1 引言

鋼渣是鋼水冶煉過程中產(chǎn)生的由原料中的雜質(zhì)、助溶劑、爐襯等材料在高溫下形成的冶煉渣，按照來源不同可以分為轉(zhuǎn)爐渣、電爐渣、精煉渣、脫硫渣、鑄余渣、爐下渣等^[1]。

鋼渣的出渣溫度一般在1400-1600℃，高溫鋼渣一般需要先經(jīng)過預(yù)處理冷卻破碎后進行磁選回收其中的鐵素資源^[2]。

常見的鋼渣預(yù)處理工藝有熱潑法、池式熱悶法、有壓熱悶法，其中熱潑法耗水量大、環(huán)保性差，逐漸被淘汰^[3]；有壓熱悶法悶渣效果好、環(huán)保性好，但是一次投資費用高、維護成本高^[4]。池式熱悶法一次性投資適中、鋼渣適應(yīng)性好、操作簡便易維護，目前為大多數(shù)鋼鐵企業(yè)使用。

2池式熱悶法

池式熱悶系統(tǒng)一般由悶渣池系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)兩大部分組成。

其中悶渣池系統(tǒng)包括悶渣池主體、悶渣蓋、卷揚系統(tǒng)等組成。

悶渣池主體是在悶渣車間新建地下悶渣池，悶渣池主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土一般采用C30抗?jié)B混凝土，悶渣池內(nèi)部鋪設(shè)150mm厚的鋼坯作為混凝土保護層避免高溫鋼渣與混凝土直接接觸，鋼坯通過螺栓緊固在混凝土池壁，鋼坯與混凝土中間一般留有150mm的空隙用耐熱混凝土填充進一步降低鋼渣高溫對混凝土池壁的影響。

悶渣池頂部設(shè)置有預(yù)埋型水封槽在注滿水且悶渣蓋扣蓋后可以起到密封悶渣蒸汽的作用。

悶渣蓋為鋼結(jié)構(gòu)焊接件，一般通過設(shè)置在悶渣池后方卷揚系統(tǒng)來控制悶渣蓋的開合。卷揚系統(tǒng)包括卷揚機、卷揚支架、渣蓋安全鎖扣等裝置。

循環(huán)水系統(tǒng)主要包括循環(huán)水池、給排水管路及配套儀表閥門等設(shè)施，主要用來實現(xiàn)悶渣池的給排水控制。

池式熱悶法大多數(shù)采用在悶渣蓋上安裝噴頭的方式在悶渣蓋扣蓋后從渣池上部注水與高溫鋼渣接觸進行打水悶渣。

該工藝存在以下問題：

1）噴淋水與高溫紅渣接觸后紅渣表面會快速冷卻結(jié)殼，噴淋水遇到結(jié)殼后的鋼渣會形成“傘蓋效應(yīng)”影響噴淋水與傘蓋下部的高溫紅渣接觸反應(yīng)，影響悶渣效果；

2）上部注水工藝容易在悶渣池內(nèi)部形成有限空間，有限空間內(nèi)容易發(fā)生悶渣水急速汽化膨脹或者可燃?xì)怏w遇到高溫紅渣燃爆進而引起爆炸引發(fā)危險；

3）上部打水悶渣時間一般在10h左右，熱悶后的鋼渣大塊較多、經(jīng)常有大塊鋼渣悶不透的現(xiàn)象，大塊鋼渣占比多還會造成二次處理線破碎磁選生產(chǎn)成本增大、磁選設(shè)備效率低下進而造成尾渣中金屬鐵（MFe）資源的流失。

3 底部注水工藝介紹

底部注水悶渣工藝是在傳統(tǒng)上部注水悶渣工藝的基礎(chǔ)上將悶渣注水方式由上部注水改造為從渣池底部注水，注水及煮渣過程中不排水，直到悶渣結(jié)束之后打開渣池底部排水閥門排水。

改造后的悶渣工藝具有以下優(yōu)點：

1）悶渣效率高：采用底部注水悶渣工藝悶渣注水階段產(chǎn)生的高溫蒸汽對鋼渣有熏蒸的作用、煮渣階段沸水對鋼渣有水煮的作用，整個悶渣周期只需要5小時左右即可達到比上部打水悶渣更好的悶渣效果；

2）鋼渣粒化效果好：采用底部注水悶渣工藝熱悶后的鋼渣粉化率在70%以上；二次處理線一般不需要另外設(shè)置破碎機對大塊鋼渣進行破碎，熱悶后的鋼渣經(jīng)過篩分后進入棒磨機棒磨，棒磨后的鋼渣經(jīng)過磁選后尾渣中的金屬鐵（MFe）含量可以穩(wěn)定控制在1%以下；

3）節(jié)水降耗：采用底部注水悶渣工藝高溫紅渣與悶渣水的換熱更充分，反應(yīng)更迅速，噸渣耗水量約0.2-0.3t噸水，比傳統(tǒng)上部打水節(jié)約一半以上；

4）安全隱患小：從悶渣池底部注水在水位上升過程中會把鋼渣之間的空隙逐漸填充并將鋼渣間隙中的氣體逐漸排出，消除了爆炸形成的客觀條件，大大降低了爆炸的安全隱患；

5）尾渣安定性好：采用底部注水悶渣工藝，鋼渣經(jīng)過注水過程中的蒸汽熏蒸及煮渣過程中的高溫沸煮，鋼渣中游離氧化鈣（f-CaO）和游離氧化鎂（f-MgO）的消解更充分^[5]，經(jīng)過多組檢測數(shù)據(jù)分析，采用底部注水悶渣后的尾渣中游離氧化鈣（f-CaO）的含量比上部注水悶渣降低1-2個百分點，一般可以控制在3%以內(nèi)。

4 底部注水悶渣改造實踐

江蘇長強鋼鐵有限公司建設(shè)有年處理20萬噸鋼渣的池式熱悶生產(chǎn)線。整個悶渣系統(tǒng)主要由悶渣池系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)兩大部分組成。

其中悶渣池系統(tǒng)包括悶渣池3套（內(nèi)部凈尺寸：7×5×5m）、配套渣蓋及卷揚機系統(tǒng)。

其中循環(huán)水系統(tǒng)包括排水通廊、回水井、沉淀池、吸水井、配套給排水管路、儀表及閥門等。

改造前悶渣系統(tǒng)熱悶后的鋼渣大塊多、水耗大、經(jīng)常有未悶透的紅渣、二次磁選后的尾渣金屬鐵（MFe）含量偏高造成鐵素資源流失。

4.1 改造原則

1）現(xiàn)有系統(tǒng)及設(shè)備盡量利舊；

2）改造方案中涉及的各項規(guī)程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)遵循現(xiàn)行最新版本的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

3）項目改造后悶渣效果應(yīng)達到約定的考核指標(biāo)并且不會對主線生產(chǎn)工藝造成不利影響；

4）改造涉及到的相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品專利費用全部由乙方承擔(dān)且不會給甲方造成產(chǎn)權(quán)糾紛。

4.2 改造方案

1）渣蓋改造

采用底部注水悶渣工藝悶渣過程中產(chǎn)生的蒸汽溫度更高（約300℃），為了避免渣蓋在高溫下形變損壞需要對渣蓋進行結(jié)構(gòu)改造，具體改造方案為：

渣蓋本體利舊，在渣蓋上鋪設(shè)鋼板增設(shè)水冷夾層及配套注回水管路，管路上設(shè)置有電控閥門及流量計，在悶渣過程中通過自控程序控制閥門開關(guān)向夾層中通入冷卻循環(huán)水保護渣蓋免受高溫?fù)p傷。

渣蓋水冷夾層注水前期應(yīng)加大注水量使冷卻水快速覆蓋渣蓋縮短悶渣準(zhǔn)備時間，后期可適當(dāng)調(diào)小水量保持基本的循環(huán)水量即可。

2）給水系統(tǒng)改造

采用底部注水悶渣需對原悶渣系統(tǒng)給水管路進行改造，具體改造方案如下：

將原有悶渣蓋上的噴頭拆除并封閉原進水口，在渣池底部新開孔安裝底部注水悶渣專用給水組件給水管道設(shè)置有電控閥門及流量計，在悶渣過程中通過自控程序控制注水量和注水速度。

煮渣過程中通過渣池液位連鎖控制給水泵的啟停使煮渣過程中渣池中液位始終保持在一個穩(wěn)定的水平保證煮渣效果。

給水組件需設(shè)置過濾裝置防止熱悶后的鋼渣回流堵塞給水組件。

3）排水系統(tǒng)改造

    采用底部注水悶渣工藝在整個注水及煮渣過程中渣池不排水，需在原排水管道增設(shè)電控閥門。在悶渣結(jié)束后通過自控程序打開悶渣池底部排水管路控制閥門排水，渣池排出的悶渣水進入集水井后通過安裝在集水井中的水泵回到沉淀池沉淀后溢流進入吸水井循環(huán)使用，回水井排水水泵通過通過液位計連鎖控制啟停。

4）自控系統(tǒng)改造

采用底部注水悶渣工藝會增加部分儀表及電控閥門，改造過程中盡量利舊現(xiàn)有電控硬件設(shè)備，視情況增加自控模塊，通過修改自控程序及上位機畫面實現(xiàn)悶渣分階段定量給水、根據(jù)液位信號自動補水、自動排水等功能，實現(xiàn)中控一鍵操作。

控制系統(tǒng)可滿足手動和自動控制方式自由切換，自控狀態(tài)下可視情況隨時人工介入改為手動操作。

5）工藝計算

a. 給回水

現(xiàn)有水泵房供水泵為臥式離心泵（兩臺/一用一備），參數(shù)如下：

型號：HZK100-65-200AI  Q=84m³/h H=50m P=22kw；

將現(xiàn)有悶渣池改造為底部注水，悶渣時渣池中存水量約80m³,總注水量約150m³,現(xiàn)有吸水井容積約38m³,回水井可補水約20m³，其余用水量使用補水管補水，注水時間視現(xiàn)場情況控制在1.5h以內(nèi)，平均注水量約66m³/h,最大注水量約100m³/h，兩臺水泵通過程序控制可單臺工作或兩臺同時工作，滿足改造后供水需求。

現(xiàn)有回水井液下渣漿泵（兩臺/互為備用/超高液位時同時工作），參數(shù)如下：

型號：ZLX-20x1.4X1.8 Q=20m³/h H=25m P=7.5kw；

將現(xiàn)有悶渣池改造為底部注水，排水量約80m³,現(xiàn)有回水井容積約40m³，高低液位容積差約19.5m³,兩臺排水泵同時工作排水量按照40m³/h估算排凈渣池中的水需要約1.5h，總悶渣時間會比正常工藝延長1h。

b. 處理量

熱悶裝置的尺寸為7×5×5m，每個熱悶裝置的容積為175m³，利用系數(shù)按0.80計算，有效容積為175×0.80＝140m³，高溫鋼渣堆積密度按1.8t/m³計，每個熱悶裝置裝渣量約為252t，根據(jù)來渣量暫定單坑裝渣時間10h，注水及熱悶時間6h，排水及撈渣時間3h，合計一個熱悶周期用時19h。

計算單坑平均日處理量最大可達318t；按每年滿產(chǎn)20萬噸鋼渣，有效工作天數(shù)330天估算，每天需處理約606噸鋼渣。

所需熱悶坑數(shù)量：606/330=1.8，即改造后2個熱悶坑即可滿足年處理鋼渣20萬噸的需要。

4.3 改造效果

將上部注水悶渣系統(tǒng)進行底部注水改造可在主線不停產(chǎn)的情況下利用渣池交替作業(yè)的間隙進行，長強鋼鐵悶渣系統(tǒng)改造施工前后用時一個月，改造后達到以下效果：

1）改造后高溫紅渣可直接入池，不會出現(xiàn)可燃?xì)怏w富集爆炸等問題；

2）用水量比原工藝減少2/3，實際悶渣噸渣水耗約0.2t；

3）改造后正常打水加悶渣總時間≤6小時（排水泵流量偏小延長了排水時間），熱悶后的鋼渣無紅渣、干渣等未悶透現(xiàn)象，熱悶后的鋼渣粒徑小于25mm的鋼渣占比不低于70%；

4）熱悶后的鋼渣配合現(xiàn)有的鋼渣二次破碎磁選工藝，尾渣中金屬鐵（MFe）含量穩(wěn)定在1%以下。

5 經(jīng)濟效益分析

1）降低水耗

改造后的悶渣工藝噸渣水耗約0.2t，相比之前的上部注水工藝噸渣水耗降低約0.4t，按照年處理20萬噸鋼渣估算，每年可節(jié)省約8萬噸水耗。

2）提高金屬鐵（MFe）回收率

采用底水悶渣后的鋼渣粒化效果好，配合合理的鋼渣二次磁選工藝可以將尾渣中的金屬鐵（MFe）含量控制在1%以下。按照年處理20萬噸鋼渣計算，與之前上部注水悶渣工藝相比每年多回收1%金屬鐵（MFe），回收量約2000噸，按照2000元/噸估算，可為公司創(chuàng)造約400萬的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)語

底部注水悶渣是在上部注水悶渣工藝基礎(chǔ)上優(yōu)化而來，該工藝具有悶渣效率高、鋼渣粒化效果好、節(jié)水降耗、安全隱患小、尾渣安定性好等優(yōu)點。

將傳統(tǒng)上部打水池式悶渣工藝改造為底部注水悶渣，可以在不影響主線生產(chǎn)的前提下以較小的投資大大提高原有悶渣系統(tǒng)的悶渣效率和悶渣效果，為企業(yè)創(chuàng)造高回報的經(jīng)濟效益。底部注水悶渣工藝目前已在山西、河北、江蘇等多家鋼鐵企業(yè)實施并投產(chǎn)運行，為鋼鐵企業(yè)提質(zhì)增效提供切實可行的路徑。

參考文獻

[1].  任旭,王會剛,吳躍東,等.“雙碳”目標(biāo)下鋼渣預(yù)處理及資源化利用探討[J].環(huán)境工程,2022,40(8):220-224.

[2]  田廣銀，張凌燕.鋼渣熱燜技術(shù)分析與應(yīng)用實踐[J].環(huán)境工程,2017,21(3):126-128.

[3]  許建雄，范永明，李澤平，等. 鋼渣熱悶工藝及裝備研究[J].包鋼科技,2019,45(1):37-40.

[4]  吳龍,郝以黨,岳昌盛,等.鋼渣熱悶處理及資源化利用技術(shù)[J].工業(yè)加熱,2016,45(2):46-50.

[5]  吳龍,郝以黨,吳躍東.鋼渣輥壓破碎余熱有壓熱悶處理技術(shù)的實踐[C].第五屆全國冶金渣固廢回收機資源綜合利用、節(jié)能減排高峰論壇論文集.