除塵灰潤磨預處理對其所制球團質(zhì)量的影響

黃柱成 翁興洋 李志霖 易凌云

(中南大學資源加工與生物工程學院，湖南長沙410083)

鋼鐵工業(yè)每年都要產(chǎn)生大量的高爐爐渣、煙塵及污泥、氧化鐵皮和酸洗廢物等含鐵、碳除塵灰固體廢棄物［1-2］。據(jù)估算，我國除塵灰利用率不足80%，由于其成分復雜，粒度、水分波動大，難以進行有效的回收利用［3］。傳統(tǒng)方法是將粉塵返回燒結配料并循環(huán)利用，或者直接掩埋處理［4］。近年來，鋼鐵工業(yè)致力于用更加科學環(huán)保的方法處理除塵灰，目前廣泛使用的方法之一是煉鐵法，具體來講就是將含鐵粉塵物料經(jīng)過脫水干燥后，加入添加劑造球，采用回轉窯和轉底爐等還原焙燒，制成金屬化球團［5］。而如何造出合格的球團，已成為該工藝的關鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過高溫處理后的焙砂或除塵灰顆粒具有孔隙發(fā)達、表面粗糙、疏水性強等特點，采用常規(guī)方法造球時，球團性能指標低，會對后續(xù)作業(yè)產(chǎn)生不利影響。近年來，莊劍銘［6］、張一敏［7］曾對硫酸渣的造球特性進行了研究，并指出可以通過潤磨等手段來提高球團質(zhì)量;馬鋼球團廠等［8-11］采用潤磨工藝對除塵灰進行預處理來改善物料成球性能以提高球團質(zhì)量［12］，但是，針對除塵灰在成核、生球長大、生球緊密階段的特性研究較少。為此，本研究分析了除塵灰混合料在造球過程中成核、長大、生球緊密階段的規(guī)律及其在圓盤造球機中的運動規(guī)律，并通過采用潤磨預處理增強球團性能。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試驗原料

試驗所用原料由來自某鋼鐵廠的煉鋼轉爐干法除塵灰、高爐出鐵廠除塵灰、轉爐二次除塵灰和高爐瓦斯泥按一定比例配合而成的除塵灰混合料?；旌狭匣瘜W多元素分析見表1，粒度分析見表2，物理性能見表3。

表1 混合料化學成分分析Table 1 Chemical composites analysis of the mixture %

表2 混合料粒度組成Table 2 Particle size distribution of the mixture %

表3 混合料物理性能Table 3 Physical properties of the mixture

從表1～表3可以看出，混合料 TFe含量為52.32%，C含量為9.32%，碳是在除塵灰冷卻和沉積過程中析炭而形成的細粒炭黑，將對造球過程產(chǎn)生不利影響;除塵灰混合料的粒度較粗，－0.075 mm粒級含量為59.00%;混合料中CaO含量為7.42%，在水作用下CaO消化成膠體能產(chǎn)生黏結劑的作用，使除塵灰顆粒聚集成團，在干燥過程中仍保持強度，這些特性造成了除塵灰的造球性能與鐵精礦相比，存在很大差異。

對除塵灰進行掃描電鏡分析，結果見圖1。

圖1 混合料掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM photo of the mixture

從圖1可以看出，除塵灰經(jīng)過高溫處理后，顆粒內(nèi)部疏松多孔、表面粗糙并黏附大量微細粒物料，部分顆粒存在較粗的裂紋。

1.2 試驗方法

將煉鋼轉爐干法除塵灰、高爐出鐵廠除塵灰、轉爐二次除塵灰和高爐瓦斯泥除塵灰按一定配比進行人工混勻，采用潤磨機對混勻后物料進行潤磨，并比較潤磨前后混合料粒度、比表面積、顆粒形貌、接觸角的變化。采用圓盤造球機分別對經(jīng)過潤磨預處理后和未經(jīng)過預處理的混合料進行人工造球，取12～15 mm的生球作為合格生球，取出部分合格生球并測定其落下強度、抗壓強度、生球水分、生球孔隙率和爆裂溫度。將剩余合格生球進行干燥后，測其落下強度、抗壓強度和群落粉化率。

潤磨預處理采用500 mm×500 mm的無極調(diào)速潤磨機，轉速為38 r/min，介質(zhì)充填率為12%，潤磨機功率為1.5 kW，每次給料量為5 kg，給料水分為(質(zhì)量分數(shù))10.34%，比表面積測定參照GB 8074—87勃氏法進行測定，在Blaine透氣儀中進行實驗;采用透過高度法［13］測量除塵灰的接觸角;用激光粒度分析儀測定除塵灰的粒度組成。

試驗所用造球設備為1 000 mm×200 mm圓盤造球機，傾角47°，轉速23 r/min，每次造球時間20 min。生球干燥在650 mm×970 mm豎式管爐中進行，風速1.2 m/s，風溫180℃。

2 造球試驗結果與討論

2.1 除塵灰造球及其運動規(guī)律分析

除塵灰造球過程，物料顆粒之間主要存在3種作用力:固液界面上的毛細力Fb、顆粒間相互作用力FP以及顆粒產(chǎn)生相對運動時與液橋間產(chǎn)生的黏滯作用力FV，其中Fp為范德華力、靜電力和磁場力等的合力［15］。從除塵灰加水潤濕過程來看，水分小于10%時，用手捏時，混合料成團性能很差。當水分超過14%時，用手捏時，能把混合料中水分擠到表面，甚至可搓成“面團”。除塵灰顆粒內(nèi)部存在大量孔隙和孔洞，加水潤濕時，水分首先進入孔隙和孔洞中，同時混合料中存在大量CaO等黏結性成分，有助于造球過程中物料黏結和兼并長大，在機械力作用下形成大量較疏松的母球，并相互兼并長大，產(chǎn)生形狀各異、表面粗糙、結構疏松的球團(圖2)。在緊密階段，生球黏盤現(xiàn)象時有發(fā)生，生球質(zhì)量較差［15-16］。對含水量為10.74%的除塵灰進行造球，生球水分控制在14%以內(nèi)。試驗過程發(fā)現(xiàn)，圓盤黏料嚴重，造球時間長，造球水分少時球團不長大，水分高時形成大量兼并長大球團，球團大小不均勻，形狀不規(guī)則，含水高。對所制球團指標進行性能檢測，結果見表4、表5。

圖2 未預處理原料所造球團形貌Fig.2 Morphology of green pellets made of non damp milling material

表4 未預處理原料造球的生球指標Table 4 Indexes of green pellets made of non damp milling material

從表4、表5可以看出，生球水分達到13.32%，生球落下強度、抗壓強度和爆裂溫度分別為9.2次、20.09 N/個、260℃，干球落下強度、抗壓強度和群落粉化率分別為0.7次、52.44 N/個、18.42%，生球及干球質(zhì)量較差。

2.2 潤磨預處理對除塵灰造球的影響

將混合料配好并混勻后送入潤磨機進行潤磨，考查不同潤磨時間對除塵灰顆粒粒度組成、比表面積、接觸角的影響，結果如表6所示。

表6 潤磨對除塵灰粒度、比表面積、接觸角的影響Table 6 Effects of damp milling on grinding fineness，specific surface，and contact angle

從表6可以看出，隨著潤磨時間的增加，除塵灰粒度逐漸降低。潤磨9 min后，－0.075 mm含量從59.00%增至70.00%，平均粒徑從110.00 μm降至93.14 μm，同時，除塵灰的比表面積也從0.74 m2/g提高到0.84 m2/g，接觸角從45.2°降至38.8°。原料微細顆粒含量越多，親水性越好，所造球團中顆粒排列越緊密越不易發(fā)生黏料現(xiàn)象。另外，研究表明，－10 μm粒級顆粒間可產(chǎn)生膠結連接作用［17］，提高顆粒間黏滯作用力，從而提高球團強度，母球間發(fā)生聚結的可能性降低，更趨向于吸收新的濕料，以成層方式長大，減少濕球黏盤和兼并長大的可能性。從潤磨6 min后的除塵灰所造生球形貌(圖3)可以看出，球團大小均勻，形狀規(guī)則，球團是一層一層逐漸長大。對經(jīng)過不同潤磨時間的除塵灰所造合格生球質(zhì)量以及干燥后球團質(zhì)量進行檢測，其結果見表7和表8。

圖3 潤磨6 min原料所造球團形貌Fig.3 Morphology of green pellets made of six minutes damp milling material

表7 潤磨預處理對生球質(zhì)量的影響Table 7 Effects of damp milling on green pellets

表8 潤磨預處理對干球質(zhì)量的影響Table 8 Effects of damp milling on dry pellets

從表7、表8可以看出，隨著潤磨時間的增加，生球孔隙率逐漸降低，生球落下強度、抗壓強度、爆裂溫度逐漸升高;干球落下強度、抗壓強度逐漸升高，群落粉化率逐漸降低。除塵灰進行潤磨預處理后，原料中抗壓能力小的顆粒在潤磨機里首先被破碎，細粒級含量提高，除塵灰內(nèi)部孔隙率減小。同時，細粒級的提高使所造生球中顆粒排列更緊密，生球及干球強度提高。當潤磨時間為9 min時與不潤磨相比，生球落下強度和抗壓強度分別從9.2次、20.09 N/個提高到30.5次、30.78 N/個，干球落下強度和抗壓強度分別從 0.7 次、52.44 N/個提高至 2.1 次、86.42 N/個，群落粉化率從18.42%降低至5.23%。

3 結論

(1)對除塵灰進行潤磨處理后，進行強化造球，當潤磨時間為9 min時，與未進行潤磨處理比較，生球落下強度和抗壓強度分別從9.2次、20.09 N/個提高到30.5次、30.78 N/個，干球落下強度和抗壓強度分別從 0.7次、52.44 N/個提高至 2.1次、86.42 N/個，群落粉化率從18.42%降低至5.23%。

(2)除塵灰經(jīng)過潤磨預處理后，使疏松和具有裂紋的除塵灰顆粒破碎，微細顆粒含量增加，比表面積增大，造球過程母球間發(fā)生兼并聚結的可能性降低，母球更趨向于吸收微細粒粉料，以成層方式長大。

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