矿渣棉生产工艺综述

1矿渣棉的能耗分析

传统冲天炉矿渣棉生产工艺，要把常温的高炉干渣、硅石粉等原料加热到熔融状态，才能达到离心成纤的要求，在此期间消耗能量约占总能耗的70%～75%［5］．按照国内当前生产技术水平，生产每吨矿渣棉的焦炭平均消耗量在490kg左右［6］，属于典型的高耗能工艺．冲天炉热平衡计算中热收入计算表见表2．冲天炉热平衡收入分析计算结果表明，热量总收入的86.64%［5］来自燃料燃烧所产生的热量．因此，直接利用高温熔融态的高炉渣，按照铁棉联产的思路进行矿渣棉生产的成本将大幅降低;同时，钢铁企业的质量控制体系非常成熟，矿渣棉质量将得到有力保证．

2铁棉联产矿渣棉生产工艺的优势

钢铁工业“十二五”规划中，明确指出把“冶金渣综合利用技术”作节能减排技术应用的重点推广项目．钢铁企业开发铁棉联产工艺，符合国家节能、环保政策，生产高端矿渣棉具有明显优势．

2.1原料优势

一个年产10万t的矿渣棉生产线，每年需高炉渣8万t，硅石7万t，白云石1万t．依托炼铁厂，建设矿渣棉生产线，使得高炉渣从高炉生产现场到运输到矿渣棉生产线，物流成本几乎为零;而硅石和白云石都是炼铁厂生产必需原料，质量稳定，且仅占炼铁的原料比重不足10%，无须单独采购，就地解决即可，这也充分地利用了钢铁厂的优势．

2.2能耗优势

出炉的高炉渣，其温度一般在1500℃左右，经计算可以发现，每t高炉渣含有1.6～1.8×106kJ的显热，折合60kg左右标准煤，标准煤热量为29.27MJ/kg．铁棉联产工艺的实施可以实现高炉渣的热装、热送，高炉渣显热回收效率可达到80%［4］以上．按照先进的冲天炉熔炼工艺工序能耗计算［5］，每熔炼1t熔渣的工序能耗为445kg标准煤，用于熔融过程的热量约6.0×106kJ(折合205kg标准煤)［5］，即在高炉渣热能完全利用的情况下，工序能耗仅有240kg标准煤．此外，钢铁厂具有大量的废热，这些热量通过合理的工艺措施，可以在矿渣棉板的固化、聚合过程中得到充分利用，不仅可以提高这些废热的利用率，同时也节约了生产矿渣棉板所需的热量．

2.3配套辅助设施优势

矿渣棉生产线所需配套辅助设施主要有供电、供水、供气三项．10万t/年的矿渣棉生产线装机容量一般在6000kW左右;所需软水满足200m3/h即可;压缩风压力0.2MPa．在钢铁企业里，以750m3高炉为例，软水流量一般在1500m3/h，且富余量较大，压缩风压力一般在0.4MPa以上，具备了发展铁棉联产工艺的基本条件．因此，铁棉联产工艺的配套辅助设施不需单独设计、建设，这也进一步地降低了生产建设成本．现代化的钢铁企业，不仅自动化技术水平高，而且管理团队也相当完善．铁棉联产工艺生产线的建成，无需单独配备相关的专业技术人员，甚至可以实现现场无人值守，生产线视频监控和计算机远程操作．这不仅可以使得员工免于矿渣棉生产过程中对其身心健康的损害，也对产品质量稳定性提供了保证．传统矿渣棉工艺没有利用熔融态高炉渣的显热，在二次熔融的过程中，使用冲天炉需要使用大量的焦炭，能耗成本严重削弱了其市场竞争力．为了获得市场份额，通过牺牲质量控制水平来降低成本，是矿渣棉生产厂的常规做法，如此也限制了矿渣棉工艺的进步．

2.4铁棉联产工艺技术的提出

随着钢铁工业节能技术的深入研究，围绕着熔融态高炉渣显热的充分利用技术，出现了一步法矿渣棉生产技术．但是由于工艺因素的限制，无法在吹制或离心成纤之前进行补热、调质、成分和温度的均化，直接将熔融态的高炉渣转化为矿渣棉．这样生产的矿渣棉纤维相对较粗，保温性能差，质量难以保证．本文提出了高炉渣氧煤混喷二次加热技术的铁棉联产工艺技术．在矿渣棉的生产过程中增加了调质炉，对熔融态的高炉渣进行二次加热、调质，均温，为提高质量、降低成本创造了条件.

3氧煤混喷二次加热技术的铁棉联产工艺

3.1铁棉联产新型工艺流程的设计

铁棉联产工艺技术是建立在对高炉渣显热充分回收利用的理念之上的，但不是简单地直接利用，而是必须经过高炉渣的转移运输、加热和调质等工艺环节，为了实现这些功能，就必须建立一个调质炉．该设备需要完成对高炉渣的再次提温加热、成分调整和均匀，而氧煤混喷二次加热技术的采用可以解决该问题．同时为了满足成分的要求，按照既定配比，加入硅石粉、氧化铁皮等辅助原料，将高炉渣酸度系数调整到1.3以上，以获得具有良好的成纤能力、合适的黏度和表面张力的熔体．之后通过常规的矿渣棉生产工艺流程，进行优质矿渣棉的生产，工艺流程如下图所示:

3.2氧煤混喷加热技术

氧煤混喷加热技术是借鉴SmeltingReduction熔融还原理论，将熔融态的高炉渣转入调质炉后，把氧煤混合喷枪通入调质炉，可控的定量煤粉在富氧、高温条件下剧烈燃烧，释放出超高热能，从而实现高炉渣的二次加热;同时反应过程中产生的CO2和CO把熔渣进行剧烈搅拌，使得高温熔体在熔融硅石粉、氧化铁皮的同时，实现了熔体自身的成分均一性．

3.3矿渣棉调质工艺简析

传统矿渣棉与岩棉的质量差别主要是因为:含氧化铁较低的熔体，在保证高温熔体的黏度的同时，熔体的酸度系数必须控制在1.2左右，很难超过1.3．熔体的Mk值在1.2左右时，在最佳成纤温度下有宽而稳定的黏度范围(1～3Pa•S)［7］，在这种情况下即使体温度上下波动100℃，其纤维质量和成纤率不受明显影响［8］．钢铁企业的铁棉联产工艺可充分利用钢铁企业的资源优势，以良好的质量控制体系运行为基础，优化配比结构，实现与岩棉生产工艺具有相同的质量控制目标如:Mk值、FeO含量和相应温度下的熔体黏度．通过表3我们可以看出，质量配比为75%的高炉渣、12%的氧化铁皮和13%的硅石粉组合形成的混合熔体的Mk值可以提高到1.41，甚至更高，可以按照岩棉的成分控制要求进行配比结构优化．试验室进行了试验，制取的矿渣棉纤维如图2所示．

3.4氧煤混合喷吹加热技术的铁棉联产工艺流程特点

(1)高炉渣的显热能够得到充分利用，仅有部分辐射热损失;(2)高炉渣的改质升温过程中，氧煤混合喷枪的氧气和煤粉都能够得到有效控制，因此加热效率高;(3)采用氧煤混合喷枪对高温熔渣具有强烈的搅拌作用，使得熔渣的成分和温度更加均匀;(4)建厂设备和人力投资低，氧煤混喷所需要的原料，氧气和煤粉在钢铁企业中容易得到;(5)能耗低，由于氧煤混合喷吹加热技术的应用，煤粉的燃烧得到强化，煤粉的充分燃烧为熔渣调质提供了足够的热量，每吨矿渣棉所需能耗将明显降低．

4结语

通过对国内外高炉渣高效资源化研究成果的分析，结合国内钢铁大环境，总结出充分利用高炉渣显热，并同时制备出高附加值产品是当前乃至以后高炉渣高效资源化利用的主要研究方向．与传统的矿渣棉生产工艺相比，基于氧煤混喷加热技术的铁棉联产工艺流程具有突出的节能、优质、高效优势，成本更低，市场竞争力更强．铁棉联产工艺技术的推广，不仅使熔融高炉渣的热量得到了充分利用，大幅降低了生产能耗，同时也大大提高了高炉渣的附加值，减少了水冲渣处理工艺而产生的蒸汽污染，改善了生产现场的环境，具有良好的应用前景．

作者：王东 周扬民 罗思义 仪垂杰 单位：青岛理工大学 冶金炉渣高效资源化利用国家地方联合工程研究中心