劉士琦，王書桓

( 華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063000)

摘要:轉爐渣是轉爐煉鋼過程中產生的固體廢棄物。介紹了轉爐渣的組成、應用及一些常規的處理方法，重點介紹了氣化脫磷技術的研究現狀、工藝特點及華北理工大學在轉爐渣氣化脫磷技術方面所取得的實驗成果。

關鍵詞:轉爐渣; 應用; 處理方法; 氣化脫磷

0 引言

轉爐鋼渣是轉爐在煉鋼生產過程中的產物，主要由造渣材料、冶煉反應物、侵蝕脫落的爐體和補爐材料、金屬爐料帶入的雜質和為調整鋼渣性質而特意加入的造渣材料組成^［1］。作為一種高溫冶金排放物級次生資源，鋼渣具有高溫、量大、種類多、成分復雜、流動性差別大、性能不穩定等特點^［2］。每生產1 t鋼鐵就會產生150 ～ 20 kg 的鋼渣，根據有關部門統計， 2016 年我國粗鋼產量為8． 08 億t，隨之而產生的鋼渣約為1． 6 億t。堆放鋼渣不但浪費大量的土地資源，同時也會給環境帶來嚴重的威脅，影響人類的生存環境。因此，如何合理地利用轉爐鋼渣是目前亟待解決的問題。

1 鋼渣的化學組成及礦物組成

1． 1 鋼渣的化學組成

根據不同的生產工藝及原料，所產生的鋼渣成分也有所區別，如河鋼承鋼的鋼渣( 表1) 中會含有少量的釩和鈦，但主要成分含量相差不多。

1． 2 鋼渣的礦物組成

CaO、MgO、FeO 和MnO 是鋼渣含有的主要氧化物。鋼渣在形成過程中會形成一種被稱為RO 的新相，由MgO、FeO、MnO 連續固溶所形成; CaO 與其他三者通過有限固溶而形成另一種相，被稱之為石灰相。一般在低堿度鋼渣中，石灰相和ＲO 相主要以橄欖石和薔薇輝石的形式即［( CaO·RO·SiC) 和( 3CaO·RO·SiC) 的形式］穩定存在; 在中堿度鋼渣中，石灰相主要以硅酸二鈣和硅酸三鈣的形式存在; 在高堿度鋼渣中，石灰相主要以硅酸三鈣的形式存在^［3］。

2 鋼渣的應用及主要處理方法

2． 1 鋼渣的應用

鋼渣作為一種寶貴的資源已經得到廣泛認可，為適應并促進鋼鐵工業的發展要求， 20 世初發達國家就開始研究鋼渣綜合利用的方法。國際權威部門對美、日、英、法、俄、德等國鋼渣利用情況的調查統計結果表明: 上述國家鋼渣利用率為45% ～ 100%，其中歐洲發達國家多用于基礎建設、農業肥料和高爐等; 美國大部分鋼渣用于燒結和高爐; 在資源匱乏的日本，政府和地方對鋼渣的利用特別重視，主要用在上層路基材料、肥料及水泥熟料，目前已實現100%的綜合利用^［4］; 我國對鋼渣的利用主要分為廠內循環和廠外應用兩個方面。

( 1) 廠內循環包括鋼渣代替石灰石作為燒結熔劑及將鋼渣破碎回收其中的金屬鐵。

( 2) 廠外主要用于建筑與農業方面，如用于生產鋼渣水泥、筑路及回填材料; 另外，鋼渣中含有很多對農作物有利的元素，如Si、Ca、Fe、Mn、P 等，因此可用于農作物肥料及土壤修復改良劑。

2． 2 常用的處理方法

目前轉爐渣常用的處理方法主要有: 棄渣法、熱潑法、盤潑淬冷法、風淬法、水淬法、燜渣法、激冷法、滾桶法等。面對大量鋼渣，各個鋼廠也積極研發新的處理方法，如，河鋼唐鋼轉爐鋼渣采用熱潑( 落錘) —自磨—磁選處理工藝。該工藝不僅及時處理新鋼渣，并且可處理多年堆積的大渣塊，解決渣山堆積的問題^［5］。但上述對爐渣的處理方法都是在轉爐外進行的，通過這些處理方法爐渣的排放量以及造渣料的消耗并無明顯地減少，主要原因是爐渣中有害元素硫、磷等的富集，致使轉爐渣利用率較低^［6，7］。

3 轉爐渣的氣化脫磷技術

自上世紀80 年代起，國內外眾多學者已經開始轉爐渣還原脫磷方面的研究，如宮下芳雄等^［8］在其公開的專利“煉鋼熔融礦渣處理方法”中提出向轉爐出鋼倒出的渣中添加碳材、螢石并吹氧5 min，發現渣中90%( 質量分數，余同) 的FeO，10%的MnO，90%的P₂O₅被還原，其中鐵相中與氣相中的磷分別達到60%和40%。李光強等人^［9］在1 800 ℃時對轉爐渣進行碳熱還原實驗，發現渣中的磷62． 7% 進入鐵碳合金，32． 8%氣化，4． 5%留在還原后的渣中，共脫除95． 5% 的磷。王億慈等^［10］利用碳為還原劑用微波加熱方法對轉爐鋼渣的氣化脫磷反應進行了宏觀動力學分析。王書桓等^［11］采用硅為還原劑對轉爐渣進行氣化脫磷實驗，確定了適宜濺渣護爐氣化脫磷的最佳條件，還原爐渣氣化脫磷率最高可以達到81． 23%。

轉爐渣作為一種可利用資源其中含有大量可利用成分，只要脫除渣中的硫、磷等有害元素，基本上可循環使用。轉爐渣氣化脫磷是在濺渣護爐留渣操作基礎上，提出的一項較先進的爐渣處理方法。在濺渣的過程中，向熔池中加入適量還原劑如硅、焦炭粉，通過化學反應氣化脫除爐渣中磷等有害雜質，使爐渣能在下一爐中繼續使用。在濺渣護爐過程中，高壓氮氣通過氧槍后產生巨大的沖擊力，在大部分過程中是將爐底的熔渣擊碎成顆粒飛濺起來。這個過程為固( 焦炭) —氣( 氮氣) —液( 熔渣) 三者之間的反應，濺渣護爐過程為熔渣內部的一系列反應提供了良好的動力學條件，通過化學反應可使熔渣中的磷進入氣相達到脫除的目的^［12］。

3． 1 氣化脫磷工藝特點

氣化脫磷工藝的技術特點主要有:

( 1) 充分利用濺渣護爐階段良好的動力學條件，不影響正常生產節奏。

( 2) 脫磷過程在轉爐內完成不需要增加額外的設備投入。

( 3) 轉爐終渣具有較高的氧化亞鐵含量和堿度; 脫磷后的轉爐渣可實現循環再利用; 不但能減少固體廢棄物的產生，而且降低了造渣料的消耗; 節約生產成本。

3． 2 影響氣化脫磷的因素

華北理工大學通過真空碳管電阻爐( 圖1) 進行了流動氮氣條件下的氣化脫磷實驗，分別采用硅和焦炭作為還原劑還原轉爐爐渣。通過實驗已經確定轉爐內對爐渣進行氣化脫磷是可行的，并發現爐渣的粘度、溫度、FeO 含量、堿度以及氮氣流量等是影響氣化脫磷的主要因素。在溫度為1 700 ～ 1 900K，堿度為2． 5 ～ 3． 5，FeO 含量在10% ～ 30% 區間內，以焦炭為還原劑還原轉爐鋼渣，進行了實驗研究。研究發現，降低爐渣粘度，反應物P₂O₅向反應界面的擴散速度提高，反應產物P2 脫離爐渣的速度也有所提高，能夠促進氣化脫磷反應的進行; 提高爐渣的溫度有利于濺渣護爐中氣化脫磷反應的進行，并且在溫度為1 900 K 時可取得較好的脫磷效果。通過對爐渣溫度、堿度、FeO 含量這3 個因素進行正交實驗發現溫度對脫磷效果影響最大; 渣中FeO 含量變化會對氣化脫磷產生一定的影響，FeO 含量越高越有利于氣化脫磷反應的進行，在此實驗中FeO含量為30%時取得較好的脫磷效果; 在本次實驗中堿度控制在2． 5 時對脫磷有利，即低堿度有利于氣化脫磷反應的進行^［13］。以單質硅為還原劑時，確定了爐渣溫度、堿度、FeO 含量對氣化脫磷的最佳條件后，改變氮氣流量進行單因素實驗，結果表明增加氮氣流量，氣化脫磷率升高。

目前，華北理工大學已經取得相關專利，提出了轉爐氣化脫磷渣循環脫磷煉鋼的方法及用于下爐冶煉的作用與影響，形成高效循環煉鋼工藝。轉爐冶煉完畢出鋼后留部分爐渣( 總渣量的1 /2 ～ 2 /3) ，根據爐渣中的FeO 和P₂O₅含量計算還原劑用量，計算公式如式( 1) 所示。在頂吹氮氣開始濺渣前加入計算所需還原劑用量的一半，剩余一半在降槍吹氮開始后加入并在調渣階段全部加完，并控制槍位，獲得氣化脫磷后的爐渣。在上一爐轉爐爐渣留渣并按上述方法操作完成后，向轉爐中兌鐵加廢鋼進行冶煉，根據需求及留渣量加入石灰、白云石、礦石和鐵皮球進行造渣。冶煉完畢后測溫取樣，合格后出鋼。

出鋼后倒出部分鋼渣，按照上述方法進行氣化脫磷操作，從而實現爐渣循環利用，減少固廢的產生，真正做到從源頭治理。

W( C) =［W( 渣) ×W( P₂O₅%) 60 /152 +W( 渣)×W( FeO%) 12 /72］× 1． 2 ( 1)

式中，W( C) ———焦粉加入量，kg;

W( 渣) ———渣重量，kg;

W( P₂O₅%) ———P₂O₅百分含量，%;

W( FeO%) ———FeO 百分含量，%;

1． 2———碳當量倍數。該碳當量為還原爐渣中

全部的FeO、P₂O₅所需焦粉的用量。

以實驗的理論依據為基礎，薛月凱等^［14］人在河鋼唐鋼60 t 轉爐以焦粉為還原劑進行氣化脫磷工業試驗。試驗結果表明，在濺渣護爐階段添加焦粉進行氣化脫磷是可行的，依據多爐磷衡算法，試驗爐次平均氣化脫磷率為25． 06%; 對比常規冶煉爐次，氣化脫磷爐次噸鋼渣量有所減少，噸鋼減少8． 66 kg鋼渣，減少比例為7． 45%; 試驗各爐次終點鋼水磷質量分數均在0． 02%左右波動，可見將氣化脫磷渣進行循環利用不會影響后續爐次的脫磷效果。

由于工業試驗的影響因素較多，如焦粉的加入量與加入方式、濺渣護爐時頂吹及底吹氮氣流量與槍位高低的控制、爐渣的流動性、焦粉與爐渣的混勻程度等均會對試驗結果造成影響。而實驗室只是進行小渣量的實驗，還原劑與爐渣的混勻情況良好，且有一定的保溫時間，反應充分徹底，故與工業試驗相比氣化脫磷率較高。

4 結語

鋼渣中大部分成分為有用成分，通過合理的技術手段去除其中的硫、磷等有害元素后可使鋼渣變廢為寶，從而實現鋼渣的綜合利用。

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