摘要：冶金行业采用的钢渣预处理工艺包括热泼法、热闷法、风淬法、滚筒法、有压热闷法等。热泼法耗水量大且环保性差，热闷法闷渣效率低且爆炸安全风险大，风淬法只能处理流动性好的钢渣，滚筒法故障率高且维护成本高，有压热闷法投资费用高且运行成本高。基于此，文章主要介绍了一种新型的钢渣预处理工艺：底水闷渣工艺，该工艺在传统热闷法的基础上创新性地从闷渣池底部给排水，与传统热闷法相比该工艺具有投资成本低、闷渣效率高、钢渣粒化效果好等优点。
关键词：钢渣预处理,底水闷渣,底部进水
钢渣是转炉、电炉、精炼炉在金属冶炼过程中排出的由金属原料中的杂质、助熔剂、炉衬等材料形成的渣，根据来源不同可分为转炉渣、电炉渣、精炼渣、铸余渣、脱硫渣等[1-2]。
钢水冶炼过程中会添加大量石灰，由于造渣时间短，过量的CaO、MgO还未完全熔化，以游离态包裹在钢渣中[3]，这是造成钢渣安定性不良的主要原因。钢渣预处理是对钢渣进行初步粉化破碎，其处理效果直接关系到后续钢渣预处理过程中含铁资源的回收利用率，进而影响钢渣整体资源化利用率。
1钢渣预处理现状
目前国内各大钢铁生产企业主要使用的钢渣预处理工艺包括热泼法、热闷法、风淬法、滚筒法、有压热闷法等。
其中，热泼法是将钢渣在渣场堆放后直接打水闷渣，该工艺操作简单、投资成本低，但是闷渣效率低、耗水量大、环保性差，目前已逐步被其他闷渣工艺取代[4]。热闷法是将钢渣倒入闷渣池后盖上渣盖从上部打水闷渣，该工艺与热泼法相比环保性好、耗水量降低、闷渣效率有所提高。风淬法是利用高压空气流冲击钢渣使其破碎成2mm左右的细小颗粒，风淬后的钢渣可以做喷丸磨料使用，该工艺适用于处理流动性好的钢渣，处理效率高，但是对于流动性不好的钢渣需要结合其他闷渣工艺来处理[5]。滚筒法是将熔融钢渣倾倒在密闭的旋转滚筒内喷水处理，该工艺处理后的钢渣渣铁分离效果好，但是处理效率低且设备维护成本高。
有压热闷法是将高温钢渣进行辊压破碎，并喷水降温至工艺要求的温度和颗粒度，然后再将钢渣转运至密闭的热闷罐中打水热闷[6]。该工艺闷渣效率高、钢渣粒化效果好、环保性好，但是不能处理精炼渣和铸余渣，设备投资及运行成本高。以上闷渣工艺对比，如表1所示。
2钢渣热闷机理
注水闷渣的作用机理在于利用钢渣余热，通过对热态钢渣打水，使钢渣中游离氧化钙、游离氧化镁与水或水蒸气快速消解反应，体积膨胀将钢渣破碎粒化实现渣铁分离。
热闷过程中会产生复杂的物理和化学变化，具体如下：
（1）高温钢渣遇水后急速冷却，由于钢与渣的膨胀系数不同，产生不均匀冷缩，致使钢渣爆裂分开[7]；
（2）钢渣中f-CaO、f-MgO因炼钢过程中过烧结晶致密、活性差、常温下消解反应慢，但在高温热闷过程中会与水发生水化反应体积膨胀，实现钢渣破碎渣铁分离[8]。
f-CaO+H2O→Ca（OH）2体积膨胀97.8%
f-MgO+H2O→Mg（OH）2体积膨胀148%
（3）钢渣中硅酸三钙冷却到1260~1280℃时，尤其在1250℃时易分解生成硅酸二钙和游离氧化钙，钢渣体积会发生膨胀，同时反应生成的游离氧化钙会继续水解膨胀[9]。
3CaO·SiO2→2CaO·SiO2+f-CaO
（4）硅酸二钙晶型转变，在钢渣从750℃冷却到650℃过程中，硅酸二钙由β-C2S转变为酌-C2S，体积膨胀10%，也有助于实现钢渣粒化渣铁分离咱10暂。
3底水闷渣工艺介绍
底水闷渣工艺是在传统上打水池式闷渣工艺的基础上优化改进而来，该工艺保留了闷渣池的主体结构，将闷渣时的注水方式由渣盖顶部打水改进为底部注水，如图1所示。
具体生产操作工艺如下：
钢渣从炼钢车间转运至渣处理车间，通过天车或其他倒渣设备将钢渣倒入闷渣池中，当钢渣装至渣池的80%时扣上渣盖，打开渣池底部的注水控制阀门，通过注水管道上的电动调节阀控制注水速度和注水量。
在注水前期小水量注水，闷渣水与高温钢渣产生的高温蒸汽，从渣池底部沿着钢渣颗粒之间的缝隙对池中的钢渣进行熏蒸。
注水后期可适当增大注水速率直至闷渣水没过钢渣上表面约100mm以上，整个注水时间一般控制在1~1.5h，由于注水过程中高温钢渣与闷渣水持续换热，渣池中的水一直处于沸腾状态对钢渣进行水煮，在闷渣水“熏蒸”和“水煮”的作用下，渣水接触更充分，氧化物消解反应更充分，闷渣效率大大提高。
待闷渣水温度降至100益以下，闷渣过程基本结束，打开闷渣池底部的排水管路将渣池中的水排净，整个闷渣过程（含注水、排水过程）用时约5~6h，经过高温熏蒸水煮后的钢渣游离氧化物消解较为充分，钢渣粒化效果好，渣铁分离好。
4底水闷渣工艺优势
4.1无爆炸安全隐患
注水闷渣热闷过程的爆炸分两种：一种是高温钢渣在热焖打水过程中，大量熔融钢渣短时间内覆盖到液态水表面，液态水迅速气化后体积膨胀造成喷爆；另一种是高温钢渣遇水产生的水煤气在有限空间内遇到明火发生爆炸。
闷渣水与钢渣中残余的碳在高温下产CO和H2，即水煤气。
C+H2O→CO+H2
C+2H2O→CO2+2H2
H2的燃爆范围是4%~75.6%，CO燃爆范围是12.5%~74.2%，范围都很大，导致热闷过程中易引起气体聚集而发生爆炸。
采用底部打水的闷渣工艺，熔融态钢渣倒进渣池后要与凉渣混合搅拌增强渣层的透气性和透水性，注水过程根据工艺要求控制注水速率可避免发生物理爆炸。
钢渣热闷过程产生的可燃气体穿过钢渣缝隙自然上浮，并在钢渣高温作用下完全燃烧破坏爆炸形成的条件，可以避免化学爆炸。
4.2闷渣效率高
通过特制的给、排水装置，实现底部给水和排水（热闷过程中不排水），充分利用给水过程产生的高温蒸汽以及钢渣余热产生的高温水（100℃)对钢渣进行“熏蒸”和“水煮”，通过高温钢渣与闷渣水无死角接触促进钢渣消解反应，缩短钢渣热闷时间（底水法闷渣5~6h，即可达到优于传统上打水闷渣12h的闷渣效果）。
4.3粒化效果好
由于闷渣过程中钢渣与水进行了更为充分的消解反应，钢渣粒化效果更好，闷渣后粒径25mm以下的钢渣颗粒占比可以达到70%以上；热闷后的钢渣不需要专门配置破碎机进行破碎，经过粗筛后可直接进入棒磨机处理；同时出渣时没有红渣存在，热闷后的钢渣可以通过皮带直接输送。
4.4钢渣适应性好
根据实际生产经验，每坑钢渣中可以混装30%的脱硫渣、铸余渣及精炼渣一并处理。
4.5尾渣浸水膨胀率低
采用底水法热闷后的钢渣f-CaO和f-MgO消解反应更均匀彻底，尾渣的浸水膨胀率可以达到2%以下，深加工后可作为建筑材料原料或筑路材料。
5底水闷渣工艺的应用
采用底水闷渣工艺进行钢渣预处理，即可用于新建转炉渣及电炉渣钢渣预处理生产线，也可以用于传统热闷生产线的利旧改造。
5.1新建预处理生产线
首先根据钢渣处理总量进行工艺计算，以每年40万吨钢渣预处理生产线为例，计算过程如下：
每天钢渣处理量m1=400000/330=1212t（生产时间：330天）
每小时钢渣产量m2=1212/24t=50.5t（生产时间：24h）
渣池容积V1=7伊6伊5m3=210m3
实际装渣量V2=210伊80%=168m3（装渣量按80%）
单个闷渣池装渣量m3=168伊1.85t=310.8t（钢渣堆密度1.85t/m3）
装渣时间t1=310.8/50.5h=6.15h
闷渣时间（含注水及排水时间）t2≤6h出渣时间t3≤3h
闷渣周期t总=t1+t2+t3=6.15+6+3h=15.15h
单个闷渣池每天可处理钢渣量m4=310.8伊24/15.15=492.4t
需要的闷渣池数量n=1212/492.4=2.46个
即新建3个闷渣池即可满足每年处理40万吨钢渣的使用需求。
若考虑检修或生产波动因素，可考虑新建1个备用闷渣池，共计4个闷渣池。
采用底水闷渣工艺，注水过程和闷渣过程闷渣水遇红渣会发生汽化，产生的蒸汽在引风机和收尘管道的作用下进入除尘器完成烟气净化后排放。按照以往生产经验，采用底水闷渣工艺对钢渣进行预处理，吨渣水耗约为0.3m3。
单个闷渣池闷渣过程水耗量约为：
V3=m3×0.3m3=310.8×0.3m3=93.24m3
闷渣过程中渣池内闷渣水可通过液位计联锁补水使渣池中的闷渣水始终保持在固定水位，闷渣结束后渣池大约可排出约80m3水。
单个闷渣池闷渣过程中总注水量：V4=80+93.24m3=173.24m3
三个闷渣池实际生产过程中考虑最多两个闷渣池闷渣有交叉，耗水量按照1.5倍系数核算，最大耗水量：
V5=1.5×V4=1.5伊173.24=259.86m3
循环水池补水管管径设计为DN125，每小时可补水约95m3。
因此，考虑设计余量，钢渣预处理生产线用循环水池有效容积约200m3可满足生产需求。
新建4个闷渣池（不考虑备用则新建3个闷渣池）、一个循环水池可满足年处理40万吨钢渣的使用需求。
5.2热闷工艺预处理生产线改造
现有热闷工艺预处理生产线改造主要考虑主体设备及循环水系统的利旧情况。
参照上述工艺计算及循环水量计算过程，对现有热闷处理系统处理能力及循环水系统进行核算。改造原则为主体设备尽量利旧，按照底水闷渣工艺要求增加配套给排水设施、自控阀门、液位计、流量仪表等设施，同时对原有自控程序及上位机画面进行相应的修改即可完成相关项目的改造。
采用底水闷渣工艺闷渣效率相比于传统的上打水池式闷渣工艺大大提高，闷渣时间（含注水及排水时间）缩短约5.5~6h，预处理后的钢渣没有残留的红渣或干渣，整体粒化效果好（25mm以下的钢渣占比不小于70%）。
热闷后的钢渣配合合理的钢渣二次磁选工艺，尾渣中的金属铁含由传统的2%降低到1%以下，以40万吨钢渣预处理线为例，相较于传统的闷渣处理工艺，采用底部打水工艺每年可多回收约4000吨金属铁，按照废钢2000元/吨估算，可创造约800万元的经济效益。
6结语
底水闷渣工艺相较于传统的上打水闷渣工艺闷渣效率提高30%以上，相较于有压热闷工艺设备投资低、操作维护简便。选择底水闷渣工艺处理钢渣具有一次性投资低、设备占地小、钢渣粒化效果好、运行和维护成本低的优点，是一种质优价廉的钢渣预处理工艺路线。
参考文献
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