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摘要：针对用传统造渣剂萤石球冶炼后的AOD精炼渣在缓慢冷却过程中严重粉化，导致后续处理时产生大量扬尘，对从业人员的身心健康造成伤害以及造成环境污染、占用大量场地等问题。以某钢厂一炼钢厂作为试验场地，对改质剂替代萤石进行冶炼试验。试验结果显示，在作用上，改质剂能够完全替代萤石，经改性后的精炼渣可风淬成形不粉化，易磨性较好，改性风淬后的精炼渣具有应用于水泥行业的条件，能够满足后续资源再利用。
关键词：AOD精炼渣；风淬；萤石球；改性
近年来，我国对钢铁行业向绿色化、高环保水平化发展的要求不断提高。工信部等八部门印发的《加快推动工业资源综合利用实施方案》对钢铁行业提出要求，工业固废产生强度明显下降，大宗工业固废的综合利用水平显著提升，再生资源行业持续健康发展，工业资源综合利用效率明显提升。
目前AOD精炼渣的处理仍采用传统的处理技术和工艺流程：渣盆盛渣→一次冷却→转运→二次冷却→翻渣→大块铁分选→球磨机破碎→手选铁分选→摇床水洗→洗钢砂分选→尾渣（高游离CaO含量，不稳定性高，难以利用）。
整个处理过程跑、冒、滴、漏严重，设备设施落后，劳动强度大，工作条件恶劣。AOD精炼渣的严重粉化导致后续处理时产生大量扬尘，对环境造成极大污染，对从业人员造成较大职业伤害。同时，AOD炉精炼渣的粉化、较高的游离氧化钙（f-CaO）含量也限制其再利用，常年累月占地面积越来越大，造成资源浪费的同时影响周边土壤及水体环境，企业付出的土地成本及维护成本也越来越高。作为AOD冶炼必定产生的尾渣，其存放量超过厂区规划时，甚至会导致冶炼停顿，严重影响生产。因此，用一种合适的改质剂替代萤石球对AOD精炼渣改性，以解决AOD炉精炼渣处置难的问题迫在眉睫。
1某钢厂精炼渣处置现状
目前，某钢材正常生产两个炼钢厂年产出尾渣至少66万吨，钢渣的尾渣是无偿赠送附近的水泥公司，由于该水泥公司也没有大批量钢渣成熟的资源化利用技术，因此致使大量的尾渣在该公司租赁的场地堆放，并且我司的3个料棚（面积25200m2）堆满了不能处理的原渣与未运离的尾渣。不仅没有经济效益，还需要花费大量的资金进行环保堆存。
钢渣传统处理工艺是使用渣盆承装AOD倒出的液渣，堆放冷轧后通过渣盆转运至渣厂，完成后续的渣钢回收工作。该处置工艺需要配置大量渣盆，以满足生产需求。当前该司共配置渣盆2200余个，合计重量约2万吨，价值1.4亿元～1.6亿元，是一笔庞大的资金占用，并且每年报废和维修的渣盆150个～200个，需采购相应数量的渣盆，投入费用超700万元。
2 AOD精炼渣粉化原理
为保持AOD不锈钢渣的均匀性和流动性，不锈钢渣平均温度高达1650℃以上，且渣的碱度一般在2.0以上，此时渣中的CaO和SiO2主要以2CaO•SiO2形式存在，物相为α-C2S。由于3CaO•SiO2仅存在于1250℃~1900℃之间，随着温度的降低3CaO•SiO2会分解，故冷却后的不锈钢渣主要以2CaO•SiO2和游离氧化钙（f-CaO）形式存在。随着钢渣的冷却，渣中的2CaO•SiO2发生相变，在1420℃时形成α'-C2S相，最终在850℃时转变为γ-C2S相。且由于最终相γ-C2S的密度值为2.97g/cm3，而α'-C2S相的密度值为3.31g/cm3；所以，2CaO•SiO2在α'-C2S向γ-C2S转变过程中，体积增加约11.45%，这就是导致AOD不锈钢还原渣在冷却过程中粉化扬尘的主要原因。
3抑制AOD精炼渣冷却粉化试验研究
AOD精炼渣粉化的主要原因是2CaO•SiO2在冷却过程中由α'-C2S向γ-C2S所致。但如果对热态钢渣急冷可使α'-C2S向β-C2S转变，而β-C2S密度3.28g/cm3与α'-C2S的接近。因此，如果使用一种改质剂可以促进α'-C2S向β-C2S转变，那么就可以很好的抑制粉化。当前，AOD冶炼不锈钢到还原期造渣完成后，加入萤石（CaF2≥80%）作为助溶剂，CaF2能与炉内高熔点的2CaO•SiO2（熔点为2130℃)反应，生产低熔点化合物3CaO•CaF2•2SiO2（熔点为1362℃),从而可以在短时间内快速改善渣的流动性，有利于倒渣作业，但渣易粉化。
本次实验分两部分进行，一是AOD改质剂代替萤石球作助溶剂；二是精炼钢渣自然冷却后的形态变化，精炼钢渣熔融状态下风淬后的形态变化。
3.1方案一
以生产某钢厂CJ5L钢种为实验目标，氧化期冶炼操作不变，还原期冶炼工艺如下，加（Fe-Si合金、Mn-Si合金、萤石球），纯吹Ar时间5min～7min（严禁N2、O2气进入炉内）确认合金及渣料化好后，摇炉至喷枪露出钢水时切断主回来气体，取试样做分析，将炉体摇至指定位置扒渣90%以上，扒渣速度要快，不得带钢水）测温，T=1550℃~1650℃,如果S高，加入CaO量3千克/吨钢、萤石适量1.5吨～1.7吨，调整出钢渣，送主回路气体，纯吹Ar搅拌4min。根据予还原期成分结果，调整钢水成分至控制目标。试验方案一为改质剂代替萤石球作助溶剂，即加萤石球改加改质剂。
采用的AOD炉改质剂是利用铁酸钙的低熔点（1050℃)实现快速熔化，以萤石为基础，同时辅以氟化工中间产物（氟化络合物，以F、Ca、Mg为主要，少量Al）改善，再配以含Li2O材料加速熔解，从而达到完全化渣的效果。按照耐火材料高温检测方法，AOD炉改质剂经过1100℃×60min高温处理后的烧失率≤1%，说明其在熔化后的挥发分极低，本次试验以炼钢一车间厂AOD炉作为试验设备，开展AOD炉改质剂全部替代萤石球作为AOD还原期渣剂。AOD炉改质剂约24吨，试验10炉～20炉，约产生200吨～300吨经过改质处理的AOD精炼渣。AOD精炼渣改质剂炉内使用方法如下：①吨钢加入量。23千克/吨～28千克/吨，根据化渣情况逐步调整，从高位料仓加入。②使用方法。A按照铁水成分、温度、废钢量、目标钢水成分计算合金、石灰加入量，确定萤石球基础加入量；B氧化期按原工艺进行；C进入还原期时，按工艺加入各种还原合金。加入改质剂，侧吹氧枪供氧2min，视炉内温度适当补足温度；D其余按照正常的还原工艺及出钢操作进行。E应急预案。料仓内准备充足萤石球备用，若以上方案不能达到试验目的，渣稍偏黏，补加100kg～200kg改质剂重新搅拌再还原；渣黏度较大，加硅铁及萤石球重新送氧升温再还原。
3.2方案二
（1）AOD精炼渣粉化对比测试。取相同钢种，使用与未使用改质剂炉次的还原渣进行对比。试验前，炉台上准备一铁质容器，作为对比区域，操作人员做好防护，取一勺液态还原渣，倒入铁质容器，冷却至常温后，观察还原渣粉化情况，记录颗粒与粉尘的大致比例。
（2）AOD精炼渣快速冷却测试。①进行试验前，准备一根带开关的高压风管及铁质半密闭容器，作为快速冷却设备。调整高压风管的吹向，保证半密闭容器不外溢；②操作人员做好防护，取一勺液态精炼渣（前期及还原渣），开启高压风管后缓慢倒入半密闭容器，重复以上步骤2次～3次；③冷却至常温后，完全收集半密闭容器内精炼渣，混合均匀以备后续测试。
3.3数据收集与试验评估
收集样品送往钢铁研究总院工艺所、华润水泥检测中心、湖北省建材产品质量监督检验站等专业单位进行分析和应用评价。数据收集与试验评估包含但不限于以下项目：①AOD还原期炉内成渣情况、还原渣金属及非金属氧化物情况。②记录并评估试验炉次改质剂的单耗、渣况、粉化情况。试验炉次精炼渣冷却后运至渣场，单独堆放。冷却后倒出，不与其他渣混合，以便后续样品取用。③样品的物性、矿相、性能指标检测、应用性进行委外处理。
4试验过程及结果分析
4.1 AOD改质剂替代效果
2023年9月～12月进行了数次AOD改质剂的扩大试用，在现有冶炼条件、不改变冶炼工艺、不增加冶炼成本的条件下，AOD改质剂取得了100%替代萤石球的功效，较前期试验有明显提升。
对某不锈钢厂的精炼钢渣取样做了XRD分析，分别取原钢渣样（1#渣样）和试验渣样（每个3炉取一个样，标记为2#、3#、4#渣样）。从分析结果可以看出，某不锈钢厂的AOD不锈钢精炼渣中1#渣样的主相为2CaO•SiO2相，且均为γ-C2S相。这主要是AOD不锈钢原渣在冷却过程中，2CaO•SiO2相发生了α'-C2S向γC2S转变，体积膨胀13.5%，造成了不锈钢原渣在冷却过程中的粉化。从2#、3#、4#渣分析结果中可以看出，试验渣样中的CaO和SiO2主要以3CaO•2SiO2相和CaO•SiO2相存在，不存在2CaO•SiO2相，也就不会发生α'-C2S向γ-C2S转变，钢渣呈块状未发生粉化。这主要是由于使用改质剂100%代替萤石球加入AOD中化渣，降低了钢渣的碱度，使钢渣冷却过程中CaO和SiO2形成3CaO·SiO2相和CaO·SiO2相，而无2CaO•SiO2相。从2#、3#、4#渣结果可以看出，试验渣样中的2CaO•SiO2相主要以β-C2S相存在，说明试验样组元的不锈钢精炼渣在冷却过程中，2CaO•SiO2相发生转变，抑制了不锈钢渣的粉化，达到初步设想结果。
此次使用改质剂代替萤石球实验，实验钢水在连铸分多个批次浇注，共在15炉，合计产出CJ5L钢坯45块，使用AOD改质剂炉次的钢坯质量均合格。这些钢坯经正常的热轧轧制成2.4mm～3.0mm厚度的卷材及固溶处理后，钢卷表面质量及内部夹杂物含量均与使用萤石球的钢卷一致。因此使用AOD改质剂对钢坯及钢卷的质量无不良影响。AOD改质剂具备在同等冶炼条件下100%替代萤石球化渣的功效。
4.2精炼渣改性后风淬的目的及效果
4.2.1风淬的目的
风淬是一种通过快速淬火来稳定炉渣的干式粒化方法，该方法利用高温液渣分子间引力较小，使用较少能量就能将其分开的基本原理，用高速气流对高温液渣流进行冲击，使其破碎为细小液滴。随气流方向飞行过程中因表面张力作用，液滴收缩为球形并逐渐凝固。将液渣进行风淬就是为了得到可作为水泥混凝土熟料添加剂、铸造用砂、减振材料和建筑用砂等的原材料。使改性后的炉渣从块状转变为颗粒状，更有利于后续资源化利用。
4.2.2风淬的效果
本次对AOD试验改质剂的精炼液渣进行风淬试验，试验前，准备一根带开关的高压风管、一根取液渣勺、一个铁质半密闭漏斗容器和一块挡渣板，作为快速冷却设备。调整高压风管的吹向，角度固定为45°,半密闭漏斗容器放置在高压风管的正上方，并保证液渣流下时正好被高压风吹到；操作人员做好防护，用样勺从AOD炉口取一勺液态精炼还原渣，开启高压风管后缓慢倒入半密闭漏斗容器内，留下的还原期液渣被高压风吹至挡渣板上并掉落。以上操作重复多次，直至足够后续检测样品及留存样品的数量。为验证风淬的效果，需要随机多抽几个炉次的液渣进行风淬。
风淬作业完成后，对精炼渣成形率进行目视检查，其液渣成型率达到90%以上，掉落的精炼渣呈现为大小不一的颗粒状，风淬后渣粒呈灰绿色，近似圆球状或圆柱状，小部分熔融颗粒黏结成块，无明显细粉。
对风淬后的渣样进行XRD分析，与加萤石球的原渣对比发现，风淬后的渣中2CaO•SiO2相大幅减少。这是由于风淬为液渣冷却提供了非常快速的冷却速率，使液渣冷却凝固时间大大缩短，α'-C2S相在晶型转变温度段（790℃~860℃)停留的时间很少，因此，由α'-C2S相向γ-C2S的转变受到抑制，炉渣冷却过程中体积变化较小，粉化性能等到进一步改善。
由试验情况可看出，对改性精炼渣风淬样取样混合均匀进行粒度分析检测，粒径>3mm占比31.38%，<3mm占比68.62%。精炼渣可采用风淬工艺处理，改性后的精炼渣风淬成形率高达90%以上，粉化率较低。后期在风淬设备后采用二次冷却设备，风淬渣成形效果将进一步提升。
4.3委外样品分析结果
选部分取AOD改质剂改性后的风淬精炼渣，送至钢铁研究总院工艺所、华润水泥检测中心、湖北建材监督检验院进行样品的物性、矿相、性能指标检测、应用性评估等方面的检测。根据检测报告得知：
（1）钢渣中游离氧化钙（f-CaO）含量越高，钢渣的稳定性越差，不利于再利用。改性风淬精炼渣中游离氧化钙（f-CaO）含量0.35%，低于《GB/T 21372～2008硅酸盐水泥熟料》中对游离氧化钙（f-CaO）≤1.0%的标准，满足应用于水泥行业的基本要求。
（2）选用Φ500×500小型水泥试验球磨机，磁性除铁后经过球磨，过0.9mm标准筛后测量其粒度。球磨35min粒度达到约0.08mm筛余小于4%，球磨45min粒度达到约0.045mm筛余小于8%，均能达到水泥行业对应用材料的粒度要求。同时对普钢钢渣、粒化高炉渣、改性风淬渣进行细磨比较，均采用Φ500×500小型水泥试验球磨机球磨。球磨35min粒度达到约0.08mm筛余分别为85%、96%和96%；球磨45min粒度达到约0.045mm筛余分别为78%、90%和92%。改性后的精炼渣经过急冷，自然破碎成小颗粒。内部因温降形成应力集中，降低了颗粒结合程度，降低粉碎难度提高了易磨性。从现有的数据看，改性精炼渣的粉磨功耗低于普钢钢渣粉磨功耗，与粒化高炉渣粉磨功耗接近。
（3）改性后的精炼渣易磨性较好，利用机械激发将其粉磨，可大幅提高其活性，达到作为活性混合材用于水泥、混凝土生产中。选取AOD改性后的风淬精炼渣，采用Φ500×500小型水泥试验球磨机球磨35min，经湖北建材监督检验院和华润水泥检测分析，结果为，比表面积353m2/kg（标准≥350m2/kg），流动度99%（标准≥95%），钢渣粉活性82%（标准≥80%），粉煤灰活性81（标准≥70%）。结果表明，改性风淬精炼渣的测试结果，满足《GB/T 20491-2017用于水泥和混凝土中的钢渣粉》《GB/T 1596-2017用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定的代用材料的指标要求，可应用于水泥、混凝土行业。
5结论
经过AOD冶炼试验结果分析可得，AOD改质剂可100%替代萤石球作为炼钢化渣剂，且对冶炼工艺、冶炼成本、钢坯质量无不良影响。改性后的精炼渣可风淬成形不粉化颗粒，粒化率90%以上。风淬处理后的改性精炼渣易磨性较好，能够为后续再利用提供有利条件。经检测，经过改质剂处理的AOD精炼渣，f-CaO/%（游离CaO）含量≤1.0%，风淬冷却至室温后长期存放不粉化；改性风淬后的精炼渣满足《GB/T 20491-2017用于水泥和混凝土中的钢渣粉》《GB/T 1596-2017用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定的代用材料的指标要求，具备应用于水泥行业的条件。后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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基于AOD冶炼的改质剂替代萤石球作为还原期渣剂的试验研究论文
人参与 2025-06-12 10:54:11 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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