熱態改性轉爐渣轉杯粒化試驗研究

王向鋒 馬光宇  劉常鵬  李衛東  孫守斌  張天賦  王東山

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山，114009）

摘  要：通過鐵尾礦熱態改性轉爐渣制備出與高爐渣堿度相近的復配渣，對復配渣進行轉杯粒化試驗，分析了不同堿度對復配高爐渣玻璃化率和渣粒、渣棉產生量的影響。試驗結果表明，隨著復配渣四元堿度的降低，粒化渣粒玻璃化率逐漸升高，≤3mm渣粒產生量逐漸下降，渣棉產生量逐漸增加；復配渣四元堿度≤1.1時產生大量渣棉，渣粒產生量明顯減少；四元堿度≥1.2的鐵尾礦改性轉爐渣具備利用轉杯粒化工藝進行干式粒化和余熱回收的技術可行性。

關鍵詞：轉爐渣；堿度；轉杯粒化

Experimental Study on Granulation of Hot Modified Converter Slag in Rotor

WANG Xiang-feng    MA Guang-yu    LIU Chang-peng    LI Wei-dong

SUN Shou-bin   ZHANG Tian-fu    WANG Dong-shan

(Iron and Steel Research Institute of ANGANG Group, Anshan 114009, Liaoning, China)

Abstract: Compound slag similar to basicity of blast furnace slag was prepared by hot modification of converter slag from iron tailings. Rotary granulation test was carried out on compound slag. The effects of different basicity of compound slag to vitrification rate and production of slag grains and slag cotton were analyzed. The test results showed that with the decrease of quaternary basicity of compound slag, vitrification rate of granulated slag grains and the production of slag grains less than 3mm increased gradually. The production of slag cotton increases gradually with the gradual decrease of slag basicity. When the quaternary basicity of the compound slag is less than 1.2, a large amount of slag cotton is produced, and the production of slag particles is obviously reduced. The iron tailings modified converter slag with quaternary basicity (≥1.2) has the technical feasibility of dry granulation and waste heat recovery by using the rotary cup granulation process.

Key words: converter slag; basicity; rotary granulation

1 前言

鋼渣是煉鋼過程產生的副產廢渣。據公開數據，2018年我國粗鋼產量約9.28億噸，鋼鐵冶煉過程中渣鋼比按0.13估算，全國產生的鋼渣總量約1.21億噸。轉爐煉鋼過程中產生的液態熔渣的出口溫度在1400~1500℃之間，熔渣的比熱容約為1.2kJ/(kg·℃)，每噸熔渣含有的顯熱約1260MJ~1880MJ。每噸熔渣含有的顯熱按照60千克標準煤折算，2018年我國鋼鐵行業液態熔渣所含余熱量折合約726萬噸標準煤。因此，熱態鋼渣的節能減排潛力和經濟效益巨大。

目前國內外大部分鋼鐵企業均先將高溫熔渣進行適當的冷卻處理后再加工，提取其中的金屬作為物資來利用，而鋼渣顯熱的回收利用問題一直沒有得到有效地解決。我國鋼鐵企業大多采用熱悶法、滾筒法、風淬法等處理鋼渣。本鋼等企業將熱悶工藝副產的余熱水換熱后用于洗浴、供暖[1]，估算熱利用率約10%左右；其它季節并無利用，能源浪費嚴重。另有某企業開發的鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶處理技術，其技術要點是鋼渣余熱有壓熱悶蒸汽溫度120℃，壓力0.2-0.4MPa，采用有壓熱悶蒸汽經換熱器加熱其中的密閉循環水，加熱后的循環水進而加熱發電工質，最終通過工質驅動發電機發電，其余熱回收比例較低，目前也未進行工業化應用[2]。

綜上所述，國內外暫無成熟的鋼渣余熱回收技術，開發高溫鋼渣余熱回收利用技術將是降低鋼鐵生產能耗、提高能源利用率、促進鋼鐵企業節能減排的重要研發方向。

作者提出一種新的轉爐渣余熱回收研究思路，即將轉爐渣進行熱態改性為堿度接近高爐渣的復配渣，然后將其與高爐熔渣匯合利用轉杯粒化工藝進行干式粒化和余熱回收，其優勢在于：一是避開轉爐渣因熔點高、粘度大、流動性差等而難以進行余熱回收的技術難點，從而間接實現轉爐渣的余熱回收；二是粒化渣玻璃化率≥90%，可作為礦渣微粉原料使用，解決了轉爐渣因f-CaO、f-MgO超標等引起安定性不良而導致的資源化難題。本文重點考察了不同堿度對轉爐渣改性復配渣玻璃化率和渣粒、渣棉產生量等因素的影響，為轉爐渣復配渣轉杯粒化余熱回收工藝的可行性提供依據。

2 試驗方法和試驗條件

2.1 試驗方法

試驗以500kg感應爐和轉杯粒化試驗裝置為載體，先按照復配渣配方準備好原料并混勻，然后啟動感應爐，石墨坩堝預熱后將原料放入，熔化至1500℃后保溫30min，使復配渣熔液成分、溫度實現均勻化。然后將熔渣倒入轉運中間包中，運往轉杯粒化試驗平臺開展轉杯粒化試驗，考察不同堿度條件下復配渣進行轉杯粒化余熱回收的可行性。

2.2 試驗原料及配方

轉爐渣取自鞍鋼煉鋼總廠。

改性劑為鐵尾礦，取自鞍山某尾礦庫。

表1是轉爐渣改性原料的化學成分 %

由表1可知，該鐵尾礦以酸性物質為主，且由于與鐵礦石同源，復配后無二次污染，不會降低渣的潛在活性，適宜作為轉爐渣改性的原料。

表2是不同堿度轉爐渣改性復配渣化學成分。

表2 不同堿度轉爐渣改性復配渣化學成分

復配渣熔化混勻后進行取樣，經化學檢驗和X衍射分析，復配渣中無f-CaO、f-MgO存在，說明f-CaO、f-MgO已被鐵尾礦中的酸性物質充分反應，不影響復配渣的穩定性。

2.3 復配渣轉杯粒化試驗參數設置

試驗除高爐渣堿度不同外，轉杯粒化參數設置及其它試驗條件不變。

表3是復配渣轉杯粒化試驗基本參數。

表3 復配渣轉杯粒化試驗基本參數

試驗檢測參數包括：冷卻初始風溫及終了風溫（最高風溫），最終水溫，粒化后的高爐渣粒徑及玻璃化率等。

3 復配渣轉杯粒化試驗

3.1 轉杯粒化試驗裝置

圖1-圖4為轉杯粒化試驗系統。

3.2 試驗過程

不同堿度高爐渣轉杯試驗數據見表4，初始風溫為30℃。

表4 不同堿度高爐渣轉杯試驗結果

圖5~圖8為復配渣轉杯粒化試驗產生的渣粒和渣棉情況。

4 試驗結果分析

4.1 復配渣堿度與玻璃化率間的關系

圖9是不同堿度復配渣粒化后的玻璃化率情況。

由圖9可以看出，當復配渣四元堿度為0.7~0.9時，復配渣渣粒玻璃化率很穩定，均高于99%；當復配渣四元堿度為0.9~1.3時，隨著四元堿度的降低，渣粒玻璃化率下降趨勢明顯增強，當四元堿度為1.3時，玻璃化率最低，為91.09%。以上結果證明復配渣四元堿度與其玻璃化率總體呈負相關關系。

4.2 復配渣四元堿度對渣粒、渣棉產生量的影響

圖10是不同堿度條件下復配渣渣粒、渣棉產生情況。

由圖10可以看出，隨著復配渣堿度的升高，≤3mm渣粒逐漸增加，而渣棉產生量逐漸下降，≤3mm渣粒與渣棉產生量在堿度為0.9~1.0范圍內時接近平衡。當堿度為1.3時，渣棉產生量已下降為5.43%。而渣棉的產生可對爐渣轉杯粒化工藝造成嚴重干擾，如熱風含纖維量大，風阻高，換熱效率下降等。

據重慶大學李凱等的研究，在轉杯粒化過程中，工質流量負荷是關系到造粒是否成功的關鍵因素，并能顯著影響液滴粒徑。工質流量和轉杯轉速對粒化液滴大小均有影響；轉速較低時，流量對粒徑影響更為明顯[3]。吳君軍等通過熱態實驗可以發現，渣棉等絲狀物形成的根本原因在于液與空氣發生對流換熱后冷卻凝固。降低溫度、減小流量或增大轉速都將會導致絲狀物比例升高[4]。

因此，當操作工況、流體性質、轉杯結構等參數改變時，復配渣渣棉的產生量還可進一步下降，渣粒產生量和換熱效果還有進一步改善的空間，吳君軍等進行的運行工況對粒化影響理論分析結果[5]亦可予以證實。

5結論

（1）四元堿度≥1.2的鐵尾礦改性轉爐渣具備利用轉杯粒化工藝進行干式粒化和余熱回收的技術可行性，試驗條件下渣粒玻璃化率＞92%，≤3mm渣粒產生量＞85%，渣棉產生量＜9%，最高風溫730℃。

（2）隨著復配渣四元堿度的降低，粒化渣粒玻璃化率逐漸升高，試驗復配渣四元堿度為0.7~1.3，其粒化渣玻璃化率全部≥90%，均可用于制備礦渣微粉。

（3）復配渣四元堿度≤1.1時將產生大量渣棉，≤3mm渣粒產生比例明顯降低，余熱回收難度較大。

參考文獻

[1] 李德斌.鋼渣熱悶處理工藝回水余熱的有效利用[C].第九屆中國鋼鐵年會論文集,2013.

[2] 郝以黨,吳龍.鋼渣輥壓破碎-余熱有壓熱悶處理及發電新技術[N].世界金屬導報,2017-8-1(B12).

[3] 李凱,王宏,朱恂等.流體轉杯離心粒化特性試驗[J].鋼鐵,2014,49(10),95-99.

[4] 吳君軍.高爐渣離心粒化機理及規律[D].重慶:重慶大學,2016.

[5] 吳君軍,王宏,朱恂等.轉盤離心粒化中絲狀成粒特性[J].化工學報,2015,66(7),2474-2480.