不锈钢渣冷却工艺研究与实践

2019-07-16罗胜

山西冶金 2019年4期

关键词：水嘴钢渣炉渣

罗胜

（山西太钢不锈钢股份有限公司制造部，山西太原 030003）

2006 年起，我国的不锈钢产能达到了1 000 万t/a 以上，山西太钢不锈钢股份有限公司产能超过了400 万t/a，对应不锈钢渣也同步快速增长，年产生量为110 万t 以上。需要对不锈钢渣冷却工艺进行改进研究。

1 不锈钢的冶炼工艺及不锈钢渣的分类

1.1 不锈钢的冶炼工艺

不锈钢的冶炼按工艺步骤分两步法、三步法等。以“K-OBM-S－VOD－LF”是铁水冶炼不锈钢的三步法的典型代表，而以EAF+AOD 的生产工艺路线是以废钢为主原料的两步法的冶炼工艺代表。

以铁水为主要原料的冶炼工艺流程为：铁水倒罐站→铁水预处理（脱Si、脱S、脱P）+中频炉或电炉（熔化合金）→K-OBM 转炉→VOD 炉→LF 炉→连铸机。

以废钢为主要原料的冶炼工艺流程为：电炉→AOD 炉→VOD 炉→LF 炉→连铸机。

1.2 不锈钢渣的分类

围绕不锈钢的冶炼工艺流程，每一步都会产生不同的钢渣，分别称为转炉渣、电炉渣、AOD 炉渣、LF 炉渣、铸余渣，铁水预处理渣（三脱渣）。

因冶炼的钢种不同，也可按钢种的名称分类，具体为：300 系渣、400 系渣、200 系渣等。

因冶炼的不同阶段，其生产的渣又可对应地分为前期渣（电炉、AOD 炉等冶炼结束后直接在炉前倒出的钢渣）、后期渣（钢包扒渣）、连铸铸余渣等。

综合以上分类，钢渣处理厂就不锈钢渣的分类综合分为：三脱渣、电炉渣（再细分300 系400 系炉前渣、炉后扒渣）、AOD 炉渣（300 系、400 系炉前渣、炉后扒渣）、精炼渣、铸余渣等。

不同类型不锈钢渣的化学成分分析见表1。

表1 不同类型不锈钢渣的化学成分表

由表1 可见，不同类型不锈钢渣的成分是不同的。因此，带来了冷却工艺的差异，需进行研究确定。

2不锈钢渣冷却工艺研究

按不锈钢渣的品种分类，逐一对其冷却工艺进行了研究。

2.1 三脱渣的冷却工艺研究

2.1.1 三脱渣特性

钢铁企业中为保证冶炼过程中使用的铁水符合冶炼要求，通常要对铁水进行预处理。针对冶炼需求差异分为对铁水进行脱S 或脱P、S、Si 两种处理方式。脱S 过程产生的渣俗称脱硫渣，渣中S 含量较高；脱P、S、Si 过程产生的渣俗称三脱渣。其特点：呈固态、鳞片状，颜色较黑。视扒渣的干净程度和扒渣水平的不同，其残铁通常在50%左右，因此冷却过程中容易结成大块。

2.1.2 冷却工艺

冷却原理：高温状态尽快打水，即：水淬法。

温度：铁渣温度在300～800 ℃打水为最佳状态（采用测温枪进行测温）。

冷却过程：渣子进入冷却位后，立即开启开关进行喷淋冷却（采用0.8～1.2 t/h 冷却雾化水嘴）。前期温度高，水淬过程中有爆裂现象、火苗较大，是正常现象，其后，可根据情况调整水量，一般持续冷却10～12 h，过程中保持明水不外溢即可。

总水量的控制：根据试验结果（冷却、裂化效果），观察统计流量表数据，总水量按为0.4～0.6 t 水/t渣控制效果最佳。冷却时间在8 h 以上。红渣比例随冷却时间变化见图1。

图1 红渣比例随冷却时间变化曲线图

2.2 电炉渣的冷却工艺研究

2.2.1 电炉渣特性

电炉冶炼过程产生的钢渣，分前期渣（炉前渣）和后期渣（扒渣）。其特点为：碱度低，f-CaO 几乎没有。前期渣温度高，呈液体状，后期渣温度低，一般呈固体状。

2.2.2 冷却工艺研究

冷却原理：因其碱度低，f-CaO 几乎没有，因此水淬法基本适用。

温度：温度在300～500 ℃打水为最佳状态（采用测温枪进行测温）。

冷却过程：前期渣温度高，呈液体状，后期渣温度低，一般呈固体状。前期渣冷却过程时间长，难控制，我们以前期渣为研究对象。渣子进入冷却位后，先用测温枪进行测温，做好记录后开始开启开关进行喷淋冷却（采用1.2 t/h 的冷却雾化水嘴）。前期考虑温度高，为安全考虑，开关开半开。前期打水急（水流量大），易造成钢渣表面严重龟裂，甚至发生爆炸，通常要发生喷灰现象，影响环境。中期提高水流量，以明水不外溢为原则。后期基本不再供水，处于静置状态。整个过程不间断用测温枪测温。当测得罐体的温度在80 ℃左右时，进行翻罐作业，测得钢渣的温度基本在100 ℃以下，观察冷却后的钢渣状态基本是黑色的碎石头状，见图2。表明冷却过程控制良好。

图2 电炉渣冷却后效果图

电炉渣的冷却总水量的控制：根据试验结果（冷却、裂化效果），观察统计流量表数据，总水量按为0.4～0.6 t 水/t 渣。

冷却时间：基本稳定在50 h 左右。来渣温度高，耗水量就大。

2.3 AOD 炉渣（300 系炉前渣为研究对象）的冷却工艺研究

AOD 炉前渣指AOD 冶炼结束，直接倒入渣罐的钢渣。因其温度高，呈液态状，冷却过程复杂，以其为研究对象进行了冷却工艺研究。

2.3.1 特点

碱度高（一般在2.0 左右）。其矿物组成有铬镍铁合金、硅酸三钙（Ca3S）、硅酸二钙（Ca2S）、铁酸二钙（Ca2F）、铁酸钙（CaF）、氟磷灰石（Ca（PO4)3（F））游离氧化钙（f-CaO）、游离氧化镁（f-MgO）等。最明显的特征是粉化后，粒度细，极易扬尘。打水冷却过程，极难控制，吸水性差，温度高，打水过程极易喷灰（类似火山岩喷发，见图3）。水量急，极易形成泥状物，将下层渣和水隔离，严重影响冷却效果。

图3 打水前期喷灰情况

2.3.2 冷却工艺研究

冷却原理：因其碱度高，打水作业过程完全不能采用水淬法。类似于渗水法。

根据对相关单位的前期调研情况和我们多年的实际经验，制定出了几种实验方案：直接连续打水冷却、先自然冷却再连续打水冷却、先自然冷却再间断进行打水冷却等。经过对几种方法的试验比较，得出如下结论：

1）直接连续打水基本无法进行，主要原因是因钢渣温度高，打水后，发生严重喷灰现象，污染相当严重，难以满足生产需要。

2）自然冷却是一个必须环节，渣罐表面温度在500 ℃以下，再进行打水冷却，喷灰现象基本消失，见图4。

图4 打水冷却过程效果图

3）先自然冷却再间断进行打水冷却。

以下重点对“先自然冷却再间断进行打水冷却工艺”进行说明。

步骤1：先自然冷却24 h 以上，以测温枪测得的温度为根据，测得渣罐表面温度为300～500 ℃利用0.8～1.2 t/h 的雾化水嘴进行喷雾冷却。

步骤2：雾化水嘴进行喷雾冷却，持续小量打水0.5～1.0 h，以不产生明显积水为标准。

步骤3：停水静置，一般停水静置1 h 左右，主要是使上部喷雾冷却段进行蒸发，形成下一步的渗水通道，以表面无水汽为标准。

步骤4：进行雾化水嘴喷雾持续冷却，打开水嘴开关，进行持续冷却，一般冷却时间为24 h 以上。

步骤5：测定温度和停水作业，测得渣罐表面温度为100 ℃以下，水流量总量达到0.5 t 水/t 渣后，即可停水。

2.4 AOD 炉渣（400 系炉前渣为研究对象）的冷却工艺

1）基本方案的研究。

在300 系炉前渣冷却工艺的基础上进行了进一步跟踪，发现400 系炉前渣自然冷却温降较快，在放置10 小时左右即可，即可进行喷水作业。

2）理想的冷却工艺过程。

步骤1：先自然冷却10 h 以上，以测温枪测温，测得渣罐表面温度为300～500 ℃利用0.8～1.2 t/h 的雾化水嘴进行喷雾冷却。

步骤2：雾化水嘴进行喷雾冷却：持续小量打水0.5～1.0 h，以不产生明显积水，无明显喷灰现象发生为标准。

步骤3：停水静置，停水静置1 h 左右，基本同300 系炉前渣标准。

步骤4：进行雾化水嘴喷雾持续冷却，打开水嘴开关，进行持续冷却，对冷却后的钢渣进行观察判断，冷却时间为40 h 以上效果最佳（钢渣无红色大块，基本呈河沙状）。

步骤5：基本同300 系炉前渣。

2.5 铸余渣的冷却工艺研究

铸余渣的冷却工艺研究基本同AOD 渣的冷却工艺，铸余渣和电炉渣、AOD 渣的区别是含残钢量大，难冷却，消耗的水量大，打水作业过程易喷灰，其冷却工艺基本同AOD 渣。

经对兄弟单位的处理工艺调研发现，因后续渣钢的加工难度大，通常铸余渣的渣罐中提前放置网格状的隔板，当铸余渣倒入渣罐后，渣钢自然备隔断，打水冷却后倾翻作业，将自然分隔成块状，见图5。

图5 炼钢厂铸余渣锅加格栅的图示

2.6 钢渣加硼砂的冷却工艺研究

对AOD 炉前渣进行了喷吹硼砂的试验研究，喷吹量为8～10 kg/t 渣，喷吹后粒度明显改善，见图6。

但由于运行成本高（初步测算，吨钢费用在10元左右），并且大生产可能会产生污染物。因此不建议推广使用。

图6 加硼砂前后效果

3 不锈钢渣冷却工艺实践与改进

原始的冷却工艺是渣盘倾翻、打水、堆焖。冷却效果差、安全隐患多（红渣遇水发生爆炸），环保污染严重。

随着不锈钢产量、钢渣量的快速发展，2000 年以后，推广应用的不锈钢渣冷却工艺为带罐打水冷却，其安全、环保效果显著。经过近10 多年的应用，冷却工艺技术基本能够满足大生产需要。

因带罐冷却工艺投入的渣罐多、冷却周转场地大，过程中渣罐周转时间长等特点，近几年在带罐打水冷却工艺的基础上，发展应用为“坑冷打水热焖”，其工艺技术是带罐打水冷却工艺为基础，将渣罐改为地坑，加盖打水热焖。盖子上安装打水喷淋装置，核心技术仍类似于带罐打水冷却，其空冷（由液态转化为固态）是基础，打水喷淋技术是核心（水流量的控制、雾化的效果、总水量的控制等）。