1 高炉矿渣综合利用技术研究背景
高炉矿渣是高炉炼铁生产过程中排出的水淬废渣,其主要化学成分为SiO2、Al2O3和CaO,与水泥成分相近。高炉矿渣经干燥、粉磨制成一定细度的矿渣粉，可按一定比例配入水泥或混凝土中。矿渣粉具有超高活性的同时还具有潜在水硬性,使其成为水泥或混凝土的优质混合、掺合材料。用矿渣粉作为混凝土掺合料不仅可等量替代水泥,而且可使混凝土的多项性能得以极大改善，具体表现在：泌水少、可塑性好、水化析热速度慢、水化热小、有利于防止大体积混凝土因内部温升引起的开裂,并能使混凝土后期强度得以大幅提高,具有良好的耐久性。
随着我国经济建设的发展，高层建筑、大跨度桥梁、高速铁路、高速公路等工程建设的开展，高性能水泥的需求量迅速增大，矿渣粉作为新型水泥混凝土掺合料，有着广阔的市场前景，对我国建材行业及钢铁行业的发展和环境保护具有较好的经济效益和社会效益。北京首钢国际工程技术有限公司（以下简称：首钢国际工程公司）采用成熟先进的立磨粉磨矿渣工艺，先后完成9条矿渣粉生产线的设计工作，其中8条矿渣粉生产线已经投产，并且运行稳定、产品质量达标、取得了良好的经济效益、社会效益和环境效益，具有较大的市场推广价值。
 
2 立磨粉磨矿渣工艺特点及流程简述
立磨粉磨矿渣工艺具有粉磨效率高、生产可靠，系统节能，噪音小、单机能力大、维修工作量小、适应工厂大型化要求的特点，因此在国内外得到广泛应用。
立磨粉磨矿渣工艺主要包括：原料储运系统、矿渣粉磨系统、热风系统、成品储运系统和公辅系统等。
高炉矿渣经原料储运系统送至配料站水渣仓，石膏由汽车运输进厂，在石膏堆棚内储存，生产时经斗式提升机送入配料站的石膏仓。矿渣仓和石膏仓底均设定量给料装置，仓内矿渣、石膏经配料后，由带式输送机、磨顶喂料设施送入立磨。为防止金属块进入立磨，在原料输送环节设置两道除铁设施。
进入立磨的物料在磨盘与磨辊之间研磨，在一定负荷下被烘干、粉磨，研磨后的物料被热风即上升承载空气送入位于立磨顶部的高效选粉机，分选成细粉和粗粉。细粉即成品矿渣粉随热风进入布袋收粉器，由布袋收粉器收集，后经成品输送设施送入成品库；粗粉沿磨机机壳内侧掉落到磨盘上，并再次研磨；一部分较大颗粒的粗粉被排入立磨外循环系统，并经外循环系统除铁后重新返回立磨进行粉磨。立磨烘干热风由热风炉供给，废气经高效布袋收粉器净化后排入大气。成品输送系统设自动取样机，定时自动取样，样品送往实验室进行检验。
布袋收粉器收集的矿渣粉经成品输送设施送入成品库储存，成品库内设置充气斜槽等流化设施，成品库充气流化可防止矿渣粉在库内板结，矿渣粉通过库底或库侧卸料设备、散装机装车外销。
典型的立磨粉磨矿渣工艺流程见图1。

 
图1   立磨粉磨矿渣工艺流程
 
3 设计过程中需要考虑的问题
1）厂址选择
立磨粉磨矿渣工艺厂址选择应遵循国家相关规程和规范，优先考虑投资省、建设快、运行费用低、经济效益和环境效益好的厂址，并应进行多方案比选，对建厂条件、投资费用、运输、环境保护和安全条件进行充分论证比较，一般来说在满足以上条件的前提下，应首选距离原料较近的厂址，既能减少原料运输环节的费用，又可以避免对原料运输路线沿途的环境影响。
    2）高炉矿渣储运方式的选择
高炉矿渣最好采用带式输送机运输至原料系统，可以降低运输费用，带式输送机通廊采用封闭式结构，可减少对周边环境的污染。
高炉和立磨粉磨矿渣工艺生产作业制度不同，因此应设置矿渣堆场（图2），高炉在出渣过程会带出很多水分，矿渣堆场周围应设计排水沟，从矿渣中渗出的水排入污水处理系统，处理达标后方可外排，另外矿渣内的水分对建筑有腐蚀作用，因此矿渣堆场内的建构筑物与矿渣接触的部分还应考虑防腐措施。
 
图2   高炉矿渣堆场
一般来说高炉矿渣的上料有两种方式，一种为高炉矿渣在原料堆场堆存，生产时通过抓斗、前装机或其他设施上料；另一种为通过高炉出渣系统带式输送机直供立磨粉磨矿渣工艺配料站矿渣仓。不建议采用通过高炉出渣系统带式输送机直供配料站矿渣仓的上料方式，主要原因如下：
l 高炉出渣制度与立磨粉磨矿渣工艺生产操作制度、检修时间不同，实际生产中能够直供的矿渣量非常有限；
l 刚刚从高炉出渣系统排出的矿渣含水量较高，矿渣直供配料站矿渣仓，会导致配料站积水、工艺能耗偏高等问题；
3）有关矿渣除铁问题
高炉矿渣中一般含有0.3％-0.5％左右的铁质，一部分铁质以铁粒或铁块形式夹带在矿渣原料中，另一部分被包裹在矿渣颗粒中。为保护磨盘和磨辊，降低研磨体消耗，延长磨盘、磨辊使用寿命，立磨粉磨矿渣工艺均需要设置除铁装置。
通常在原料系统矿渣输送环节设置两道除铁系统，可有效去除以铁粒或铁块形式夹带在矿渣原料中的铁质。包裹在矿渣颗粒中的那部分铁质，则需要经过在立磨内粉磨，去除表面矿渣料，使铁质裸露出来，才能由除铁器将铁质分离，因此，立磨矿渣粉磨外循环系统通常都再设置一道除铁设施。
4）粉磨设备的选择
进口立磨具有坚固、可靠、耐用、故障率低、设备维修率低的优点。20世纪90年代立磨粉磨矿渣工艺在国内发展之初，各生产厂大多选用进口立磨，随着立磨粉磨矿渣工艺在国内不断发展推广以及国内设备加工制造能力的提升，目前国产立磨及减速机设计、制造技术已经趋于成熟，完全能够满足立磨粉磨矿渣工艺的生产需要，且供货周期短、价格低，因此国内立磨粉磨矿渣工艺选用国产立磨及减速机的已经越来越多。企业可根据资金情况、建设周期、原料特性、矿渣粉质量要求等来决定选择进口或国产立磨。选用国产立磨时还要根据设备结构是否合理、维护检修是否方便、技术经济指标是否先进、配件保证及费用、售后服务、运行费用等因素进行综合考虑。
    5）热风炉燃料的选择
立磨烘干、粉磨的热源由热风炉供给，热风炉分为燃煤热风炉和燃气热风炉。燃煤热风炉和燃气热风炉的比较见表1。
由表1可见，燃气热风炉在占地、控制、环境保护等方面具有很大优势，因此在有燃气供应的条件下，应优先考虑燃气热风炉。
表1   燃煤热风炉和燃气热风炉的比较
 
 
占地面积
 
环境污染
 
燃料要求
 
自动控制
 
岗位工
燃煤热风炉  
 
较大
（需设煤库）
 
煤燃烧过程会对周边环境造成影响
 
不高
 
不能实现
 
需要
燃气热风炉
 
较小
 
污染较小
 
高、低热值的煤气均可满足使用
 
可以实现
 
不需要
6）成品储运设施的选择
    矿渣粉成品储库是立磨粉磨矿渣工艺的重要组成部分，具有矿渣粉储存、散装外运以及满足正常生产的缓冲功能。目前成功应用的矿渣粉成品库主要有混凝土储库（图3）和大型钢板库（图4）两种形式。大型钢板库相对于混凝土储库具有投资低、建设周期短、单库储量大等优点，已经成功在迁钢90万t/a矿渣粉生产线和河北三河3×60万t/a矿渣粉生产线上应用。
矿渣粉混凝土储库与大型钢板库性能比较见表2。
表2   矿渣粉混凝土储库与大型钢板库性能比较
 
 
混凝土储库
 
大型钢板库
组    成
 
基础、库体、出料系统、
控制系统
 
基础、钢结构库体、出料系统、控制系统
单库储量/t/库
 
5000-8000
 
10000-50000
装车形式
 
库底或库侧装料
 
库侧装料
投资/元/t
 
-700
 
-350
建设周期
 
4-6个月
 
3个月
 
 
图3  矿渣粉储库（混凝土储库）
 
 
图4  矿渣粉储库（大型钢板库）
 
4 典型工程介绍
1）迁安首嘉建材有限公司90万t/a矿渣粉生产线
迁安首嘉建材有限公司90万t/a矿渣粉生产线（图5）位于迁钢西南侧的迁钢循环经济产业园内，迁钢3座高炉炼铁产生的矿渣由带式输送机系统输送到矿渣堆场堆存。矿渣、石膏配料后送入立磨进行烘干、粉磨，成品矿渣粉由布袋收粉器收集，经成品输送系统送入2×10000t大型钢板库内储存，最后矿渣粉由大型钢板库库侧散装机装入罐车，运输出厂外销。
 
 
图5  迁安首嘉建材90万t/a矿渣粉生产线效果图
 
2）首钢秦皇岛60万t/a矿渣粉生产线
首钢秦皇岛60万t/a矿渣粉生产线（图6）位于秦皇岛首秦金属材料有限公司炼铁厂2号高炉北侧，高炉炼铁产生的矿渣由带式输送机系统输送到矿渣堆场堆存，矿渣堆场及立磨厂房为封闭式结构，矿渣、石膏配料后送入立磨烘干、粉磨，成品矿渣粉由布袋收粉器收集，经成品输送系统送入3×5000t混凝土结构储库内储存，最后矿渣粉由库底散装系统装入罐车，运输出厂外销。
 
图6  首钢秦皇岛60万t/a矿渣粉生产线效果图
 
3）首钢京唐钢铁联合有限责任公司4×60万t/a矿渣粉生产线
首钢京唐钢铁联合有限责任公司4×60万t/a矿渣粉生产线（图7）由首钢京唐钢铁联合有限责任公司、首钢环保产业事业部与唐山冀东水泥股份有限公司合作建设，可处理首钢京唐钢铁联合有限责任公司高炉生产的全部矿渣。项目厂址紧邻首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼铁工程1号、2号高炉，可将高炉生产的矿渣就地完成深加工处理，总图布置、工艺流程特别紧凑。
 
图7  首钢京唐钢铁联合有限责任公司4×60万t/a矿渣粉生产线实景
 
4）三河首嘉建材有限公司3×60万t/a矿渣粉生产线
三河首嘉建材有限公司3×60万t/a矿渣粉生产线，其中1条线为预留，项目选址位于河北省三河灵山水泥厂内。矿渣原料由火车运输进厂，卸入矿渣堆场储存，上料时采用铲车将矿渣送入矿渣受料斗，然后经90°大倾角带式输送机送入配料站的矿渣仓，在成品储运环节选用2座单库容积为20000t的大型钢板库。
采用90°大倾角带式输送机上料，可以有效节约生产线占地面积，减少原料转运环节，即降低了生产线的运行成本，又节省了工程总投资。
5 技术发展与展望
随着现代钢铁行业对环境保护、节能减排方面的要求不断提高，钢铁渣综合利用项目已成为国内外大型钢铁厂发展规划中必不可少的部分，矿渣粉磨工艺可以实现高炉矿渣二次利用，为钢铁企业实现可持续发展目标创造条件，近年来得到很大推广与应用。首钢国际工程公司拥有国家住房与城乡建设部颁发的工程设计综合甲级资质，能够基于用户需求，为用户提供配置灵活、性能可靠、技术成熟、环境优良的矿渣粉生产系统的设计和总承包等多种服务。首钢国际工程公司将以市场为导向、用户需求为己任，推动冶金行业节能减排、综合利用技术的发展，为绿色冶金做出更大的贡献