轉(zhuǎn)底爐處置含鋅粉塵壓球用粘結(jié)劑工業(yè)化應用研究

劉坤鵬 劉曉軒 吳佩佩 曹志成 余志友 張 然

(寶武集團環(huán)境資源科技有限公司 上海：201900)

鋼鐵工業(yè)是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎產(chǎn)業(yè)，也是固廢排放大戶，在其冶煉過程中會產(chǎn)生大量粉塵。據(jù)統(tǒng)計，鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的各類粉塵總量一般為鋼鐵產(chǎn)量的8%～15%，而其中含鋅粉塵約占20%～30%[1]。2021年，全國粗鋼產(chǎn)量超10.3億噸，以此推算，每年產(chǎn)生的含鋅粉塵超過2000萬噸以上，如何合理處置冶金塵泥已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵[2]。

目前處理冶金塵泥的方式中，因轉(zhuǎn)底爐工藝的適應性較好[3-4]、可靠性高、易于操作和維護、且對環(huán)境污染相對較小，具有較大應用價值[5]，更適合鋼鐵企業(yè)流程化生產(chǎn)[6-10]。轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線采用壓球工藝對含鋅粉塵進行成型及烘干含鋅粉塵的脫鋅處理，脫鋅后的金屬化物料返回煉鐵煉鋼工序得到循環(huán)利用，鋅富集于煙塵進行收集后用于外售。由于含鋅粉塵種類多、性能差異大[11-12]，必須使用粘結(jié)劑強化成球，以提高成球率及球團強度保證轉(zhuǎn)底爐運轉(zhuǎn)穩(wěn)定及產(chǎn)品質(zhì)量[13-14]。但是，目前大多使用淀粉類粘結(jié)劑，存在添加量大(3%～7%)、生產(chǎn)成本高、成品率較低及成品粉化率高(全流程返料量高達30%～60%)[15]，易導致轉(zhuǎn)底爐底結(jié)塊，影響排料等問題[16]。

為改善含鋅粉塵團塊的強度和還原性，提高轉(zhuǎn)底爐利用系數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，本研究開發(fā)了一種新型復合粘結(jié)劑，對該新型復合粘結(jié)劑進行了試驗室試驗，并于寶武集團上海轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線進行工業(yè)中試試驗。

1 原料成分與性質(zhì)

1.1 原料化學成分

本文所用的原料由轉(zhuǎn)底爐現(xiàn)場提供，包括現(xiàn)場用焦化系統(tǒng)除塵灰(CDQ粉)、高爐出鐵場灰、高爐二次灰、電爐除塵灰、轉(zhuǎn)爐干法灰(LT灰)、轉(zhuǎn)爐濕法灰(OG泥)、冷軋泥，以及現(xiàn)場消解后的電爐除塵灰和LT灰(OG泥∶LT灰質(zhì)量比為4∶1的混合灰)等。試驗室用含鋅塵泥的化學成分如表1所示。

由表1可見，高爐出鐵場灰和高爐二次灰中的鋅含量較OG泥、LT灰及電爐除塵灰的Zn含量低，通常在0.5% ～ 2.5%之間，Pb含量低于0.5%；而C含量遠高于其他含鋅粉塵，分別達到6%和26%左右，可作為后續(xù)高溫還原的還原劑；此外，高爐灰中的SiO2、Al2O3、S、Cl和堿金屬含量均較高，特別是Cl、K、Na，易在還原過程中揮發(fā)進入煙塵，最后成為次氧化鋅的主要組分之一。相比而言，電爐灰和冷軋泥的含鋅量最高，其次為轉(zhuǎn)爐塵泥(LT灰、OG泥)。這些物料中均含有較高的P、S、Cl和堿金屬含量。其中，P、S等元素較難在還原過程中脫除，最終進入金屬化團塊中，從而限制金屬化爐料在煉鋼中的應用。

電爐灰、LT灰兩種干法灰、OG泥和冷軋泥兩種濕法除塵污泥的CaO含量在7%～15%之間，OG泥和冷軋泥中游離氧化鈣含量少，而干法除塵得到的電爐灰和LT灰中含有較高的游離CaO含量。

表1 試驗室用含鋅粉塵的化學成分/(質(zhì)量分數(shù)wt%)

1.2 物理性質(zhì)

冶金塵泥的粒度組成和比表面積如表2所示。除冷軋泥外，其他冶金塵泥的粒度均非常細，特別是OG泥和出鐵場灰，0.025 mm以下含量分別為93.23%和85.58%。從比表面積來看，所有冶金塵泥的比表面積均較高，其中高爐二次灰的比表面積最低，為1919 cm2·g-1，而高爐出鐵場灰最高，為3752 cm2·g-1。

表2 冶金塵泥的粒度組成

由表3 CDQ粉的粒度組成可見，CDQ粉粒度較細，0.150 mm顆粒以下含量約占53%。

表3 CDQ粉的粒度組成

2 研究方法

為了確保含鋅粉塵球團被轉(zhuǎn)底爐還原后得到較高的金屬化率、脫鋅率、抗壓強度以及較低的粉化率的金屬化球團，在壓團過程中需要嚴格把控各項工藝參數(shù)，包括粘結(jié)劑種類選擇、粘結(jié)劑用量、球團水分等指標。

2.1 主要試驗設備

壓球試驗研究和生產(chǎn)中用到的球團成型設備壓球機洛陽中原礦山機械制造有限公司生產(chǎn)的GY300-100高壓實驗壓球機，與現(xiàn)場生產(chǎn)所用法國SC(sahut conreur)公司型號為MP/800/2×400的壓球機主要技術參數(shù)相通，其輥間壓力可以在0～30 MPa之間調(diào)節(jié)，壓輥轉(zhuǎn)速固定8 r·min-1，所得團塊的尺寸為25 mm×25 mm×15 mm的橢圓體型團塊。

2.2 壓球工藝方案

結(jié)合轉(zhuǎn)底爐現(xiàn)場生產(chǎn)原料結(jié)構，配料方案見表4所示。

表4 壓球工藝參數(shù)優(yōu)化試驗采用的配礦方案(干基)/(wt%)

每次壓球試驗固定物料干基總重為2 kg，壓球工藝參數(shù)為：

(1)混合物料含水率13%-14%；

(2)實驗室研究和產(chǎn)線生產(chǎn)壓球機參數(shù)一致，成型壓力20 MPa，折算線壓力為1.6 t·cm-1；

(3)粘結(jié)劑主要用于強化含鋅粉塵團塊制備，提高團塊強度。本研究中用到的現(xiàn)場用粘結(jié)劑為寶鋼轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線采用的常規(guī)淀粉粘結(jié)劑XC-1#，YX-1#和YX-2#，均為寶武環(huán)科自主研發(fā)的復合粘結(jié)劑。

球團質(zhì)量指標要求見表5所示。

2.3 團塊質(zhì)量評價方法

生團塊的質(zhì)量評價指標主要有成球率、落下強度、抗壓強度和爆裂指數(shù)；而干團塊的質(zhì)量評價指標有干燥脫粉率、落下強度和抗壓強度。

(1)成球率：定義為每次壓團試驗一次成型所得生團塊中≥8 mm粒級的百分含量?！? mm粒級含量越高，意味著團塊強度高。

(2)落下強度，采用了兩種方法進行測定：

(a)取10個外形完整的生團塊或干團塊，分別從0.5 m高度摔落到5 mm鋼板，記錄下各團塊破碎1/4以上時所對應的落下次數(shù)，最終落下強度定義為：所有團塊落下次數(shù)的平均值，單位為“次·(0.5 m)-1”；

(b)每次取10個外形完整的生團塊或干團塊，稱重記錄初始重量后，從0.5 m高處摔落至5 mm鋼板上10次，然后用8 mm方孔篩對團塊進行篩分，≥8 mm以上團塊所占的百分含量定義為落下強度。每組試驗重復2-3次；

(3)抗壓強度：取10個外形完整的生團塊或干團塊，依次對每個團塊緩慢施加壓力，記錄團塊被壓潰瞬間的強度，最后求取平均值；

(4)爆裂指數(shù)：每取20個外形完整的生團塊裝入底部帶孔的不銹鋼罐中，料層高度約100 mm，在鼓風風溫350 ℃，風速1.5 N·m·s-1的條件下，干燥5 min后取出冷卻，稱重并記錄團塊質(zhì)量，然后用8 mm方孔篩篩出≤ 8 mm粒級，以該粒級的百分含量表征生團塊的爆裂指數(shù)。爆裂指數(shù)越低，意味著生團塊的熱穩(wěn)定性越好。

(5)干燥脫粉率：取一定量外形完整的生團塊，置于105 ℃烘箱烘干6 h后取出冷卻、稱重，然后篩分、計算得到8 mm以下粒級的百分含量。該數(shù)值越高，意味著生團塊的強度較差，生產(chǎn)中易在干燥中產(chǎn)生粉末，增加返料量。

(6)返料比：轉(zhuǎn)底爐在生產(chǎn)過程中各工序不滿足入爐條件的粉料返回混料機和新料混合以后重新壓球，24小時統(tǒng)計一次。

返料比=(返料皮帶秤34小時累計量/新料量)*100%

表5 轉(zhuǎn)底爐工藝對入爐球團指標要求

3 壓球試驗研究

3.1 復合粘結(jié)劑與常規(guī)淀粉粘結(jié)劑球團質(zhì)量對比

配料結(jié)構參照表4，單一變量條件下，進行淀粉粘結(jié)劑XC-1#和復合粘結(jié)劑YX-1#、YX-2#的壓球?qū)Ρ仍囼?，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)工藝控制指標，混合料含水率選擇13%～14%，同時降低復合粘結(jié)劑的配比進行壓球，試驗結(jié)果見圖1、圖2和圖3所示。從圖1可以看出，采用新型復合粘結(jié)劑得到球團表面光滑度和完整度要比常規(guī)粘結(jié)劑好。由圖2可見，在同等添加比例3.3%的條件下，采用新型復合粘結(jié)劑的球團指標比常規(guī)使用的淀粉粘結(jié)劑XC-1高，特別是爆裂指數(shù)、干燥脫粉率、干球落下強度和抗壓強度。另外，由圖2可知，同一條件下，提高混合料水分，生球落下次數(shù)和干球抗壓強度等指標均有提高，而生球團抗壓強度下降是由于混合料水分增加，導致生球團塑性變形能力加大；從圖2(a)和表5可知，當復合粘結(jié)劑YX-1#、YX-2#添加比例下降至2.8%，生干球團落下強度、抗壓強度略有下降，但同XC-1粘結(jié)劑添加量3.3%的指標相差不大。而從圖2(b)可知，復合粘結(jié)劑添加比例下降時，其爆裂指數(shù)和干燥脫粉率較普通淀粉粘結(jié)劑XC-1低，可較好滿足轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)需求。

圖1 不同種類粘結(jié)劑球團形貌

圖2 粘結(jié)劑配比3.3%時球團性能指標對比

從圖2和圖3可知，采用新型復合粘結(jié)劑的球團干燥脫粉率和爆裂指數(shù)都小于1%，這是由于復合粘結(jié)劑中的大分子有機物和無機粘結(jié)劑共同作用的效果，二者將含鋅粉塵顆粒通過物理包裹和靜電吸附作用連接到一起，最終形成不容易爆裂和破碎的球團。

圖3 粘結(jié)劑配比2.8%時球團性能指標對比

3.2 復合粘結(jié)劑含鋅粉塵壓球工業(yè)中試試驗

由實驗室階段研究可知，新型復合粘結(jié)劑YX-1#和YX-2#添加比例2.8%時，各項指標可滿足轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)線生產(chǎn)需求。因此，在寶武集團上海轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線開展為期5天的新型復合粘結(jié)劑中試試驗，兩種新型粘結(jié)劑各試用2.5天。壓球工藝參數(shù)和基礎試驗基本一致，基礎試驗結(jié)果顯示，混合料水分增加對提高球團質(zhì)量有利，但是考慮到物料水分高升高會造成粘堵，影響產(chǎn)線順行，因此混合料含水率設置為13.5%。圖4為不同粘結(jié)劑配比下，球團性能指標對比。

圖4 不同復合粘結(jié)劑配比的球團性能指標對比

由圖4可知，兩種復合粘結(jié)劑添加比例為2.8%時，生球落下次數(shù)均在8次/(0.5 m)以上；干球落下次數(shù)均超過12次/(0.5 m)，干球落下強度均超過90%。另外，試驗過程對兩種粘結(jié)劑所得干球抗壓強度進行了測試，結(jié)果顯示，不同時間段干球平均抗壓強度均在200 N左右。因此，中試各項指標結(jié)果趨勢和基礎試驗結(jié)果一致，即復合粘結(jié)劑在添加量2.8%時，球團各項指標都能滿足轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)，且經(jīng)測算，新型復合粘結(jié)劑生產(chǎn)總成本較普通淀粉粘結(jié)劑減少20%以上。

另外，由中試生產(chǎn)實踐可知，生產(chǎn)線上采用復合粘結(jié)劑的球團質(zhì)量比常規(guī)淀粉粘結(jié)劑好，球團規(guī)整、表面光滑且碎球少，兩種新型粘結(jié)劑使用過程中，生產(chǎn)返料均低于40%，遠低于上海轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)線50%返料比的生產(chǎn)指標要求，且相同生產(chǎn)條件下與普通淀粉粘結(jié)劑相比，試驗期間生產(chǎn)入爐量與產(chǎn)量均有增加，生產(chǎn)效率得以提升。

4 結(jié)論

(1)中試試驗驗證了基礎試驗研究結(jié)果，新型復合粘結(jié)劑具有添加量低、球團質(zhì)量指標好的優(yōu)點，采用新型復合粘結(jié)劑可降低轉(zhuǎn)底爐粘結(jié)劑20%以上成本，粘結(jié)劑添加量、球團爆裂指數(shù)和干燥脫粉率降低，可降低返料量，間接增加轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)線新原料的處置量，提高設備利用率、生產(chǎn)效率；

(2)復合粘結(jié)劑YX-1#和YX-2#用量為2.8%，生產(chǎn)工藝控制含鋅粉塵含水率13.5%，壓球機壓力20 MPa，轉(zhuǎn)速8 r·min-1，球團指標可滿足轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)需求；

(3)YX-1#和YX-2#復合粘結(jié)劑經(jīng)基礎試驗和半工業(yè)化中試試驗驗證，效果良好，對于轉(zhuǎn)底爐行業(yè)降低成本、提高生產(chǎn)效率意義重大。