杜鑫，聂文海，柴星腾，石国平

1 前言

钢渣是炼钢时排出的固体废弃物，主要包括铁水与废钢中所含元素氧化后形成的氧化物、金属炉料带入的杂质、造渣剂及氧化剂、脱硫产物和被侵蚀的炉衬材料等。根据炼钢工艺的不同，所产生的钢渣可分为转炉钢渣、电炉钢渣、精炼渣、预处理渣和铸余渣等。根据处理工艺的不同，钢渣又可分为热闷渣、热泼渣、滚筒渣、盘泼渣、粒化渣等。

钢渣主要由CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、fCaO等化学成分组成，其中，CaO占比最大，约40%～55%。有的钢渣中还含有V2O5、TiO2等。从钢渣的矿物组成来看，主要包括硅酸二钙、橄榄石、镁蔷薇辉石、硅酸三钙、RO相、纳盖斯特石和少量金属铁等，其中，硅酸二钙和硅酸三钙可达45%[1]。

根据国家统计局的数据显示，2019年我国粗钢产量为9.96亿吨，而每炼1t钢约产生钢渣0.1～0.15t，钢渣产生量约1.4亿吨，但钢渣的综合利用率不高，约20%～30%。从现有技术条件来看，钢渣的资源化利用途径有很多，如做烧结料、建材辅助胶凝材料、路基填料、混凝土骨料、肥料、环保处理材料等[2]，其中，最具有大规模利用前景的是用作建材辅助胶凝材料。目前，钢渣用作辅助胶凝材料的主要技术瓶颈是钢渣活性低、易磨性差、有潜在的安定性风险。技术研究表明[3]，钢渣磨细后，富集的fCaO均匀分散，不会对混凝土产生膨胀性危害。因此，如何提高钢渣活性、降低钢渣粉磨电耗，成为行业关注的热点。

提高钢渣活性的方式主要有机械活化、化学活化和热力活化等，其中，机械活化是成本最低的实现方式。通过粉磨装备实现钢渣机械活化，是将钢渣粉磨细化，使钢渣在微观结构上产生晶格畸变，从而提高钢渣微粉的活性。目前主要有辊磨终粉磨、辊压机终粉磨、辊压机球磨机联合粉磨、球磨机终粉磨、筒辊磨终粉磨等钢渣粉磨技术，其中，以辊磨、辊压机等为代表的料床粉磨装备最具有节能优势[4]。通过实验室试验和工业应用实践，开展了不同金属铁含量、钢渣易磨性以及除铁装置对粉磨电耗的影响研究，现将所得结果介绍如下。

2 试验研究

（1）邦德粉磨功指数

依据GB/T 26567-2011水泥原料易磨性试验方法（邦德法），采用φ305mm×305mm球磨机，进行钢渣物料易磨性试验。

试验过程中，将试样破碎至粒度＜4mm，混匀测定700ml松散试样的质量，装入球磨机进行试验，待磨机每转实际成品量（G值）均很接近平衡状态时（循环负荷250%），以最后2～3次试验的G值求其算术平均值，按式（1）求得粉磨功指数：

式中：

Wi——粉磨功指数，MJ/t

P——成品筛的筛孔尺寸，μm

G——平衡状态下三个Gj的平均值，g/r

P80——成品的80%通过粒度，μm

F80——试样的80%通过粒度，μm

（2）TRM5.6辊磨试验

TRM5.6辊磨磨盘直径为560mm，产量400～600kg/h，其试验系统工艺流程和工业化辊磨终粉磨系统完全一致，TRM5.6辊磨试验系统工艺流程见图1。该系统采用集中控制，可调节、记录有关参数；试验时，通过调整喂料量控制系统功耗，最后通过称量成品质量计算产量和电耗。

图1 TRM5.6辊磨试验系统工艺流程

3 试验结果分析

3.1 金属铁含量对粉磨功指数的影响

众所周知，将物料由粗粒级粉磨至细粒级，需要消耗一定的能量，对于如何表征物料细度变化所需要的能量，各国学者提出了不同的理论，其中公认的粉磨理论包括传统的雷廷格、基克和邦德三派“粉碎”学说。邦德粉磨功指数是基于邦德裂缝学说，在粉磨领域被广泛使用，其所得结果数值越大表示物料越难磨。本研究采用邦德粉磨功指数作为表征钢渣易磨性的方法之一，用于判断钢渣的易磨性差异。

以广东某钢厂的热闷钢渣为原材料，分别做破碎未除铁、简单破碎一道除铁、破碎多道除铁处理，测定不同金属铁含量下的钢渣粉磨功指数，测定结果见表1。

表1 不同铁含量下的钢渣粉磨功指数

从表1可以看出，随着钢渣预处理除铁作用强度的增大，金属铁含量逐步下降，钢渣的粉磨功指数从26.7kW·h/t降低至21.3kW·h/t，降幅达20.2%。这主要是因为粉磨功指数采用间歇式球磨机试验，粉磨过程中金属铁不能有效排出，一直停留在磨内影响粉磨效率，宏观表现为粉磨能耗增大、粉磨功指数增加。

以公司粉磨功指数的统计数据来看，钢渣的邦德粉磨功指数最小值为14.5kW·h/t，最大值为35.5kW·h/t（样品数量103个），波动范围较宽，不同钢渣的易磨性差距较大，但多数集中在25～30kW·h/t。从易磨性差异情况来看，钢渣易磨性的差异与钢渣处理工艺、钢渣中金属铁含量明显相关。

中山大学赵计辉等[5]采用球磨机设备，将钢渣粉磨不同时间后，测定0.9mm筛的筛上物成分，发现粉磨前期钢渣中0.9mm筛的筛上物为钙铁相、RO相和金属铁相，而粉磨后期钢渣中难磨相主要为金属铁相，且粉磨时间越长，金属铁相的含量越高，测定结果见图2。钢渣的比表面积一般控制在≥4 500cm2/g，D50在18～20μm，粒径小，由此可以看出，钢渣粉磨过程中的除铁对钢渣粉磨电耗影响较大。

图2 不同粉磨时间下的筛上物中金属铁含量

3.2 金属铁含量对辊磨电耗的影响

TRM5.6辊磨试验系统可以满足水泥、矿渣、钢渣、尾矿等多种物料的半工业化试验，同时满足公司新技术开发的需要[6]。以此为基础，已建成多套30～100万吨/年的钢渣辊磨生产线。经过大量试验数据与工业应用的对比，该辊磨试验结果与工业应用实际情况一致。

以广东某钢厂的热闷钢渣为原材料，分别做破碎未除铁、简单破碎一道除铁、破碎多道除铁处理，采用辊磨粉磨钢渣，并统一换算至比表面积4 500cm2/g，其粉磨电耗数据见图3、表2。

从表2和图3可以看出，随着入磨物料铁含量的降低，辊磨粉磨电耗从42.6kW·h/t下降至28.9kW·h/t，下降幅度达到32%；钢渣中金属铁含量与粉磨电耗呈指数相关性，金属铁含量越高，粉磨电耗越高，且金属铁含量对辊磨电耗的影响程度大于邦德功指数。辊磨电耗绝对值大于邦德功指数，是因为测试方法不同。邦德功指数控制的是80μm物料的通过量，而辊磨控制的是比表面积为4 500cm2/g的物料，辊磨粉磨的钢渣物料更细。

表2 不同金属铁含量下的辊磨粉磨电耗

图3 不同金属铁含量对粉磨电耗的影响

辊磨电耗变化幅度大于邦德磨功指数，是因为钢渣中的金属铁与渣是相互包覆存在的，只有钢渣被粉磨至一定细度，铁才能被剥离出来。铁含量越高，金属铁和渣剥离需要的能耗越高。辊磨系统中设置除铁装置，钢渣中的金属铁在粉磨过程中被及时排出，粉磨能量损失少、电耗低，随着金属铁含量的降低，电耗明显下降；球磨机粉磨时，金属铁一直在球磨机内，无法排出，且物料细度控制偏粗，随金属铁含量的增加，邦德功指数增加幅度小于辊磨。另外，对于辊磨而言，入磨物料中金属铁含量的降低，可以改善辊磨运行的稳定性，磨机运行更加平稳，能量利用率高。因此，辊磨电耗降幅更大，在工业应用中也已得到了验证。

从工业应用情况来看，2014年，我公司年产30万吨钢渣辊磨在江苏某公司投入使用，采用TRMG32.2辊磨，装机功率1 600kW，磨盘直径3.2m。该辊磨系统除具有完善的原料破碎除铁预处理系统外，在辊磨粉磨工艺系统中还采用了多重除铁技术，入磨的金属铁含量基本在1.0%～1.5%。粉磨纯钢渣时，控制比表面积≥4 500cm2/g，辊磨电耗仅25～28kW·h/t。河北某企业采用TRMG45.2粉磨钢渣，装机功率3 350kW，磨盘直径4.5m，入磨金属铁含量也在1.5%以下，粉磨纯钢渣时，控制比表面积4 700～4 800cm2/g，辊磨电耗仅26～29kW·h/t。

2017年，年产30万吨规模的钢渣辊磨在浙江某企业投产运行，受场地等条件限制，未使用原料破碎除铁系统，入磨的金属铁含量基本在3.5%～4.0%。粉磨纯钢渣时，控制比表面积≥4 300cm2/g，辊磨电耗达41～44kW·h/t，生产成本大幅增加。河北某企业拥有60万吨/年钢渣微粉生产线，入磨金属铁含量基本在3%，粉磨纯钢渣时，控制比表面积≥4 500cm2/g，粉磨主机电耗约40kW·h/t。由此可见，控制入磨金属铁含量是降低辊磨粉磨电耗、节约粉磨能耗的重要措施之一。

根据应用现场的情况反馈，建议钢渣入磨金属铁含量控制在<1.5%，并在粉磨系统中配置高效除铁装置。金属铁含量的增加不仅会导致粉磨电耗增加，更会降低耐磨件的使用寿命[7]、增加运行维护成本。对于钢渣金属铁含量＞1.5%的原料，可以配套适宜的破碎除铁预处理系统。从现有的破碎除铁预处理系统的除铁效果来看，多数钢渣可以实现金属铁含量1.0%～1.5%。

4 结语

随着钢渣中金属铁含量的增加，钢渣易磨性变差、粉磨能耗增加。工业制备钢渣微粉时，建议将钢渣入磨金属铁含量控制在1.5%以下，并在粉磨系统中配置高效除铁装置，以降低粉磨能耗、降低生产维护成本。