高爐瓦斯泥自還原鐵鋅分離BBD法優(yōu)化

周蘭花，曾富洪，龔永民

（攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

高爐瓦斯泥（灰）指隨高爐煤氣逸出經(jīng)濕法（干法）分離得到的爐塵。我國(guó)每年產(chǎn)高爐瓦斯泥（灰）量很大，一個(gè)年產(chǎn)500萬(wàn)t鐵的鋼鐵公司，年產(chǎn)瓦斯泥（灰）可達(dá)6萬(wàn)t，其中瓦斯泥和瓦斯灰大約各占一半。瓦斯泥（灰），除了含鐵、碳外，往往還含有鋅等有價(jià)成分，具有一定的利用價(jià)值。但因粒度細(xì)利用困難，目前處理它的主要方式有直接堆存和燒結(jié)配料法。過(guò)去部分企業(yè)為利用瓦斯泥（灰）的鐵成分將其加入燒結(jié)料中成為燒結(jié)礦入高爐，此方法存在：燒結(jié)料層透氣性易受影響、在高爐冶煉中鋅循環(huán)富集影響高爐運(yùn)行，鋅不能得到利用等問(wèn)題。直接堆存對(duì)環(huán)境影響大。隨著冶金生產(chǎn)縱深發(fā)展和環(huán)保要求的加大，瓦斯泥的鐵、碳、鋅等資源的綜合開(kāi)發(fā)利用是一種趨勢(shì)[1]。

目前，提取瓦斯泥（灰）中鐵、碳、鋅等有價(jià)成分的方法有物理法[2-5]和化學(xué)法[6-8]，化學(xué)法中包括火法?；鸱ň哂凶赃€原性（借助自帶C還原自身內(nèi)的氧化物）、操作較簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是較為有效的一種高爐瓦斯泥（灰）綜合利用方法。高爐瓦斯泥（灰）火法自還原提取鐵、鋅等有價(jià)成分工作尚處于初步階段。本研究通過(guò)開(kāi)展高爐瓦斯泥火法自還原實(shí)驗(yàn)，主要探索高爐瓦斯泥鐵鋅分離中溫度、時(shí)間、造球壓力等熱工參數(shù)優(yōu)化值，以期獲得高的鐵、鋅還原效果，實(shí)現(xiàn)鐵鋅良好分離，為瓦斯泥火法利用奠定基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)中為克服瓦斯泥粒度細(xì)問(wèn)題，將瓦斯泥制成球團(tuán)，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法中的BBD (Box-Behnken Design)法[9]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)高爐瓦斯泥球團(tuán)自還原中鐵鋅還原及其分離熱工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用攀鋼高爐瓦斯泥成分見(jiàn)表1，粒度0.15～0.25 mm。由表1發(fā)現(xiàn)，瓦斯泥中鐵、鋅氧化物完全還原至金屬產(chǎn)物時(shí)，瓦斯泥提供的還原劑C量是過(guò)量的，因此，高爐瓦斯泥加熱實(shí)驗(yàn)中使鐵、鋅氧化物還原時(shí)不額外添加其他還原劑。將瓦斯泥加適量水與PVA粘結(jié)劑均勻混合后，混合料用液壓機(jī)制球。實(shí)驗(yàn)前，105℃下球團(tuán)干燥24 h。

表1 高爐瓦斯泥成分/%Table 1 Composition of BF gas sludge

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

進(jìn)行高爐瓦斯泥鐵鋅分離實(shí)驗(yàn)時(shí)，溫度設(shè)定值首先通過(guò)HSC軟件分析確定。由HSC軟件計(jì)算每g高爐瓦斯泥自還原熱力學(xué)平衡成分結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，高于1100℃時(shí)，能較好實(shí)現(xiàn)FeO轉(zhuǎn)變?yōu)镕e、ZnO轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)Zn，并綜合考慮動(dòng)力學(xué)因素，實(shí)驗(yàn)設(shè)定的溫度范圍為1100～1350℃。

圖1 高爐瓦斯泥自還原平衡成分Fig.1 Self-reducing balanced components of BF gas sludge

確定溫度條件后設(shè)置單因素實(shí)驗(yàn)方案，結(jié)果見(jiàn)表2。在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，依據(jù)響應(yīng)曲面法原理，利用Design Expert 8.0.6軟件中BBD法設(shè)計(jì)溫度、時(shí)間、造球壓力三因素三水平實(shí)驗(yàn)，其因素水平與編碼見(jiàn)表3。

表2 單因素實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Single factor test program

表3 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)因數(shù)水平與編碼值Table 3 Actual and code values of variables

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

干燥的瓦斯泥球團(tuán)置于剛玉坩堝中，放入按程序升溫達(dá)到預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度的加熱爐中，再加熱到球團(tuán)預(yù)定的時(shí)間后取出坩堝，在N2中冷卻。冷卻后對(duì)樣品進(jìn)行MFe（金屬鐵）、TFe、ZnO含量分析。以還原試樣中鐵的金屬化率Y1（還原產(chǎn)生的金屬鐵量與還原后試樣中TFe量的比值）作為鐵還原程度評(píng)價(jià)指標(biāo)、還原試樣中鋅的金屬化率Y2（按式（1）計(jì)算）作為鋅還原程度評(píng)判指標(biāo)。

式（1）中，(mZn)0、(mZn)r分別為還原前、后瓦斯泥球團(tuán)中Zn的質(zhì)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

單因素結(jié)果見(jiàn)圖2～5。由圖2～5可知，8 MPa后造球壓力對(duì)鐵鋅金屬化率影響不大；20～75 min內(nèi)隨時(shí)間增加，鐵、鋅的金屬化率均增加，但在45 min后增加緩慢；1100～1300℃內(nèi)隨溫度增加，鐵、鋅的金屬化率均增加。

圖2 1200℃、40 min鐵金屬化率與造球壓力的關(guān)系Fig.2 Relationship between metallization of iron and pelleting pressure at 1200℃ and 40 min

圖3 1200℃、40 min鋅金屬化率與造球壓力的關(guān)系Fig.3 Relationship between metallization of zinc and pelleting pressure at 1200℃ and 40 min

3.2 BBD法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

BBD法實(shí)驗(yàn)方案及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Table 4 Matrix and results of RSM test

（2）響應(yīng)值回歸優(yōu)化模型

利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)響應(yīng)值Y1、Y2影響不顯著項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化，方差分析結(jié)果列入表5、6中，進(jìn)一步分析得到響應(yīng)值Y1、Y2的回歸模型，如下：

表5 Y1的方差分析Table 5 ANOVA on Y1

由式（2）、（3）中各項(xiàng)系數(shù)可知，溫度和時(shí)間對(duì)鐵、鋅的金屬化率有顯著正的影響，造球壓力的影響很??；各因素對(duì)響應(yīng)值Y1、Y2影響重要程度為B（時(shí)間）＞A（溫度）＞C（造球壓力）。

將編碼用實(shí)際參數(shù)符號(hào)回代得到響應(yīng)值Y1、Y2與實(shí)際參數(shù)符號(hào)之間的回歸模型為：

圖4 8 MPa造球壓力下鐵的金屬化率Fig.4 Metallization of iron at 8 MPa of pelleting pressure

圖5 8 MPa造球壓力下鋅的金屬化率Fig.5 Metallization of zinc at 8 MPa of pelleting pressure

表6 Y2的方差分析Table 6 ANOVA on Y2

由表5、6可見(jiàn)，失擬項(xiàng)P均大于0.05（不顯著），建立的模型P值均＜0.0001（非常顯著）。表明，建立的Y1、Y2模型擬合程度良好，建立的模型合適，可以用建立的模型對(duì)高爐瓦斯泥加熱過(guò)程中鐵鋅還原熱工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

（4）鐵鋅氧化物還原熱工參數(shù)優(yōu)化

由方程（4）、（5）求解，得到高爐瓦斯泥球團(tuán)自還原中鐵鋅氧化物還原熱工參數(shù)優(yōu)化條件為：溫度1299.95℃、加熱時(shí)間47.05 min、造球壓力8 MPa，Y1、Y2預(yù)測(cè)極大值分別為94.67%、96.08%。結(jié)合優(yōu)化條件和實(shí)際可操作性，在1300℃、47 min、造球壓力為8 MPa再進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的Y1、Y2平均值分別為94.4%、95.5%。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的XRD檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6、7。分析Y1、Y2結(jié)果及圖6、7及可知，優(yōu)化條件下瓦斯泥球團(tuán)中的鐵、鋅氧化物能得到良好還原；鐵氧化物大多還原成為金屬鐵并留存于球團(tuán)中，鋅氧化物還原為揮發(fā)態(tài)的金屬鋅并氧化轉(zhuǎn)變?yōu)閆nO進(jìn)入煙氣中，從而使瓦斯泥中鐵鋅實(shí)現(xiàn)良好分離。

圖6 還原球團(tuán)XRD分析Fig.6 XRD analysis of reduced pellets

圖7 還原揮發(fā)物XRD分析Fig.7 XRD analysis of reduced volatiles

4 結(jié) 論

（1）1100～1350℃下高爐瓦斯泥自還原中鐵、鋅氧化物還原可能還原成為金屬鐵、鋅。

（2）高爐瓦斯泥球團(tuán)自還原過(guò)程中，8 MPa后造球壓力對(duì)鐵鋅金屬化率影響不大；20～75 min內(nèi)隨時(shí)間增加，鐵、鋅的金屬化率均增加，但在45 min后增加緩慢；1100～1300℃內(nèi)隨溫度增加，鐵、鋅的金屬化率均增加；對(duì)鐵鋅氧化物還原的金屬化率影響中，時(shí)間有非常顯著正影響，溫度有顯著的正影響，造球壓力影響很小。

（3）高爐瓦斯泥球團(tuán)自還原過(guò)程中鐵、鋅的金屬化率與因素間具有的關(guān)系模型式為：

建立的模型是可靠的。并由模型獲得的1299.95℃、時(shí)間為47.05 min、造球壓力為8 MPa優(yōu)化條件下，預(yù)測(cè)的鐵金屬化率較大，為94.67%、鋅的金屬化率較大，為96.08%。優(yōu)化條件下的實(shí)驗(yàn)獲得鐵金屬化率為94.4%、鋅金屬化率較大為96.1%，鐵鋅實(shí)現(xiàn)良好的分離。