钢渣返回再利用方法、终渣及其应用
阅读说明：本技术 钢渣返回再利用方法、终渣及其应用 (Steel slag recycling method, final slag and application thereof ) 是由 樊君 李志伟 况增光 冯勤 冀中年 陈圣鹏 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于钢铁冶炼技术领域,涉及一种钢渣返回再利用方法、终渣及其应用。本发明的钢渣返回再利用方法,包括：预脱硅工序产生的渣输送至高炉炼铁或烧结工序,铁水进入预脱磷工序；预脱磷工序产生的渣输送至渣再生工序,铁水进入转炉脱碳工序；转炉脱碳工序产生的渣送至预脱磷工序,铁水进入下一工序；渣再生工序产生的渣一部分进入预脱硅工序,另一部分进入预脱磷工序；当渣再生工序中铁水的磷含量超过阈值时,进行二次脱磷工序；二次脱磷工序产生的渣为终渣。本发明的钢渣返回再利用方法,实现了钢渣在企业内部的循环利用,提高了炉渣的附加值,减少了固体废弃物排放,具有很好的经济和社会效益。(The invention belongs to the technical field of steel smelting, and relates to a steel slag recycling method, final slag and application thereof. The steel slag recycling method comprises the following steps: conveying slag generated in the pre-desiliconization process to a blast furnace ironmaking or sintering process, and making molten iron enter a pre-dephosphorization process; conveying slag generated in the pre-dephosphorization process to a slag regeneration process, and allowing molten iron to enter a converter decarburization process; slag generated in the converter decarburization process is sent to a pre-dephosphorization process, and molten iron enters the next process; one part of slag generated in the slag regeneration process enters a pre-desiliconization process, and the other part of slag enters a pre-dephosphorization process; when the phosphorus content of the molten iron in the slag regeneration process exceeds a threshold value, performing a secondary dephosphorization process; and the slag generated in the secondary dephosphorization procedure is final slag. The method for recycling the steel slag realizes the recycling of the steel slag in enterprises, improves the added value of the slag, reduces the discharge of solid wastes and has good economic and social benefits.)
技术领域
本发明属于钢铁冶炼技术领域，涉及一种钢渣返回再利用方法、终渣及其应用。
背景技术
随着炼钢工艺的不断优化，铁水预处理和炉外精炼技术的普遍应用，冶炼过程的炉渣产出发生了变化，呈现多级排出的特点，且各单元过程炉渣的组成和性质也各不相同。为此，在现代钢铁工业中，钢渣可以更进一步细分，如：预处理渣(铁水预处理环节中铁水脱硫渣、铁水脱硅渣、铁水脱磷渣)，转炉冶炼渣或电弧炉渣，炉外精炼渣等。设计这些不同成分、不同物理化学性质的渣，目的是为了优化各个冶金单元反应器的作业。另外，这些不同成分的渣之间并不是毫无联系，全面理解和使用这些不同成分的炉渣是发展循环利用策略的基础，也是寻求钢渣在钢铁企业内部循环利用的方向。现代冶炼高品质钢的基本工艺如图1所示。
钢渣在钢铁企业内部回用是一种理想的方法，但目前将钢渣直接作为溶剂返回烧结和炼铁工序存在磷富集的问题。钢渣的循环，必然使铁水的磷含量不断提高，而烧结和炼铁工序均无法脱磷，给下一步的炼钢增加负担，要求炼钢工序消耗更多的石灰以满足脱磷，会产生更多的渣量，所以从工艺全盘考虑不一定是合理的。另外，高炉的冶炼实践表明，烧结矿入炉品位降低1％，焦比升高2％，产量降低3％，钢渣的铁含量仅为10～15％，钢渣的配入必然大大降低高炉入炉料品位。在高炉焦碳价格居高不下的今天，钢渣作为烧结和高炉熔剂的做法，也不一定是合理的。
因此，本领域亟需解决钢渣返回烧结工序磷含量太高(ω(P2O5)≥3％)的问题，以及钢渣作为农业化肥原料磷含量(ω(P2O5)≥10％)又太低的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种钢渣返回再利用方法、终渣及其应用。
具体的，本发明的钢渣返回再利用方法，包括：预脱硅工序、预脱磷工序、转炉脱碳工序、渣再生工序及二次脱磷工序；其中，
所述预脱硅工序产生的渣输送至高炉炼铁或烧结工序，铁水进入所述预脱磷工序；
所述预脱磷工序产生的渣输送至渣再生工序，铁水进入所述转炉脱碳工序；
所述转炉脱碳工序产生的渣送至所述预脱磷工序，铁水进入下一工序；
所述渣再生工序产生的渣一部分进入所述预脱硅工序，另一部分进入所述预脱磷工序；
当所述渣再生工序中铁水的磷含量超过阈值时，进行二次脱磷工序；
所述二次脱磷工序产生的渣为终渣。
上述的钢渣返回再利用方法，所述渣再生工序包括在渣再生炉的铁水中加入焦炭，同时通电。
上述的钢渣返回再利用方法，所述渣再生炉为三电极直流电弧电渣钢包炉。
上述的钢渣返回再利用方法，所述二次脱磷工序包括在渣再生炉中加入合成渣。
上述的钢渣返回再利用方法，所述终渣磷含量≥10wt％。
上述的钢渣返回再利用方法，所述渣再生工序处理的渣为铁水预处理脱磷渣和/或脱磷转炉渣。
上述的钢渣返回再利用方法，所述预脱硅工序的操作温度为1300℃-1420℃，所述预脱磷工序的操作温度为1300℃-1350℃。
上述的钢渣返回再利用方法，所述转炉脱碳工序的操作温度为1350℃-1400℃，所述渣再生工序中渣再生炉的操作温度为1350-1400℃。
另一方面，本发明提供了一种终渣，其由上述的钢渣返回再利用方法制备而成。
又一方面，本发明提供了上述终渣在生产农业化肥、添加剂或土壤改良剂中的应用。
本发明的技术方案具有如下的有益效果：
(1)本发明的钢渣返回再利用方法，脱碳转炉渣具有较高的氧化性和碱度，符合铁水预脱硅和脱磷的热力学条件，且具有化渣快(返回利用时只需添加少量助熔剂，相当于预熔渣)、脱硅脱磷率高、成本低的优点，还大大提高了转炉渣用于铁水预处理的工业应用价值；
(2)本发明的钢渣返回再利用方法，符合现代钢铁冶金工艺单元化操作的特点，能够大大减少企业石灰、白云石、萤石等的消耗量；
(3)本发明的钢渣返回再利用方法，实现了钢渣梯级利用及“零”排放，终渣富含磷，可作为农业化肥、添加剂或是土壤改良剂的原料；
(4)本发明的钢渣返回再利用方法，实现了钢渣在企业内部的循环利用，提高了炉渣的附加值，减少了固体废弃物排放，具有很好的经济和社会效益。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为现代化炼钢工艺流程图；
图2为钢渣返回再利用工艺流程图；
图3为三电极直流电弧电渣钢包炉结构示意图；
其中，1为石墨阳极，2为石墨阴极，3为渣层，4为金属熔池，5为钢包，6为信号极。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。
具体的，如图2所示，本发明的一种钢渣返回再利用方法，包括：预脱硅工序、预脱磷工序、转炉脱碳工序、渣再生工序及二次脱磷工序；其中，所述预脱硅工序产生的渣输送至高炉炼铁或烧结工序，铁水进入所述预脱磷工序；所述预脱磷工序产生的渣输送至渣再生工序，铁水进入所述转炉脱碳工序；所述转炉脱碳工序产生的渣送至所述预脱磷工序，铁水进入下一工序；所述渣再生工序产生的渣一部分进入所述预脱硅工序，另一部分进入所述预脱磷工序；当所述渣再生工序中铁水的磷含量超过阈值时，进行二次脱磷工序；所述二次脱磷工序产生的渣为终渣。
本发明的一种钢渣返回再利用方法，通过设置渣再生工序将预脱磷渣中的磷转移到铁水中，得到了可以继续返回使用的再生渣。本发明实现了渣的循环利用，提高了炉渣的附加值，减少固体废弃物排放，具有很好的经济和社会效益。
在一些优选的实施方式中，本发明的一种钢渣返回再利用方法用于处理现代钢铁工业高品质钢生产线(含铁水预处理)或采用“转炉双联法”生产线的钢渣，包括：预脱硅工序、预脱磷工序、转炉脱碳工序、渣再生工序及二次脱磷工序；其中，
(1)所述预脱硅工序产生的渣输送至高炉炼铁或烧结工序，铁水进入所述预脱磷工序。
其中，所述预脱硅工序在铁水罐或高炉铁水沟中进行，通过在铁水罐或高炉铁水沟中加入氧化钙及氧化铁对高炉铁水进行脱硅。
优选的，预脱硅工序的操作温度为铁水温度，目前大多数生产厂进入炼钢车间的铁水温度范围在1300℃-1420℃之间。
在一个具体实施例中，所述预脱硅工序包括：向高炉铁水沟内加氧化铁皮脱硅剂，以皮带机或溜槽自然落下加入铁水沟，随铁水流入铁水罐进行反应；或用喷枪在铁水面上以高速气粉流(0.2～0.3MPa空气或氮气作载体)向铁水投射。
由表1可以看出，脱硅渣中含有大量的氧化铁，且脱硅渣中的ω(P2O5)≤3％，因此脱硅渣可以少量返回烧结配料，作为熔剂代替部分石灰加入高炉，而不会明显影响铁水中的磷含量。
表1铁水预处理脱硅渣的典型成分(wt％)
(2)所述预脱磷工序产生的渣输送至渣再生工序，铁水进入所述转炉脱碳工序。
优选的，所述预脱磷工序中脱磷炉的操作温度为1300℃-1350℃。
在一个具体实施例中，所述预脱磷工序包括：经过脱硅工序后，铁水兑入脱磷炉内，脱磷炉采用顶吹氧和底吹N2、Ar搅拌冶炼工艺，氮气为脱磷炉及冶炼前期的主搅拌气源及非冶炼期间常备气源。脱磷炉底吹系统有6块透气砖，底吹氮气压力为0.95MPa，单个底吹最大氮气流量为2.5m3/min。脱磷炉配置了两套氧枪及升降横移及事故提升装置，氧枪喷头为四孔拉瓦尔喷头，氧气最大流速250m3/min，氧气压力1.0MPa。脱磷炉配置1套石灰喷吹系统，通过氧枪向脱磷炉内喷入石灰粉。经脱磷炉处理后，铁水中平均[P]含量小于0.01％。
其中，所述预脱磷工序产生的渣为铁水预处理脱磷渣或脱磷转炉渣，其典型成分分别见表2和表3。
表2铁水预处理脱磷渣的典型成分(wt％)
表3脱磷转炉渣的典型成分(wt％)
铁水预处理脱磷渣或脱磷转炉渣由于(P2O5)含量高，循环利用会造成金属液中的“回磷”现象，因此其不容易内部循环利用。
本发明通过将不容易内部循环利用的铁水预处理脱磷渣或脱磷转炉渣送至渣再生工序，通过渣再生器处理得到再生渣，既可以返回预脱硅工序又可以继续配加到脱磷剂中，实现钢渣的“零排放”。
(3)所述转炉脱碳工序产生的渣送至所述预脱磷工序，铁水进入下一工序。
优选的，所述转炉脱碳工序中转炉的操作温度为1350℃-1400℃。
在一个具体实施例中，所述转炉脱碳工序包括：经预脱磷处理后的铁水，兑入脱碳转炉中，由于钢水中[Si]、[P]的含量极低，因此脱碳炉的任务主要是脱[C]、升温，造渣的目的主要是在熔池表面形成一层能覆盖熔池炉渣层，同时含有一定量的(MgO)以保护炉衬。由于钢水中[Si]含量极低，炉渣中的SiO2主要来自投入的渣料(铁矿石、白云石等)。
在采用铁水预处理或转炉双联工艺中，转炉的任务已经发生改变，只是作为一个脱碳反应器，脱碳、升温成了转炉的主要任务，其脱磷功能已经移至铁水预处理或脱磷转炉。此时的转炉渣携带的磷含量大大降低，大多数都在0.5％左右，返回利用价值提高，见表4。
表4脱碳转炉渣成分(wt％)
(4)所述渣再生工序产生的渣一部分进入所述预脱硅工序，另一部分进入所述预脱磷工序。
在一个具体实施例中，所述渣再生工序包括：
铁水预处理脱磷工序中产生的渣全部输送到渣再生炉，操作温度为1350～1400℃,向渣再生炉中的铁水加入焦炭使其被碳所饱和，同时输入电能，并且使脱磷渣中的磷转移到铁水中，当渣再生炉铁水中[P]含量达到一定值时，通过向其中加入高磷含量的合成渣，使铁水中的磷转移到合成渣中，最后产生终渣。
可选的，所述渣再生工序处理的渣为铁水预处理脱磷渣和/或脱磷转炉渣。
优选的，所述渣再生工序中渣再生炉的操作温度为1600℃-1650℃。
所述渣再生炉的作用是将预脱磷渣中的磷转移到铁水中，这就需要渣再生炉中的铁水被碳所饱和，可以通过向其中加入焦炭来实现，同时还需要向其中输入能量。通过下面的反应使预脱磷渣中的磷将全部进入到铁水中，从而得到可以继续循环使用的再生渣。
5C+(P2O5)＝5CO+2[P]或5C+2(P2O5)＝5CO2+4[P]
标准状态下P与C发生还原反应的开始温度约为870℃。P2O5在熔渣中存在的形态，一般认为在碱性熔渣中CaO和P2O5可以形成稳定的(CaO)x·P2O5型化合物，其中x为3或4。从熔渣结构离子理论则认为是(PO4 3-)。
渣再生炉的炉型及结构可以采用小容量直流钢包炉，具体型式为三电极直流电弧电渣钢包炉(如图3，其中，1为石墨阳极，2为石墨阴极，3为渣层，4为金属熔池，5为钢包，6为信号极)，只需保留钢包炉的电极加热系统、底透气砖吹氩搅拌系统、钢包及钢包车控制系统。对于小容量钢包炉(50t以下)采用交流型式会加重包衬的热负荷，造成钢包寿命大幅度下降，故宜采用直流形式。
本发明中，脱磷渣再生后且具有化渣快(相当于预熔渣)、脱硅脱磷率高、成本低的优点。
(5)当所述渣再生工序中铁水的磷含量超过阈值时，进行二次脱磷工序,所述二次脱磷工序产生的渣为终渣。
优选的，所述阈值为磷含量10wt％。
在一个具体实施例中，所述二次脱磷工序为重复渣再生炉中的步骤。
所述二次脱磷工序包括在渣再生炉中加入合成渣。
高磷含量渣指的是这种渣中能够容纳和吸收金属液重点的磷，即渣的磷容量高，能够将金属液中的磷全部吸收至渣中。
所述终渣磷含量≥10wt％，可以用来生产农业化肥、添加剂或是土壤改良剂，实现“零”排放。
另一方面，本发明还提供了一种终渣，其由上述的钢渣返回再利用方法制备而成。
又一方面，本发明提供了上述终渣在生产农业化肥、添加剂或土壤改良剂中的应用。
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的冶炼方法，按照常规方法和条件。
某钢铁企业高品质钢(洁净钢)生产线，其铁水预处理工艺采用的是高炉出铁场脱硅和机械搅拌法脱硫(KR法脱硫)，脱磷采用转炉双联工艺。具体工艺路线为在高炉铁沟及出铁溜槽处均匀喷洒由轧钢铁皮及石灰组成的脱硅剂，利用出铁过程铁水的流动对铁水进行脱硅预处理，待高炉出铁完毕后，熔渣将上浮至铁包表面，送至炼钢车间后进行扒渣处理，该工序产生的脱硅渣随后返回给烧结工序，部分作为熔剂配加至烧结矿中。
该企业脱磷转炉采用顶底复吹型式，并配备有专用脱磷氧枪，底吹系统有8块透气砖，底吹气体为氮气或氩气。脱磷转炉还配置了一套石灰喷粉系统，通过专用氧枪向转炉内喷入石灰粉。冶炼开始时，通过合理的造渣制度及冶炼温度控制，分批次向脱磷转炉内加入造渣料，使冶炼过程平稳进行。冶炼完毕后，炉后出半钢，并将半钢兑入脱碳转炉内，进行脱碳作业；炉前出渣，将脱磷渣通过渣罐车运至炉渣处理跨，通过炉渣处理跨天车将液态脱磷渣兑入装有铁水(其碳含量饱和)的渣再生炉内，盖上炉盖后降电极升温，在1600℃下脱磷渣中的磷(P)将转移至铁水中，得到的再生渣就可以返回给脱磷转炉及脱硅工序。
重复进行上述过程，当渣再生炉内铁水中的[P]含量达到一定值时，通过向渣再生炉内加入高磷容量的合成渣，通过机械及底吹搅拌，使铁水中的磷转移到合成渣中，最后产生磷质量分数大于等于10％的终渣，该终渣可以用来生产农业化肥、添加剂或是土壤改良剂。
脱碳转炉冶炼过程产生的脱碳渣通过炉前渣罐车运至炉前活动平台处，通过加料跨天车，在热态下直接兑入脱磷转炉使用，同时只需添加少量助熔剂即可。
本发明在上文中已以优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应视为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。