鋼渣處理設(shè)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化淺析

張 志 剛

(中冶南方鋼鐵工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程中的鋼渣處理冷卻工藝，是熱態(tài)轉(zhuǎn)爐渣處理系統(tǒng)的核心技術(shù)。目前，鋼渣處理工藝有多種形式，其中熱潑渣廂法的應(yīng)用較為廣泛。在熱潑渣冷卻處理過程中，渣廂結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，是渣廂能夠持續(xù)安全工作的重要保障。鋼渣冷卻過程中排放的大量廢水，直接影響著生產(chǎn)區(qū)域的周邊環(huán)境。隨著環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，鋼渣環(huán)?；幚硪踩找娴玫街匾?。如何提升渣廂結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)效能、更好的解決廢水污染的問題，值得深入研究。

1 渣處理工藝流程

1.1 渣處理設(shè)施工藝形式

目前，我國煉鋼渣處理系統(tǒng)有幾種常見工藝形式：冷棄法，熱潑渣廂法，熱燜渣箱法，滾筒法，水淬法等[1]。這些處理工藝，過程差異較大，鋼渣?；Ч饔袃?yōu)劣，不同工藝主要與建設(shè)規(guī)模、占地面積及后期運(yùn)營維護(hù)成本等有密切的關(guān)系。鋼廠結(jié)合自身生產(chǎn)條件，因地制宜，選擇合適的處理工藝，以實(shí)現(xiàn)鋼渣固廢處理并二次利用的綜合效益最大化[2,3]。

近年來，鋼渣處理采用熱潑渣廂法和熱燜渣箱法逐漸成為主流工藝。這兩種工藝的基本理念相近，但處理過程差別較大：熱潑法的主要處理設(shè)施置于地上，屬于開敞式；熱燜法的處理設(shè)施置于地下，屬于密閉式。熱潑渣廂法的優(yōu)點(diǎn)是冷卻環(huán)境要求低，安全便捷，冷卻時(shí)間短，處理能效大，鋼渣活性較好，機(jī)械化作業(yè)程度高；其缺點(diǎn)是占地面積相對較大、廢水排放量大、易揚(yáng)塵，熱輻射明顯，故需配套建設(shè)相應(yīng)的除塵、隔熱等設(shè)施來保障生產(chǎn)[4]。

1.2 熱潑渣工藝流程

熱潑法工藝流程為：渣罐車將高溫液態(tài)鋼渣運(yùn)輸?shù)綘t渣間，吊車將渣罐吊起至渣廂上方，使高溫液態(tài)鋼渣均勻潑入地面渣廂內(nèi)，同時(shí)渣廂頂部噴淋裝置向廂內(nèi)噴水，熱態(tài)鋼渣隨之劇烈反應(yīng)以致裂化、粉化、冷卻，待鋼渣溫度降低至60 ℃～70 ℃后，機(jī)械鏟裝運(yùn)至渣場作進(jìn)一步處理，最終實(shí)現(xiàn)鋼渣二次利用。噴淋冷卻過程中產(chǎn)生的廢水，經(jīng)渣廂底部的過濾層，流入渣廂外的渣溝后，收集到沉淀池進(jìn)行深度廢水處理。

1.3 冷卻工藝要求

熱潑法冷卻過程中，渣廂內(nèi)部溫度從約1 650 ℃劇降至約60 ℃，期間伴隨劇烈的化學(xué)反應(yīng)，鋼渣裂隙內(nèi)產(chǎn)生大量的飽和高溫蒸汽，渣塊隨之崩裂粉化，這些高溫蒸汽及飛崩的高溫渣塊，對渣廂周邊擋墻產(chǎn)生很大的破壞性。因此，渣廂擋墻必須具有良好的熱防護(hù)性能，擋墻內(nèi)壁的隔熱散熱必須高效，才能保障渣廂結(jié)構(gòu)在高溫輻射、渣塊撞擊等作用下安全可靠的運(yùn)行。根據(jù)渣廂不同的容積，噴淋冷卻水一般需要80 m3/h～150 m3/h耗水量[5]，隨之產(chǎn)生大量的冷卻廢水，而廢水中裹挾大量的渣粉，排放路徑須通暢，并具有初步濾渣功能。

2 渣廂設(shè)施優(yōu)化

2.1 現(xiàn)行熱潑渣廂設(shè)施弊端

渣廂擋墻一般采用三面懸臂式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼渣冷卻過程中，渣廂內(nèi)長期處于700 ℃～1 650 ℃的高溫環(huán)境，擋墻混凝土須具有良好耐熱性能。以往的工程中，常采用高性能耐高溫混凝土來保障環(huán)境要求，但其制備條件要求較高，各項(xiàng)應(yīng)用指標(biāo)遠(yuǎn)高于普通硅酸鹽混凝土。選用的骨料、制備配合比、摻和耐高溫礦粉等材料，均有嚴(yán)格要求，例如：粗骨料不能選擇石灰石、石英砂等高溫變形大的骨料，應(yīng)選用耐火度高、高溫變形小的火成巖、玄武巖、高爐礦渣、黏土熟料等；細(xì)骨料須采用高爐水淬礦粉等[6]。這種耐高溫混凝土的市場應(yīng)用范圍小，不便于采購，工程應(yīng)用成本高，檢測合格率低；且耐高溫混凝土一般承受的溫度僅為300 ℃～700 ℃，理想條件可達(dá)900 ℃[7]，混凝土壽命短。因此，耐高溫混凝土難以滿足渣廂的環(huán)境要求，普遍發(fā)生擋墻開裂甚至崩裂損壞的現(xiàn)象，有的工程甚至造成了安全事故，工程實(shí)踐效果差。故僅依靠耐高溫鋼筋混凝土擋墻來實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)的做法，安全生產(chǎn)的可靠性較低，該方法逐步遭到淘汰。

目前，渣廂擋墻熱防護(hù)措施已逐步改良，降低了材料要求，采用市場應(yīng)用量大的普通礦渣硅酸鹽混凝土，強(qiáng)度等級為C30～C35，其持續(xù)耐熱溫度可以達(dá)到300 ℃以上，最高可達(dá)500 ℃。顯然，這種抗高溫能力也不能滿足環(huán)境要求。對此，采取在擋墻內(nèi)壁設(shè)置隔熱、散熱組件來實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)[8]，具體做法是：在擋墻內(nèi)壁設(shè)置支撐梁，支撐梁一般采用H型鋼，將其直接焊于擋墻內(nèi)壁的預(yù)埋件上，再在支撐梁頂面焊接隔熱板，隔熱板多為50 mm厚的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，然后在隔熱板與擋墻之間的空隙內(nèi)填充耐火磚，這種隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)施如圖1所示。通過這些處理措施，擋墻隔熱效果明顯提升，基本滿足渣廂環(huán)境要求。然而，在渣處理生產(chǎn)一定時(shí)期后，擋墻仍出現(xiàn)了局部規(guī)律性開裂，此外，隔熱板與支撐梁之間普遍出現(xiàn)松動翹曲現(xiàn)象，造成隔熱、散熱效果大大降低，且不便維修；廢水污染場地的現(xiàn)象仍未得到徹底解決。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行渣廂設(shè)施存在以下幾點(diǎn)不足：

1)隔熱板與支撐梁之間采用焊接方式，高溫引起較大變形和應(yīng)力集中效應(yīng)，而焊接部位限制了變形，由于梁、板變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致連接焊縫斷裂，連接松動，隔熱板局部翹曲；

2)支撐梁焊接于擋墻內(nèi)壁埋件上，從而形成熱傳遞通道，高溫?zé)崃客ㄟ^支撐梁和埋件傳遞到擋墻內(nèi)壁，導(dǎo)致混凝土局部溫度過高，引起局部規(guī)律性開裂；

3)隔熱板與擋墻之間的空隙內(nèi)填滿了耐材，其隔熱好、散熱差，內(nèi)部空隙水汽高溫膨脹，飽和蒸汽難以散發(fā)出去，熱交換效率低，窩裹在內(nèi)部高溫蒸汽加劇了混凝土裂縫的開展；

4)廢水排放路徑不通暢，廢水中裹挾的渣粉極易堵塞通道，從而污染場地。這種渣溝如圖2所示。

可知，對熱潑渣廂在高溫環(huán)境下的工作性能評估不足，結(jié)構(gòu)選材和構(gòu)造措施不合理，是造成渣廂熱防護(hù)性能較差以及場地污染的主要原因。

2.2 渣廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮渣廂冷卻環(huán)境特點(diǎn)，采取了兩方面的優(yōu)化措施：一是改良隔熱、散熱構(gòu)造措施；二是改良廢水排放構(gòu)造措施。優(yōu)化后的隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)施如圖3所示。

2.2.1隔熱散熱構(gòu)造措施

首先，在內(nèi)壁設(shè)置約200 mm厚的耐火磚基座，支撐梁采用鍍鋅螺栓固定于基座上，阻隔熱源傳導(dǎo)路徑，避免混凝土局部高溫導(dǎo)致開裂。在支撐梁上翼緣兩側(cè)設(shè)置限位卡槽連接隔熱板，梁板在高溫變形時(shí)，由于變形不協(xié)調(diào)，使之既能相互自由伸縮，又可保證隔熱板不致脫落。隔熱板與擋墻之間的空隙內(nèi)不再填充耐材，在隔熱板背面設(shè)置散熱板，可促進(jìn)空隙內(nèi)飽和蒸汽對流散熱，保證散熱通暢，散熱板亦可限制隔熱板面外翹曲變形。支撐梁采用廢鋼軌，因鋼軌具有良好的耐熱變形特性，且經(jīng)濟(jì)環(huán)保。此外，錨栓連接便于后期維護(hù)，且導(dǎo)熱面積很小，可忽略不計(jì)。優(yōu)化后的渣廂設(shè)施剖面圖如圖4所示。

優(yōu)化后熱潑渣廂設(shè)施為架空式，材料均為常規(guī)材質(zhì)，主要材質(zhì)和規(guī)格為：普通礦渣硅酸鹽鋼筋混凝土，強(qiáng)度等級為C30～C35；粘土質(zhì)隔熱耐火磚，性能指標(biāo)為NG135-1.3，耐火度不低于1 690 ℃[9]；QU50廢鋼軌；25 mm～35 mm厚隔熱板，材質(zhì)為Q235-B碳鋼或鑄鋼板；M20～M24鍍鋅錨栓，材質(zhì)為Q235-B或不銹鋼。

2.2.2排水構(gòu)造措施

對于噴淋冷卻廢水的排放污染，采取兩方面措施來解決：一是優(yōu)化排水路徑，二是優(yōu)化渣溝構(gòu)造。首先，渣廂底板頂面設(shè)置5%～10%的坡度，在底板上均勻鋪設(shè)500 mm厚黏性土層，并分層夯實(shí)，夯實(shí)系數(shù)不小于0.94，在夯實(shí)后的土層上鋪設(shè)300 mm～500 mm高爐礦渣，粒徑為50 mm～150 mm。其二，渣溝蓋板中間設(shè)置60 mm×500 mm的長圓孔，并在蓋板兩邊側(cè)各增設(shè)一個(gè)30 mm×500 mm凹槽，當(dāng)蓋板鋪裝后，相鄰蓋板之間自然形成了一個(gè)60 mm×500 mm的落水孔，則落水孔的面積增大1.5倍。其三，在來水方向的渣溝側(cè)壁頂部，水平增設(shè)一排約100 mm×300 mm的矩形泄水孔，孔間凈距約400 mm，并在泄水孔外側(cè)增設(shè)活動式格柵濾網(wǎng)，格柵濾網(wǎng)可采用鍍鋅碳鋼或不銹鋼，網(wǎng)孔宜為25 mm×25 mm左右，濾網(wǎng)可防止大顆粒礦渣進(jìn)入渣溝。經(jīng)優(yōu)化后，冷卻廢水可初步過濾，大大減少廢水中的渣粉含量，減緩流速；大部分廢水首先通過渣溝側(cè)壁的泄水孔流入溝內(nèi)，若仍有部分溢出，可通過頂部蓋板的落水孔流入渣溝，多道泄水路徑，明顯提升了排水效率，基本解決了場地污染。優(yōu)化后的渣溝設(shè)施見圖5。

3 工程應(yīng)用

優(yōu)化后的熱潑渣廂設(shè)施，已應(yīng)用于青鋼環(huán)保技改工程、淮鋼優(yōu)特鋼改造等煉鋼渣處理工程中，在投產(chǎn)運(yùn)行后，其隔熱、散熱效果良好，未見渣廂擋墻開裂現(xiàn)象，冷卻廢水排放也較為通暢，基本消除了場地大面積污染。由此可知，優(yōu)化措施有效保障了渣廂的工作性能，安全可靠，后期運(yùn)維便捷，有效降低了運(yùn)維成本，延長了渣廂設(shè)施的使用壽命。與以往的工程相比，隔熱板的厚度減小約40%，耐火磚用量減小約80%，支撐采用廢舊鋼軌，更加節(jié)能環(huán)保。因此，該設(shè)施具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的市場應(yīng)用前景。

熱潑渣廂設(shè)施生產(chǎn)過程中，仍有一些細(xì)節(jié)問題值得注意：一是地面機(jī)械鏟運(yùn)冷卻鋼渣時(shí)，應(yīng)注意鏟渣力度，避免暴力鏟運(yùn)擾動隔熱板和支撐組件；二是應(yīng)建立渣溝清淤制度，定期排查，保障廢水排放通暢。由于渣廂容積和場地環(huán)境要求的不同，渣廂設(shè)施的熱防護(hù)、廢水排放等技術(shù)仍有進(jìn)一步研究的空間。

4 結(jié)語

通過介紹轉(zhuǎn)爐煉鋼熱潑鋼渣冷卻工藝生產(chǎn)要求，對熱潑渣廂設(shè)施熱防護(hù)和廢水排放等影響因素進(jìn)行了綜合分析，給出了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，工程應(yīng)用效果良好。得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：1)熱潑渣廂熱防護(hù)采用架空式結(jié)構(gòu)，通過耐火磚基座阻隔熱源直接傳導(dǎo)，解決了混凝土擋墻局部開裂；隔熱板和支撐梁之間卡槽連接，增設(shè)散熱板，實(shí)現(xiàn)高溫自由變形，渣廂整體隔熱、散熱效果顯著提升；2)渣廂底部設(shè)置坡度，采用等厚多層褥墊層，減緩流速減少攜渣，實(shí)現(xiàn)廢水初步過濾；3)優(yōu)化渣溝泄水面積和路徑，增設(shè)格柵濾網(wǎng)，排水效率明顯提升，基本解決了場地污染問題；4)熱防護(hù)和廢水排放綜合優(yōu)化措施，安全可靠，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。