炼钢用冷固钢渣精粉造块压球的技术论证

《炼钢用冷固钢渣精粉造块压球的技术论证》

编制说明

二〇一四年一月

1. 炼钢使用钢渣精粉冷固技术项目编制的背景和目的

1.1 炼钢使用钢渣精粉冷固技术项目的编制背景

1.2 技术项目编制的必要性

1.2 项目编制的必要性 

1.2.1  钢渣中间含铁物质的分布特点

1.2.2 项目编制的必要性  

1.3 推进钢渣精粉冷固技术的意义和目的

1.3.1推进钢渣精粉冷固技术的意义：

1.3.2 推进钢渣精粉冷固技术的经济效益的评估  

2 项目技术编制的原则、术语、方法和技术依据    

2.1 编制说明 

2.1.1 编织过程中的术语和规范  

2.1.2 编织过程中的规范     

2.1.2.1 钢渣精粉造块的主成分和主要理化指标要求

2.1.2.2 钢渣精粉造球的主成分和主要理化指标要求

3、钢渣精粉团块在炼钢工序的使用

3.1、钢渣精粉造块随废钢斗子内废钢加入的使用方法和规范

3.2、钢渣精粉球团在转炉高位料仓使用的方法和规范。

3.3、向铁水包加入

4、参考文献

《炼钢用冷固钢渣精粉造块压球的技术论证》编制说明

1. 炼钢使用钢渣精粉冷固技术项目编制的背景和目的

1.1 炼钢使用钢渣精粉冷固技术项目的编制背景

2013年起，新疆超过100万吨以上产能规模的钢铁企业达到5家以上，加上新疆是一个工业薄弱、现代化建设起步较晚的落后省份，可供八钢采购的废钢资源逐渐萎缩，炼铁的原料情况恶化，体现在铁水成分中间的P、S、V、Ti呈现上升的趋势，炼钢的成本压力较大，同时八钢的环保压力也与日俱增。这些问题必须使用技术的手段直面解决，在炼钢工序采用石灰石炼钢、少渣炼钢和回收利用从钢渣中间回收的含铁原料，在内地的厂家已经成为目前钢企取得效益的破冰之举。

根据鞍钢集团、济钢、攀钢、沙钢等企业的成功经验，结合第二炼钢厂2012～2013年现场的实践结果，结合佳域公司热闷渣厂的特点，编制本技术项目的论证报告，供领导决策参考。

1.2 技术项目编制的必要性

随着疆内钢铁企业的迅猛发展，随之而来的就是生产过程中产生的大量的渣、尘、泥等废弃物, 产生总量占钢产量的16％～18％，其中炼钢工序的含铁原料的成分数据如下表1～4：

表1：喷吹脱硫渣的成分

表2：KR脱硫渣的成分

表3：转炉钢渣的成分

表4：转炉除尘灰的成分

八钢由于近几年以来的产能迅速的扩张，但是对于炼钢工序的废弃物的利用率与先进厂家的应用情况相比，还存在一定的差距。第二炼钢厂的金属铁料的配合图如下图1：

图1：第二炼钢厂转炉生产线的铁平衡图

从以上的分析可知，转炉的部分的铁料，OG泥、二次除尘灰全部在烧结利用，钢渣中间的产生的含铁金属料的产品有四种：大块渣钢、中块钢渣、粒钢和钢渣精粉。其中大块渣钢、中块钢渣、粒钢直接供应给炼钢返回利用，钢渣精粉大部分的供应给烧结利用。以上的这种流程和模式，对于大型钢铁联合企业来讲是不合理的。

1.2 项目编制的必要性 

1.2.1  钢渣中间含铁物质的分布特点

钢渣中间的铁以以下几种形式存在：

从钢渣含铁物相分析结果可以看出，钢渣全铁品位为23.39%，含铁相主要以金属态Fe、简单化合态（FeO、Fe₃O₄、Fe₂O₃、Fe₂O₃·nH₂O和FeCO₃等）、铁酸盐（2CaO·Fe₂O₃等）和固溶体（MgO·2FeO）４种形式存在，分布比较分散。转炉炼钢过程中炉渣中铁的氧化物在熔融状态下主要以FeO形式存在，其中液渣下层与钢液接触，主要是二价铁；而渣的上层与炉气接触，主要是三价铁。然而FeO在室温并不稳定，低于527℃时则分解为Fe₃O₄，同时析出铁，但在钢渣中由于相平衡而与Fe和Fe₂O₃共存，并被CaO和MgO等二价氧化物所稳定。

钢渣中间的全铁含量在20%～ 30%，其中FeO 和Fe₂O₃含量约为20%，MFe含量约为5%～10%。其中金属铁珠的存在量与渣量有关，渣量越大，吹氧的氧气射流冲击起来的铁珠飞向熔池上部，在重力的作用下重新掉入渣层，弥散在钢渣中间的铁珠越是难以沉降到熔池，根据相关的文献介绍，我厂吨钢渣量低于130kg的情况下，铁珠的含量为5%，大于此值为7%～10%。铁液中间的[P]含量越高，铁酸盐越多（渣中的氧化铁决定脱磷的效果），其可以回收的量越低。

  故从钢渣中间选取的含铁物质主要是以物理铁为主成分的大块渣钢、中块渣钢，同时含物理铁和氧化铁的粒钢，以及含少量物理铁和较多氧化铁，以及含铁的尖晶石相的钢渣精粉。从历时2年的成分抽检来看，钢渣精粉中间的磷硫含量较高，从物料循环利用的角度讲，不适合烧结使用，这也是近年来国内流行的含铁固废长流程处理和短流程处理的实践比较结果。钢渣精粉的典型成分如下表：

1.2.2 项目编制的必要性

  钢渣厂产生的钢渣精粉，拉运到烧结分厂使用，存在以下的问题：

1)        从钢渣厂拉运到烧结分厂的运距大于从钢渣厂拉运到炼钢的运距，运输费用较高。

2)        钢渣精粉中间高浓度的P、S在烧结环节S被部分的氧化进入气相，在烟气脱硫环节被捕集，增加了烧结的成本，P在铁厂高炉内的还原性气氛下被全部还原进入铁液，铁液又被运输到钢厂利用，为此需要增加额外的渣辅料消耗，增加了脱磷的难度，相应的增加了炼钢的脱磷成本。

3)        钢渣精粉转化为球团过程中，需要热量和能源消耗才能够实现成球，并且使用不当，对于烧结的生产有一定的影响，对于钢铁联合企业的整体效益来讲是增加成本的。

基于以上原因，合理的利用钢渣精粉，是目前八钢降本增效的重要突破口之一。

从钢渣中间磁选出的钢渣精粉的处理，目前有短流程处理模式和长流程的处理模式两种模式，其概念如下：

1、钢渣精粉提供给烧结厂使用回流到炼钢工序，经过钢渣精粉在钢渣厂→制球→烧结→炼铁→炼钢三个工序；

2、钢渣精粉造块制球直接提供给炼钢厂使用，经过钢渣精粉在钢渣厂→冷固压块造球→炼钢一个工序；

由以上可知，钢渣精粉压块造球提供给炼钢使用中间经过的环节只有造球压块这一个环节，提供给烧结使用，再回流到炼钢需要烧结的造球、烧结和炼铁三个环节，所以将钢渣精粉提供给炼钢使用的流程低于提供给烧结使用的流程，所以将钢渣精粉提供给炼钢称为短流程处理模式，将钢渣精粉提供给烧结分厂称为长流程的模式。

将钢渣精粉冷压成块或者造球，直接提供给炼钢使用，也叫做冷固技术。

目前冶金企业内产生的钢渣精粉、高炉粉尘、氧化铁皮、转炉粉尘和污泥、电炉尘等，处理效率不高，在烧结使用，影响烧结的生产稳定性，烧结厂提供给炼钢厂的球团矿的核算价格为990元/吨（Fe₂O₃：63%），显然成本较高，与此同时形成对比的是，目前冶金资源越来越匮乏。如何高效科学综合利用这些宝贵的二次资源，变废为宝，实现固体废弃物的高效利用，既实现了废弃物循环利用，又降低了生产成本，是钢铁企业亟待考虑和解决的问题。

转底炉、回转窑、MF、DSM技术处理高锌含铁尘泥，几种处理方式各有其优势，但它们都需要广阔的场地和数亿元的设备投资，建设周期长，投资回收率相对较低。目前，多数钢铁企业对钢渣和除尘灰系统中间产生的含铁原料的处理，仍然在烧结系统作为烧结混料处理，但经烧结造块制球、高炉炼铁工序最后到炼钢使用，工序流程长，能耗高、处理成本高。

国内的一些钢铁企业将钢渣精粉、氧化铁皮、转炉尘泥等废弃物制成团块，利用冶金过程的余热进行含铁废弃物处理，回收铁，既节约了大量的投资，又利用了余热，节约能源，又能够快速实施，省去建设时间；既高效利用废弃物中的铁，又能利用其中的碳；既实现了短流程处理，又降低了能耗；既回收利用了含锌含铁尘泥，又不会引起高炉结瘤和顺行。

另外一方面，在转炉炼钢过程中为了造好渣，早化渣及控制适宜温度，需要加冷却、造渣剂、助熔剂。传统的冷却、助熔剂，包括块状铁矿石、废钢、萤石、石灰等。以块状铁矿石为冷却助熔剂时，由于主要成份为难还原的氧化铁，而且多为酸性矿，不但金属收得率低，还会使渣量增加，炉衬寿命降低，也起不到较好的助熔剂作用。以废钢、石灰和萤石为冷却、助熔剂时，一方面厂内废钢供应不足，外购时价格、成分变化较大，成本较高；另一方面石灰和萤石的大量加入不仅增加了成本，而且萤石还会腐蚀炉衬，影响转炉寿命。

随着钢铁企业对节能减排的日益重视，冶金废料加工产品作为转炉冷却、助熔剂使用，既能节约冶金废弃物企业外循环利用所需的设备、场地投资，又能减少废弃物排放量，经济效益和环保效益明显，具有很好的推广前景，但这类产品至今没有形成产品标准及检验方法，致使由于产品质量差而无法推广使用。这一点国内钢铁业经过数年的探索，已经规模化实施的经验和结果，证明短流程的处理钢渣精粉的方式，其降本增效效果显著，典型的成功经验如下：

1)        首钢京唐钢铁联合有限责任公司使用的冷固球团技术，按照全年钢产量860万t计算，每年可节省成本1.4(亿元)。

2)        鞍钢集团的经验是利用鱼雷罐将含铁尘泥再资源化，也就是在鱼雷罐在铁厂受铁过程中和在炼钢工序的倒罐过程中，分别向鱼雷罐和铁水包内加3t的尘泥团块不影响其容铁量和高炉出铁速度，铁水温度满足脱硫和炼钢的要求，可部分或全部代替普通废钢、渣钢使用，缓解废钢资源紧张的局面。

3)        攀钢30t转炉的使用效果表明，使用炼钢污泥球后转炉全年产生的直接经济效益为180万元以上。

鉴于钢渣精粉的冷固球团技术，产品符合国家所倡导的经济环保发展方向，结合第二炼钢厂2012年年底和2013年年初规模化利用钢渣精粉的生产结果，我们很慎重也很负责的向公司提出，首先实施钢渣精粉的造块压球的冷固技术，用于炼钢，在取得应用效果的同时，拓展八钢含锌粉尘、含碳粉尘的造球压块技术，为八钢的清洁化生产提供技术支持。

1.3 推进钢渣精粉冷固技术的意义和目的

1.3.1推进钢渣精粉冷固技术的意义：

（1）钢渣精粉的高效利用是八钢实现绿色制造、可持续发展的技术措施之一。

将含钢渣精粉制成炼钢用冷固球团作为炼钢造渣剂、冷却剂和助熔剂的原料,不经过烧结、炼铁等工序直接回转炉, 对降低能耗有明显效果, 同时回收了其中的铁, 又降低了石灰、萤石的消耗量。化渣快，促进造渣, 金属收得率增加。本标准的制订促进含铁尘泥资源合理、高效的利用。

（2）发展循环经济的重要内容。循环经济的主要特征是废物的减量化、资源化和无害化。通过资源流程环节成本的节约和有效利用，以减少资源投入，实现废物减量化，对废物进行综合利用达到资源化和循环利用。本技术的实施，对于钢渣精粉的高效利用、加快钢铁企业循环经济发展具有重要意义。

（3）钢渣精粉的冷固技术，是减少炼钢环节原料增加，有利于钢铁冶金过程中的低碳经济。

（4）促进八钢各个工序含铁尘泥和固废利用技术的推广应用和发展。

（5）钢渣精粉如果直接在炼钢使用，钢渣精粉中间含有较多的FeOn，在随着废钢加入以后，兑加铁水，铁水中间的C与FeOn反应，形成喷溅，反应的方程式如下：

[C]+(FeO)=[Fe]+{CO}

△G⁰=23300－21.87T

为了抑制上述反应的发生，必要的热力学条件是：

上述反应不发生的条件是：T<847℃。由此可以看出要确保加入钢渣精粉的粉末操作兑铁时不发生大喷溅，必要条件是炉膛的残留终渣温度低于847℃即可，但是实际的生产过程中，由于钢渣精粉的粒度极小，及其容易与铁水中间的碳反应发生喷溅。所以解决随废钢加入精粉引发转炉兑铁喷溅的难题瓶颈是将其造块或者造球。

（6）钢渣精粉直接在炼钢使用，从高位料仓加入，由于颗粒极细，容易被风机抽吸进入OG系统；加入废钢斗子时，电磁盘吸取过程中，粉尘污染严重，部分铁的氧化物不具备磁性，难以全量的加入废钢斗子。

基于以上的原因，钢渣精粉在炼钢使用，必须采用冷固技术，进行造球或者造块。

1.3.2 推进钢渣精粉冷固技术的经济效益的评估

  钢渣精粉冷固在炼钢使用，具有以下的经济技术优势：

1)        在炼钢工序的成本比较

  炼钢使用球团矿，TFe的对比：

  A：球团矿，Fe₂O₃：63%，TFe：63%×56×2÷（56×2+16×48）=0.441吨的Fe元素，价格990元。

B：钢渣精粉造球压块以后，其中采用合适的粘结剂，其中的TFe可以达到30%以上，按照国内氧化铁皮压球机的压球成本，每吨280元，加上钢渣厂的成本，冷固钢渣精粉团块的价格可以控制在350元/吨。

C:在炼钢工序使用，增加运力和人工成本等，每吨额外增加成本30元。

由以上的比较可知，就回收铁元素的角度讲，回收1吨的铁元素，需要1000÷0.35=2.857吨的钢渣精粉，需要1000÷0.65=1.53吨的球团矿，即在回收铁元素的角度上讲，回收1吨的铁元素节约：1.53×990-2.857×（350+30）=428元  

钢渣厂平均每月产生钢渣精粉18000吨，考虑到钢渣精粉团块在第二炼钢厂工艺过程中的加入量每月最大为4000吨，全量回收其中的铁元素，相当于回收4000×0.30=1200吨的铁元素，节约：1200×428=513600，全年降本增效：1132200×12= 6163200元

2)        在整体的工序上比较，钢渣精粉在烧结厂使用，钢渣精粉中间的磷在炼铁的工序，全部还原进入铁液，在炼钢工序脱磷，这些磷有80%的被固定在磷酸三钙中间，每吨的钢渣精粉中间的磷(按照0.3%计算)，在炼钢工序需要额外的增加石灰的量为W：

3CaO+ P₂O₅=3 CaO·P₂O₅

             W=3×56×6000×0.3%×0.8÷（2×31）=3901

按照目前成本核算价，石灰每吨390元计算，需要增加石灰费用：3901×390=1521390

如果钢渣精粉冷固团块直接应用于炼钢，钢渣精粉在转炉的工艺环节，磷存在于钢渣中间，只是减弱了钢渣的脱磷能力，只要保证炉渣的碱度和渣中的氧化铁，就可以完成脱磷，按照碱度3.2的理想值的计算，需要石灰：3.2×6000×[12%（钢渣精粉中间二氧化硅的平均值）+0.3%（钢渣精粉团块中间的磷含量）]=2880

两种工艺使用，全年相当于节约石灰成本：（3901-2880）×390×12=398190元

3)        在烧结厂使用燃气制球造块，其热能损失由于数据处理的问题，在此不做对比。

综上所述，在炼钢工序使用钢渣精粉的造块技术，全年节约：6163200+398190=6561390元

2 项目技术编制的原则、术语、方法和技术依据    

2.1 编制说明 

编制本标准主要目的就是统一钢铁企业用含铁废料制成的炼钢团块的技术质量标准，以促进尘泥团块制造单位生产的产品满足炼钢需要，从而促进炼钢的使用，为钢铁行业提高含铁固体废物资源综合利用水平、实现节能、降本、增效提供技术支撑，为清洁生产管理体系的进一步完善提供技术保障。随着本标准制订实施和国家环境保护、资源节约与综合利用等有关法律、法规和政策的完善，冶金固体废物污染防治与综合利用的市场在不长的时间内，将会有一个大的发展，市场空间广阔。标准实施后，可实现经济效益、环保效益的统一，具有很好的推广使用价值。

2.1.1 编织过程中的术语和规范  

1、钢渣精粉的短流程应用工艺

钢渣精粉的短流程应用是指将钢渣精粉添加粘结剂制作的团块（块状、球状）直接应用于炼钢的工艺。

2、钢渣精粉的长流程应用工艺

钢渣精粉的长流程应用是指将钢渣精粉提供给烧结工序，压球烧结、然后炼铁的工艺。

3、钢渣精粉的造块工艺

为了消除钢渣精粉作为废钢的替代品与废钢一起加入转炉，在转炉兑加铁水过程中产生的细颗粒引起的喷溅，污染等问题，将钢渣精粉造块，制造成为块状，提供给炼钢使用的工艺。

4、钢渣精粉的造球工艺

将钢渣精粉添加部分的添加成分，在转炉炼钢过程中起到替代球团矿，在转炉过程中作为化渣、降温的功能性材料使用，需要将钢渣精粉制作成为能够从料仓选择时机加入的球状产品的工艺。

5、钢渣精粉

钢渣精粉是指钢渣中间的含铁物质，经过磁选生产线选出的，粒度在5mm以下，主成分以含铁料为的产品，产品中间含铁的物质大多数为铁的氧化物。

2.1.2 编织过程中的规范     

为规范炼钢用钢渣精粉团块的生产和使用，引导钢铁企业高效合理利用钢渣精粉，形成统一的认识，合理的评价和指导生产，需制定炼钢用钢渣精粉团块的企业使用标准。

钢渣精粉作为炼钢的废钢替代品或者熔剂铁矿石的替代品，必须能够满足相应的主成分要求，加入以后起到满足替代品的要求。

2.1.2.1 钢渣精粉造块的主成分和主要理化指标要求

通过回归的计算设计，钢渣精粉造块以后的主成分应该满足以下的要求：

1)        团块中间的W(TFe)>30%。

2)        团块中间的W(P₂O₅+SiO₂)<0.45%

3)        团块中间的W(S)<0.35%

4)        团块的物料尺寸：20×20×30～50×50×100mm

5)        强度：1.5 m高度自由落下粉碎率低于10%。

2.1.2.2 钢渣精粉造球的主成分和主要理化指标要求

3、钢渣精粉团块在炼钢工序的使用

钢渣精粉团块在炼钢工序的使用，有在铁水包加入、转炉高位料仓加入和废钢料斗子加入三种工艺。

3.1、钢渣精粉造块随废钢斗子内废钢加入的使用方法和规范

钢渣精粉中间的P、S含量较高，在加入转炉以后，控制不当，造成转炉熔池回硫，钢渣中间的磷的浓度增加，影响钢渣脱磷的效果，钢渣造成熔池回硫的机理如下：

MgS+[0]=Mg0+[S]

△G₀=-177162+48.01T J／mol

CaS+[O]=Ca0+[S]

△G₀=109034+29.33T J／mol

回硫反应的热力学参数如下表：

故钢渣精粉在废钢斗子内加入，W（S）%<0.4%的，TFe含量较低的，适合于随着废钢斗子随废钢一起加入。加入量依据冶炼钢种的硫含量确定。加入的计算依照以下的公式计算：

式中W:金属料的总装入量，吨；α：冶炼钢种硫含量的上限成分，质量百分数%；

50%：表示由钢渣精粉带入转炉的硫含量不超过入炉铁液中间硫负荷的一半。

0.4%：钢渣精粉中间的平均硫含量，质量百分数%。

90%：氧化期间钢渣精粉中间的硫化钙发生回硫的统计概率，%。

依照上式计算，比如钢种的产品硫含量上限为0.015%，装入量为120吨的工艺条件计算，加入的钢渣精粉的量低于2.5吨。

3.2、钢渣精粉球团在转炉高位料仓使用的方法和规范。

钢渣精粉球团可以在冶炼初期加入，也可以在冶炼中期，后期加入，机理如下

①       冶炼前期加入钢渣精粉球体的作用

在转炉冶炼前、中期加入粉尘球团造渣剂取代大部分铁矾土和部分铁矿石，在炉渣中快速形成以CaO-FeO为主的脱磷渣系。由此炉渣氧化性迅速提高，因此有助于参加脱磷反应。同时炉渣中FeO、Fe₂O₃具有化渣作用，即帮助石灰中CaO和其它氧化物、化合物等高熔点物质熔化。因此，高氧化性炉渣有利于化渣造渣，快速形成流动性好的高碱度、高氧化性的炉渣，有利于提高脱磷反应速度。

②       吹炼中期加入钢渣精粉球团的化渣机理

转炉冶炼中期，熔池温度升高，加快C-O反应进行，熔池中碳大量被氧化，由于脱碳反应限制性环节来自供氧强度，因此炉渣中TFe大量被消耗，炉渣中叫(FeO)、 (Fe₂0₃)迅速从初期16 ～18 降低至8 左右，反之炉渣中高熔点物质(如CaO、2CaO·SiO 、MgO)等析出，造成炉渣熔点升高，黏度增加，流动性差的缺点，即称为“返干”。返干的炉渣不仅易发生喷溅事故，同时影响炉渣与熔池之问的化学反应进行。通过向炉内加入T．Fe含量高的粉尘球团，迅速调整增加渣中Fe0、Fe₂O₃含量，避免中期炉渣返干形成，改善冶炼中期炉渣熔化条件，同时也避免中期回磷的倾向发生。

③       后期加入降温

后期加入300kg，降温热效应为5～7.4℃（125吨熔池钢水，钢渣精粉中间30%的氧化铁含量计算值），球团矿为6～10.4℃。降温效果不及球团矿。加入球团矿，操作不慎，容易引起喷溅，钢渣精粉相对较为稳定。

其加入量依据铁水的富裕热定量作为冷却剂加入时，按照球团矿的加入量的1.25倍加入。

3.3、向铁水包加入

  向铁水包内加入的量，以加入量不引起铁水发生脱碳反应引起的溢渣为标准，加入的可以是钢渣精粉团块的粉末部分。