粘結(jié)劑對不銹鋼除塵灰成球抗壓強度的影響分析

史永強

（中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海201200）

0 引言

不銹鋼除塵灰是指在不銹鋼冶煉過程中電弧爐、AOD/VOD爐或轉(zhuǎn)爐中的高溫液體在強攪動下進入煙道，并被布袋除塵器或電除塵器收集的金屬、渣等成分的混合物。據(jù)估計，每生產(chǎn)1 t不銹鋼可以產(chǎn)生18～33 kg粉塵[1]，其中電爐的粉塵量約為裝爐量的1%～2%，AOD爐的粉塵量約為裝爐量的0.7%～1%[2]。據(jù)中國特鋼企業(yè)協(xié)會不銹鋼分會統(tǒng)計，2017年不銹鋼粗鋼產(chǎn)量達(dá)到了2 577.37萬噸[3]，且總產(chǎn)量還有上升的趨勢。按產(chǎn)塵量4%計算，我國每年有100萬噸以上的不銹鋼除塵灰產(chǎn)出。

隨著環(huán)境立法的要求越來越嚴(yán)，對鋼鐵企業(yè)環(huán)境適應(yīng)性的要求也不斷提高，因此一些降低能源消耗、減少廢棄物排放及廢棄物回收再利用的技術(shù)方法在鋼鐵廠得到了大力推廣，近幾年開發(fā)的一些鋼鐵廠除塵灰回收、回用技術(shù)都已得到成功應(yīng)用。不銹鋼除塵灰的回收利用過程中要求實現(xiàn)無塵處理，通常是采用粘結(jié)成型、造球、壓塊、制磚等工藝方法。

1 不銹鋼除塵灰壓球工藝簡述

1.1 不銹鋼除塵灰的理化特點

1.1.1 主要元素

不銹鋼除塵灰中含有大量的有價金屬，主要含有Fe、Cr、Ni、Si、Ca、Mn、Zn、Al、Mg等元素，其中有回收價值的元素主要為Fe（約33%）、Cr（10%）、Ni（1%～3%）、Zn（2%～4%），這些元素的含量隨工序及產(chǎn)出時間的不同而略有差別，表1列出的是寶鋼不銹鋼混合除塵灰中各元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4]。其中，如Fe、Ni、Mn和Cr等大多以氧化物的形式存在，而可浸出的有毒物質(zhì)如Cr6+、Zn等重金屬元素和可溶性鹽類會造成地下水的污染。

表1 寶鋼不銹鋼混合除塵灰化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.1.2 粒度組成

除塵灰粉的粒度一般從1 μm以下到幾十微米不等，馬國軍等對不銹鋼除塵灰的粒度進行了研究[5]，指出大部分不銹鋼除塵灰的粒度均小于5 μm，粒度在30～40 μm之間的都在3%以下，其具體粒度組成如表2所示。國外Stephen等也對除塵灰的粒度進行了研究[6]，指出除塵灰的真正粒徑在0.1～5 μm，而我們所觀察到的一些較大顆粒一般都是除塵灰小顆粒的聚集物。由此可以看出不銹鋼除塵灰的粒度其實非常小，在收集、運輸以及使用過程中都會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的粉塵，對環(huán)境污染比較大。同時，除塵灰的粒度可以滿足市場上大部分壓球設(shè)備的要求。

表2 不銹鋼除塵灰的粒度分布

1.2 不銹鋼除塵灰的壓球工藝

1.2.1 不銹鋼除塵灰壓球工藝流程

將不銹鋼除塵灰、粘結(jié)劑、水等原料按照一定比例進行混合、攪拌，再用壓球機成球，最后通過光照和風(fēng)等自然干燥過程，形成干燥的除塵灰球，除塵灰球可以作為輔料加入電爐進行冶煉，即：除塵灰→攪拌→硝解→壓球機→裝袋→再次冶煉。

1.2.2 不銹鋼除塵灰壓球成品的質(zhì)量要求

不銹鋼除塵灰壓球成品的最終用途一般都是作為冶煉輔料，決定了除塵灰壓球成品質(zhì)量最重要的指標(biāo)是抗壓強度。不銹鋼除塵灰壓球成品從生產(chǎn)到最終使用，必然要經(jīng)過堆放、裝袋（箱）、車輛運輸、皮帶輸送、吊運等轉(zhuǎn)移過程，在這些過程中，如果壓球成品的抗壓強度不夠，可能會出現(xiàn)破損、碎裂、碎成粉末等情況，不僅會造成二次揚塵污染，而且可能影響到壓球成品的再次冶煉過程。

一般認(rèn)為，在設(shè)備選定的情況下，不銹鋼除塵灰壓球成品的抗壓強度與粘結(jié)劑、水的添加比例、冷卻時間等密切相關(guān)。

2 不銹鋼除塵灰壓球?qū)嶒?/h2>

2.1 實驗設(shè)計

實驗設(shè)備：本文中選用的是河南某壓球設(shè)備廠家生產(chǎn)的設(shè)備，主要參數(shù)如下：輥徑為750 mm，輥寬為480 mm，總壓力150 t，最大線壓比3 t/cm，功率75 kW。

實驗原料：選擇了上海某大型鋼企不銹鋼煉鋼環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的不銹鋼除塵灰。

實驗添加料設(shè)計：取不同粘結(jié)劑添加比例、不同水添加比例所壓制的成品球各10個，72 h后用壓力秤測量其抗壓強度并計算均值。

對于在實驗中所選取的粘結(jié)劑添加比例、水的添加比例之外的添加劑（粘結(jié)劑和水）配比已經(jīng)進行了相關(guān)實驗，結(jié)果表明，不銹鋼除塵灰成球的抗壓強度低于500 N，非常易碎，無法進行裝袋（箱），沒有規(guī)模生產(chǎn)的價值，或者出現(xiàn)除塵灰在壓制過程粘模而不能成球的現(xiàn)象，同樣不能規(guī)模生產(chǎn)。因此，本文實驗中的添加劑配比是能夠滿足規(guī)模生產(chǎn)的配比，本文探究的是在規(guī)模生產(chǎn)過程中粘結(jié)劑和水的添加比例與除塵灰成球抗壓強度之間的關(guān)系。

2.2 實驗結(jié)果

2.2.1 粘結(jié)劑為水玻璃

水玻璃添加比例為3%、4%、5%，每種水玻璃添加比例分別添加3%、4%、5%的水進行壓球，即按照9種不同配比進行壓球?qū)嶒灒?2 h后各測量10只成球抗壓強度。

實驗結(jié)果如圖1所示，可以看出在水的添加比例不變時，水玻璃的添加量增加并不一定會使成球抗壓強度隨之增加；在水玻璃的添加比例不變時，水的添加量增加最終會導(dǎo)致成球抗壓強度降低。

圖1 水玻璃添加比例與成球抗壓強度關(guān)系

2.2.2 粘結(jié)劑為淀粉

不銹鋼除塵灰干粉添加淀粉的比例為3%、4%、5%，每種添加比例分別添加3%、4%、5%的水進行壓球，即按照9種不同配比進行壓球?qū)嶒灒?2 h后各測量10只成球抗壓強度。

實驗結(jié)果如圖2所示，可以看出在水添加比例低于5%時，淀粉添加比例越高，成球的抗壓強度越高；水的添加比例增加會導(dǎo)致成球抗壓強度呈現(xiàn)降低趨勢。

圖2 淀粉添加比例與成球抗壓強度關(guān)系

2.2.3 粘結(jié)劑為高分子粘結(jié)劑

不銹鋼除塵灰干粉添加高分子粘結(jié)劑的比例為3%、4%、5%，每種比例分別添加3%、4%、5%的水進行壓球，即按照9種不同配比進行壓球?qū)嶒灒?2 h后各測量10只成球抗壓強度。

實驗結(jié)果如圖3所示，可以看出水的添加比例小于等于4%時，高分子粘結(jié)劑添加比例增加，成球的抗壓強度隨之提高，同時水的添加比例增加也會使成球抗壓強度提高；水的添加比例超過4%會導(dǎo)致成球抗壓強度下降。

圖3 高分子粘結(jié)劑添加比例與成球抗壓強度關(guān)系

3 結(jié)論

（1）對于生產(chǎn)實際中常見的三種類型的粘結(jié)劑——水玻璃、淀粉、高分子粘結(jié)劑，淀粉作為添加劑時不銹鋼除塵灰成球抗壓強度最大，實驗檢測數(shù)據(jù)達(dá)到1 800 N；高分子粘結(jié)劑次之，水玻璃再次之。

（2）當(dāng)水的添加比例不變時，一般而言，粘結(jié)劑添加比例增加會使成球的抗壓強度提高；三種粘結(jié)劑無論使用何種比例，在水的添加比例超過4%時，成球的抗壓強度都會隨之下降。

以上結(jié)論是基于小批量實驗，環(huán)境溫度在12℃左右所得出的，當(dāng)大批量生產(chǎn)、環(huán)境溫度有所變化，真正進行長期規(guī)模化生產(chǎn)時，根據(jù)成球抗壓強度需求的不同，可以參考本文結(jié)論對粘結(jié)劑種類的選擇、粘結(jié)劑和水的配比進行適當(dāng)調(diào)整。

[1]MA G,GARBERS-CRAIG A M.Cr(VI)containing electric furnace dusts and filter cake from a stainless steel waste treatment plant:Part 2-Formation mechanisms and leachability[J].Ironmaking&Steelmaking,2006,33(3):238-244.

[2]宋海琛，彭兵.不銹鋼粉塵綜合利用現(xiàn)狀及研究進展[J].礦產(chǎn)綜合利用，2004（3）：18-22.

[3]中國特鋼企業(yè)協(xié)會不銹鋼分會.2017年中國不銹鋼粗鋼產(chǎn)量同比增長4.74%至2 577.37萬噸 [DB/OL].（2018-01-29）[2018-04-15]http://www.cssc.org.cn/shuju/Shijiebuxiu gangchanliangshuju/2018-01-29/3970.

[4]韓偉.不銹鋼生產(chǎn)過程中含鎳廢棄物的綜合利用[J].寶鋼技術(shù)，2009（3）：27-30.

[5]馬國軍，范巍，徐之浩，等.不銹鋼廠煙塵中鉻及其他元素的分布規(guī)律研究[C]//第十三屆（2009年）冶金反應(yīng)工程學(xué)會議論文集，2009：331-336.

[6]STEPHENLL,WAYNEFL,JANETGS,etal.Bureauof MinesReport of Investigation[R].UunitedStates,1983.