陈亚团
（酒钢集团 甘肃嘉峪关 735100）
摘要：说明了钢渣的特点、钢渣显热利用与金属回收现状和不足，结合笔者的理论研究和认识提出了钢渣显热高效利用的两个方面：液态钢渣还原金属协同自热改质和高温钢渣用于入炉物料加热，同时提出了一些具体的、易于实现的方案。这些钢渣显热利用构想有助于开阔业界在钢渣显热利用方面的思路，从而不断开发出更多更好的钢渣显热利用方法，推进中国钢铁企业的节能减排工作。
关键字：钢渣；显热；预热；节能减排
1 前言
钢企每生产1吨钢约产生0.12吨钢渣，这些冶金渣机车运输至冶金渣厂后采用热泼（热闷或滚筒法）+磁选+球磨的工艺进行渣铁分离。钢渣出炉温度一般在1500℃以上，热焓巨大，每千克钢渣从1500℃冷却至800℃释放的热量约为870KJ（高温段高品质余热），能在1atm下将2千克0℃的水煮沸，800℃以上的“高热”相对于200℃以下的低热可以利用的方向更多，不仅限于换取蒸汽、热水和干燥物料。而多数企业对这部分显热未加利用，即使利用也仅限于换取蒸汽、热水和热风等利用方面，而还原、预热等更加直接、高效的应用方面研究或利用鲜有报道。因此钢渣显热高效利用有巨大的节能减排潜力。另外，转炉渣中含有20-25%左右的铁氧化物、氧化锰和数量显著的游离铁。现有钢渣利用技术仅局限于选取游离铁在炼钢回用并利用尾渣作为建材原料，而渣中的化合铁尚不能有效回收。完全可以尝试利用炉渣高温氛围将铁、锰部分还原，实现低成本回收金属并带来附带效益。另外，钢铁企业钢、轧系统还有其它多种余热资源，都有利用潜力，但需要设计相应的流程和设备设施才有望利用。本文结合理论研究和作者多年炼钢从业经验和认识，提出钢渣显热高效利用的方向和方法，以期促进钢铁企业节能减排和降本增效工作。
2 钢渣分类
钢渣是炼钢工序各类炉渣的统称，主要包括转炉渣、电炉渣、注余渣、脱硫扒除渣、混铁炉阶段性排出渣等。余热利用价值大的有转炉渣、电炉渣和注余渣。根据不同企业铁水等条件、生产钢种和工艺的不同，转炉、电炉渣量各不相同，一般在70-120kg/t。
转炉渣、电炉渣：属于碱性高氧化性渣，出渣温度1500-1700℃，一般2-4炉倒满1渣罐，渣罐渣核心区温度800℃以上持续时间超过5h，完全可以高效利用。
注余渣：属于碱性还原性渣，在浇铸后从钢包导入渣盘，出渣温度在1500℃以上，一般3-8炉倒满1渣盘，渣盘渣核心区温度1000℃以上持续时间超过3h，完全可以高效利用。
钢渣的利用应坚持“高低温分开利用，接触和非接触结合”的原则，使各温度段的钢渣各得其所地得到应用，热能得到利用后再进行选分处理。高热利用：多为直接接触物料，用于还原、预热物料达到高温。低热利用：多采用壁面换热生成热水、热风等热介质，热介质的用途：发电、采暖、预热物料达到200℃以下温度，干燥物料，建材耐材养护等。
3 钢渣显热利用方向建议
3.1 液态钢渣还原金属协同自热改质综合降本
利用低价碳素配重提高密度后加入渣中，在高温下改质钢渣减少渣中氧化铁含量。还原得到的金属进入钢液中，实质是利用钢渣显热以一种全新的低成本地回收金属料，同时降低耐材、合金成本，还能通过降低活泼金属氧化物含量而实现钢渣协同改质，提高钢渣的品质，改善钢渣护炉的质量，同时利于扩大选取金属后尾渣的应用范围。主要方法建议见下文。
3.1.1护炉料配重碳球法
（1）原料
粒度0-5mm石灰石、白云石、废镁砖粉；低价碳素粉，可选干熄焦除尘灰、铝业阳极炭渣浮选炭粉；粘结剂选择淀粉或纤维素基有机粘结剂。
（2）制作工艺
将粒铁粉、气煤焦、粘结剂混合加水轮碾搅拌后用对辊压球机造球，大致配比为粒铁粉：气煤焦：粘结剂=300：100：10，自然干燥后汽车供应炼钢系统。企业自主回收镁碳砖、铝镁碳砖、铝碳砖、炭砖等直接破碎成小粒，是优良的钢渣改质剂，可以省去造块过程。
（3）原理
用碳素还原铁氧化物的还原温度一般在800℃以上，MnO的还原温度在1300℃，属于吸热反应。因此完全可以利用炉渣高温氛围使用还原剂将铁、锰还原出一部分。以往有的企业曾有在出钢前加入焦炭丁的方式，但焦炭密度小，加入后烧损多，真正发挥作用的少。本方法将球团密度调大，并由非碳物质发挥掩体作用，减少碳被空气烧损；球中的碳素在高温下迅速与渣中的铁、锰氧化物和球内少量的铁氧化物反应生成铁进入钢中，起到回收金属和从铁锰氧化物减少而提高炉渣熔化温度的作用；球中钙镁料起到调整成球密度的作用，还可从成分角度提高炉渣的熔化温度；球中碳酸盐分解降温、球自身的物理吸热降温，也是促进炉渣增黏的因素。
因此使用改质球从成分、温度双向使炉渣快速增黏并同时回收金属，在溅渣时间缩短、氮气消耗降低的情况下溅渣护炉效果不降低，避免了使用氮气降温稠渣，也不象只加入白云石只有增黏作用而无回收金属作用，有利于缩短溅渣时间，加快生产节奏，减少溅渣氮气消耗。同时采用改质球还实现了固废资源利用，改质剂价格显著低于外购料。
（4）使用方法
球料到厂后皮带上料至转炉高位料仓，在冶炼终点测温取样后加入炉内，用量5kg-8kg/t左右。
（5）经济效益预计
以120吨转炉为例，渣量约12吨，渣中铁氧化物折合成Fe含量约15%，Mn含量6%，渣量100kg/t。则化合态铁量为12000×18%×56/72=1680kg/t，化合态锰量为12000×6%=720kg/t。废钢价格按照3100元/t均价计算，75锰铁价格按照7000元/t。Mn5%，白云石粉价格按80元/t，含碳80%的干熄焦除尘灰价格按照800元/t，有机、无机粘结剂价格按4000元/t和300元/t，造球加工费按照200元/t。碳材、白云石配比各按45%，有机粘结剂2%，无机粘结剂8%白云则造球费用为80*45%+800*45%+200+4000*2%+300*8%=700元/t。废钢含铁90%。精炼每分钟升温成本为1.7元/t。
目标降低渣中Fe3%，降低Mn1%。则还原的Fe量为1680×3%/15%=336kg，还原Mn量为720*1%/6%=120kg（相当于75锰铁120/0.75=160kg），直接消耗C量为336×12/56+120×12/55=98kg，碳素利用率按照70%计算。需要加入球量为98/（0.7×0.8）/45%=389kg，成本增加389×700/（1000×120）=2.27元/t。由于无气体搅拌，熔池内传热不良，因此球料加入后主要降低渣温，加料造成熔池温度降低约10℃，需要LF升温2分钟，成本增加约3.4元/t。成本增加合计2.27+3.4=5.67元/t钢。购买以上还原出的铁相应的费用节省可降低成本为336/90%/120*3100/1000=9.64元/t，购买锰铁的费用节省的费用可降低成本120/75%/120*7000/1000=9.33元/t。则吨钢效益为9.64+9.33-5.67=13.3元/t，即便不考虑锰的还原入钢，也可降低成本9.64-5.67=3.97元/t。尚未计算耐材费用降低和钢中氧含量降低带来的效益。
3.1.2 配重木法
（1）原料
轧钢线切头尾钢棒，干燥树枝，粗铁丝或厚钢带。
（2）制作工艺
将钢棒与树枝截断至0.5米左右，在专门的场地用铁丝捆绑成捆，钢棒在内，树枝在外；或者将粗树枝开孔，将钢棒镶嵌其中。大致重量比为钢：木=4：1。汽车供应炼钢系统或厂房周边空地加工供应转炉。
（3）原理
收购的废铜料在冶炼阳极铜的基础料时，在吹氧去除铜以外的活泼金属杂质时有还原工序，业内有采用木料还原回收渣中氧化铜的做法。可以借鉴以上做法，制作配重木以提高还原剂木料的利用率，且木料具有含S和灰分低的优点。本方法采用铁素将配重木的密度调整到2000-3000kg/m3之间，加入后大部分浸泡在钢渣内，木料中碳氢元素在高温下迅速与渣中的铁、锰氧化物进入钢中。捆子中原有的铁棒只是调整捆子密度的作用，熔化后进入钢液。其意义与铁碳球相同，但制作成本更低，更易实现。
（4）使用方法
料捆到厂后吊运至转炉平台空地，准备在小废钢斗中（可用装补炉料的小斗），在冶炼终点测温取样后加入炉内，用量5kg/t左右。
（5）经济效益预计
树枝可利用本企业树木樵枝、木工边角余料和包装废料等，收集费用300元/t，捆子加工费用为200元/t，铁、木各50%，则配重木的成本为50%×3100+50%×300+200=1900，木料含C量为40%，碳素利用率按照70%计算，其它基础数据同改质球，在此基础上计算效益。还原336kgFe和120kgMn需要直接消耗C量为336×12/56+120×12/55=98kg，需要加入配重木捆98/（0.4×0.7*50%）=700kg，则吨钢成本增加为700×1900/（1000×120）=11.08元/t。加料造成熔池温度降低约8℃，需要LF升温2分钟，成本增加3.4元/t。成本增加合计11.08+3.4=11.42元/t钢。配重捆的钢几乎全部入钢，此铁和还原出的铁相应的费用节省可降低成本为(336+700*50%）/90%/120*3100/1000=19.69元/t，购买锰铁节省的费用可降低成本120/75%/120*7000/1000=9.33元/t.则吨钢效益为19.69+9.33-11.42=17.6元/t,即便不考虑锰的还原入钢，也可降低成本19.69-11.42=8.27元/t。尚未计算耐材费用降低和钢中氧含量降低带来的效益。
3.1.3 其它改质方法
可以采用废钢管打结低价碳素法，废木中心镶嵌钢棒法等，镁砖粉与低价碳素压块法、废旧耐材小粒法（镁碳砖、铝碳砖，铝镁碳砖，碳砖等）。因改质剂的制作成本不同和材质不同，改质效果各异，但总的来说都能快速改质、提高金属收得率、降低钢铁料消耗、降低综合成本。预期改质效果排序为镁碳砖粒＞镁砖粉配碳球＞铝镁碳砖粒＞废钢管打结低价碳素法＞碳酸盐配碳球＞配重木（捆绑、镶嵌）＞铝碳砖粒。
3..2高温钢渣用于入炉物料加热
3.2.1钢渣热泼震动式预热废钢法
（1）原理
钢渣显热可观，熔化温度高，凝固温度也高，在1100℃时完全凝固，凝固后打击或振动可变成碎片，尤其倾倒至凹凸不平的多孔物体上时更易打击或振动破碎，可以将钢渣倾倒至废钢上，这样在充分接触换热后可实现钢渣凝固，此时，红热的废钢被钢渣包被可减少氧化。然后击打和振动使渣破碎再筛分。钢渣温度仍高，可继续与打水热闷工艺衔接。废钢中难免带有少量渣子，但转炉渣碱度高、含有金属且有助于成渣，该做法相当于炉渣二次利用。本方法充分利用了钢渣显热，不影响钢渣的后续处理，节能效果显著。
（2）实施方式
利用钢渣的上述特点和废钢熔点高机参差不齐的特点，可以用耐热钢制作一个一端可升降的带帮子的格栅床并设置在炉渣跨间。格栅床的尾部设置可倾斜的活动式废钢斗架，可以实现废钢斗口部斜向上的斜置作业。将废钢用抓钢机放置到床上，然后吊起渣罐往废钢上缓慢倾倒或设置留渣槽进行倾倒，然后渣、钢换热。废钢预热温度可达800℃以上，渣温也相应降低至1000℃以下变得易碎。随后利用设置在格栅床一侧的机械打击锤从侧面敲击渣钢，使得渣子碎成片，然后启动格栅床震动装置，使得格栅床上下振动。在振动作用和废钢的撞击作用下，渣子继续破碎并从格栅孔下落，然后顺着振动溜槽和摆动布料溜槽下落至热闷坑中。以上工序完成后，启动液压或气动式顶升装置将格栅床的一端升起，废钢滑落至斗口斜向上的废钢斗中，然后吊装至专门的倒运平车运送至炼钢厂房。设备的两侧有厚钢板+轻质耐火材料挡墙减少热辐射和保证安全；设备的驱动系统全部采用封闭技术起到防护作用；倾倒和换热过程中产生烟尘可通过设置活动式除尘罩收集处理或采用厂房顶除尘装置处理。
（3）经济效益
废钢价格一般低于铁水价格或阶段性低于铁水价格，该工艺的经
济效益主要体现在提高入炉废钢比例后钢铁料结构成本降低、冶炼周期缩短或钢产增加与生产紧凑带来的其它成本的降低。如果阶段性废钢价格对比铁水价格没有优势，可以不增加废钢比。这时可利用转炉热量富余加大石灰石、白云石或含铁团块的使用量，从另一个方面实现成本的降低。因各企业情况差异，只能定性得出“经济效益显著并促进节能减排”的结论，具体经济效益计算从略。
3.2.2 钢渣热浸法预热金属料
对于厂房布局理想的企业，如图1，可利用转炉钢渣预热废钢入转炉：例如类似晋南钢铁的渣跨和废钢站同跨且该胯间位于铁、钢厂房之间。此时可在跨中设置废钢存储区，利用天车或专们的抓钢机或钩机将废钢吊进渣罐预热，然后加入路过的铁罐中，这是实施钢渣预热废钢的最理想方式。
对于不具备以上厂房布置模式，只要具备以下图2、图3布局模式，可实施注余渣热预热废钢、铁块入精炼钢包或炉后出钢钢包：一是炼钢厂房跨间较宽，转炉出钢轨道末端和精炼进站轨道始端有一定距离，便于车辆行走。二是吹氩站和精炼处于同一胯间，但精炼站在跨间另一侧与连铸斜对的布局（注余扎盘在精炼站对面）。第一种布局方式可采用带臂行走车辆将废钢捆或装在活底料罐或网笼中的高锰铁块（合金块）放入注余渣中浸泡预热，然后再行走吊往转炉进吹氩站钢包或精炼钢包的模式。第二种除了能实施第一种的注余渣热浸合金、废钢再入包的模式外，还可以将轮式、履带式带臂车辆设置在精炼站与注余渣盘之间，在渣盘一侧设废钢或合金区，将合金、铁块、废钢预热后直接抓金属入进站钢包，方便快捷。对于第二种布局，还可以在渣盘一侧设给料罐，将石灰时给料至渣盘，受热分解后，采用带贝壳斗的抓臂将注余渣与分解的石灰一起抓入进站钢包。当然，只抓注余渣进包也可以，解放了天车，机动实现精炼热渣循环。
图1 便于转炉渣显热利用的厂房布局
图2 便于注余轧显热利用的厂房布局1
图3便于注余渣显热利用的厂房布局2
3.2.3 钢渣用于物料干燥
（1）背景和原理
采用露天式废钢堆场的钢铁企业，连续雨雪天气下，废钢运输至炼钢工序时往往十分潮湿；即使有的企业设置废钢料棚，但在途运输时废钢也易淋湿；南方气候条件下，雨季时料棚内的废钢潮气也很显著。以上潮湿废钢直接加废钢装铁水时会出现铁水爆喷，造成人员伤害和设备损坏。企业一般做法是先将废钢装炉放置或来回摇炉，利用炉内高温将废钢水分蒸发再装入铁水。这样虽然能消除爆喷的风险，但也消耗了转炉热量并延长了冶炼时间，不利于降本增效和产能发挥。另外，当废钢因各种原因带入潮湿泥沙时，炉内干燥的效果并不理想，还是有铁水爆喷的风险，如果要完全消除风险就得延长炉内干燥时间，对生产和成本的负面影响更大。另外，有些辅材也可能潮湿。钢渣温度极高，完全可以让进厂废钢先与钢渣采用钢板隔离间接接触，利用钢渣显热事先将废钢进行干燥并加热到一定温度再入炉，既利用钢渣显热为转炉创造了良好的热量条件，又促进了生产紧凑性，实现生产安全高效和成本降低。干燥时生产的少量水雾还有利于废钢池区域的降尘。钢盘装渣和隔板换热的好处是在热传递较好的前提下废钢不带渣且便于钢渣周转。
（2）实施方式
在废钢池开辟出一块空地作为废钢干燥区，平时不占用。将若干个带吊耳的渣盘（4个6、或8个）放置在废钢干燥区，用铲运机铲运已凝固但温度仍很高的钢渣置入渣盘中，最后用大块不锈钢板盖住钢盘，也可设计更加高效的便于铺渣和收渣的方式。潮湿废钢进厂时卸放在不锈钢板上，用电磁吸盘协助铺平废钢。或者将别的区域的潮湿废钢用吸盘吸放在大钢板上分批干燥分批使用。钢渣温度降低到不足以快速干燥废钢时，吊走覆盖钢板，将渣盘装车运到渣跨倒冷渣，渣盘继续放回原位装热渣使用。这种方式也可用于带水的萤石、白云石、石灰石、矿石等物料的干燥。
3.3 钢渣显热的其它利用方式
3.3.1 直接加入钙镁碳酸盐改质终渣
白云石、石灰石在留渣后溅渣前加入炉内利用渣热分解，可以提高炉渣熔化温度和降低流动性，有溅渣护炉工艺的企业可提高溅渣护炉质量，采用留渣工艺或黏渣挂炉工艺的企业也可以更好地实现低成本护炉，部分企业已经采用。
3.3.2 活动式地仓物料干燥兼缓冲站
在炼钢工序上料地仓一侧安装液压驱动的或电机驱动的可倾斜钢床，由带帮子的龙骨式框架、装渣盘、前后2块机械抽查式挡料板和封盖组成。先将钢床置于水平位置，将热态钢渣装在盘中铺平，然后盖好封盖，关闭前后挡料板。潮湿的萤石、白云石、石灰石、含铁固废压球等散状料到达后可先卸放在钢床上并大致铺平，经过一段时间干燥后再打开前挡料板，倾斜钢床，将散状料倾倒至地仓中。此干燥钢床兼有缓冲仓的作用。为了具有更好的机动性，可将以上预热装置设置在钢结构平车或车架上，需要使用时由汽车牵引至需要干燥物料对应的地仓前作为干燥器使用。
3.3.3 钢渣用于生产高碱度熔剂
设计专用设备，采用铺床法或别的方法分解石灰石和白云石生产高碱度钢渣返回熟料。转炉渣分解以上物料后混入氧化渣作为炼钢炉溶剂；注余渣分解以上物料后混入还原渣作为精炼熔剂。这方面的应用需要巧妙设计体积适中的专用设备设置在炼钢厂房附近，并需要解决返回料使用过程的抑尘问题。生产的高碱度熔剂可随废钢加入一部分，也可冷后从高位料仓加入转炉、电炉。
4 其它余热资源分析和利用方向建议
4.1 钢、轧系统其它余热种类及品质分析
（1）渣罐散热：渣罐表面长期保持温度200℃-300℃。
（2）烤包（立式、卧式）火焰热：卧式外溢火焰1100℃以上，立式包内温度900℃以上。
（3）炉衬蓄热：刚停炉1100℃以上，8h以上降至黑色仍有400℃。
（4）液态金属容器蓄热：刚下线铁水罐、钢包、铁包温度800℃以上，3h以上降至黑色仍有300℃；停浇中包钢渣和耐材温度1400℃以上，3h以上降至黑色，芯部仍为液态。
（5）气化冷却烟道末端烟气（一次文丘里管前）：700-800℃。
（6）轧钢加热炉：运行和刚停炉温度1150-1350℃，自然冷却时，12h降为黑色仍有400℃。
（7）钢坯显热：出坯700℃，垛位上长时间在200℃以上。
4.2 钢、轧系统其它余热利用方向
（1）渣罐散热：设计特殊的简壁式渣罐，生产炭化木料，用于木质建筑和家具。也可用于物料干燥。
（2）烤包（立式、卧式）火焰热：设计特殊的载体容器，预热合金、高锰铁块、熔剂，分解熔剂，也可用于物料干燥和生产蒸汽、热水。
（3）炉衬蓄热：设计特殊的载体容器，预热合金、高锰铁块、熔剂，分解熔剂。可与炉前车辆配合。
（4）液态金属容器蓄热：设计特殊的载体容器，预热合金、高锰铁块、熔剂，分解熔剂。也可用于物料干燥。
（5）气化冷却烟道末端烟气（一次文丘里管前）：采用低价碳素利用碳的气化反应的吸热效应进行煤气提热值改质，提高煤气中CO含量，同时使700-800℃的高热得以利用。
（6）轧钢加热炉：部分企业轧钢加热炉带有汽包，算是有了第一步利用渠道。除此之外，可设计特殊的载体容器，预热合金、高锰铁块、熔剂，分解熔剂。
（7）钢坯显热：设计特殊的载体容器，预热合金、高锰铁块、熔剂，分解熔剂。设计特殊的设备设施生产蒸汽、热水或用于物料干燥。
5 与社会各界谋求余热利用合作
余热资源往往是伴随生产而产生的，具有持续性但也难以储存，只能在其产生和持续的同时加以利用，这就给余热利用带来了难度，许多企业多年无良策，使得大量热能白白散失，企业成本和能耗居高不下，严重冲击了企业的发展。
另外，我们都知道，现在做许多产业，搞许多经营，离不开热源的使用和明火，简单地说就是要烧一把火才能开启产线和业务。但就是这一把火，其牵涉安全、环保、能源等多方面，审批流程严格复杂，不是一般投资人所能办到。分析社会需求，一般有预热、分解、蒸煮、干燥、还原、焙烧、炭化等需求，都离不开热源，而要企业自己投资建设使用煤、天然气、电力的工业装置，投资巨大，审批复杂，风险巨大，称为限制某些产业规模拓展和继续发展的壁垒。
钢铁企业等冶金企业，天然具有“烧一把火”的资质，其企业内部伴生的热力资源取之不尽用之不竭，而许多冶金企业自己都未能充分利用甚至利用率很低，自身物力或无心使用但也未能惠及他业，实现共赢。实际上，节能降耗的目的不仅是为了相应时代潮流和国家政策，最根本目的是降低企业成本，提高企业竞争力和知名度，促进企业高质量永续发展。本着这个目的，冶金企业完全可以对自己的余热资源进行广泛、细致的调查，能自用的要成立专班、申报项目设法自用，不能自用或自己用不完的不能白白散失。
合作产业举例：建材预制件企业、淀粉改性企业、生物肥企业、酿造企业、农产品加工企业、木材加工企业、使用矿热炉的企业等。
6 结论
（1）钢渣显热是钢铁企业宝贵的热能资源，善加利用能产生可观的经济效益。多数钢铁企业对这部分显热未加利用，即使利用也仅限于换取蒸汽、热水和热风等利用方面，而还原、预热等更加高效应用方面的尝试不多，钢渣显热的潜力还未充分发挥出来。
（2）本文在行业内钢渣显热用于换取蒸汽和热水方式的基础上提出了钢渣显热高效利用的两个方面：液态钢渣还原金属协同自热改质和高温钢渣用于入炉物料加热，又分别对应提出了具体的方法。这些方法，投资小，设备简单，易于实现，建议企业结合自身条件加以利用。
（3）钢渣是钢轧系统最典型的余热，也最有可能通过较小的投资加以利用，今后应作为重点方向，按照建议的原则加以利用。除此之外，仍有许多有利用潜力的余热资源，需要根据工序生产、生活需求，结合该余热特点，设计相应的流程和设备设施加以利用。相信随着余热利用率的不断增加，能带来各方面的惊喜。大型企业可以发挥专业全、产业全的优势，开发相关设备设施与工艺。小型企业可以与设备企业、科研院所合作开发余热利用技术与设备。余热利用时，首先考虑回用于生产制造，然后再考虑生活用途，而且要做到分性质、分品级使用，使余热资源各得其所，发挥最大效益。
（4）与外部企业合作是推进余热利用、降低企业成本的有效方式，企业在全力谋求余热自用的同时，也要积极调查自己的余热资源，进行热品分析，同时做好向社会的宣传，吸引合作伙伴，助力企业节能降耗、降本增效，从而从产业协同角度实现高质量发展。