高炉矿渣的简介

高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。在高炉冶炼生铁时，从高炉加入的原料，除了铁矿石和燃料(焦炭)外，还要加入助熔剂。当炉温达到1400一1600℃时，助熔剂与铁矿石发生高温反应生成生铁和矿渣。高炉矿渣是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁中的杂质组成的，是一种易熔混合物。从化学成分来看，高炉矿渣是属于硅酸盐质材料。每生产1t生铁，高炉矿渣的排放量随着矿石品位和冶炼方法不同而变化。例如采用贫铁矿炼铁时，每吨生铁产出1．0一1．2t高炉渣；用富铁矿炼铁时，每t生铁只产出0．25t高炉渣。由于近代选矿和炼铁技术的提高，每吨生铁产出的高炉矿渣量已经大大下降。

矿渣是在高炉炼铁过程中的副产品。在炼铁过程中，氧化铁在高温下还原成金属铁，铁矿石中的二氧化硅、氧化铝 等杂质与石灰等反应生成以硅酸盐和硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经过淬冷成质地疏松、多孔的粒状物，即为高炉矿渣，简称矿渣。

分类

矿渣可采用不同的方法来分类，其中根据碱性氧化物（CaO+MgO）与酸性氧化物的比值M，可以将矿渣分为碱性矿渣（M>1）、中性矿渣（M=1）和酸性矿渣（M<1）；

根据冶炼生铁的种类可分为铸铁矿渣（冶炼铸铁时排出的渣）、炼钢生铁矿渣（冶炼供炼钢用生铁时排出的渣）和特种生铁矿渣（用含有其它金属的铁矿石熔炼生铁时排出的渣，如锰矿渣、镁矿渣）；再根据冷却方法、物理性能及外形，可以分为缓冷渣（块状、粉状）和急冷渣（粒状、纤维状、多孔状和浮石状）。

钢铁工业是基础工业之一，在国民经济中起到举足轻重的作用，同时也是高能耗、高排放行业，因此节能减排一直是钢铁行业技术进步的主旋律。

我国是钢铁的生产和消费大国，21世纪以来，我国的钢铁工业迅速发展，2019年我国的粗钢产量为9.96亿吨，占全球粗钢产量的53.3%。随着钢铁产量的增加，产生的固体废弃物也越来越多，在高炉炼铁中，每生产一吨生铁就会产生300~500公斤的废渣[1-3]。

目前高炉渣的利用方式有很多，包括用于筑路、水泥、混凝土骨料、矿渣棉、和微晶玻璃等。中国有90%以上的高炉渣用于制作水泥[4]。

对高炉渣的综合利用不但能减少工业固体废弃物的污染、保护环境，而且能够创造出优质的产品，产生良好的经济效益。因此，对高炉渣的处理和再利用是实现我国钢铁行业绿色发展和循环经济的重要途径之一。

高炉渣的处理方式包括水淬法和干渣法两种。水淬法就是将熔融状态的高炉渣倾倒于水中急速冷却，并使其在热应力作用下粒化。

经水淬后得到的渣粒绝大部分（95％以上）为非晶态，是优良的水泥掺合料，这一途径实现了高炉渣的大宗消纳。干渣法是利用炉渣与空气等传热介质直接或间接接触，在不消耗新水的条件下进行热交换。

目前干渣法还处于试验研究阶段，在世界上还没有形成工业化。

二、水淬法高炉渣处理工艺

在高炉生产中，水淬法是最简洁、高效的渣处理方法，目前的水淬法包括拉萨法（RASA）、图拉法（TYNA）、明特法（MTC）、底滤法（OCP）、因巴法（INBA）[5]。

1. 拉萨法

拉萨法的处理工艺是由英国的RASA公司和日本的钢管公司一起研发的，在1967年首次应用于日本福山钢铁的1号高炉（2000m3）。

在国内第一家应用该技术的企业是上海宝钢。其工艺流程为高炉渣由渣沟倒入冲制箱进行水淬，之后进入粗分槽；

渣浆泵将渣送进脱水槽进行脱水处理，将渣粒送至沉淀池，经沉淀后的渣粒再次送入脱水槽；沉降池中的水经过冷却处理后再返回去进行冲渣处理，以此形成循环利用。

2. 图拉法

图拉法首次应用在俄罗斯图拉厂的2000m3的高炉上。国内首次应用的厂家是首钢。其工艺流程为采用圆筒形的转鼓对渣进行脱水处理。

首先转鼓带动四周的筛板旋转把渣水混合物带上来，在外壁的滤网处进行脱水。然后将落在转鼓内接料罐中的渣通过胶带机传送到渣料场。

3. 明特法

明特法最早应用于首钢3#高炉（2536m3）上，该工艺是由北京明特克冶金炉技术有限公司和首钢联合研制的。

明特法采用螺杆旋转的方式将储渣池底部的渣向上传送，渣的脱水过程通过重力和螺杆片对渣的旋转力和挤压力的共同作用下完成。

脱水后的渣被搅拌器的凹槽输送到皮带传送系统上，再到残渣场。渣池中的冲渣水经过过滤器过滤后在排渣泵的作用下回送至渣水系统，实现整个排渣系统中水的闭路循环。

4. 底滤法

底滤法的工艺流程为：当炉渣进入炉渣沟并落到底部时，高压水流立即将其击碎，矿渣经水淬后被冲到矿渣池，抓斗将矿渣吊起进行脱水，矿渣池中的水经过滤池过滤后经水泵送到冷却塔，形成循环利用。该冲渣工艺中的水压：0.3～0.4MPa；渣水比为 1:10～1:15，水渣含水率为10%～15%[6]。

5. 因巴法

因巴法是20世纪80年代由比利时西德玛公司与卢森堡公司联合研发的一项熔渣处理工艺。我国于1991年6月首次应用于宝钢2号高炉上。

因巴法的工艺流程为：熔渣从渣沟流向重制箱，被里面的高压水水淬后进入渣沟，经分配器、缓冲槽进入滚筒过滤器进行过滤，脱水后的渣经皮带机运出，然后由外部皮带机运送到储渣槽内。

因巴法有冷INBA、热INBA和环保型INBA之分。3种因巴法的炉渣粒化、脱水的方法均相同，都是使用水淬粒化，采用转鼓脱水器脱水，不同之处主要在水系统。

冷INBA水系统中设有冷却塔，粒化水冷却之后再进行循环；热INBA中没有冷却塔，粒化水直接进行循环；

环保型INBA水系统中分粒化水和冷凝水两个系统，冷凝水系统主要用来吸收二氧化硫、蒸汽、硫化氢。与冷、热INBA比较，环保型INBA最大的优点是硫的排放量很低，它把大部分硫转移到循环水系统中。

三、干渣法高炉渣处理工艺

1. 滚筒法

滚筒法分为双滚筒法和单滚筒法。双滚筒法由日本NKK公司研究开发[7]，它的主要技术原理是将1400℃的熔渣倒进两个反向转鼓，经过转鼓的旋转作用将熔渣粒化并同时进行热交换，经冷却后的渣温度约900℃，生成的蒸汽经回收后用于蒸汽发电。NKK在福山4号高炉上进行了工业试验，渣玻璃化率达95%，热回收率达40%。

单滚筒法是由日本住友金属公司与石川岛播磨重工于20世纪80年代联合开发的。其工艺原理为：熔渣从一定的高度落下撞击到旋转的滚筒表面而被粒化，之后进入固体介质的流化床进行热交换。此工艺热量回收效率较低，处理能力小，因此至今未能实现工业化应用。

2. 风淬法

风淬法的技术原理是熔融态的高炉渣在高速的气流冲击下被喷射粒化，粒化渣在余热回收设备里进行换热冷却，收集的显热用于蒸汽发电。

此方法在日本、德国、瑞典、韩国等国家均有研究，其中日本新日铁、川崎制铁、住友金属等公司联合进行了高炉渣风淬粒化试验[8-10]。

国内也有一些风淬法相关研究。王子兵[11]等人以高炉熔渣为热源，以空气为风淬介质，以空气和水作为换热介质，利用回转式冷渣机，进行高温渣粒余热回收试验。该工艺将粒化与余热回收分开，大大减少动力消耗。

研究调质剂比例、风淬压力和喷嘴结构对系统热回收效率的影响。刘振超[12]通过建立数学模型研究了高炉渣的气淬成珠原理，利用热力学模型和实验探究了颗粒在空气中的换热过程和成珠效果。

研究表明，喷嘴直径、气体的流量和压力、高炉渣表面张力和粘度等都会影响成珠过程，据此确定了最佳工艺条件。李书磊[13]等人根据高炉熔渣具有巨大显热的特性，设计了一种通过风淬粒化、余热锅炉回收余热的新工艺。该工艺不仅余热回收率高，而且具有结构简单、不消耗新水、有害气体零排放等多种优势。

3. 离心法

转杯粒化法

转杯粒化工艺是由英国的Pickering[14-15]等人在上个世纪80年代提出的。主要工艺流程为：高温熔渣进入高速旋转的转杯，在离心力和表面张力的共同作用下熔渣沿半径被甩出并形成颗粒，同时转杯周围的环形空气射流使渣膜产生不稳定的波动，进一步促进熔渣的破碎粒化。

粒化渣撞击粒化室内壁，与水管中的冷却水进行热交换，然后反弹进流化床再次进行热交换。该方法粒化渣玻璃相大于95%，性能优于水淬渣，但设备复杂，控制起来较为困难。

Mizuoehi[16]等人研究了转杯形状、转速、熔渣粘度、气流速度等对高炉渣粒化的影响。结果表明，具有浅薄边缘和平缓内壁的转杯更有利于粒化；转杯的转速越大，渣粒的平均尺寸越小，当转速为3000r/min时，渣粒尺寸<1mm，形状多为球形；粘度增大，粒化效果变坏，同时增加气流速度将有利于高炉渣的粒化。

转盘粒化法

转盘粒化原理与转杯粒化相似，依靠转盘旋转的离心力将熔渣甩出粒化。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)研究了转盘干法粒化的原理[17]，优化了工艺流程。

2015年，北京中冶设备研究设计总院有限公司与CSIRO合作进行转盘粒化的工业化试验，目前已经建成了处理量30t/h的粒化设备，运行效果良好。

该技术采用两步法工艺，第一步是采用特殊设计的气流旋转式粒化装置，对熔渣进行离心粒化与余热一次回收，即借助转盘的离心力对高炉渣进行干法粒化处理并利用一次冷却风进行快速冷却和一次余热回收；

第二步是已凝结的高炉渣粒冷却和二次余热回收，进一步提高余热回收率，既采用特殊设计的具有缓冲功能的回转式逆流余热回收装置进行二次余热回收。

转筒粒化法

2010年日本京东大学的Kashiwaya[18]等人开发了转筒粒化工艺，其工艺流程为：将高温熔渣从旋转的转筒中心注入筒身，筒身侧面设有喷嘴装置，在离心力作用下熔渣被挤入喷嘴，并以一定的速度喷出。

转筒分为双喷嘴和多喷嘴两种形式。此工艺生产的产品多为玻璃相球体，具有较高的球形度。

四、高炉渣处理技术的发展趋势

目前钢厂对高炉渣普遍采用水淬粒化的“湿法”处理，然后用作生产水泥的原料。但是，这种“湿法”处理存在以下三个突出问题：

1）“湿法”处理过程中消耗了大量水资源。为保证渣与水充分接触，对冲渣水的用量有一定要求；同时，在与高温渣的接触过程中，还有水的大量蒸发耗散，需要相应补充新水。据测算，处理1吨渣约需消耗新水1吨，循环用水10吨；

2）水淬过程中伴有SO2和H2S等酸性气体污染物的排放。在高温熔渣与水接触的过程中，发生相应的化学反应，产生SO2和H2S等污染物。根据国内高炉渣的水淬处理量估算，每年水淬处理过程中排放气体污染物约40万吨；

3）渣所含高值显热得不到有效回收利用，能源浪费巨大。采用水淬工艺处理后，熔渣的高值显热被转化成冲渣水的低温余热，只能用于冬季供暖等方式由此每年造成了熔渣所带大量高品质热能（折合上千万吨标煤）的损失和浪费。

“干法”处理是利用空气与高温炉渣进行直接接触和热交换。与水淬法相比较，“干法”处理既节省了大量水资源，又避免了因水与炉渣接触产生有害气体，特别是可以实现熔渣高品质余热的回收。因此，干渣法处理技术是高炉渣处理技术的未来发展趋势

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