轉爐細灰對轉底爐直接還原含碳球團性能的影響

王 廣，薛慶國，佘雪峰，王靜松

(北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室， 北京， 100083)

轉底爐直接還原技術是近40年發(fā)展起來的非高爐煉鐵技術，運用該技術既可以生產(chǎn)金屬化球團，也可以生產(chǎn)與高爐生鐵性質相近的珠鐵[1-4]。轉底爐主要以鐵礦含碳球團為爐料。為保證含碳球團的機械強度，需要在造球時加入一定量的黏結劑。有機黏結劑效果最佳，但成本較高；用膨潤土作黏結劑，其加入量較大，結果不僅增大了生產(chǎn)成本，還增大了后續(xù)熔煉工序的渣量和能耗。轉爐細灰和轉爐污泥用于制備氧化球團的研究結果表明，該塵泥具有一定的黏結性，可以在提高球團強度的同時降低膨潤土用量[5]。本文將轉爐細灰用于轉底爐直接還原含碳球團造球試驗，研究轉爐細灰對含碳球團生球強度、還原性和熔分行為的影響。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

原料化學成分如表1所示。從表1中可看出，鐵礦粉中，TFe含量低，Al2O3、SiO2及硫含量高，屬劣質鐵礦資源；轉爐細灰中，TFe、 CaO含量較高。

轉爐細灰SEM形貌如圖1所示。從圖1中可見，轉爐細灰顆粒結構較為疏松，具有典型的火成巖特性，此外，還存在較多的金屬鐵顆粒和CaO顆粒，且在金屬鐵顆粒邊緣包裹了一層鐵氧化物。鐵礦粉和轉爐細灰粒度分析如圖2所示。從圖2中可見，鐵礦粉粒度較粗，主要集中在100 μm左右；轉爐細灰粒度較細， 90 μm以下居多，粒度分布勻細，較易吸水成團。還原劑為無煙煤，工業(yè)分析及灰分分析如表2所示，還原劑破碎后，過0.5 mm篩，取篩下料用于配料造球。

表1 原料化學成分(wB/%)Table 1 Chemical compositions of raw materials

圖1 轉爐細灰SEM形貌Fig.1 SEM morphology of BOF fine dust

1.2試驗方法

分別將鐵礦粉、還原劑、有機黏結劑、膨潤土及轉爐細灰按一定比例混勻，還原劑的配入量按混合料中由其帶入的固定碳與鐵氧化物帶入的氧之間的摩爾比(n(C)/n(O))為1.2來確定，混合料水分控制在13%左右，用壓力為15 MPa的對輥壓球機(DZF-6020)壓制成橢球形枕狀球團(長×寬×厚為40 mm×30 mm×20 mm)。對濕生球進行落下和抗壓強度檢測；部分生球經(jīng)150 ℃電熱烘箱干燥12 h后用于還原和熔分試驗。

(a)鐵礦粉

(b)轉爐細灰

圖2鐵礦粉和轉爐細灰粒度分析
Fig.2ParticlesizeanalysisofironoreandBOFfinedust

表2 還原劑工業(yè)分析及灰分分析(wB/%)Table 2 Proximate and ash analysis of reducing agent

球團還原焙燒試驗在豎式管爐內(nèi)進行。用鐵鉻鋁絲將盛有球團的剛玉坩堝懸吊于天平掛鉤上，天平測量輸出信號與電腦聯(lián)接，記錄失重數(shù)據(jù)；管式爐內(nèi)通入高純N2保護氣體(4 L/min)，反應后的球團在N2氣氛下冷卻后作分析檢測用。

球團熔分試驗在高溫硅鉬爐中進行。先將鋪有石墨粉的石墨托盤在爐膛中預熱至設定值，將球團置于石墨托盤推入爐膛中進行焙燒，達到設定時間后取出石墨托盤，考察球團的熔分效果，并對熔分產(chǎn)品進行檢測。

2 試驗結果與分析

2.1 轉爐細灰對生球強度的影響

有機黏結劑、膨潤土和轉爐細灰添加量對生球強度的影響如圖3所示。圖3中結果表明，配料條件和總水量一定，添加有機黏結劑、膨潤土和轉爐細灰均可提高生球的落下強度和抗壓強度，其中轉爐細灰對于提高球團抗壓強度和落下強度的效果低于有機黏結劑和膨潤土。轉爐細灰中所含有的大量CaO在水化后形成一定量的Ca(OH)2膠體顆粒，從而起到一定的黏結作用，但其主要黏結作用是依賴其小粒度和大比表面積填充鐵礦粉和煤粉顆粒間隙所獲得的較高球團飽和度和毛細黏結力。因此要想獲得理想的球團強度，必須增大轉爐細灰的添加量。

圖3 黏結劑添加量對生球強度的影響

Fig.3Effectofbindercontentsonthestrengthofwetgreenpellets

2.2 轉爐細灰對球團還原性的影響

以鐵礦粉和無煙煤為原料，逐量添加轉爐細灰，調節(jié)渣相堿度至0.6、0.8、1.0、1.2，將添加轉爐細灰后不同堿度的球團在1200 ℃下作還原試驗，研究轉爐細灰對球團還原行為的影響，結果如圖4所示。從圖4中可看出，添加轉爐細灰后的球團終點還原度高于基準球團，且隨轉爐細灰添加量增大，球團終點還原度略有增大。

對添加轉爐細灰后不同堿度生球還原終點球團化學成分進行分析，結果如表3所示。從表3中可看出，添加轉爐細灰后，還原球團的TFe、MFe絕對含量和金屬化率均明顯增大，然而繼續(xù)添加轉爐細灰，上述指標增幅趨緩。由于含轉爐細灰的球團其固相反應層為較易還原的鈣鐵橄欖石，而初熔溫度較高未形成包裹，極易發(fā)生還原反應，這可能是轉爐細灰較易促進球團還原的主要原因[6]。

在基準球團配料中按2%、4%、8%的比例逐量添加膨潤土，在1200 ℃溫度下考察膨潤土對球團還原行為的影響，結果如圖5所示。從圖5中可看出，隨著膨潤土配比的增加，球團還原速率略有降低。其原因可能是添加膨潤土后，引入了較多的SiO2、Al2O3等酸性氧化物，其與FeO形成了化合物，使FeO活度降低、還原難度增大。

圖4 1200 ℃時轉爐細灰對球團還原行為的影響

Fig.4EffectofBOFfinedustonthereductionbehaviorsofcompositepellets(1200℃)

表3不同堿度生球還原終點球團化學成分(wB/%)

Table3ChemicalcompositionsoffinalreducedpelletscontainingBOFfinedust

堿度TFeMFe金屬化率基準球團57.441.973.000.665.557.087.020.867.859.487.611.067.259.588.541.267.760.088.63

圖5 1200 ℃時膨潤土對球團還原行為的影響

Fig.5Effectofbentoniteonthereductionbehaviorsofcompositepellets(1200℃)

2.3 轉爐細灰對球團熔分行為的影響

還原條件為1400 ℃×15 min，添加轉爐細灰后不同堿度球團的熔分形貌如圖6所示。從圖6中可看出， 堿度為0.6、0.8的添加轉爐細灰球團不能熔分，熔分效果較基準球團差；堿度為1.0、1.2的添加轉爐細灰球團有良好熔分。

改變還原條件為1450 ℃×15 min，添加轉爐細灰后不同堿度球團的熔分形貌如圖7所示。從圖7中可看出，不同堿度的轉爐細灰球團均可以實現(xiàn)良好熔分。化學分析發(fā)現(xiàn)，堿度為1.2時，熔分所得生鐵中的硫含量為0.19%，低于同等條件下配加石灰石調節(jié)堿度熔分所得珠鐵中的硫含量(0.56%)[7]。原因在于，轉爐細灰鐵含量高、硫含量低，用其調節(jié)堿度不僅起到了渣相脫硫作用，而且還降低了最終熔分所得珠鐵中的硫含量。

圖61400℃×15min還原條件下添加轉爐細灰后不同堿度球團的熔分形貌

Fig.6Smeltingmorphologyofpelletswithdifferentbasicity(1400℃×15min)

圖71450℃×15min還原條件下添加轉爐細灰后不同堿度球團的熔分形貌

Fig.7Smeltingmorphologyofpelletswithdifferentbasicity(1450℃×15min)

2.4 轉爐細灰用于轉底爐直接還原球團黏結劑的可行性分析

不同的球團黏結劑均存在成本、可獲得性、用量、造球水分、生球塑性及成球后烘干養(yǎng)護時間等差異[8]。轉爐細灰作為煉鋼除塵灰，廉價、易得、料源穩(wěn)定，用其替代傳統(tǒng)黏結劑既可降低原料使用成本，還可以提高還原速率和熔分效率。根據(jù)各原料成分計算，每配加1%的轉爐細灰，生球TFe約增加0.05%；而每配加1%膨潤土，球團品位約降低0.41%。前后兩種配加性質的球團還原后的金屬化球團品位一增一減，差異明顯，再則，如果金屬化球團后續(xù)熔煉工序，則配加膨潤土的球團中還必須配入石灰，其結果會導致脈石量(熔煉渣量)增加，經(jīng)計算，直接還原鐵中脈石含量每增加1%，熔化耗能增加2.9%[9]。總之，在轉底爐煤基直接還原工藝中用轉爐細灰作球團黏結劑具有一定的經(jīng)濟效益。

3 結論

(1)轉爐細灰對提高球團抗壓強度和落下強度有一定的效果，但要想獲得理想的球團強度，需達到一定的添加量。

(2)添加一定量的轉爐細灰，可以提高含碳球團的還原速率和金屬化球團的TFe、MFe含量。

(3)用轉爐細灰調節(jié)渣相堿度，在還原溫度為1450 ℃時可實現(xiàn)渣鐵良好分離；配加轉爐細灰還可以強化生鐵脫硫，效果好于配加等堿度的石灰石。

(4)轉爐細灰廉價、易得、料源穩(wěn)定，用其替代傳統(tǒng)黏結劑既可以降低生產(chǎn)成本還可以提高金屬化球團的品質。

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