1 前言

随着我国钢产量的逐年增长，钢渣的产生量也随之增加。钢渣中约有10%的残钢，除少量大块残钢被磁选回收，大部分则呈颗粒状和渣子包裹在一起，很难分离，随渣子丢弃造成金属铁资源的浪费。据不完全统计，我国历年钢渣堆弃量约6.85亿t，其中未回收废钢（以3%-5%计）约丢弃2000-3400万t；现在，每年仍继续堆弃钢渣约4800万t，丢弃废钢约146-243万t。其次，钢渣含有与硅酸盐水泥熟料相似的硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）等水硬胶凝性矿物，未被利用造成资源浪费。第三，钢渣随意堆弃，不仅占用土地（历年堆弃的钢渣占用土地约3.4万亩，每年仍约占地2400亩），同时还污染周边土壤和水系、破坏生态环境。

目前，国内外使用的钢渣处理技术有多种，如热泼、风淬、滚筒法等，但均存在金属回收率低、不能解决尾渣安定性隐患，无法实现钢渣的“零排放”。

400℃钢渣热闷处理技术于1992年被发明。2001年后，在国家科技部项目的支持下，800℃钢渣和1650℃熔融钢渣热闷处理技术又被先后发明，推出了钢渣处理、金属回收和尾渣资源化利用的成套新工艺技术。该技术可实现渣铁分离、解决尾渣中安定性不良的隐患，为实现钢渣“零排放”提供了技术支持。

2 国内外钢渣处理技术比较

国内外钢渣处理技术有热泼法、粒化法（滚筒法、风淬法、水淬法）、热闷法。

热泼法是传统落后工艺，占地大、污染环境，处理后钢渣稳定性不好，尾渣不能利用。滚筒法只能处理流动度好的钢渣，设备复杂，能耗高，尾渣的利用受局限，仅有少数企业使用。风淬法只能处理流动度好的钢渣，但需要消耗压缩空气，尾渣的利用途径少，目前国内只有一条生产线。近年来，新建、改扩建的钢渣处理生产线主要采用热闷法。热闷法利用熔融钢渣余热经喷水产生蒸汽，能源消耗低，可处理各种温度、状态的钢渣，处理率达100%，尾渣稳定性好，可全部利用。上述方法的主要技术指标比较见表1。

表1 国内外钢渣处理技术主要参数比较

从表1可看出，钢渣余热自解热闷技术的适应性、f-CaO含量、浸水膨胀率、主机能耗、尾渣利用率均优于国内外其他处理工艺。尤其是利用钢渣的余热产生蒸汽，实现了稳定化处理，与较先进的日本蒸汽陈化法相比，处理每吨钢渣可节约11.63kgce，节能效果显著。

3 钢渣热闷处理技术

第三代熔融钢渣热闷处理技术是在400℃钢渣和800℃钢渣热闷处理技术的基础上开拓创新的成果，是将1650℃左右的钢渣直接倾翻在热闷装置（见图1）内，喷水使其表面固化，然后盖上装置盖间断喷水，直到钢渣温度降到65℃左右时热闷结束。

图1 热闷装置

3.1热闷技术原理

3.1.1 f-CaO快速消解，体积膨胀粉化机理

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包裹（见图2），生成死烧石灰，一般固熔有氧化亚铁（FeO）。另外，钢渣中的硅酸三钙（C3S）在高温下分解，也产生f-CaO。

图2 钢渣中的石灰

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%。

根据渗透理论中传质系数K与表观扩散系数DH2O的关系可知，K随水蒸气浓度的增大而增大。因此，钢渣热闷时f-CaO的消解速度取决于水蒸气浓度，即水蒸气浓度越大，反应时间越短。在自然条件下，一般需数年才能消解；但在高温和湿度大的条件下，可加速水化，使其稳定。所以，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。

在热闷生产中实测热闷装置中的水蒸气浓度为100%，一般空气中为3%-4%，两者比为25-33。经多次试验确定，在饱和蒸汽下热闷时间为8h，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。

3.1.2 钢渣热闷过程中冷却收缩应力、相变应力和化学反应膨胀力的作用原理

钢渣由1000℃降温到35℃时，其体积变化见图3。图3揭示了熔融钢渣热闷反应机理，即钢渣急冷由1000℃降至750℃时，在收缩应力的作用下碎裂；从750℃降到650℃时，钢渣主要成分硅酸二钙（C2S）由β-C2S转变为γ-C2S，相变体积膨胀10%继续碎裂；降至650℃以下时，钢渣的收缩随温度降低趋缓，此阶段主要是f-CaO水化体积膨胀98%，使钢渣粉化。

① 在1000-750℃和650-35℃温度区间，钢渣冷却收缩系数呈现良好的线性关系；在750-650℃温度区间，呈非线性关系。

② 1000-750℃温度区间的冷却收缩系数K1= -1.506×10-2；650-35℃温度区间的冷却收缩系数K2= -1.59×10-3。750℃以上钢渣的线性收缩是650℃以下的9倍。

③ β-C2S在675℃温度下冷却转变成γ-C2S，比重由3.8减少到2.97，体积增大10%以上。

④ 钢渣热闷过程中冷却收缩应力、相变应力和化学反应膨胀应力的影响因素，见表2。

图3 钢渣随温度下降的体积变化的关系

表2 主要的应力影响因素

研究得出，热闷过程中钢渣在急冷收缩、相变膨胀、f-CaO水化膨胀共同作用下碎裂粉化。

3.2 热闷处理工艺流程及技术特点

3.2.1 工艺流程

1650℃熔融钢渣倒入热闷装置中，喷水产生蒸汽与钢渣进行物理化学反应而粉化，消解了f-CaO的不稳定性，钢和渣自然分离。当温度降至65℃以下时，打开热闷装置盖出渣，进行金属回收工序（见图4）。

图4 工艺流程

3.2.2 技术特点

1）钢渣热闷后渣和钢的分离效果好。钢渣大部分粉化，颗粒级配见表3。钢渣粒度小于20mm的占65%-70%；小于10mm的颗粒占40%-50%；大于50mm的只占1.4%。因此，破碎量小，只需一台液压颚式破碎机即可。

表3 热闷后钢渣颗粒级配表

2）采用宽带磁选机组可将磁性物一次性选出，减少多次磁选工序和设备。

3）采用棒磨机提纯钢渣，渣钢的品位TFe＞90%，可直接返回转炉使用。

4）采用双辊动态磁选机磁选小于10mm的钢渣，磁选粉的品位TFe＞50%，返回烧结矿使用。

5）尾渣满足生产钢渣粉和钢渣水泥的技术要求。

3.3 热闷处理尾渣用于生产钢渣粉，形成新的产业链

工信部在“十二五”大宗固体废物综合利用规划中提出“重点推广生产钢渣粉和钢铁渣复合粉技术及成套设备”、“重点工程包括生产钢渣粉和钢铁渣复合粉为核心内容的整体利用”、“建设一批钢铁渣粉和钢铁渣复合粉项目”。国家发改委在《“十二五”资源综合利用指导意见和大宗固体废物综合利用实施方案》中明确指出 “2015年建设10个利用高炉渣、钢渣复合粉混凝土掺合料重点工程示范项目”，“预测投资120亿元，消纳钢渣5475万t/a”。这将推动钢铁渣粉产业和新兴市场的发展。

目前，全国已建成多条钢铁渣粉生产线，其产品广泛用于建筑工程。

4 熔融钢渣热闷技术推广应用情况

4.1应用现状

熔融钢渣热闷技术首次用于鞍钢鲅鱼圈新炼钢工程。截至2011年底，已在首钢京唐钢、本钢等30多家企业应用，钢渣年处理规模达2303万t（相当于粗钢年产能15622万t），约占全国钢渣产生量的25.47%；近三年推广获得销售收入37.49亿元，利税7.58亿元；应用企业累计处理钢渣约3500万t，回收废钢228万t，磁选粉329万t。

经热闷技术处理后，消除了钢渣的不稳定性，处理后的钢渣可用于生产钢铁渣粉，等量取代10%-30%的水泥配制高性能混凝土。2012年可形成年产1110万t钢铁渣粉生产能力，每年可节省石灰石资源1232万t，节省粘土199万t，减排二氧化碳905万t，节能402.5万tce，促进了钢铁渣粉绿色建材和高性能混凝土的发展。

熔融钢渣热闷技术引领了钢渣处理及资源化利用领域的技术进步，带动了钢铁渣粉产业的发展，为实现国家“十二五”冶炼渣综合利用率达到70%的目标提供了技术支撑。

4.2案例分析

熔融钢渣热闷处理及金属回收工艺技术，除可实现资源再利用，还可产生显著的技术经济效益。下面以江西新余钢铁有限责任公司投资建成的116万t/a钢渣热闷处理生产线为例，介绍其主要技术经济指标，并进行经济效益分析。

4.2.1 技术经济指标

新余钢渣热闷处理和金属回收生产线的主要技术经济指标，见表4。

表4 新余钢渣热闷及金属回收项目主要技术经济指标

4.2.2 经济效益分析

1）金属物料回收效益

新余熔融钢渣热闷处理和金属回收项目，年处理钢渣116万t。

① 每年可回收废钢（TFe≥90%）2.42万t，废钢按照市场价格1500元/t计算，每年可获得收益：2.42×1500=3630万元。

② 每年可回收渣钢（TFe≥85%）4.05万t，渣钢按照市场价格1200元/t计算，每年可获得收益：4.05×1200=4860万元。

③ 每年可回收磁选粉（TFe≥60%）18.80万t，磁选粉按照市场价格600元/t计算，每年可获得收益：18.80×600=11280万元。

④ 金属物料回收效益合计：3630+4860+11280=19770万元。

2）钢渣热闷处理后，渣铁分离效果好，可减少钢渣后续破碎等工序，降低加工成本。按照渣处理费用分析计算吨渣加工费为50元/t，可降低成本15%，年处理钢渣116万t，可节省加工成本：116×104×50×15%=870万元。

3）钢渣热闷尾渣（MFe＜2%）每年为90.73万t，经稳定化处理的尾渣可用来生产钢渣粉，作水泥和混凝土掺合料、砖和其他建筑材料。这部分钢渣可按照建材原材料价格出售，每吨售价以10元计算，每年可产生收益为90.73×10=907.3万t。

4）按照国家现行固体废弃物排污费收费标准，钢渣任意排放堆弃，每吨渣征收25元排污占地费，年产116万t钢渣，粗选5%废钢除外，排渣占地费为：（116-116×5%）×25=2755万元。

合计以上四项，116万t/a钢渣热闷处理和金属回收项目每年可产生经济效益24302.3万元。

5 结语

熔融钢渣热闷处理技术满足了现代转炉炼钢快速排渣、实现短流程钢渣处理的要求，保证了炼钢生产的顺利进行。本技术无废水排放、无噪声、无粉尘污染，实现了清洁生产。本技术已应用于国内30多家钢铁企业，取得了显著的经济效益、社会效益和环境效益。