燒結(jié)機(jī)頭除塵灰理化性能及磁性特征分析

付本全，黃建陽(yáng)，吳 英，湯靜芳

(1.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院資源與環(huán)境研究所，湖北 武漢，430080；2. 武漢鋼鐵(集團(tuán))公司(北京)新材料研究中心，北京，100012；3. 武漢鋼鐵(集團(tuán))公司股份公司燒結(jié)廠(chǎng)，湖北 武漢，430080)

燒結(jié)機(jī)頭除塵灰是鐵礦石燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)燒結(jié)機(jī)頭煙氣電除塵器所捕集的粉塵，其產(chǎn)量約占燒結(jié)礦總產(chǎn)量的2%～4%，我國(guó)每年燒結(jié)產(chǎn)生機(jī)頭除塵灰高達(dá)1500萬(wàn)t左右[1-2]。燒結(jié)機(jī)頭除塵灰經(jīng)多次循環(huán)配礦使用后，其富含K、Na等堿金屬和Pb、Zn、Cu等重金屬元素具有較高的回收利用價(jià)值[3]。目前，國(guó)內(nèi)已認(rèn)識(shí)到機(jī)頭除塵灰資源價(jià)值而開(kāi)展除塵灰提鉀[4]、提鉛[5]的研究工作。為此，本文以某燒結(jié)廠(chǎng)燒結(jié)機(jī)頭除塵灰為原料，采用SEM、XRD和化學(xué)分析等對(duì)其進(jìn)行理化性能分析，并通過(guò)磁選實(shí)驗(yàn)對(duì)其磁性特征進(jìn)行了研究，以期為燒結(jié)機(jī)頭除塵灰資源化利用提供技術(shù)方案。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與儀器

實(shí)驗(yàn)原料取自某燒結(jié)廠(chǎng)燒結(jié)機(jī)頭三級(jí)電場(chǎng)除塵器灰斗，相應(yīng)編號(hào)為1#～3#試樣。由于3#試樣出現(xiàn)輕微結(jié)塊現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)前將其在碾缽中碾磨2 min。

主要實(shí)驗(yàn)儀器有Quanta 400型掃描電鏡、Rigaku D/max-2500 PC型X射線(xiàn)衍射儀、SOLAAR M6型和BT-9300型激光粒度分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)分析檢測(cè)。采用掃描電子顯微鏡、X射線(xiàn)衍射儀、化學(xué)分析等對(duì)試樣進(jìn)行微觀形貌、物相組成和元素分析，并參照固體廢棄物按 GB/T 2452—2003 對(duì)其粒徑、密度等進(jìn)行測(cè)試。

(2)磁選分析。先將試樣稱(chēng)重(m1)后在玻璃平板上抹至厚為0.5 mm，然后用8000 Gs磁棒在其上方5 mm處以0.01 m/s速率來(lái)回平移3 次進(jìn)行磁選分離，最后將玻璃平板上殘余試樣進(jìn)行稱(chēng)重(m2)，磁選物質(zhì)含量(%)=(m1-m2)/m1×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 除塵灰的物理性能分析

由于1#、2#試樣的密度較大，采用激光粒度分析儀分析時(shí)，大部分微粒沉積在循環(huán)泵槽底部，不進(jìn)入粒徑測(cè)量光路系統(tǒng)，故1#、2#試樣的粒徑采用篩分法進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如圖1、圖2所示，3#試樣采用激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)量(介質(zhì)為酒精)，其結(jié)果如圖3所示。

由圖1可看出，1#試樣進(jìn)行了7級(jí)篩分，標(biāo)準(zhǔn)篩選型分別為0.063、0.1、0.15、0.2、0.315、0.4和0.5 mm。其粒徑區(qū)分度較明顯，粒徑在小于0.063、0.063～0.1、0.1～0.15、0.15～0.2和0.2～0.315 mm五個(gè)范圍內(nèi)呈近似均勻分布，均值占總量的18.82%。

圖1 1#試樣粒徑分布Fig.1 Size distribution of Sample 1#

圖2 2#試樣粒徑分布Fig.2 Size distribution of Sample 2#

由圖2可看出，2#試樣相對(duì)1#試樣減小2級(jí)可區(qū)分篩數(shù)，其粒徑在小于0.063、0.063～0.1和0.1～0.15 mm三個(gè)范圍過(guò)于集中，三者粒徑含量之和占總量的84.9%。

圖3 3#試樣粒徑分布Fig.3 Size distribution of Sample 3#

由圖3可看出，3#試樣的中粒徑為8.2×10-4mm,比1#試樣的平均粒徑0.175 mm和2#試樣的平均粒徑0.132 mm小得多。主要原因是由于在酒精的分散作用下，3#試樣的微顆粒實(shí)現(xiàn)了充分分散，測(cè)得粒徑為各微顆粒的粒徑，1#試樣和2#試樣由于采用干法篩分，未使用分散劑，所測(cè)粒徑應(yīng)為顆粒團(tuán)粒徑。

圖1～圖3的粒徑分布圖呈現(xiàn)的差異與燒結(jié)機(jī)頭電除塵器的工作原理密切相關(guān)，含塵氣體進(jìn)入高壓直流電場(chǎng)后，氣體電離形成正、負(fù)離子附著于灰塵粒子表面，使塵粒帶電，接觸電極相反的極板放電后沉積。粒徑較大的粉塵容易捕獲到正、負(fù)離子，因此電除塵的顆粒粒徑隨電場(chǎng)級(jí)數(shù)的增加呈變小趨勢(shì)。

表1為不同電場(chǎng)除塵灰的物理性能檢測(cè)結(jié)果。結(jié)合表1和圖1～圖3可看出，除塵灰的性能隨著在除塵器中所處電場(chǎng)的不同而呈現(xiàn)差異。1#試樣灰量、平均粒徑和密度分別是3#試樣的15.76、213和1.12倍。各試樣含水率隨著其在除塵器中所處電場(chǎng)級(jí)數(shù)的增加呈上升趨勢(shì)。主要原因是隨著電場(chǎng)級(jí)數(shù)的增加，除塵灰的粒徑和氣體溫度逐漸降低，粒徑越小、溫度越低越容易吸收氣體環(huán)境中水分造成除塵灰的含水率呈現(xiàn)差異。

表1 除塵灰物理性能檢測(cè)結(jié)果Table 1 Physical properties of the dust

注：灰量為除塵灰產(chǎn)生量/燒結(jié)礦產(chǎn)量。

2.2 除塵灰的化學(xué)成分分析

表2為除塵灰與燒結(jié)礦化學(xué)組成的結(jié)果。由表2可看出，除塵灰中的Pb、Zn、Cu重金屬與K、Na堿金屬含量明顯高于成品燒結(jié)礦，這是因?yàn)樵跓Y(jié)配礦過(guò)程中添加了CaCl2溶液，在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，重金屬和堿金屬元素與CaCl2發(fā)生反應(yīng)，生成易揮發(fā)性金屬鹽而進(jìn)入燒結(jié)機(jī)頭電除塵器灰斗。燒結(jié)除塵灰經(jīng)多次循環(huán)配礦使用后，這些元素富集到燒結(jié)機(jī)頭除塵灰中。三類(lèi)除塵灰中w(TFe)分別為38.86%、19.45%和16.32%，均小于燒結(jié)礦的w(TFe)(52.88%)。低含鐵物料進(jìn)入燒結(jié)礦不僅降低燒結(jié)混勻礦的品位、增加燒結(jié)過(guò)程能耗，而且引入的重金屬元素需重新添加CaCl2溶液，從而增加了藥劑使用量和煙氣中的Cl-濃度。

表2 除塵灰與燒結(jié)礦化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of the dust and sinter

2.3 除塵灰的微觀形貌分析

圖4為三種除塵灰SEM照片。由圖4(a)、(b)可看出，1#除塵灰呈菱角塊狀，各顆粒的區(qū)分度明顯，與原材料鐵礦粉、焦粉等形貌類(lèi)似。由圖4(c)、(d)可看出，2#除塵灰呈不光滑球狀，大球黏附少量微球，球表面絨狀物表明該除塵灰存在包裹現(xiàn)象。由圖4(e)、(f)可看出，3#除塵灰呈團(tuán)簇物微球形態(tài)，各小團(tuán)蔟簇非致密，存在較大孔隙。顆粒白色物較多，表明該除塵灰的導(dǎo)電性較弱。由圖4可看出，3種除塵灰粒徑分布順序?yàn)椋?#試樣<2#試樣<1#試樣。3種除塵灰形貌存在較大區(qū)別，結(jié)合顆粒在掃描電鏡下的導(dǎo)電性，表明燒結(jié)機(jī)頭電除塵器各電場(chǎng)除塵的對(duì)象不同，1#試樣所處電場(chǎng)處理易導(dǎo)電性顆粒物，2#試樣所處電場(chǎng)處理中性導(dǎo)電性顆粒物，3#試樣所處電場(chǎng)處理弱導(dǎo)電性顆粒物。

(a) 1#試樣(b)1#試樣 (c) 2#試樣

(d) 2#試樣 (e)3#試樣 (f) 3#試樣

圖4除塵灰的SEM照片

Fig.4SEMimagesofthedust

2.4 除塵灰的物相組成分析

圖5為除塵灰的XRD圖譜，除塵灰物相組成如表3所示。由表3可看出，燒結(jié)除塵灰的物相組成較為復(fù)雜，F(xiàn)e主要以Fe2O3的形態(tài)存在；Pb主要以PbCl2和Pb2O2Cl形態(tài)存在，可能存在PbCl2O4；在2θ為13.2°、18.3°、23.2°、29.2°處出現(xiàn)的衍射峰均為KCl特征峰，未發(fā)現(xiàn)其他含K化合物的明顯特征峰。由此可見(jiàn)，燒結(jié)灰中K以KCl的形態(tài)存在。在2θ為8.3°、14.2°、17.8°、19.0°

圖5 除塵灰的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the dust

處出現(xiàn)的衍射峰均為 CaCl2特征峰，表明燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中的CaCl2大量揮發(fā)至煙氣中而進(jìn)入電除塵器灰斗。

2.5 除塵灰磁性特征分析

為考察燒結(jié)機(jī)頭除塵灰中的鐵素回收，將試樣進(jìn)行磁選分離，其結(jié)果如表4所示。由表4可看出，三種除塵灰的磁性物質(zhì)比率差異較大，1#試樣磁性物質(zhì)比率為48.94%，2#試樣磁性物質(zhì)比率為12.39%，3#試樣磁性物質(zhì)比率為21.29%。由此可看出，除2#試樣磁性物質(zhì)的百分含量小于該試樣的總鐵百分含量(19.45%)外，1#、3#試樣磁性物質(zhì)的百分含量均大于各自試樣的總鐵百分含量(見(jiàn)表2)。主要原因是2#除塵灰顆粒表面包裹的一層非磁性物質(zhì)影響了該除塵灰的磁選效果。1#、3#除塵灰在干法磁選條件下，磁選物質(zhì)的百分比比化學(xué)分析的總鐵含量要高，主要原因是磁選物質(zhì)夾雜了部分非含鐵物質(zhì)。

對(duì)磁選后的除塵灰進(jìn)行總鐵含量分析，1#除塵灰磁性物質(zhì)w(TFe)為45.43%，而非磁性物質(zhì)w(TFe)為31.08%；2#除塵灰磁性物質(zhì)w(TFe)為36.58%，而非磁性物質(zhì)w(TFe)為16.98%；3#除塵灰磁性物質(zhì)w(TFe)為26.26%，而非磁性物質(zhì)w(TFe)為13.41%。由此可推斷，通過(guò)干法磁選方式可以實(shí)現(xiàn)除塵灰中部分鐵元素回收，但是由于2#、3#除塵灰的微觀包裹、團(tuán)簇形貌決定了其通過(guò)干法磁選無(wú)法得到很好的鐵素分離效果。

表3 除塵灰物相組成Table 3 Phase compositions of the dust

表4 除塵灰磁性特征(wB/%)Table 4 Magnetic characteristics of the dust

3 結(jié)論

(1)燒結(jié)機(jī)頭不同級(jí)電場(chǎng)除塵灰不僅物理性能存在不同，而且化學(xué)組成也存在差異。

(2)除塵灰中Pb、Zn、Cu、K、Na含量明顯高于成品燒結(jié)礦，其中Fe主要以Fe2O3形態(tài)存在，Pb主要以PbCl2和Pb2O2Cl2形態(tài)存在，K、Ca分別以KCl和CaCl2形態(tài)存在。

(3)干法磁選在一定程度上可實(shí)現(xiàn)除塵灰中鐵元素的回收。

[1] 廖洪強(qiáng), 包向軍, 余廣煒, 等. 鋼鐵冶金含鐵塵泥高效循環(huán)利用技術(shù)思路與工藝集成[J]. 冶金環(huán)境保護(hù), 2008(6):17-20.

[2] 郜學(xué). 中國(guó)燒結(jié)行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)分析[J]. 鋼鐵, 2009,43(1):85-88.

[3] 北京科技大學(xué)．利用鋼鐵企業(yè)燒結(jié)電除塵灰生產(chǎn)氯化鉀的方法．中國(guó)，200810101269[P]．2008-08-06.

[4] Peng C, Guo Z C, Zhang F L. Existing state of potassium chloride in agglomerated sintering dust and its water leaching kinetics[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011, 21(8):1847-1854.

[5] 蔣新民. 鋼鐵廠(chǎng)燒結(jié)機(jī)頭電除塵灰綜合利用[D]. 湘潭: 湘潭大學(xué), 2010.