钢渣处理与综合利用设备及工艺研究.pdf

2 0 1 7 年增刊有色金属 选矿部分 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．z 1 ．0 0 2 钢渣处理与综合利用设备及工艺研究 王 旭，梁国栋，朱路路 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘 要简述了钢渣应用现状及常用处理设备，针对钢渣性质，提出了应用惯性振动破碎机与惯性圆锥破碎机作为破碎 设备进行匹配，结合筛分磁选作业，形成新型两段开路破碎钢渣处理工艺。该工艺流程产品粒度细、尾渣含铁量低、设备过铁 能力强，很好地满足渣铁解离工艺要求。 关键词钢渣；惯性振动破碎机；惯性圆锥破碎机；尾渣；过铁 中图分类号 1 3 M 5 1文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 s 0 - 0 0 0 5 - 0 4 R e s e a r c ho nE q u i p m e n ta n dP r o c e s so fS t e e lS l a g ’ST r e a t m e n t a n dC o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o n W A N GX u ，L I A N GG u o d o n g ，Z H UL u l u B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t S t e e ls l a g ’sa p p l i c a t i o na n dc o m m o n p r o c e s s i n ge q u i p m e n ta r ei n t r o d u c e d ．S p e c i f i ct o s t e e ls l a g ’s n a t u r e ，t h en e wp r o c e s so fs t e e ls l a g ’St w oo p e n c i r c u i tc r u s h i n gi sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nv i b r a t i n gj a wc r u s h e r a n di n e r t i ac o n ec r u s h e r ，t o g e t h e rw i t hs c r e e n i n ga n dm a g n e t i cs e p a r a t i o n ．T h i sp r o c e s sc a np r o d u c ef i n ep a r t i c l e s i z e ，i th a sl o wi r o nc o n t e n ti nt a i l i n g sa n dh i g hi r o np a s s i n gc a p a c i t y ，w h i c hc a ns a t i s f yt h ed e m a n do f s t e e la n d s l a g ’Ss e p a r a t i o n ． K e yw o r d s s t e e ls l a g ；v i b r a t i n gj a wc r u s h e r ；i n e r t i ac o n ec r u s h e r ；t a i l i n g s ；i r o np a s s i n g 1概述 钢渣是钢铁冶炼过程产生的副产品，其中包含 多种金属及其氧化物。炼钢生产中，每生产1t 粗钢 都会排放约0 ．1 2t 的钢渣。据统计，我国粗钢产量 约为全世界粗钢总产量的一半。根据国家统计局网 站数据公布，2 0 1 4 年我国粗钢产量约为8 ．2 2 亿t ， 2 0 1 5 年约为8 ．0 4 亿t ，2 0 1 6 年约为8 ．0 8 亿t 。每年 有约1 亿t 的钢渣，通过不同方式加以处理。钢渣通 过破碎筛分磁选工艺可回收较多金属铁；尾渣可用 于烧结、水泥、冶金添加剂、农业化肥、土壤改良等多 种途径。因此，钢渣应作为一种宝贵的资源多加利 用。如果不经过及时有效的处理，很容易造成环境 污染，占用大量土地，同时对资源是一种极大的浪 费。 1 ．1 钢渣性质 钢渣在高温下为液态，逐步冷却后凝固成块状 物，呈灰褐色。钢渣主要成分包括C a O 、F e 、S i O ，、 M g O 以及M n O 等，其中F e 通常由金属铁、氧化铁和 含铁矿物组成。钢渣物相主要由金属铁、硅酸二钙、 铁酸二钙、方铁矿以及金属氧化物的固熔体组成。 根据炼钢炉型差异，钢渣分为转炉渣、平炉渣和电炉 渣⋯。由于炼钢炉型、化学成分组成、冶炼阶段及冷 却方式的不同，不同地区钢渣的矿物组成和分布粒 度相差很大。钢渣中金属铁含量一般为7 ％一1 0 ％， 铁氧化物大多以F e O 和F e O ，的形式存在，含量通 常不到3 0 ％。 1 ．2 钢渣应用现状 为适应钢铁工业发展需要，发达国家于2 0 世纪 初就开始研究钢渣综合利用途径，钢渣作为一种宝 贵的资源已经得到广泛认同。根据国际权威部门对 美、日、英、法、俄、德等国钢渣利用情况的调查，统计 结果表明，钢渣利用率最低为4 5 ％，其中欧洲发达国 家多用于基础建设、农业肥料和高炉等，美国大部分 基金项目国家国际科技合作专项 2 0 1 6 G 5 1 1 5 收稿日期2 0 1 7 - 0 5 - 2 4 作者简介王旭 1 9 8 5 一 ，男，辽宁本溪人，高级工程师，主要从事破碎设备与工艺研究。 万方数据 6 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 钢渣用于烧结和高炉，在日本，由于资源匮乏，钢渣 更加受到政府和地方重视及援助，实现1 0 0 ％的综合 利用‘2 I 。 国内方面，钢渣利用主要体现在以下几个方面 1 从钢渣中回收废钢 钢渣冷却后，粒度不均匀，仍有部分大块渣，且 其中含有1 5 ％一1 7 ％的金属铁。为了充分回收铁资 源，也便于钢渣后续利用，需将其进行破碎并磁选回 收金属铁。根据不同粉碎原理，钢渣初加工可分为 破碎和磨碎两种工艺。 2 作为烧结矿添加剂 在特定粒度范围内，钢渣可以替代石灰石，当作 烧结辅助配料，即回收其中金属，同时又能大幅提高 烧结料成品率。得益于钢渣中含有的磷，烧结矿的 质量与强度也得以提升。 3 作为钢铁冶炼过程的添加熔剂 将钢渣加工到1 0m m 粒度范围以下，可以用到 钢铁冶炼过程中。由于钢渣中锰元素以及铁元素的 存在，并且含有较多C a O 、M n O 和M g O ，比例高于白 云石、石灰石和锰矿，钢铁冶炼过程能得以改善，提 高冶炼效率，降低钢铁冶炼成本，同时回收铁，节约 了资源。 4 用于水泥及建材行业 钢渣成分组成与水泥熟料的化学成分类似，具 有水硬胶凝性，可作为生产无熟料水泥或少熟料水 泥的原料。由于钢渣具有活性，因此，钢渣也被作为 普通硅酸盐水泥的掺和料。 5 填海筑路 由于自身强度较高，并且化学性质稳定，将钢渣 用于道路基础材料、回填材料、填海等途径已经很普 遍，国内外均有大量成功应用案例。 6 作为农业肥料改善环境 由于钢渣中富含多种金属及非金属元素以及微 量元素，并且化学成分呈碱性，将钢渣作为肥料用于 农作物种植，可有效改良土壤特性，提高农作物抵 抗力。 1 ．3 钢渣J j n r - 设备及处理工艺 在上述多种利用途径中，从钢渣中回收金属铁 仍然是最主要的方式。根据钢渣生产过程的冷却方 式不同、化学成分及矿物组成的差异、以及多种产品 粒度要求等不同使用需求，钢渣加工处理的设备及 工艺也有多种配置与变化。总体上讲，钢渣处理包 括破碎或者研磨、筛分、磁选等工艺配置。 钢渣的预处理工艺是钢渣破碎加工工艺前的准 备性工艺，预处理工艺的效果直接影响到后续工艺 的选择与工艺处理效果及效率。现阶段，我国大多 数预处理工艺都无法直接将钢渣处理到可以直接应 用到钢渣水泥、冶金熔剂、化肥等行业中，因此钢渣 破碎加工装备及工艺在钢渣的综合利用领域起着举 足轻重的作用，也是其难点之一。 现阶段常见的钢渣加工处理设备包括颚式破 碎机、锤式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机以及 棒磨机等。颚式破碎机构造简单，一般作为第一道 破碎，产品粒度较大，无法充分将渣和铁解离，另外 遇到大块铁时，会频繁导致肘板断裂或者液压保护 装置过铁释放，对产品粒度控制能力较差。圆锥破 碎机包括弹簧圆锥破碎机、底部单缸液压圆锥破碎 机和周边多缸液压圆锥破碎机，该类设备过铁能力 较颚式破碎机有所提高，缺点是频繁的过铁释放导 致产品粒度达不到要求，无法将渣铁充分解离，设备 本身也容易损坏。锤式破碎机与反击式破碎机的工 作原理类似，通过高速旋转的锤头或反击板对物料 进行击打，同时利用了物料飞溅过程中相互碰撞作 用，能量利用率较高，缺点是锤头等易损件磨损快， 检修更换频繁，劳动强度大，当锤头或反击板磨损 后，产品粒度明显变粗，另外遇到金属铁时，很容易 导致机器零部件损坏。近年来棒磨机在钢渣方面的 应用较多，它的特点是能够将钢渣研磨到较细的粒 级，有利于金属铁的回收，尾渣粉更容易利用，并且 生产线容易实现自动控制，缺点是设备及基础建设 投资大、钢耗电耗远远超出破碎设备，运营成本高， 不符合“多碎少磨”的理念。使用棒磨机的工艺流 程，设计时需要认真核算投入产出比‘3J 。 2 新型钢渣处理流程 2 ．1 钢渣提纯新设备 惯性振动破碎机是运用惯性振动破碎理论与自 同步原理研制而成的破碎设备，自同步原理使得设 备结构简单，振动破碎是一种简洁高效的破碎方式， 能实现“多碎少磨”、节能降耗。振动破碎具有以下 优点破碎比大，设备具备自保护功能，可在满载工 况下启动及停车，调节设备工作参数可以满足不同 的产品粒度要求，尤其适用于坚硬、不均质、难破碎 物料的破碎M 1 。惯性振动破碎机是由动力部分、传 动部分和工作部分组成，如图1 所示。 惯性振动破碎机工作部分由两个动颚和两根扭 轴组成，扭轴中部通过动颚上端的衬套、压块固定在 动颚上，工作过程中颚板在扭轴上摆动。扭轴的最 万方数据 2 0 1 7 年增刊王旭等钢渣处理与综合利用设备及工艺研究7 外端通过两组卡箍固定，通过调整两组卡箍沿扭轴 的相对距离可以改变扭轴的工作长度和弹性刚度， 从而改变动颚的工作行程。两组动颚体上分别安装 偏心激振器，激振器经过弹性联轴节与电机相连，弹 性联接能够减小相邻传动装置与滚动轴承所受的冲 击负荷。惯性振动破碎机整个破碎部分放置在弹性 减振器上，通过减振器固定在底架上，可以减小振动 向基础的传递。根据用户对破碎产品提出的不同要 求，可以改变惯性振动破碎机的偏心质量、激振器转 速等参数，使设备调整到不同工作状态。 图1惯性振动破碎机结构简图 F i g ．1 S t r u c t u r ed i a g r a mo fv i b r a t i n gj a wc r u s h e r 1 一动颚体；2 一激振器；3 一支架； 4 一扭轴；5 一减振弹簧；6 一基础；7 一衬板 该设备可适用于破碎金属合金材料、黑色与有 色金属炉渣、铁合金炉渣、钢筋混凝土以及多种建筑 废料、脆性矿石和非金属材料等，促进钢渣、钢筋混 凝土等物料的回收和资源综合利用。 图2 是惯性圆锥破碎机的结构简图。惯性圆锥 图2 惯性圆锥破碎机结构简图 F i g ．2 S t r u c t u r ed i a g r a mo fi n e r t i ac o n ec r u s h e r l 一底架；2 一皮带轮；3 一橡胶减振器；4 一偏心块； 5 一机壳；6 一球面瓦；7 一动定锥衬板；8 一调整环； 9 一动锥体；l O 一动锥支撑；11 一轴套 破碎机的工作部分由动锥以及定锥构成，动定锥母 体表面分别安装动锥衬板与定锥衬板，衬板之间相 对的环形区域形成破碎腔。动锥主轴插入轴套中， 轴套外表面安装有偏心激振器，旋转时产生惯性激 振力，动锥在离心力的作用下围绕球面瓦做旋摆运 动，实现对物料的破碎1 5J 。皮带轮与激振器之间采 用万向传动机构连接，能够适应不同破碎行程，满足 多种工作间隙下的破碎需求。破碎机整体放置在弹 性减振器上面，能有效降低振动向基础的传递。 惯性圆锥破碎机是利用料层粉碎原理，能实现 “选择性破碎”的新型高效细碎设备，已应用于矿山、 冶金、磨具磨料、耐火材料、陶瓷和玻璃等行业的物 料破碎。 惯性圆锥破碎机采用了“运用惯性力实现物料 细碎”的关键技术，设计偏心质量代替传统圆锥破碎 机中的偏心轴套，突破了动锥摆动幅度的限制。偏 心质量旋转产生惯性离心力，通过动锥体高频作用 于破碎腔中物料，迫使被破碎物料中的裂纹缺陷迅 速地放大继而扩展；或使物料沿晶格界面快速产生 微观裂纹，并迅速扩展直至破碎。惯性圆锥破碎机 工作中伴随着高频的振动冲击，物料经过数十次的 挤压冲击，在“料层粉碎”原理作用下，达到高效细碎 目的，充分实现钢渣中渣铁分离。 钳∽r 磁性 f 。二1 1 1 i l lI I』。『％ 图3 钢渣处理与综合利用工艺流程图 F i g ．3 P r o c e s sf l o wc h a r to fs t e e ls l a g ’S p r o c e s s i n ga n dc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n 2 ．2 钢渣提纯新工艺 惯性圆锥破碎机运用柔性传动技术，设备主要 工作机构之间能够适应可变的工作行程皮带轮与 轴套之间采用万向传动机构；轴套与动锥主轴采用 流体润滑，组成滑动轴承；动锥底部球面可围绕球面 瓦在大范围内摆动，这些结构特点使设备具备良好 万方数据 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 的“过铁保护”性能，从原理上保证设备零部件不会 损坏。 钢渣提纯新工艺如图3 所示。该工艺流程为两 段开路破碎吲，配合两次磁选一次筛分作业，流程简 单高效、破碎设备过铁能力强、破碎产品粒度细，有 表1 T a b l e1 效实现渣铁解离，有助于磁选抛尾，尾渣利用率高。 该工艺流程可以通过选用不同规格的破碎设 备，进行最优匹配，得到三种流程组合，适用于不同 原料粒度以及处理量需求，设备配置见表1 。 设备配置表 T a b l eo fe q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o n 钢渣原料经过惯性振动破碎机处理后，进入首 道磁滚筒完成磁选，磁场强度设定在0 ．IT 左右，回 收其中的大块渣铁，大部分金属纯铁被提取出来；非 磁性产品经过振动筛的预先筛分处理，筛掉小于惯 性圆锥破碎机产品粒度的产品，筛上部分进入惯性 圆锥破碎机，破碎产品同筛下料一起进入第二道磁 滚筒，磁场强度设定在0 ．2 6T 左右，得到磁性产品B 和尾渣c 。该工艺流程特点在于流程简单，破碎产 品粒度细，设备过铁能力强，实现钢渣粉与金属铁的 充分解离，尾渣粒度细、含铁量低。 3总结 针对钢渣特点以及应用现状，提出了应用惯性 振动破碎机和惯性圆锥破碎机实现两段开路破碎工 艺流程，流程简单高效，设备过铁能力强，破碎产品 粒度细，尾渣含铁量低，有利于钢铁回收并提高尾渣 附加值。钢渣的有效利用，能产生巨大的社会效益 及经济效益，有效减少环境污染，有利于钢铁企业健 康持续发展，提高发展的平衡性、包容性和可持续 性，符合国家十三五战略规划目标。 参考文献 [ 1 ] 郭秀键．钢渣处理及资源化综合利用工艺[ J ] ．有色冶金 设计与研究，2 0 1 2 ，3 3 6 1 7 - 2 2 ． [ 2 ] 任奇，王颖杰，李双林，等．钢渣处理与综合利用技术 [ J ] ．钢铁研究，2 0 1 2 ，4 0 1 5 4 5 7 ． [ 3 ] 李泽理，李葆生，吕进锋，等．钢渣处理工艺与装备的现状 与创新[ J ] ．矿山机械，2 0 1 6 ，4 4 2 1 - 6 ． [ 4 ] 王旭，夏晓鸥，罗秀建，等．高效振动颚式破碎机[ J ] ．有 色金属 选矿部分 ，2 0 1 1 5 3 4 3 7 ． [ 5 ] 王旭，王晓波，刘方明，等．惯性圆锥破碎机在极贫磁铁 矿干选抛尾工艺流程中的应用[ J ] ．中国矿业，2 0 1 5 ，2 4 增刊2 2 0 9 - 2 1 2 ． [ 6 ] 刘方明，夏晓鸥，罗秀建，等．钢渣高效渣铁解离细碎工艺 及设备研究[ J ] ．有色冶金设计与研究，2 0 1 l 增刊1 1 2 7 ．1 3 1 万方数据