一种钢渣热量回收利用方法.pdf

本发明公开了一种钢渣热量回收利用方法，属于钢铁冶金技术领域。本发明利用碳酸盐矿物吸收液态钢渣热量，所述的碳酸盐矿物为白云石、石灰石、菱镁矿、菱铁矿中的一种或多种；碳酸盐矿物吸收液态钢渣热量可通过混合或传热的方式实现。本发明利用碳酸盐分解吸收钢渣余热，钢渣温度在400℃以上的热量区间均能够得到高效利用，液态钢渣的余热回收范围得到扩展，钢渣潜热的利用率达到了70％以上；同时，碳酸盐矿物的分解产物多为冶金领域普遍运用的辅料，相比于在市场上购买这些辅料，通过购买碳酸盐矿物再使用本发明提供的方法制备得到，无疑将在很大程度上降低钢铁冶金企业的生产成本。

权利要求书
1.  一种钢渣热量回收利用方法，其特征在于：利用碳酸盐矿物吸收液态钢渣热量，对液 态钢渣进行热量回收利用。

2.  根据权利要求1所述的一种钢渣热量回收利用方法，其特征在于：碳酸盐矿物吸收液 态钢渣热量通过混合或传热的方式实现。

3.  根据权利要求2所述的一种钢渣热量回收利用方法，其特征在于：碳酸盐矿物和液态 钢渣采用对冲法或层叠法混合。

4.  根据权利要求3所述的一种钢渣热量回收利用方法，其特征在于：碳酸盐矿物和液态 钢渣采用对冲法混合时，碳酸盐矿物与液态钢渣的加料速率之比等于碳酸盐矿物与液态钢渣 的质量之比。

5.  根据权利要求2或3所述的一种钢渣热量回收利用方法，其特征在于：通过将碳酸盐 矿物和液态钢渣置于一改进渣包中，实现液态钢渣与碳酸盐矿物之间的热量传递；所述改进 渣包包括渣包(1)、焙烧筒(2)和渣包盖(3)，焙烧筒(2)设置于渣包(1)内部中心位置， 该焙烧筒(2)的筒壁嵌入渣包(1)底部；所述碳酸盐矿物置于焙烧筒(2)中，液态钢渣浇 入渣包(1)中；所述的渣包盖(3)上设置有孔，该渣包盖(3)盖于渣包(1)上。

6.  根据权利要求5所述的一种钢渣热量回收利用方法，其特征在于：所述碳酸盐矿物占 碳酸盐矿物与液态钢渣质量总和的质量百分比为15.0％～40.0％。

7.  根据权利要求1所述的一种钢渣热量回收利用方法，其特征在于：所述的碳酸盐矿物 为白云石、石灰石、菱镁矿、菱铁矿中的一种或多种。

8.  根据权利要求7所述的一种钢渣热量回收利用方法，其特征在于：所述碳酸盐矿物的 粒度均小于200mm。

9.  根据权利要求8所述的一种钢渣热量回收利用方法，其特征在于：所述液态钢渣的温 度不低于1350℃。

说明书一种钢渣热量回收利用方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，更具体地说，涉及一种钢渣热量回收利用方法。
背景技术
钢渣作为炼钢的废渣，一般为粗钢产量的15％左右，近年来，随着我国钢铁工业的快速 发展，钢渣的堆积量逐年增长，不仅占用了大量的土地，也造成了严重的环境污染。钢渣蕴 含大量热能，是一种宝贵的次生资源。而目前国内外大部分钢铁企业都是将热态钢渣进行各 种不同的冷却处理后破碎筛分、磁选加工，提取其中的金属后再加以利用，上述方式处理效 率低不说，对钢渣所含丰富热量并没有很好地应用。如其中的水淬法处理钢渣不仅没有回收 钢渣余热，还会消耗大量新水，同时还会对空气产生污染；风淬法虽然热量回收效率高，但 要求钢渣流动性好，近年来由于钢渣碱度增大，粘度增高，一般能够风淬处理的钢渣不超过 总钢渣的50％。热闷法为在中国最先进、最实用的钢渣处理方法，纵观其流程也几乎对钢渣 的热量没有利用，至于滚筒法、粒化轮法以及热泼法更是对钢渣的热量置之不理。
当然，现有技术中也有很多关于钢渣热量有效利用问题的研究。但是由于高温下钢渣遇 水会发生反应生成氢气，容易产生爆炸，造成生产事故。所以，大部分研究利用的都是钢渣 在800℃以下释放的热量，钢渣的能量利用率很低。
经检索，中国专利申请号201310654811.9，申请日为2013年12月6日，发明创造名称 为：一种液态钢渣余热还原铁矿石的生产方法；该申请案包括以下具体步骤：第一步，用破 碎机将铁矿石破碎；第二步，将破碎后的铁矿石与焦炭粉送入搅拌机搅拌；第三步，在钢渣 坑底部铺设液态钢渣，然后将待用的铁矿石和焦炭粉的混合物放置在液态钢渣上，最后在混 合物的上方覆盖液态钢渣，保持该状态1.5h；第四步，铁矿石在钢渣坑完成还原反应，生成 还原铁，反应完成后由磁选机磁选出还原铁。该申请案使用液态钢渣余热作为热源，降低了 铁矿石还原的生产成本；同时避免了煤炭或天然气的燃烧造成的环境污染，但该申请案上下 两层钢渣凝固后组织结构强度大，不易破碎；且只利用了600℃～1200℃温度区间的钢渣余热， 热量利用率仍不高，此外，该申请案钢渣余热传递慢，处理时间需要1.5h，处理效率跟不上 钢铁连续化生产的要求。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有钢渣余热利用模式存在的：1)液态钢渣热量利用危险系数高， 易出事故；2)钢渣的热量利用率不到50％，热量利用率低；3)钢渣余热利用水资源消耗量 大，环境污染严重；提供了一种钢渣热量回收利用方法。采用本发明的钢渣余热回收技术， 在不消耗水的条件下能够有效利用液态钢渣热量区间在400℃以上的热量，液态钢渣的余热 回收范围得到扩展，提高了钢渣潜热的利用率，也节约了水资源。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种钢渣热量回收利用方法，利用碳酸盐矿物吸收液态钢渣热量，对液态钢渣 进行热量回收利用。
作为本发明更进一步的改进，碳酸盐矿物吸收液态钢渣热量通过混合或传热的方式实现。
作为本发明更进一步的改进，碳酸盐矿物和液态钢渣采用对冲法或层叠法混合。
作为本发明更进一步的改进，碳酸盐矿物和液态钢渣采用对冲法混合时，碳酸盐矿物与 液态钢渣的加料速率之比等于碳酸盐矿物与液态钢渣的质量之比，速度太慢会使钢渣热量被 浪费，速度过快易产生溅渣，导致生产事故。
作为本发明更进一步的改进，通过将碳酸盐矿物和液态钢渣置于一改进渣包中，实现液 态钢渣与碳酸盐矿物之间的热量传递；所述改进渣包包括渣包、焙烧筒和渣包盖，焙烧筒设 置于渣包内部中心位置，该焙烧筒的筒壁嵌入渣包底部；所述碳酸盐矿物置于焙烧筒中，液 态钢渣浇入渣包中；所述的渣包盖上设置有孔，该渣包盖盖于渣包上。
作为本发明更进一步的改进，所述碳酸盐矿物占碳酸盐矿物与液态钢渣质量总和的质量 百分比为15.0％～40.0％，所述质量百分比低于15.0％，对钢渣的热量利用不充分；高于40.0％ 钢渣的热量无法满足碳酸盐矿物完全分解的需要。
作为本发明更进一步的改进，所述的碳酸盐矿物为白云石、石灰石、菱镁矿、菱铁矿中 的一种或多种。
作为本发明更进一步的改进，所述碳酸盐矿物的粒度均小于200mm。
作为本发明更进一步的改进，所述液态钢渣的温度不低于1350℃，此处设定主要是为了 保证钢渣的流动性。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种钢渣热量回收利用方法，利用碳酸盐分解吸收钢渣余热，钢渣温度在 400℃以上的热量区间均能够得到高效利用，液态钢渣的余热回收范围得到扩展，钢渣潜热的 利用率达到了70％以上；同时，碳酸盐矿物的分解产物多为冶金领域普遍运用的辅料，相比 于在市场上购买这些辅料，通过购买碳酸盐矿物再使用本发明提供的方法制备得到，无疑将 在很大程度上降低钢铁冶金企业的生产成本；
(2)本发明的一种钢渣热量回收利用方法，整个过程没有任何水的参与，规避了因水存 在，发生生产事故的风险，还有利于环境保护，整个方案的实用价值很高。
附图说明
图1为本发明采用传热方式实现钢渣热量回收时使用的改进渣包结构示意图。
示意图中的标号说明：
1、渣包；2、焙烧筒；3、渣包盖。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种钢渣热量回收利用方法，选取粒度小于200mm的白云石并进行干燥混 匀。使用某炼钢厂的LF炉精炼渣，1650℃时出渣(该温度下钢渣流动性强)，将混匀干燥后 的白云石与液态钢渣采用对冲法，同时控制白云石与液态钢渣的加料速率之比等于白云石与 液态钢渣的质量之比倒入渣包中，并控制白云石占总混料的质量百分比为40.0％，将白云石 和液态钢渣混料冷却至500℃，最后对混料进行破碎，重力筛分，其中白云石分解产生的氧 化物作为冶金辅料(相比于在市场上购买这些辅料，采用本实施例的方案将在很大程度上降 低钢铁冶金企业的生产成本)；分离出来的钢渣再进行热闷，磁选，筛分等深加工。
申请人指出，由于白云石是以固态形式与液态钢渣混合，投入的白云石体积过大，将会 出现受热分解不充分或受热分解时间长的问题，本实施例选取粒度小于200mm的白云石，能 够在短时间内得到很好地受热分解，无需再进一步粉碎细化，浪费能量。同时，本实施例利 用液态钢渣倾倒的冲击力能够将白云石和钢渣混合均匀，避免了因为白云石密度比液态钢渣 低，出现白云石浮在液态钢渣上部，受热分解不充分，不能完全利用液态钢渣热量的问题。 此外，本实施例控制液态钢渣和白云石同时加入渣包中，且白云石与液态钢渣的加料速率之 比等于白云石与液态钢渣的质量之比，保持该加料速率既能够充分利用液态钢渣热量，加料 也不至过快产生溅渣，导致生产事故。还需说明的是，本实施例控制白云石占总混料的质量 百分比为40.0％，该配比能够保证白云石充分吸收液态钢渣余热，同时白云石不致产生浪费。 本实施例控制冷却结束温度为500℃，则是由于该温度下碳酸盐已停止分解，在进行重力筛 选后，还可对块状钢渣进行快速热闷，最终得到的钢渣粒度小且均匀，热闷时间也大大缩短。
本实施例利用碳酸盐矿物白云石吸收液态钢渣热量，白云石为二重碳酸盐 (CaCO3·MgCO3)，由于白云石中CaCO3和MgCO3结合成复杂化合物，降低了彼此的活度， 所以白云石中MgCO3的分解温度要比单独存在的MgCO3的分解温度高。又因为CaCO3比 MgCO3稳定，所以加热时MgCO3先分解。故白云石的分解分两个阶段：


第一个分解温度t沸＝720～780℃(MgCO3的t沸＝640℃)，第二个分解温度t沸＝900℃是CaCO3的分解温度。在第一阶段中，白云石首先被钢渣加热到720℃进行第一步反应，然后氧化镁 与碳酸钙一起被加热到900℃进行第二步反应。当温度低于900℃时，由于大气环境中CO2的含量约为0.03％，PCO2＝30.4Pa，CaCO3的开始分解温度为534℃，此时钢渣与被分解的白 云石从900℃降至534℃所释放的热量将提供给CaCO3进行分解反应。钢渣的比热容为 0.8～1.25KJ/(Kg·℃)，计算中取钢渣比热容为1.0KJ/(Kg·℃)，出渣温度为1650℃，渣量为 1.0吨。
钢渣从1650℃降温至534℃所释放的热量为：Q＝1116000KJ。由盖斯定律可得单位摩尔 白云石进行分解反应所需热量为：

计算得出ΔH1＝397.4KJ/mol，即1.0吨钢渣的热量最多能使516.7kg的白云石分解。 由此可见，本实施例利用白云石分解吸收钢渣余热，钢渣温度在534℃以上的热量区间均能 够得到高效利用，液态钢渣的余热回收范围得到扩展。
实施例2
本实施例的一种钢渣热量回收利用方法，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例 选取粒度小于200mm的石灰石并进行干燥混匀。使用某炼钢厂的转炉渣，1400℃时出渣，将 混匀干燥后的石灰石与液态钢渣采用对冲法，同时控制石灰石与液态钢渣的加料速率之比等 于石灰石与液态钢渣的质量之比倒入渣包中，并控制石灰石占总混料的质量百分比为20.0％， 将石灰石和液态钢渣混料冷却至500℃，最后对混料进行破碎，重力筛分，其中石灰石分解 产生的氧化物作为冶金辅料；分离出来的钢渣再进行热闷，磁选，筛分等深加工。
本实施例中石灰石吸收液态钢渣余热的理论分析如下：石灰石主要化学成分为CaCO3， 目前主要以方解石为主，其分解反应为：

钢渣首先快速将石灰石加热至900℃，石灰石快速分解，钢渣温度也迅速降低，当温度 低于900℃时，由于大气环境中CO2的含量约为0.03％，PCO2＝30.4Pa，CaCO3的开始分解温 度为534℃，此时钢渣与被分解的石灰石从900℃降至534℃所释放的热量将提供给CaCO3进行分解反应。钢渣的比热容为0.8～1.25KJ/(Kg·℃)，计算时取钢渣比热容为1.0KJ/(Kg·℃)， 出渣温度为1650℃，渣量为1.0吨。
钢渣从1650℃降温至534℃所释放的热量为：Q＝1116000KJ。单位摩尔CaCO3被加热到 534℃并进行分解反应所需热量为：

计算得出ΔH2＝232.1KJ/mol，即1.0吨钢渣的热量最多能使482.9kg的石灰石分解。
实施例3
本实施例的一种钢渣热量回收利用方法，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例 选取粒度小于200mm的菱铁矿并进行干燥混匀。使用某炼钢厂的电炉渣，1350℃时出渣，将 混匀干燥后的菱铁矿与液态钢渣采用对冲法倒入渣包中，并控制菱铁矿占总混料的质量百分 比为25.0％，将菱铁矿和液态钢渣混料冷却至400℃，最后对混料进行破碎，重力筛分，其中 菱铁矿分解产生的氧化物作为冶金辅料；分离出来的钢渣再进行热闷，磁选，筛分等深加工。
本实施例中菱铁矿吸收液态钢渣余热的理论分析如下：菱铁矿的主要成分为FeCO3，其 受热分解反应：

其分解温度为T沸＝673K，菱铁矿加入液态干渣后被加热到673K开始迅速的进行分解反 应，钢渣的温度也随之下降，直到温度低于FeCO3的分解温度。
钢渣的比热容为0.8～1.25KJ/(Kg·℃)，计算中取钢渣比热容为1.0KJ/(Kg·℃)，出渣温 度为1650℃，渣量为1.0吨。钢渣从1650℃降温至400℃所释放的热量为：Q＝1250000KJ。 单位摩尔FeCO3被加热到400℃并进行分解反应所需热量为：

计算得出ΔH2＝136.8KJ/mol，即1.0吨钢渣的热量最多能使1059.9kg的碳酸铁分解。
值得说明的是，实施例1～3利用对冲法将碳酸盐矿物和液态钢渣混合，其必然要解决的 问题是凝固后组织结构破碎、分离的问题。对比背景技术提到的利用液态钢渣余热还原铁矿 石的方案，本发明有一个突出的优点即在于：本发明在利用液态钢渣余热促使碳酸盐矿物高 效分解成氧化物，充分利用液态钢渣余热的同时，还利用到了碳酸盐矿物分解产生的副产物 CO2，该CO2能够在钢渣内部产生气孔，使钢渣凝固后由原本的连续组织变为一种多孔的非 连续组织，再加上碳酸盐矿物分解产生的氧化物也会使钢渣体积膨胀，该组织结构的凝固钢 渣很容易在力的作用下裂解粒化，不存在后期破碎困难的问题，大大节省了后期破碎工艺的 能源消耗，可谓一箭双雕、一物两用，充分发挥了碳酸盐矿物的作用。
实施例4
本实施例的一种钢渣热量回收利用方法，通过将碳酸盐矿物和液态钢渣置于一改进渣包 中，实现液态钢渣与碳酸盐矿物之间的热量传递(实际应用中也可以采用其他方式实现液态 钢渣与碳酸盐矿物之间的热量传递)。参看图1，所述的改进渣包包括渣包1、焙烧筒2和渣 包盖3，所述的渣包1为任一种冶金用渣包，渣包壁为耐高温保温材料。焙烧筒2设置于渣 包1内部中心位置，其结构为圆筒结构，该焙烧筒2的筒壁嵌入渣包底部。焙烧筒2的高度 与渣包1深度相同，其内径为渣包1的1/3。该焙烧筒2的壁厚为30mm，筒壁材料也为耐高 温材料。本实施例投入质量百分比占碳酸盐矿物与液态钢渣质量总和的15.0％的碳酸盐矿物 于焙烧筒2中，该碳酸盐矿物可以为白云石、石灰石、菱镁矿、菱铁矿中的一种或多种，具 体到本实施例是将粒度小于70mm的白云石、石灰石干燥混匀后投入到焙烧筒2中。所述的 钢渣则为温度1500℃的LF炉精炼渣，将该LF炉精炼渣浇入渣包1中，利用精炼渣的余热对 焙烧筒2中的白云石、石灰石进行焙烧，通过白云石、石灰石的分解吸收钢渣的热量。所述 的渣包盖3为弧形盖状结构，其半径大小与渣包1相适应，能完全罩住渣包1。在渣包盖3 上呈圆周分布有4个通孔，该通孔用于排出碳酸盐分解产生的二氧化碳。本实施例的渣包盖 3也采用绝热保温材料。
实施例5
本实施例的一种钢渣热量回收利用方法，选取粒度小于200mm的石灰石80kg并进行干 燥混匀，称取某厂LF炉精炼渣450kg，先将450kg的钢渣置于石墨坩埚中预热，再放入炉温 为1600℃的中频感应炉中融化，待钢渣完全融化后，将其与混匀干燥后的石灰石一同加入预 热渣包中混合均匀，最后将混料空冷至500℃，对混匀料进行破碎筛分。
实施例6
本实施例的一种钢渣热量回收利用方法，选取粒度小于200mm的白云石、菱铁矿和菱镁 矿，其质量百分比为1：1：1，并进行干燥混匀。称取某厂LF炉精炼渣450kg，先将钢渣置 于炉温为1600℃的中频感应炉中融化，待钢渣完全融化后，将其与混匀干燥后的碳酸盐矿物 一同加入预热渣包中混合均匀，最后将混料空冷至500℃对混匀料进行破碎筛分。
实施例7
本实施例的一种钢渣热量回收利用方法，选取粒度小于200mm的白云石、石灰石1300kg， 其质量百分比为1:1，并进行干燥混匀，称取某钢厂40吨转炉出渣4吨，1600℃时转炉出渣， 将混匀干燥后的碳酸盐矿物与炉渣采用层叠法混合，最后将混料空冷至400℃对混匀料进行 破碎筛分。
对实施例5～7进行相关检测，实验结果参看表1：
表1 实施例5～7实验结果
序号 碳酸盐分解率％ 热量利用率％ 实施例5 95.3 71.2 实施例6 81.8 70.1 实施例7 90.2 71.9
由上述实验结果可知，钢渣热量利用率很高，基本在70％以上，并且碳酸盐矿物分解率 也很高，平均达到85％以上，足以验证热量得到很好的利用。
实施例1～7所述的一种钢渣热量回收利用方法，整个余热回收利用过程没有任何水的参 与，不仅大大节约了水资源，同时规避了因水存在，发生生产事故的风险，还有利于环境保 护，能够有效利用液态钢渣热量区间在400℃以上的热量，液态钢渣的余热回收范围得到扩 展，提高了钢渣潜热的利用率，整个方案的实用价值很高。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也 只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员 受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结 构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。