鋼渣的熱能回收利用，是目前國內(nèi)外冶金企業(yè)關(guān)注的焦點。八鋼公司自主開發(fā)了利用鋼渣熱能改質(zhì)、利用鋼渣烘烤潮濕原輔料等工藝方法，實踐結(jié)果表明，通過梯級利用鋼渣熱能的工藝方法獲得了好的效果。

關(guān)鍵詞：鋼渣；熱能回收；熱能利用

1前言

轉(zhuǎn)爐鋼渣的溫度高于鋼水溫度的，并且鋼渣的熱熔值較大。熔融鋼渣溫度在1400～1750℃,渣的比熱容約為1.25kJ/（kg˙℃）。通過計算可知，鋼渣從1400℃降低到400℃，每噸熔渣可回收1.2×109J的顯熱，相當(dāng)于40kg標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒后所產(chǎn)生的熱量[1]。所以回收轉(zhuǎn)爐鋼渣的熱能，能夠降低鋼鐵企業(yè)的能耗。八鋼公司通過多種途徑回收利用轉(zhuǎn)爐鋼渣熱能，并取得了很好的節(jié)能降耗效果。

2轉(zhuǎn)爐鋼渣熱能利用的難點

由于鋼渣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，鋼渣的主要巖相結(jié)構(gòu)屬于硅酸鹽相，硅酸鹽類爐渣有如下特點[2]：（1）導(dǎo)熱系數(shù)低，1400～1500℃的液相階段約為0.1～0.3W/（m˙K），玻璃相階段為1～2W/(m˙K)，晶體相階段約為7W/(m˙K)，平均的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.4W/（m˙K）。

（2）鋼渣的粘度隨溫度降低急劇升高，鋼渣的預(yù)處理工藝和鋼渣的結(jié)晶過程有著較為緊密的聯(lián)系，鋼渣的處理工藝過程中，各項渣處理的工藝參數(shù)波動較大。

（3）熔渣熱焓大，鋼渣中的熱含量隨著渣的溫度變化波動很大，加上其導(dǎo)熱率低，換熱慢，換熱介質(zhì)難以選擇。

（4）轉(zhuǎn)爐液態(tài)鋼渣采用水淬工藝處理，高溫蒸汽內(nèi)含有的f-CaO對于回收熱能的設(shè)備損壞嚴(yán)重。

鋼渣的特性決定了回收回收其含有的熱能工藝難度大。通過冶金工作者的不懈努力，鋼渣顯熱回收利用技術(shù)開發(fā)已有成功的方法，這些工藝方法主要是利用渣處理過程中的空氣或者蒸汽帶走的鋼渣熱能,用于發(fā)電、取暖等。

3轉(zhuǎn)爐鋼渣熱能利用的實踐

八鋼3×120t轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線，產(chǎn)能350萬t/年，年產(chǎn)42萬t轉(zhuǎn)爐鋼渣。

轉(zhuǎn)爐鋼渣的噸鋼渣量，95～150kg/t；

轉(zhuǎn)爐的渣罐重量，28～33t；

轉(zhuǎn)爐渣罐的容積，11m3；

轉(zhuǎn)爐鋼渣的渣溫，1400～1750℃。

對轉(zhuǎn)爐鋼渣采用熱悶渣工藝處理，針對鋼渣的熱能回收利用研究與工藝方法的應(yīng)用探索已經(jīng)有4年，鋼渣的余熱被用于煉鋼生產(chǎn)中。

3.1利用液態(tài)鋼渣的熱能處理部分冶煉渣

該廠鋼渣余熱的利用最初的思路是利用鋼渣的熱能，用于鋼渣的改質(zhì)。即將鋼廠產(chǎn)生的其它不能夠用于熱悶渣處理的冶煉渣，加入到高溫液態(tài)轉(zhuǎn)爐鋼渣中間，利用鋼渣的熱能促進鋼渣的改質(zhì)反應(yīng)。進行改質(zhì)反應(yīng)的主要是轉(zhuǎn)爐的脫硫渣和高爐的瓦斯灰，軋鋼的含酸塵泥與含油氧化鐵泥。將這部分冶煉渣加入到轉(zhuǎn)爐的液態(tài)氧化鋼渣中間，利用反應(yīng)吸熱，將轉(zhuǎn)爐的液態(tài)鋼渣迅速降溫到約1400℃，利用熱能將不能夠進行熱悶渣處理的冶煉渣加熱到熱悶渣工藝能夠?qū)嵤┑臏囟龋眠@些冶煉渣中間的還原性物質(zhì)還原轉(zhuǎn)爐液態(tài)鋼渣中間的氧化物，將熱能向反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)移，然后將處于接近固態(tài)的鋼渣用于熱悶處理，在隨后的工藝環(huán)節(jié)進一步回收利用。運行的三年的工藝實踐表明，這種改質(zhì)的工藝方法，是穩(wěn)定回收鋼渣液態(tài)高溫階段熱能的有效方法之一。

這種工藝方法主要在渣罐內(nèi)進行，所以反應(yīng)過程中的化學(xué)熱基本上是液態(tài)鋼渣提供的，其中脫硫渣改質(zhì)反應(yīng)的主要方程[3]：

3(Fe、Mn)O+2Al=3Fe/Mn+Al2O3+Q（1）

Si+2FeO=2Fe+SiO2-Q（2）

Mn+FeO=Fe+MnO-Q（3）

C+2FeO=2Fe+CO2-Q（4）

2P+5FeO=5Fe+P2O5-Q（5）

式（1）中的Al來源于KR脫硫渣中間沒有反應(yīng)完全的高鋁渣粉，式（2）～（5）的反應(yīng)中間的Si、Mn、C、P等來源于脫硫渣扒渣過程中進入渣罐的鐵液或者鐵珠。

改質(zhì)反應(yīng)結(jié)束后的氧化物SiO2、MnO、Al2O3等，在溫度合適的條件下，還有可能與渣中的f-CaO和f-MgO進行成渣反應(yīng)，有利于鋼渣處理后的穩(wěn)定性改善。其中成渣反應(yīng)需要的熱能仍然來源于鋼渣的顯熱，鋼渣的成渣反應(yīng)主要方程式：

SiO2+2f-CaO→C2S-Q

SiO2+3f-CaO→C3S-Q

Al2O3+f-CaO→CmAn-Q

f-CaO+SiO2+2f-MgO→CMS-Q

3.2鋼渣余熱用于烘烤潮濕的合金和渣輔料

煉鋼使用的原料，比如螢石、石灰石、白云石等通常在露天堆放。由于雨雪天氣以及在空氣濕度較大的時候，會吸潮。它們在煉鋼工藝環(huán)節(jié)使用，其中的水分一方面會吸收煉鋼的熱能，增加能耗；另外一方面，在煉鋼環(huán)節(jié)使用，水分與高溫鋼水接觸，會發(fā)生分解反應(yīng)，存在潛在發(fā)生爆炸事故的安全隱患。為了減少爆炸事故，提高冶煉鋼水的質(zhì)量，大多數(shù)鋼廠對于這些原料采用烘烤的方法來保持干燥，烘烤通常采用燃?xì)夂推渌哪茉唇橘|(zhì)氣體，這種方法會增加煉鋼工序成本和CO2的排放量。

由于液態(tài)鋼渣中間含有較為豐富的熱能，在1000℃時，固體堿性渣的比熱容為1.255kJ/（kg˙℃），1650℃液體渣的比熱容約為2.51kJ/（kg˙℃）。在1600～1650℃時，液體堿性渣的焓變值為1670～2343J/g。轉(zhuǎn)爐渣的焓見表1[4]：


即每噸1600℃的液態(tài)轉(zhuǎn)爐渣，含有較多的熱能，同時煉鋼的渣罐采用鑄鋼件制作，既可以盛裝液態(tài)鋼渣，也能夠盛裝一般煉鋼使用的原料，并且渣罐的重量較重。比如一座120t轉(zhuǎn)爐使用的容積為11m3鑄鋼件渣罐，其鑄造重量在30～35t，當(dāng)其盛裝液態(tài)轉(zhuǎn)爐鋼渣以后，渣罐本體在30min左右，溫度達(dá)到350～550℃，倒出其中的鋼渣，向這個渣罐內(nèi)裝入需要加熱或者干燥的煉鋼原料，在3～6h，渣罐本體的大部分熱能被需要干燥的煉鋼原料吸收，實現(xiàn)干燥物料的目的。

實踐中該廠發(fā)現(xiàn)，渣罐在倒出其中的紅熱鋼渣后，從4km的鋼渣廠由特種汽車?yán)\返回到煉鋼廠，冬季環(huán)境溫度在-20℃的時候，采用紅外線測溫槍測得的空渣罐溫度在250～350℃，潮濕物料被加熱到攝氏20℃以上，并且保持4h，渣罐外壁溫度在50℃時，倒出其中的烘烤物料，就能夠完全烘干潮濕原料中間的水分。

鋼的比熱容為0.47kJ/（kg˙℃），按照33t渣罐的鑄造重量計算，如果60%的熱能被潮濕的原料吸收，則鋼渣的余熱利用為：

33×1000kg×0.47kJ/（kg˙℃）×（300-50）℃×60%=2326500kJ，相當(dāng)于每次烘烤一次潮濕物料，節(jié)約80kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

3.3熱悶渣回水余熱用于廠區(qū)取暖

該廠鋼渣熱悶生產(chǎn)線設(shè)置12個熱悶裝置，設(shè)計每個熱悶裝置平均用水量35m3/h，最大40m3/h，用水壓力0.3～0.4MPa。熱悶過程中噴水被熱熔鋼渣吸收并蒸發(fā)約為30%，其余為回水，回水溫度80～90℃，熱悶后的回水經(jīng)熱悶池底部裝置的排水孔通過一道篦網(wǎng)進入排水管，經(jīng)排水通廊匯流進入回水井，再由液下泵供水至沉淀池，經(jīng)沉淀處理后循環(huán)利用。

該廠鋼渣熱悶裝置多余的回水由底部排水通廊排入回水井，回水溫度在80～90℃，通過在回水井內(nèi)安裝換熱器進行余熱利用，加熱換熱器內(nèi)部循環(huán)使用的采暖管網(wǎng)的水，使經(jīng)過熱交換后的采暖管道的水溫度達(dá)到規(guī)定值，由水泵將熱水供入供暖管道中，為水路閥門間、設(shè)備維修間、鋼渣加工生產(chǎn)線供暖。該工藝于2015年9月實施后，用于鋼渣廠主要休息場所和辦公場所的冬季供暖。

3.4利用熱悶池內(nèi)紅熱鋼渣烘烤冷固球團

冷固球團指利用煉鋼和軋鋼的氧化鐵皮，OG泥等含鐵塵泥，在壓球機上添加粘結(jié)劑壓制成為TFe含量在45%以上的含鐵球團。球團的尺寸控制在30～50mm，直接用于煉鋼，替代煉鋼的球團礦、部分廢鋼和鐵礦石等。由于冷固球團的粘結(jié)劑多采用水溶性材料，故球團在成球以后，需要烘烤去除其中的水分，提高球團的強度，減少水分入爐以后對于冶煉造成的負(fù)面影響。所以國內(nèi)有部分的廠家采用專門的烘干設(shè)備，對冷固球團進行干燥處理。八鋼鋼渣廠采用在熱悶渣渣池子內(nèi)倒入約150t的紅熱鋼渣，不打水降溫，直接將裝筐的冷固球團吊入渣池子內(nèi)，然后蓋上熱悶渣的蓋子，就像蒸饅頭一樣，基本上解決了八鋼每月5000～8000t的球團烘烤難題。

3.5利用紅熱鋼渣烘烤新修砌的鐵水包

煉鋼使用的鐵水包，其外殼由壓力容器鋼制作，內(nèi)壁通常由永久層、隔熱層和工作層組成。其永久層使用鎂鋁澆注料或者鋁碳質(zhì)澆注料澆鑄而成；隔熱層是由輕質(zhì)鎂磚或者硅磚修砌；工作層是與鐵水接觸的耐火磚，通常是由鋁碳磚修砌。由于在修砌過程中，采用水作為結(jié)合劑使用，新修砌的鐵水包中間含有一定的水分，此外鋁碳質(zhì)在生產(chǎn)過程中，采用的粘結(jié)劑中間，含有一定的揮發(fā)分，如果直接用于與高溫的鐵水接觸，新鐵水包中間的水分和揮發(fā)分在短時間內(nèi)受熱氣化，在從磚體和澆注料中間逸出時，會引起修砌的耐火材料垮塌等事故，所以鐵水包修砌好以后，需要采用燃料或者燃?xì)鈱ζ溥M行烘烤升溫，并且烘烤升溫的供熱制度嚴(yán)格按照從低溫階段向高溫階段緩慢進行的原則實施。

為解決這個問題，該廠利用高溫固態(tài)紅熱鋼渣烘烤新修砌的鐵水包，具體的工藝操作方法：

（1）將轉(zhuǎn)爐的液態(tài)鋼渣熱潑在渣池子中間，選取一定量的熱潑后凝固的紅熱態(tài)鋼渣（表面發(fā)紅的鋼渣渣溫在750～1100℃）裝入渣罐，然后將紅熱態(tài)鋼渣倒入新修砌好的鐵水包內(nèi)。鐵水包倒入鋼渣前，里面鋪墊部分的廢棄木板，防止鋼渣砸壞鐵水包底部。

（2）按照鐵水包的烘烤曲線，使用熱態(tài)鋼渣烘烤鐵水包。


以上過程中，按照鐵水包的烘烤升溫曲線，不同烘烤溫度階段（工藝分為200℃、300℃、500℃三個階段），加入鐵水包的紅熱態(tài)鋼渣的加入量（t）的計算公式：

式中，W———鐵水包修砌使用耐火材料的重量，t；

TS———熱態(tài)鋼渣的溫度，℃；

TL1———烘烤前鐵水包的溫度，℃；

T12———需要烘烤的目標(biāo)溫度，℃。

固態(tài)鋼渣的比熱容為1.25kJ/（kｇ˙℃）；耐火材料的比熱容為1.05kJ/（kｇ˙℃）；鋼渣傳熱效率最低時時的溫為度300℃。

（3）鐵水包烘烤到500℃，倒出鐵水包內(nèi)的固態(tài)鋼渣，將鐵水包采用燃?xì)饣蛘呷加屠^續(xù)將鐵水包烘烤到900℃，投入使用即可。

4結(jié)束語

轉(zhuǎn)爐鋼渣的余熱利用是一項系統(tǒng)性工程，目前國內(nèi)外利用熱能的模式集中在利用熱空氣、蒸汽、高溫水進行換熱，然后進行下一步的利用。八鋼渣處理工序利用鋼渣余熱的模式，以及取得的實踐結(jié)果表明，在高溫階段進行的改質(zhì)反應(yīng)充分利用了高溫階段的鋼渣熱，是很有效的工藝方法。相對于固態(tài)紅熱鋼渣的熱能利用的工藝運行方法較為穩(wěn)定，也便于操作。