铁钢渣处理技术的发展与钢铁行业的节能减排
本文概述了冶金渣的产生、分类及其对钢铁企业节能减排的影响，分析了影响渣处理工艺的关键因素，简要介绍高炉渣处理技术及应用，重点介绍了转炉渣处理技术的几种典型工艺及其特点，针对转炉熔渣的性质和传统工艺所面临的技术困境，阐述了宝钢BSSF技术的工艺原理、特点和技术优势，最后就冶金渣处理技术发展方向进行了思考与展望。
1 前言
钢铁生产会产生大量的冶金炉渣。这些炉渣处理的好坏不但直接影响钢铁行业的节能减排，也与我们的生活环境和社会的可持续发展息息相关。在铁矿石资源日益匮乏、能源成本高涨、环保压力剧增的今天，如何高效环保地处理、利用冶金渣是一个世界性难题，也是钢铁行业实现循环经济，践行环境经营亟待解决的一个重要环节。
2 冶金渣的产生、分类及渣处理的影响因素
冶金渣是指炼铁和炼钢过程中产生并排出的以Ca、Si、Al、Fe、Mg、Mn、Ti等氧化物为主结合成的结晶或非结晶形态的化合物组成的。
按照来源分，冶金渣主要有两大类：高炉渣和钢渣。其中高炉渣是高炉冶炼铁水过程中所排出的由矿石中的脉石、焦炭中的灰分及助熔剂等形成的以硅酸钙与硅铝酸钙为主要成分的渣，也是企业最多的冶金渣资源，约占工业固体废弃物总量的41%；钢渣是在转炉、电炉或精炼炉熔炼过程中所排出的由炉料中的杂质、造渣材料等熔化形成的以CaO、SiO2、Fe2O3、MgO等氧化物为主，有时还含有少量氟化物、硫化物及碳化物的渣，产生量约占工业固体废弃物总量的24%。
冶金渣不仅富含Ca、Si、Fe、Mg、Al、P等有价元素，而且蕴含大量的热能，1吨1400～1500℃的高温炉渣所蕴含的热能相当于60kg标煤，是一种宝贵的次生资源。积极开发和应用先进有效的处理技术和资源化利用新技术，提高冶金渣利用率，最终实现钢铁工业固体废弃物的“零”排放，是钢铁企业节能减排、实现可持续发展的关键。
简言之，渣处理就是要实现环保清洁化，并回收利用渣中的资源。可分为热态处理和冷态加工两个环节，前者是指将熔融钢铁渣处理成常温固体渣的过程；后者是指将固体渣加工成各种不同粒度和金属含量的渣钢和尾渣产品的过程。经上述工艺处理后的渣称为钢铁渣产品，可返回冶炼工艺、作为建材在建筑工程中使用。
影响渣处理的关键因素是冶金渣的温度和组分，这两项因素对冶金渣的流动性影响很大，直接决定了冶金渣的热态处理工艺。不同的热态处理工艺又直接影响渣产品的性能，进而又决定了其利用价值的高低。因此，热态渣处理技术不仅事关钢铁厂的环保，更对冶金渣的资源化利用影响很大。
3 高炉渣的处理技术及应用
高炉渣的处理工艺主要包括干法和湿法两类。干法用的很少，生产中一般采用的是湿法，即水淬粒化工艺，处理的高炉渣量约占总渣量的97%。湿法比较成熟的主要是INBA法、图拉法。
（1）INBA法的处理工艺为卢森堡PW公司与比利时西德玛（SIDMAR）公司共同开发的炉渣处理工艺（亦称回转筒过滤法），是用高压水快速将熔渣水淬、渣水混合物经转鼓脱水、皮带运出的处理方法。
（2）图拉法炉渣处理工艺因首次应用在俄罗斯图拉厂2000m3高炉上，故称其为图拉法。特点是采用粒化轮＋脱水滚筒。图拉法渣处理工艺主要分为炉渣粒化、冷却，水渣脱水，水渣输送与外运，冲渣水循环等。
高炉渣处理是炼铁生产的重要一环，选用时应从技术先进性、投资大小、系统安全性、环保、成品渣质量、系统作业率、设备检修维护、占地面积等诸方面情况综合考虑。就目前来看，图拉法安全性能最高，INBA法在技术上最为成熟。所以，实际应用这两种工艺的高炉也比较多。
高炉渣资源化利用主要应用于建材、环保和农业领域。由于高炉渣的性能和水泥很接近，高炉渣微粉化一直是高炉渣高附加值利用的重要途径。目前，我国高炉渣的资源化利用率已达95%以上，但炉渣的余热资源一直没有得到很好的利用。因此，如何把高炉渣的处理与余热利用有机结合起来将是高炉渣处理技术的发展方向。
4 钢渣的处理技术及应用
钢渣是转炉、电炉在炼钢过程中产生的高温熔渣，其最大特点就是成分比较复杂，流动性千差万别，性能不稳定，处理过程易爆炸，处理技术发展缓慢。作为一种高温冶金排放物及次生资源，不同的处理工艺对钢渣性能影响巨大，钢渣处理技术是钢渣资源化利用的关键和核心。
下面是国内外几个比较典型的炼钢熔渣处理工艺流程。
（1）热泼法工艺流程
渣场泼渣→喷水冷却→装载外运→钢渣堆放陈化一年以上方可进行后续处理，其原理是水冷固化。热泼法工艺是国内外渣处理主流工艺之一。包括欧美国家在内的国内外大多数钢厂目前还在采用该工艺，它的优点是渣罐排渣快；缺点是流程长、污染大、易形成渣山。
（2）浅盘法工艺流程
浅盘泼渣→喷水冷却→渣池泡渣→装载外运→堆放陈化一年方可后续处理。包括新日铁在内的日本大多数钢厂采用该工艺，宝钢建厂初期也引进了该工艺，它的优点是渣罐排渣快；缺点是流程长、投资大、运行成本高。
（3）闷罐法工艺流程
自然冷却→闷罐进渣→加盖喷水热闷→装载机出渣→后续处理。该工艺优点是利用钢渣余热使钢渣粉化，部分渣钢分离；缺点是钢渣需罐外冷却到800℃以下，处理过程需多次装载，污染大，闷渣时间长达16～24h，投资大，占地大。
由于转炉钢渣1400℃的高温和粘度波动大，传统的渣处理工艺均采用开放式操作，粉尘污染严重，渣冷却时间长。为了配合快节奏的炼钢生产，传统处理工艺都采用多坑（盘/罐）串联布置、间歇受渣的处理方式。其原理是先自然冷却，然后洒水缓慢静态渗透，使其自然裂解，最后长期堆放后再破碎磁选，金属回收率低、渣钢品位不高，尾渣不能较好地综合利用。这些渣处理工艺严重滞后于炼钢工艺的发展，安全性差、污染大、流程长、资源化程度低，严重困扰着钢铁企业的生产和生存。
为走出传统渣处理工艺的技术困境，宝钢于1995年启动了新型渣处理技术的研发，经过12年持之以恒的努力，一项集安全、环保、资源化于一体的炼钢熔渣快速粒化新技术——宝钢BSSF渣处理技术，终于研制成功。该技术的工作原理是熔渣在一个密闭容器中通过多介质分区分级急冷、固化、碎化三个工艺过程，实现破碎和渣钢分离同步完成，如图1所示。
在这个工艺过程中，由于熔渣与钢水冷却的收缩率不同，因而互不包容；同时熔渣的处理是在滚动的介质中进行的，熔渣无法包裹水形成密闭空间，所以不会发生爆炸，安全性好；在处理过程中，滚动的工艺介质将熔渣充分地颗粒化、同时冷却水又将游离氧化钙消解，因此渣的稳定性好。
BSSF工艺系统组成如图2。
和传统工艺相比，BSSF工艺具备如下特点：
（1）清洁环保
实现了渣处理的清洁化生产，废水“零”排放；尾气集中排放，经过简单的喷雾除尘后，含尘量可控制在50mg/m3（标.干）以下，满足国家标准，环保优势令人瞩目。
（2）渣钢分离良好
经过BSSF工艺处理后的钢渣呈颗粒状，细小且均匀，大都处于0.3~10mm范围内。由于渣粒细小，渣和钢剥离良好，粒子钢适合在线磁选，节省了后续工艺上千万的投资，而且渣钢的品位和回收率都远高于传统工艺。
（3）成品渣稳定性较好
由于BSSF是急冷破碎工艺，钢渣中原有的不稳定成分――游离氧化钙，大都得到有效消解，形成稳定的氢氧化钙相，为钢渣的高附加值和直接深度资源化利用开辟了广阔前景。
宝钢钢渣经BSSF处理后，100%直接循环利用，可广泛应用于冶金及建材领域，如返回高炉或转炉、水泥原料、微粉、商品砂浆、耐磨地坪、透水路砖等。
由于BSSF技术实现了渣处理生产的安全化、连续高效化、环保资源化，构成了21世纪可循环钢铁生产流程的新一代炉渣处理技术，实现了渣处理和炼钢节奏的协调和匹配，得到了国内外同行和社会的广泛认同和赞誉。已在宝钢集团以及马钢、印度JSW等国内外大中型钢厂推广应用，对国际钢铁业巨头韩国浦项的技术输出也在进行中。此外，该技术还获得2007年度国家技术发明奖。
5关于渣处理技术发展方向的思考与展望
宝钢渣处理技术成功的关键在于有一个钢渣源头治理的理念，围绕这一理念，在BSSF技术的基础上，宝钢提出了“冶金渣热态处理技术及综合利用技术”的学科建设及发展目标，集冶金、环保、余热利用、材料加工与利用等学科于一体，以冶金渣的热态处理及利用为核心，涵盖以下几方面内容：
（1）BSSF处理技术的深度扩展
从钢渣开始对BSSF技术横向扩展，在钢渣处理技术的基础上，开发钢包渣、精炼渣等全冶金渣系的处理技术，做到BSSF技术的全覆盖。
（2）冶金渣的余热回收及利用技术
重点开发高炉渣的余热回收技术。
（3）高温冶金渣直接产品化技术
利用熔渣的高温特性，对冶金渣进行调质处理，直接生产产品。例如利用热态高炉渣直接生产矿棉或微晶玻璃，将冶金渣的余热利用和高附加值资源化有机结合起来，真正将冶金渣开发成钢铁厂的二次资源和新的利润增长点，不但对企业，也对整个社会的节能环保意义重大。
（4）基于冶金渣热态处理的以废治废技术
热态钢渣的处理过程要消耗大量的冷却水，对水质的要求不高，而且是循环使用。根据这一特点，如果能将钢铁厂倍感头疼的有机废水，如焦化废水用于热态冶金渣的处理，无疑是一件很有意义的事情；同时，渣处理过程产生的大量碱性废水又是脱硫工艺所需要的。如何把两个工艺有机结合起来，对钢铁厂的废水废气治理是一条新路。
渣处理技术决不仅仅是BSSF技术，是集环保、节能、资源化于一体的技术，围绕冶金渣的热态处理和利用，其内涵和外延都是巨大的 ——领域化、系统化、持续的创新和开拓，无疑是宝钢实现技术精品战略的必由之路！作为绿色钢铁的主要一环，冶金渣处理技术在自身不断超越发展的同时，还需要不断迈向钢铁厂所有含铁固废的热态处理，把钢铁厂的固废逐渐剥离为游离金属以及各种炉渣，真正把固废资源化，无疑是一个值得探索的方向和思路。
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