铸造车间的高炉渣造粒

铸造车间的高炉渣粒化

高炉 (BF) 是一个封闭系统，含铁材料（铁矿石块、烧结矿和/或球团）、熔剂（造渣剂）和还原剂（即焦炭）从炉身顶部连续送入其中通过收费系统。高炉内发生还原过程的产物是铁水 (HM) 和液态炉渣。这些产品在高炉炉膛中积累。由于其较低的密度，炉渣漂浮在 HM 的表面上。收集在炉膛中的 HM 和炉渣的液体产品可以定期从出铁口流出到流道系统中，在流道系统中，HM 和炉渣由堰坝系统隔开。 HM 流入 HM 钢包（开盖式或鱼雷式），而液态炉渣则流入炉侧的大坑中，用于空气冷却成骨料产品，或通过炉渣造粒设施。直到 1970 年代，高炉炉渣仍被视为废品，被倾倒在远离高炉的方便地点。

大约在 1970 年代初期，在铸造车间对液态渣进行造粒的不同工艺得到了发展。这些工艺的不同之处在于湿粒状炉渣的脱水方法。如今，液态高炉渣造粒已成为公认的技术，并在世界各地的高炉中得到应用。

液态渣的量在很大程度上取决于装料，例如铁矿石的品位、铁矿石的脉石含量以及为调整液态渣的化学成分而添加的助熔剂。直到 1940 年代-1950 年代左右，高炉的炉渣生成量约为 980 kg/tHM。目前，由于对熔渣形成机制和整个高炉工艺有了更好的了解，现在可以控制、优化和最大限度地减少高炉中的熔渣生成。目前，高炉中产生的特定炉渣量在 175 kg/tHM 至 350 kg/tHM 的范围内。液态渣的温度在1400℃到1550℃左右。

BF渣是炼铁过程中产生的非金属副产品。它主要由硅酸盐、铝硅酸盐和钙铝硅酸盐组成。液态炉渣从装料中吸收大部分硫 (S)。矿渣造粒厂的主要目标是将液态高炉矿渣加工成有价值的水泥和建筑行业原材料。影响粒化渣质量的参数包括 (i) 液态渣的化学成分，(ii) 液态渣的温度，(iii) 粒状渣的玻璃含量，和 (iv) 粒状渣颗粒的平均分布。前两个参数与高炉操作有关，后两个参数与渣粒化过程有关。渣造粒工艺参数包括造粒用水的温度、压力，以及可用于传热的流量和造粒面积。

炉渣的价值取决于其矿物学、化学、物理和机械性能，例如碱度、玻璃含量、结构和水分含量。这些技术特性与高炉配料和工艺、所应用的造粒技术及其操作条件、储存和脱水时间等有关。图1显示了炉渣技术特性的复杂依赖性。

图1 渣技术特性的复杂依赖性

粒状渣具有混凝土砂的外观。它本质上是玻璃状和纤维状的。其形成过程中没有结晶热，具有潜在的水硬性，可以像水泥一样形成固体水化产物。然而，水泥可溶于水促进水化过程，而粒状矿渣仅溶于碱性溶液。碱性条件可以通过添加活化剂或碱性“催化剂”（如石灰）来产生。粒状渣的典型特性见表1。

液态渣的产品主要包括（i）风冷高炉渣和（ii）粒状高炉渣。

粒状高炉渣是通过淬火成玻璃态产生的，导致很少或没有结晶发生。这个过程导致形成砂粒大小（或熔块状）碎片，通常带有一些易碎的熟料状材料。粒状渣的物理结构和级配取决于渣的化学成分、水淬时的温度和生产方法。从粒状矿渣中，可以生产磨碎的粒状高炉矿渣 (GGBS)。 GGBS 具有胶凝特性，可用作波特兰水泥的部分替代品或添加剂。如果将液态炉渣倒入床中并在环境条件下缓慢冷却，则会产生风冷 BF 炉渣。风冷渣具有晶体结构。空气冷却产生坚硬的块状渣，随后被破碎和筛分。

高炉渣用于混凝土搅拌的粗骨料是通过风冷渣破碎后通过筛网分级生产的，细骨料是通过对粒状渣进行轻破碎控制粒度后分级生产的。图2给出了高炉渣的生产流程。

图2高炉渣生产流程

渣粒化的概念

炉渣造粒过程包括通过高压喷水将液态炉渣倾倒在靠近高炉的造粒头中。造粒过程是炉渣在冷水中受控淬火，不会给晶体生长时间。需要大量的水（大约 10 份水对 1 份液态炉渣是最佳的）。在此淬火过程中，液态渣在受控水流条件下经历加速冷却，并转化为玻璃砂，约 97% 的固体粒状渣颗粒小于 3 毫米，平均尺寸约为 1 毫米。液态渣和高压水的冲击点取决于渣的流动、渣的温度以及热流道的坡度和形状。

液态炉渣和造粒水之间的热交换必须非常迅速地进行。造粒水射流将渣流分解成液态渣薄片，这些薄片最初分解成细丝，然后变成液滴。最好的传热发生在液态炉渣与水的接触面最大时，即当炉渣已转化为液滴并完全被水包围时。凝固时间取决于渣滴的大小、液态渣与造粒水的温差以及渣与水的接触环境。

根据渣滴周围的造粒水温度，会发生不同的传热机制。这些是（i）仅通过蒸汽释放来去除热量，如果造粒水温度等于水沸腾温度，则适用，（ii）通过蒸汽释放和热量传递到造粒水中去除热量，适用于大多数情况，以及（ iii) 没有蒸汽释放但仅通过将热传递到造粒水中的热量去除，这适用于造粒水是冷的并且允许产生的蒸汽立即冷凝的情况。

一般来说，用冷水造粒时不会达到沸腾温度，除了由于短暂的高渣流造成的局部斑点。如果用冷水造粒，并且炉渣和水之间的良好湍流允许最佳地去除热量，则可以在不释放蒸汽的情况下进行热量去除。然而，最常见的情况是通过蒸汽释放和热量传递到造粒水中来去除热量。渣粒化工艺概念如图3所示。

图3渣粒化工艺概念

液渣的造粒过程可以用热或冷造粒水进行，允许两种不同的水回路布局。专为热水造粒回路设计的矿渣造粒厂没有冷却塔。在闭合回路中循环的造粒水加热到接近沸点的温度。热水造粒过程中液渣的散热主要通过蒸汽释放。向系统中添加冷补充水只是为了补偿蒸汽和水分的损失。回路中的平均水温约为 90 摄氏度至 95 摄氏度。在粒化水与液态炉渣接触的冲击点，预计水温约为 95 摄氏度甚至更高。

在液态渣与冷造粒水的造粒过程中，造粒过程在造粒水与液态渣接触时开始（图 3）。渣流分解成薄片和细丝，然后变成液滴。炉渣在通过冷流道到接料斗的途中只有一部分被粒化，但很可能在撞击接料斗内部的冲击板并落入接料斗后完成。采用这种设计，只有一部分水流直接用于造粒过程，一部分用于冷却冷流道前​​端旁边的耐磨板。

专为封闭式冷水回路设计的矿渣造粒厂配备了冷却塔，其目的是使工艺（造粒）水保持恒定的低温。从与冷的粒化水接触的液态炉渣中除去热量是通过向水中的热传递和部分通过蒸汽释放来实现的。通过蒸汽释放的热传递取决于造粒水温度和瞬时渣流。在低渣流时，液态渣的热传递主要通过转移到冷水中进行，而在高渣流时，则发生蒸汽释放。与设计有热水回路的矿渣粒化厂相比，具有冷水回路的矿渣粒化厂具有更高的快速散热潜力。

在冷流道设计的情况下，冷流道安装为热流道的延续，前端内置吹风箱。吹风箱完全嵌入安装在热流道端出水口下方的冷流道中。冷流道用于将水-渣/砂混合物引导至接收料斗，并配备耐磨衬里，因为粒状渣颗粒具有很强的磨蚀性。液态渣的热通量需要在前端冷流道旁边喷一些水。

位于热流道出口端下方的造粒池由一个水池组成，该水池的大小可根据工厂布局而变化（图 3）。将水填充到规定水位的水盆允许循环水以外的水可用于造粒。因此，与冷流道布局相比，由湍流水浴维持的造粒发生得更快。该布局允许设计水流较少的水回路，但仍有更多的水可用于造粒，而不会影响安全性。盆可以很容易地防止磨损，在冷流道的情况下，需要大量维护。盆地布局有可能减少将渣推入水位以下的粒化盆地的量。熔渣液滴和水之间的热交换现在不仅来自吹风箱的水射流，还来自水盆中围绕和包围每个液滴的水。撞击造粒池内水面的水射流有助于在池中产生湍流条件，并有助于促进渣滴更快地冷却成造粒渣颗粒。虽然这种设计降低了水渣比，但更多的水量可用于造粒，即水池中的水量和吹风箱处的水流。造粒过程发生得更快，从而缩短了凝固时间

矿渣造粒厂

矿渣造粒厂的主要组成部分包括 (i) 热流道，(ii) 吹风箱，(iii) 造粒罐，(iv) 烟囱和冷凝塔，(v) 分配器和减速箱，(vi) de - 浇水设备或设施，(vii) 热水箱，(viii) 泵，(ix) 冷却塔，(xii) 冷水箱，(xiii) 缓冲箱，(xiv) 补充水，(xv) 传送带, 和 (xvi) 库存堆。

矿渣粒化设备包括(i)粒化段，(ii)脱水段，和(iii)储存段。渣粒化段连接高炉的热渣流道和脱水段。矿渣造粒厂示意图如图4所示。

图4矿渣造粒厂示意图

造粒工段 – 在这里，液态高炉渣被水淬并凝固成小颗粒，无需重型破碎设备。液态炉渣通过流道从高炉流向造粒单元。来自流道的约 1,500 摄氏度的液态渣流在造粒喷头处倒入高速水流中，然后在造粒罐中以约 50 摄氏度结束。这种快速凝固，然后将材料分解成小块，是由使用的过量水控制的。由于液渣温度较高，部分水分被蒸发，随后在位于造粒罐上方的冷凝塔中冷凝。

高炉出钢期间的炉渣产量通常高达 10 吨/分钟。为了应对这种变化，可以通过能量平衡计算来控制流向造粒单元的水流，以确保高效和经济的性能。控制元件为阀门，调节流向造粒喷头的部分水流。

造粒喷头是造粒机的技术核心，是水和渣充分混合的地方，确保快速高效的造粒。喷头设计用于产生特定的水流模式以实现最佳混合，其位置可将高压水射流引导到自由落体的液态渣流中。

主要水量由射流引导，在造粒溜槽底部形成快速移动的水槽。该水层的目的，除了使炉渣粒化外，还可以保护粒化流道并带走粒状混合物。此外，许多喷嘴位于渣流的两侧，以确保所有渣尽快粒化成小块，以提供额外的冷却，并推动溜槽中的渣/水混合。水射流的配置使得液态炉渣在正常情况下不会接触到造粒溜槽的底部。喷头通常包含带有陶瓷插件的可拆卸喷嘴板和喷头，可在较短的维护间隔内快速更换。

喷头的水量约为 1,200 立方米/小时，下部底部喷头，600 立方米/小时，上部底部喷头，100 立方米/小时侧喷。在正常情况下，造粒使用 1,800 立方米/小时，但在高炉铸造的最后一部分，当渣量可以增加时，可以通过激活额外的喷头并增加总量来额外增加 600 立方米/小时流量达到 2,400 cum/小时。

喷头的要求是 (i) 结构简单合乎逻辑，以降低制造成本和简化更换，(ii) 耐磨材料的堆积，例如，在喷嘴和导向器中使用陶瓷嵌件，(iii) 容易检查和易于更换，以及 (iv) 易于访问和易于清洁。

在此淬火过程中，水被蒸发并释放出 SOx 化合物。这些排放物可以通过应用包括喷水喷嘴组件的冷凝塔来消除。这些喷雾确保排放物溶解在水中。然后它们被炉渣中的 CaO 部分中和。

整个造粒罐内衬有耐磨耐火材料，因为它暴露在水和矿渣颗粒的高度湍流和侵蚀性混合物中。该混合物通过重力输送到脱水工段进行渣粒和水的分离。

脱水段 – 造粒工段向渣中加水，需要将水去除并回收利用。需要进行脱水以将水分含量降低到 10% 到 12% 左右。脱水后的炉渣可以直接排放到卡车或材料处理系统中以进行进一步运输。许多脱水系统已用于不同类型的矿渣造粒厂。包括砾石分层滤床、脱水机、旋转脱水轮、脱水滚筒、静态脱水筒仓等。

存储部分 – 脱水后的粒状矿渣被输送到粒状矿渣库。粒化渣的储存采用筒仓和露天储存两种方式。

矿渣造粒厂通常安装紧凑，适用于空间有限的应用。制粒、脱水和储存设施在物理上是独立的，可以安装在不同的位置。该植物允许多种组合。

熔渣造粒工艺

铸造厂渣造粒有多种工艺。目前运行的主要渣粒化工艺有OCP（open cycle process）造粒系统、俄罗斯设计厂（图5）、RASA系统、INBA渣粒化厂（图6）等。

图5俄罗斯铸造厂渣粒化系统

铸造厂渣粒化过程始于从 HM 中分离液态渣。液态炉渣通过由衬里和沙子保护的一系列流道进入造粒室。加压水流和液态炉渣之间的直接接触发生在造粒室中。由于快速冷却和水压的影响，液态炉渣粒化成玻璃砂状颗粒，与水形成浆状混合物。这种水和粒化渣的浆状混合物被输送到脱水工段。

最简单的脱水方法是通过砾石分层滤床。该滤床定期用水和空气进行反洗，以去除由小颗粒炉渣造成的阻塞。 RASA的脱水设施由若干个滤床组成，滤床由底部不同粒径的卵石床层构成。最流行的脱水设备是INBA工艺的旋转脱水滚筒。粒状矿渣和水浆均匀分布在转鼓的整个长度上。滚筒内的轴向叶片不断提升粒状渣并将其沉积到位于分配器上方的传送带上。滚筒外部的细网孔保留粒状炉渣并允许水过滤通过。转鼓底部的粒化渣层产生自过滤效果。

脱水后粒状炉渣的残留水分约为 10% 至 12%。脱水后的水经过清洗、冷却和循环利用。干燥后的炉渣被输送到粒化炉渣库，发送给客户。渣粒化过程中产生的水蒸气通过通常由不锈钢制成的烟囱排出。

图6 INBA渣粒化工艺

渣粒化过程中的排放

高炉渣的 S 含量约为 1%。根据焦炭和煤的 S 含量，它可以高达 2%。主要的 S 化合物是硫化钙 (CaS)，在制粒过程中会产生和释放气态 S 化合物。根据简化的反应方程式 (i) CaS + H2O =H2S + CaO 和 (ii) CaS + 3/2 O2 =SO2 + CaO，它们主要由硫化氢 (H2S) 和二氧化硫 (SO2) 组成。这些反应主要发生在 1,100 摄氏度以上的温度下。只要渣滴是液体，CaS 就足以供给渣/蒸汽表面。通过流动和扩散将 S 供应到接触表面。然而，一旦液滴表面硬化（皮肤），S 的转移仅通过扩散发生。由于固体扩散系数远小于液体，因此停止从液体向表面进一步供应 S。一旦形成坚硬的表皮，只有表皮中所含的 S 会与蒸汽发生反应。由于蒸汽是 H2O 蒸汽和气态 S 化合物（H2S、SO2）与周围造粒水接触的产物，因此 S 化合物根据相关的分压进入溶液。水温、水的 pH 值、H2S 和 SO2 的溶解度等主要条件决定了通过蒸汽释放并排放到大气中或与水中所含 CaO 结合的 S 化合物的量。

矿渣造粒的好处

矿渣造粒工艺的好处包括 (i) 将废料转化为有价值的有用产品，(ii) 它消除了矿渣倾倒以及与之相关的所有缺点，(iii) 投资和运营成本低于相关成本渣倾倒，(iv) 这是一个可靠的过程，(v) 与渣倾倒相比减少了人力，(vi) 该过程可以完全自动化，(vii) 节省渣倾倒所需的土地面积，(viii) 紧凑造粒厂的设计只需要很小的面积，（ix）由于它安装在高炉的铸造车间附近，由于造粒厂的数据源源不断，有利于高炉的运行。