40万t/ 年转炉钢渣蒸汽陈化处理生产线

王晓斌
大连华锐重工集团股份有限公司 大连 116013

摘 要：介绍了针对国内某炼钢厂专门设计的40 万t/ 年转炉钢渣蒸汽陈化处理生产线主要参数及工艺流程，对该生产线中的钢渣倾翻车、钢渣冷却搅碎车、转运车、蒸汽陈化釜等主要设备特点进行了阐述，同时对该生产线应用的冷却水量研究、搅碎辊轨迹优化等关键技术作了进一步的探讨。

关键词：转炉钢渣；蒸汽陈化处理；工艺流程；设备特点

中图分类号：TF341.4 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）07-0091-08

0 引言
钢渣是冶金工业中的主要固体废弃物，其产量约为粗钢产量的10%~15%[1]。以2017 年为例，我国粗钢产量约8.3 亿t，其中转炉钢产量约6.3 亿t，产生转炉钢渣约6 300~8 200 万t，堆积的钢渣不仅严重占用土地资源、污染土壤与水质，同时也是一种巨大的资源浪费。我国目前钢渣综合利用率仅为20%，主要原因是传统技术处理的钢渣粒度和稳定性差，尤其是游离氧化钙含量高，不能满足资源化利用的性能要求。另外，传统钢渣处理方法比较粗放，占地面积大且没有配备环保处理设施，已不能满足当前钢渣处理的实际要求[2]。

1 技术参数及设备布置
转炉炼钢过程中金属原料中的杂质、造渣材料和炉衬是产生钢渣的主要来源，因此钢渣是氧化钙、氧化镁、氧化铁等的混合物[3]。表1 为国内某炼钢厂钢渣化学成分。

转炉出渣时钢渣温度通常在1 200 ～ 1 600℃，物理状态为熔融态，具有一定的流动性，根据不同炼钢工艺其粘度有所不同[4]。表2 为国内某炼钢厂钢渣物理特性参数。

40 万t/ 年转炉钢渣蒸汽陈化处理生产线采用冷却喷淋搅碎与蒸汽陈化相结合的处理技术，生产线紧邻转炉炼钢车间，钢渣接运后可直接进行处理，占地面积小，布置紧凑，尤其适合在用炼钢厂的项目改造。图1 为本生产线平面布置图，该项目转炉120 t×2 台；单次钢渣处理量22.5 t ；出渣间隔时间40 min；年工作时间330d ；年处理钢渣总量40 万t；处理后钢渣粒度100 mm以下占比大于70%，游离氧化钙含量小于4%。

40 万t / 年转炉钢渣蒸汽陈化处理生产线主要设备有：2 台钢渣倾翻车、2 台钢渣搅碎车、2 座钢渣冷却喷淋间、2 台钢渣转运车、7 套蒸汽陈化釜以及配套的环保设备，表3 为设备主要技术参数。

1. 转炉 2. 倾翻车 3. 搅碎车 4. 转运车 5. 蒸汽陈化釜6. 除尘系统 7. 电气室 8. 给排水系统 9. 污水处理系统
图1 转炉钢渣蒸汽陈化处理生产线平面布置图

2 工艺流程简述
转炉钢渣一般为熔融态，温度约1 600℃，本技术经过钢渣接运、倾翻、浅盘搅拌冷却、转运、微压蒸汽陈化等步骤，将高温熔融态钢渣处理成常温固态钢渣，并满足资源化的粒度和稳定性要求。

具体工艺流程如图2，首先由倾翻车直接开往转炉炉下接渣，接渣完毕后将热渣运至浅盘搅碎处理间，由倾翻车将热渣倾倒在浅盘上，浅盘上设计有喷淋冷却装置和翻搅装置，通过多次对热渣喷水冷却和翻搅，使热渣温度降低至800 ℃以下（固态），粒度控制在300mm 以内，然后利用自动转运系统将钢渣运至蒸汽陈化装置进行处理，在蒸汽陈化装置内，钢渣在微压蒸汽氛围下进一步冷却、裂解和稳定化，经过约2 h，消解钢渣中的游离氧化钙，使钢渣达到资源化利用要求。

图2 工艺流程图

3 主要设备特点
3.1 倾翻车
倾翻车是钢渣处理生产线的关键设备，目前国内炼钢厂渣道宽度在9 m 左右，而炼钢厂多数使用的销齿型倾翻车结构复杂，车体宽度均在10 m 以上，无法直接开往转炉炉下接渣。为了解决接渣的问题，大部分炼钢厂先用接渣车前往炉下接渣，接渣完毕后利用起重机或抱罐车将钢渣运输至钢渣处理区域，再使用倾翻车将钢渣倾倒在浅盘。此种工作方式存在缺点，一是设备数量众多，需要接渣车、起重机、抱罐车和倾翻车相互连续衔接工作，设备成本较高；二是钢渣中间转运环节多，工艺过程繁琐，耗费时间长，且高温钢渣多次倒运会增加安全事故发生的机率。

设计一种新型钢渣倾翻车，能够满足炼钢厂出渣道宽度要求，可直接开往转炉炉下接渣，将钢渣运输至搅碎冷却间，并将钢渣倾倒在搅碎间浅盘上。倾翻车主要由车架、倾翻机构、运行装置、支座、清轨器和缓冲器等组成，其中，倾翻机构由主电机、减速器、上部丝杠、下部丝杠、滑架等组成，支座由罐圈、耳轴齿轮、齿条等组成，如图3 所示。

图3 倾翻车

3.2 搅碎车
搅碎车是冷却喷淋搅碎工序的重要设备，该设备具有四项钢渣处理功能：
1）铺渣 将倾倒在浅盘中的钢渣铺平，使钢渣喷水时冷却均匀，同时避免浅盘局部积水发生汽爆。
2）大块剔除 将转炉中形成的特大块、不易搅碎的钢渣推出浅盘，防止影响后续处理。
3）破壳搅碎 在喷淋时将上层冷却结壳的钢渣破壳，同时通过上下翻搅使钢渣的整体温度均匀。
4）推渣 在钢渣喷淋冷却完毕后将钢渣从浅盘上推至转运车上。

搅碎车由车架、搅碎辊、传动装置、辊体升降装置、运行装置等组成（见图4）。车架是搅碎车的承重装置，由钢板焊接而成，整个车架被轨道中心分为左右两个部分，通过横梁进行连接。搅碎辊是搅碎车的主要工作部件，由辊体、搅碎齿、联接销轴等组成。辊体为铸钢件，辊身圆周均布有铸造凸台，用来安装搅碎齿，辊体内部为空心，中间有加强筋板，用以提高辊体的结构强度；搅碎齿为耐热铸钢，具有耐高温、耐磨特性，底部通过联接销轴安装在辊体上。传动装置由主电机、减速器和万向联轴器组成，在主电机的驱动下带动减速器和万向联轴器，从而驱动搅碎辊旋转。辊体升降装置由偏心套、蜗轮、蜗杆和减速电机等组成。搅碎辊辊颈处轴承支撑于偏心套中，偏心套上安装有蜗轮，蜗轮与蜗杆相啮合，当减速电机驱动蜗杆时，蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮带动偏心套旋转，进而改变搅碎辊辊轴中心的上下位置。运行采用电动自行式设计，由三合一减速电机驱动车轮，最大运行速度6.25 m/min，搅碎辊最大旋转速度10.5 r/min，经搅碎处理后的钢渣最大粒度≤ 300mm，温度＜ 800 ℃。

图4 搅碎车

3.3 蒸汽陈化釜
蒸汽陈化釜作用是将钢渣在微压蒸汽氛围下进一步冷却、裂解和稳定化，消解钢渣中的游离氧化钙，提高钢渣的稳定性。蒸汽陈化釜为立式压力容器，由罐体、罐盖、裙座、釜门快速开闭机构、冷却系统、检测仪表等组成，工作压力为0.2~0.4 MPa，设计压力0. 9 MPa。蒸汽陈化釜罐口设置循环水冷却系统，并设置喷淋头，对内部钢渣进行喷水冷却，釜身设计有进水口、排水口、进气口、排气口，进水口与进气口使用电动球阀控制进水量和进气流量，同时设计安全阀与排气阀，以保证釜内压力处于安全区间。为提高工作效率，设计有釜门快速开闭机构，通过自旋液压缸、锁紧液压缸和顶紧液压缸联锁动作，实现釜门的全自动液压开闭。为方便冷却过程中残渣与水排放，在反应釜底部分别设计排渣管路与排水管路，实现固液分离，避免渣量沉降带来管路堵塞的影响（见图5）。

图5 蒸汽陈化釜

3.4 转运车
转运车作用是将搅碎冷却后的钢渣转运至蒸汽陈化釜，主要由车架、运行装置、转运渣槽、清轨器和缓冲器等组成。车架由碳素结构钢钢板焊接而成，车架两端设有牵引座，使用销轴安装在支座中，以备特殊情况下做拖车之用。运行装置采用三合一减速电机驱动，电机布置在车架外侧两端下部驱动车轮，减速器采用直接套装在运行轮轴上的结构形式，结构紧凑、拆装方便，运行速度采用交流变频调速。在车的两端设两个缓冲器，以减缓对车辆的冲击力，同时配备声光报警器进行安全提示。转运车带有编码器，可准确了解车辆运行位置及运行情况，并在轨道指定位置配备限位开关，在车轮打滑造成位置偏差时及时修正位置参数。清轨器是由刷架、钢丝绳和压板等组成，分别安装在车架两端的下部，使用距轨面2 mm 钢丝绳刷头清除运行过程中轨面上的钢渣和其它杂物。

3.5 除尘系统
除尘系统作用是将钢渣蒸汽陈化处理生产线工作过程中产生的废气进行环保处理，使气体排放达到国家标准要求[5]。整个生产线废气包括冷却搅碎间冷却废气与蒸汽陈化釜外排废气两部分，其中搅碎间废气为高温含尘蒸汽，含尘量约3 500 mg/m3，蒸汽陈化釜外排废气含尘饱和蒸汽，含尘量约500 mg/m3。除尘处理系统采用三级喷淋洗涤、旋风脱水和湿式电除尘相结合的处理方案，首先采用三级喷淋洗涤系统对废气进行一次除尘，之后废气进入旋风脱水系统脱水除湿，最后进入湿式电除尘系统处理合格后排放，处理后外排气体含尘量不大于10 mg/Nm3。

3.6 污水处理系统
钢渣蒸汽陈化处理是利用水对钢渣进行冷却，在此过程中会产生大量的碱性污水。本生产线配置有污水处理系统，可将碱性污水处理调节至PH7~PH9，再经过沉淀池沉淀，循环回用至生产线。污水处理系统包含2座中和池、2 座沉淀池、1 座污泥浓缩池、水泵房和压滤车间。沉淀池均配备刮泥机，以便于排泥，刮泥机液下部分采用不锈钢材质，并设计有泥位计，通过连锁控制排泥泵启停。碱性废水管道材质选用碳钢衬塑，出水管道和污泥管道材质选用铸铁材质。

3.7 电气控制系统
电气控制系统采用S7-1500 可编程控制器，编程和上位机画面软件采用博图软件。钢渣蒸汽陈化处理控制系统具有联锁、就地和远程操作功能，操作分为手动和自动两种方式。为保证人员与设备安全，倾翻车、搅碎车、转运车等重要设备设有就地急停按钮，具有就地控制和解除远程控制的措施，当突然出现可能危害周围人员的紧急情况，可通过操作机旁应急断电开关进行处置。所有控制柜均采用防水、防尘结构，控制柜采用抽屉柜，方便安装与检修。

4 关键技术研究
4.1 冷却水量研究
由于本项目采用水对钢渣进行冷却，因此打水量是重要的工艺参数，水量计算分为三个步骤。
1）钢渣冷却总热量计算
该步骤计算钢渣从熔融态冷却至固态常温的总热量。在冷却的过程中，钢渣经历了熔融态向固态的物理状态转变过程，具体可细分为三个阶段：熔融态钢渣冷却至凝固点、凝固点时释放出潜热以及凝固后温度降低至常温。

根据热力学公式，各阶段热量计算公式为：熔融- 凝固点热量

式中：Qz1 为熔融温降阶段的热量，C1 为钢渣在熔融态的比热，m为钢渣重量，△ t1 为该阶段的温度变化值。凝固潜热热量

式中：Qz2 为潜热热量，U1 为单位质量钢渣释放的凝固热，m 为钢渣重量。凝固温降热量

式中：Qz3 为凝固温降阶段的热量，C2 为钢渣在固态的比热，m 为钢渣重量，△ t2 为该阶段的温度变化值。总热量

2）冷却水量计算
由于钢渣与水通过热交换进行冷却，因此水汽化吸收的热量应当与钢渣冷却总热量相等。水升温至汽化点热量

式中：Qs1 为水升温至汽化点的热量，Cs 为水的比热，ms 为水的重量，△ t3 为该阶段水的温度变化值。水汽化潜热热量

式中：Qs2 为水汽化潜热热量，Us 为单位质量水吸收的汽化热。水吸收的总热量

式中：Qs 为水吸收的总热量。对上式进行整理，可得水量

通过以上计算方法，可计算出在喷淋冷却搅碎阶段钢渣的耗水量为每吨渣1.1 m3。

4.2 搅碎辊轨迹优化
破壳翻搅主要通过搅碎辊来实现，在此过程中，搅碎辊进行回转运动及平移运动（见图6），搅碎辊齿尖在该过程中存在连续的运动轨迹，要想产生预想的钢渣处理效果，需要对搅碎辊的运动轨迹进行优化。优化的目标是既提高钢渣翻搅的频率，又能满足钢渣处理总体时间和效率要求。通过对运动特性研究，发现齿尖运动轨迹应为齿尖半径、转速、平移速度和时间的函数其特征方程

式中：t 为时间，R 为齿尖半径，n 为转速，v 为平移速度。

根据搅碎辊进行回转运动和平移运动，可列齿尖上某一点的位置方程

式中：X、Y 为某时刻齿尖位置坐标，X0、Y0 为初始位置坐标。

图6 搅碎辊运动特征

取齿尖半径R 为1 400 mm，转速n 取1 r/min、2r/min、3 r/min……，平移速度取1 m/min、2 m/min、3m/min……，令时间t=1 s、2 s、3 s……，可得各种转速和平移速度组合下对应的齿尖轨迹曲线，如图7、图8所示。

图7 n=1 r/min，v=5 m/min 轨迹曲线

图8 n=2 r/min，v=4 m/min 轨迹曲线

通过多种轨迹曲线的对比优选，发现转速10.5 r/min、平移速度6.25 m/min 所对应的齿尖轨迹能够满足上述搅碎辊轨迹的优化目标，该轨迹曲线如图9 所示。

图9 n=10.5 r/min，v=6.25 m/min 轨迹曲线

由于搅碎齿在辊身圆周方向上均布，不同齿之间的运动轨迹相差一个相位角时间，通过合成叠加可得圆周上所有齿尖的合成轨迹曲线，如图10 所示。

图10 搅碎齿合成轨迹曲线

通过图11 合成轨迹曲线放大图可知，钢渣在此过程中被搅碎齿连续、密集地翻搅，搅碎效果良好。

图11 钢渣搅碎轨迹曲线放大图

4.3 搅碎车仿真优化
利用有限元分析方法，对搅碎车车架进行建模，采用实体单元进行网格划分，对车架进行强度和刚度初步计算，计算结果显示车架最大应力为85 N/mm2，车架主梁位置有多处应力集中 ，如图12、图13 所示。

图12 车架模型

图13 初步车架方案强度计算

经过分析，发现该车架结构没有进行合理过渡，导致车架架体在折弯处存在较大的应力集中，故此将该处结构改为平滑过渡设计，重新对车架进行有限元分析计算，计算结果显示车架最大应力为77 N/mm2，安全系数为3.06；车架最大变形量为 4 mm（位于连接横梁顶端），如图14、图15、图16 所示。

图14 车架结构优化后强度计算

图15 车架整体强度计算

图16 车架刚度计算

此外，如图17 所示对车架进行屈曲分析，经计算车架结构最小屈曲系数为64.54。

图17 车架屈曲分析

同理，利用有限元分析方法对搅碎辊辊体进行了优化，优化后搅碎辊最大应力为137 N/mm2（位于传动轴轴肩），安全系数为1.71，辊体最大变形量为1.86 mm（位于搅碎齿齿尖），如图18~ 图21 所示。

图18 搅碎辊模型

图19 辊身强度计算

图20 辊颈强度计算

图21 搅碎辊刚度计算

4.4 新型多功能倾翻车研究
炼钢厂广泛使用的销齿型倾翻车传动结构为主电机驱动减速器，减速器输出轴上的小齿轮带动销轮旋转，在销轮的带动下，渣罐底部在拨杆的作用下实现倾翻。由于结构复杂，车体宽度在10 m 以上，因此无法直接开往转炉炉下接渣。

为适应炼钢厂出渣道的宽度，设计了一种新型多功能倾翻车，其倾翻机构采用丝杠、滑架、齿轮和齿条进行驱动。传动主电机与减速器通过联轴器联接，上部丝杠和下部丝杠平行布置，两条丝杠的一端各有一个齿轮，两齿轮相互啮合，减速器输出轴安装有小齿轮，与下部丝杠齿轮啮合传动。当进行倾翻时，主电机转动带动齿轮传动，进而带动丝杠转动，使丝杠上的滑架水平运动，滑架与支座耳轴联接，耳轴齿轮在齿条上运行，从而使渣罐在罐圈的带动下进行倾翻作业。该倾翻机构结构紧凑，极大地节省了设备空间，设备宽度仅8.2 m，完全能够进入渣道，直接前往转炉炉下接渣，减少了接渣车和抱罐车的设备成本，又提高生产效率，避免高温热渣中间转运安全事故的发生。图22 为倾翻车倾翻机构。

图22 倾翻车倾翻机构

4.5 检测与控制
钢渣蒸汽陈化处理生产线通过检测与仪表装置来实现工艺控制。
1）倾翻车、搅碎车传动控制方面，角度检测采用绝对值编码器，电机闭环控制采用增量型编码器。
2）采用高温计和热电偶对钢渣温度进行在线检测，将温度数据反馈控制系统，对钢渣的温度进行动态调整与控制。
3）蒸汽陈化釜内部设置压力表，实时将检测的压力值向控制系统反馈，及时对打水量进行调整。此外，釜体还设计有安全阀，当压力大于设定压力时，安全阀将自动打开排出蒸汽以保证设备安全。
4）蒸汽陈化釜设计有温度计、氢气传感器、液位计等检测仪表，通过温度检测、液位检测、氢气含量检测，保证设备使用安全。
5）电气控制系统能够对设备运行过程数据以及故障报警信息进行统计和归档，提示和指导用户进行故障处理与设备维护，并可借助远程故障诊断系统实现远程诊断与技术支持。

5 结论
40 万t / 年转炉钢渣蒸汽陈化处理生产线采用浅盘搅碎与微压蒸汽陈化相结合的方法，处理后的钢渣中游离氧化钙含量小，浸水膨胀率低，余渣水泥活性高、稳定性好，可以进行水泥、筑路、制砖等多种资源化利用[6] ；其次，本生产线设备布置紧凑，能有效节省占地面积，同时可前往转炉炉下直接接渣，与现有转炉衔接性好，更适应现有炼钢厂的改造；第三，本生产线采用先进检测和控制技术，钢渣可全程自动化处理，实现钢渣不落地，设备自动化、无人化、智能化水平高；最后，本生产线配备有除尘系统、污水处理系统等环保装置，对生产过程中的三废进行有效处理，有利于环境保护。

参考文献
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