亿吨。由此可见，钢渣产出量很大，随着环境保护形势的日趋严峻，我国对钢渣的资源化也提出了明确的规定和要求：国务院2003年7月1日起，一次征收固体废物排放费，每吨：冶炼渣25元，粉煤灰30元，炉渣25元，煤矸石5元，尾矿15元，其它渣（含半固态，液态废物）25元，因此越来越多的企业也开始逐步重视钢渣的后续处理问题。

钢渣作为一种资源，一直是科研院校学者研究的热点：从目前钢渣的资源化方式来看，主要是用作筑路的基材^[2]；或利用钢渣中含有很高的CaO、铁分以及一定比例的MgO、MnO等能够有效降低熔剂、矿石的消耗及能耗的组分，将钢渣制成球后返回炼钢炉作为熔剂使用等^[3]。但是对于这些利用途径来说，钢渣的附加值很低。要想提高钢渣的附加值，一个非常有效的途径就是将钢渣超细粉磨后作为水泥的混合材来生产钢渣水泥，或用作混凝土的活性掺合料来配制高性能混凝土^[4]。

    矿渣（简称水渣）是炼铁时排出的以硅酸钙和硅铝酸钙为主要成分的熔融物。经水淬而成的粒状活性材料，呈棕黄色、灰白色、黑褐色；多孔、疏散；粒度

一般在10mm以下；松散容重为400～800kg/m³；自然含水率为5～18%；其主要化学成分是，CaO、SiO₂、Al₂O₃、FeO、MnO等。

    虽然钢渣和高炉渣均为钢铁冶炼过程中产生的废渣，但化学成分和矿物组成均有显著差别。从胶凝性能角度而言，钢渣、水渣相比较，它们之间的差异如下^[5]：

（1）钢渣中氧化钙的含量一般在40%左右，其主要的矿物组成是硅酸二钙、硅酸三钙及蔷薇辉石等；高炉矿渣中CaO在45%以下，其主要组成是黄长石等矿物。

（2）钢渣中氧化铝的含量较低，一般在5%以下，它存在于固溶体矿物中；而矿渣中氧化铝含量在8%以上，其主要存在于黄长石矿物。

（3）钢渣中氧化硅的含量较低，一般在20%以下；矿渣中氧化硅的含量往往大于30%。

（4）钢渣中铁的氧化物是以FeO和Fe₂O₃的形式存在，总含量在30%以下，其中以二价铁（FeO）为主；矿渣中只含有5%以下的三氧化二铁（Fe₂O₃）。

（5）钢渣中含有五氧化二磷；矿渣中一般没有五氧化二磷。而且钢渣中五氧化二磷过多时，会对硅酸三钙的形成起不良影响、降低钢渣的活性。

从化学成分来看，高炉水渣的氧化钙和氧化铝含量越多，氧化硅、氧化锰含量越少，活性就越大。水渣的活性不仅取决于它的化学成分，而且还取决于冷却条件。慢冷的矿渣具有相对均衡稳定的结晶结构。其主要矿物组成是硅酸二钙（C₂S）、钙铝黄长石（C₂AS）、镁黄长石（C₂MS₂）、钙长石（CAS₂）、硫化钙（CaS）等。除C₂S具有缓慢水硬性，其他矿物在常温下水硬活性很差。水淬急冷，阻止了矿物结晶，因而形成大量的无定形活性的玻璃体结构，具有较高的潜在活性，在激发剂的作用下能水化硬化，产生强度。

表1 2008~2012年钢渣的利用率和堆存量

种类/年份	2008年	2009年	2010年	2011年	2012年
矿渣利用率（%）	70	77	76	78	78
钢渣利用率（%）	10	22	21	22	22
当年堆存量（万吨）	10733	10591	11952	11765	12123
累计堆存量（万吨）	70031	80625	92577	104342	116465

从表1可以看出，矿渣已经被作为一种资源使用，甚至有些地区还是一种紧俏的资源，矿渣粉磨后由于其良好的活性，已在混凝土中大量使用。从国内外的矿渣粉磨来看，立磨粉磨矿渣已经是一种成熟的技术。而对于钢渣来讲，目前已有工业化的球磨机钢渣粉磨系统、卧式辊磨机钢渣粉磨系统以及辊压机联合球磨机钢渣粉磨系统^[6]，立磨粉磨钢渣国内外尚无大规模应用的先例。2014年5月6日，由中材装备集团有限公司供货的年产30万吨矿渣/钢渣微粉TRMSG32.2立磨在江苏融达再生资源集团安装完毕，从单机试车到投产运行，在双方的共同努力下，5月20日即实现钢渣粉磨、矿渣粉磨达产达标，实现了一种磨机完成两种物料的粉磨，开辟了我国矿渣/钢渣立磨粉磨的技术先河。

2. 矿渣/钢渣立式辊磨系统

矿渣/钢渣立式辊磨系统的工艺流程，采用单风机系统。针对钢渣物料硬度大、密度大、金属铁含量大的特点，重点对物料循环、系统除铁、成品输送等环节做了特殊改进设计。

矿渣/钢渣由喂料皮带经锁风阀喂入辊磨，在辊磨中物料随着磨盘的旋转从其中心向边缘运动，同时受到磨辊的挤压而被粉碎。粉碎后的物料在磨盘边缘处被从风环进入的热气体带起，粗颗粒落回到磨盘再粉磨；较细颗粒被带到选粉机进行分选，粗粉也返回到磨盘再粉磨，合格细粉被带入袋式收尘器收集作为成品。部分难磨的大颗粒物料（包括铁渣）在风环处不能被热风带起，通过吐渣口进入外循环系统，在此经过除铁后再次进入辊磨与新喂物料一起粉磨。出收尘器的成品通过空气输送斜槽、提升机等设备送入到成品库中。

磨机通风和烘干需要的热空气由热风炉提供，热风通过管道进入磨机，出磨气体通过收尘器净化后由系统风机送出，一部分排入大气，另一部分循环入磨。

具体的流程见图1。

图1 江苏融达再生资源集团TRMSG32.2系统工艺流程图

矿渣/钢渣立式辊磨系统的核心设备，是由中材装备集团有限公司自主研发的TRMSG32.2钢渣立磨。采用水平磨盘和锥形磨辊来保证物料能够形成稳定的料床，特殊设计的除铁装置保证及时除去钢渣中的金属铁，避免富集磨损，新型高效笼形转子选粉机，保证成品比表面积可以在300~600m²/kg范围内灵活调节。

3.原料性能

江苏融达再生资源集团钢渣主要来自江苏沙钢集团有限公司，钢渣类型主要是转炉热闷钢渣。矿渣来自唐山钢铁集团。钢渣经过一级破碎，棒磨机进一步破碎，再由悬挂式除铁器、磁选机选出富含铁的钢渣，被磁选后的废渣含铁量可以在1~2%、粒度80%小于5mm、含水量4~7%；

2013年中材装备集团有限公司对江苏融达钢渣进行了原料分析，结果如下：

(1).   钢渣密度ρ＝3.41g /cm³；

(2).   粉磨功指数（Bond法）W_i= 26.47 kW·h/t  (P=80μm)；

(3).   磨蚀性：0.098 kg/t；

(4).   试验电耗（比表4500cm²/kg）：31.3 kW·h/t；

(5).   钢渣粉容重：1041g/L；

(6).   钢渣金属铁含量：1.91%；

(7).   钢渣的化学组成如下：

表1  江苏融达钢渣化学成份检测结果

成分	SiO2	Al2O3+TiO2	Fe2O3	CaO	MgO	MnO	K2O	Na2O	SO3	Cl	Fe
含量	15.69	7.35	22.92	38.12	10.34	2.13	0.07	0.06	0.40	0.016	1.91

    从检测结果可以看出，江苏融达钢渣易磨性差、磨蚀性高，钢渣中化学成分以CaO和Fe₂O₃为主，且含有1~2%的金属铁，在钢渣粉磨的过程中，除铁显得尤其关键。

4.运行情况

4.1粉磨钢渣运行情况

1）钢渣粉磨控制参数

图2 江苏南通融达2期钢渣生产操作画面

    从磨机的运行功率来看，达到了较为理想的磨机使用效率。从磨机长时间的运行情况来看，投料45~50t/h时，磨机压差2800~3000Pa，系统运行稳定，振动值小：垂直振动1.2~1.5mm/s、水平振动0.8~1.1mm/s，外循环料适中，除铁效果理想。成品比表面积可以在450~500m²/kg，45µm细度2.0~3.5%。

2）钢渣除铁系统

钢渣中金属铁对辊套的磨损较大，为了有效排除钢渣中铁的不利影响，在钢渣粉磨工艺设计中共设计了五道除铁装置：原料入仓悬挂式除铁器、原料入磨悬挂式除铁器、外循环料悬挂式除铁器、外循环料全磁滚筒除铁器、循环料干式磁选机等。除铁装置的合理布置，达到了良好的除铁效果，具体除铁效果见表2。

表2 除铁系统除铁效果

物料种类	钢渣原料	外循环永磁滚筒除铁料	成品
物料金属铁含量，%	1~2	60~70	0.3~0.5

从表2中可以看出，外循环皮带永磁滚筒处除铁料含铁量高，钢渣中铁除尽率高达80%，回收铁的经济效益可观。

3）系统通风情况

在连续运行过程中，对系统风量进行了标定，系统各点的用风情况见表3。

表3  TRMSG32.2系统风量测定结果

测点	管道静压Pb(Pa)	气体温度 tb (℃)	工况风量 Qt(m3/h)	标况风量 Qt(Nm3/h)
入磨热风	-524	95	187799	132171
循环风	-56	100	134710	98037
出收尘器	-46	445	71647	27096

系统风量测定情况来看，循环风占入磨总风量的75%，尾排热风热利用率高，通过系统煤耗的测定，结果为煤耗19.5~20kg/t（5500Cal），低于矿渣运行煤耗；入磨风量基本满足设计要求，风机出力约62%，风机配置功率合理。

 4）磨机电耗

在磨机长期连续稳定运行期间，对立磨主机电耗进行了计算：主机电耗为24~26kWh/t，相比球磨机粉磨电耗的50~60 kWh/t来讲，系统具有明显的节能优势。从成品的性能来看，立磨钢渣粉成品比表面积可以控制在450~500m²/kg，利于钢渣粉活性的发挥。

  5）磨机运行平稳性

磨机稳定运行期间对磨机振动值进行了测定，结果如下：

表4 钢渣粉磨系统磨机振动测定结果

测定位置	方向	测量值1mm/s	测量值2 mm/s	测量值3 mm/s	测量值4 mm/s	平均值
减速机底板	垂直	1.1	0.9	0.7	1.2	1.0
架体底板	垂直	0.4	0.6	0.3	0.3	0.4
减速机输出轴	垂直	1.8	1.4	1.6	1.5	1.6
	水平	2.7	2.3	2.9	2.1	2.5
减速机输入轴	垂直	2.1	2	1.8	2.1	2.0
	水平	4.2	2.5	3.5	2.3	3.1
减速机中壳体	水平	1.3	1.4	1.6	1.2	1.4
摇臂轴承座	垂直	0.8	0.8	0.9	0.8	0.8
摇臂	水平	1.5	1	1.1	1.2	1.2
中壳体	水平	1.8	1.6	2.1	1.8	1.8
选粉机壳体	垂直	1	1.6	1.5	1.7	1.5
	水平	1.1	1.2	1.4	1.2	1.2

从振动值测定情况来看，粉磨钢渣时磨机运行稳定，振动小。

6）系统运行指标对比

表5 TRMSG32.2设计指标与运行情况的对比

项目	设计值	实际值
入磨粒度mm	95%<5，Max.10	5~15
入磨水分%	≤15	3~7
台时产量t/h	43	40~47
产品细度m2/kg	≥450	450~480
成品水份%	≤0.5	0.2~0.3
电耗kWh/t	≤33	25~28

表6 TRMSG32.2与其他钢渣粉磨系统对比

从表5和表6系统运行指标对比情况来看，TRMSG32.2钢渣磨运行完全达到设计指标，相比其他运行的钢渣粉磨系统，TRM立磨粉磨钢渣具有明显的节能优势。

7）磨损情况

由于钢渣粉活性偏低，目前市场上对钢渣粉的接受程度偏低，所以企业根据市场销售情况采用钢渣、矿渣间断性粉磨，其中钢渣粉磨时间约占20~30%，其他时间粉磨矿渣。从南通融达近大半年的生产经验来看，间断性粉磨钢渣粉，在合理配置钢渣预破碎除铁、粉磨过程除铁时，采用立磨粉磨热焖钢渣辊套使用寿命与粉磨纯矿渣无明显区别，南通融达辊套使用寿命＞1600h。

4.2粉磨矿渣运行情况

图3 江苏南通融达2期矿渣生产操作画面

    从粉磨矿渣的磨机运行来看，在投料50~60t/h时磨机出力70~85%，系统运行稳定，垂直振动1.1~1.4mm/s、水平振动0.8~1.0mm/s，成品比表面积可以在420~470m²/kg，45µm细度0.6~1.2%。

相比传统的矿渣粉磨系统，此系统布置了多道除铁装置，矿渣粉磨时除铁效果更加明显。在磨机稳定运行时，对粉磨系统电耗进行了统计：立磨主机电耗为26~27kWh/t，达到了理想的设计效果。

4.3生产调试经验

由一种磨机可以随时变换粉磨矿渣和钢渣两种物料，对于业主来讲，提高了设备使用效果，最大化的节约了投资成本。由于钢渣活性不高，单独销售钢渣粉很难满足市场需要，而将矿渣粉与钢渣粉掺和成钢铁渣粉，则可以满足用户需要，提高钢渣利用率。生产两种物料转换时，需要做如下调整：

1）调整粉磨压力。由于钢渣比矿渣难磨，且粒度大，需要较大的粉磨压力才能获得理想的成品细度，正常生产时，钢渣需要更大的压力。

2）调整选粉机转速。钢渣活性偏低，需要粉磨至较高的比表面积才能发挥其活性，在生产中控制钢渣的比表面积450~500m²/kg，甚至更高选粉机转速，故需要做相应调整。

3）通过参数调整控制料层厚度。由于钢渣的入磨粒度大于矿渣，在粉磨钢渣时料层略厚，可以防止大颗粒的进入破坏料层的稳定性，而引起磨机振动，但是过厚的料层厚度也会导致粉磨效率低。

5.总结

通过生产实践证明，采用TRMSG32.2立磨粉磨钢渣粉是可行的，其具有明显的节能优势，且钢渣中的金属铁除尽率高，具有广泛的应用前景；通过微调参数即可实现矿渣/钢渣两种物料的粉磨，有效提高设备运转率，降低投资成本。

参考文献

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[2]秦娟.钢渣在加固公路路基中的应用[J].黑龙江交通科技,2010(1):20-23

[3] 瞿仁静. 钢渣深处理技术[J]. 环境科学导刊,2 010(5):63-65

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[6] 陆静娟,邢天鹏,施存有等. 钢渣粉磨工艺技术探讨[J].新型建筑材料,2011(9):70~72