轉(zhuǎn)爐灰成型工藝的試驗(yàn)研究

＊毛人平 胡紫葉 趙振坤 趙永延

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 北京 100083）

1.試驗(yàn)研究背景

轉(zhuǎn)爐煉鋼是目前世界上最主要的煉鋼方法，使用氧氣吹入鐵水中，使鐵水中的碳等元素氧化。在吹煉過程中由于鐵等元素的氧化，將會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵。由于環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，因此必須進(jìn)行除塵以保護(hù)環(huán)境。常用的除塵方法有濕法和干法除塵。隨著國家對環(huán)境污染治理的力度加大，轉(zhuǎn)爐煉鋼的一次除塵由傳統(tǒng)的濕法除塵轉(zhuǎn)向干法除塵，干法靜電除塵工藝得到了大力的發(fā)展，通過蒸發(fā)冷卻器得到的轉(zhuǎn)爐干灰一次灰和通過靜電除塵器得到的轉(zhuǎn)爐干灰二次灰替代了轉(zhuǎn)爐污泥，成為了轉(zhuǎn)爐煉鋼除鋼渣外最多的轉(zhuǎn)爐廢物副產(chǎn)品。轉(zhuǎn)爐干法除塵灰中，含有鐵元素（TFe約55%）、活性氧化鈣（15%～20%）及在煉鋼過程損失的微量合金等資源，這部分轉(zhuǎn)爐灰回收的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益越來越顯著[1]。尤其是將其制成球團(tuán)返回轉(zhuǎn)爐，不僅回收了鐵資源，降低鋼鐵料消耗，還能大大提高煉鋼冶煉的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[1-3]。但轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)必須具有一定的抗壓強(qiáng)度才能入爐冶煉，目前轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度要求一般為不低于800N/個(gè)。本研究旨在通過實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)研究，探討出一種適合轉(zhuǎn)爐灰成型的工藝。

2.試驗(yàn)原料性狀

本試驗(yàn)研究所需的轉(zhuǎn)爐灰取自廣西某鋼廠。樣品外觀呈棕褐色，平均粒徑在0.15mm左右，堆密度為1.15g/cm3，樣品水分為6%。表1為其化學(xué)成分組成。

表1 轉(zhuǎn)爐灰化學(xué)成分

根據(jù)表1的化學(xué)成分分析，鐵元素含量高達(dá)68%，有很高的回收利用價(jià)值；鋅的含量也較高，對鋼的質(zhì)量不利，應(yīng)在成型前用浮選方法回收，但鋅對成型并無影響，故本研究直接用含鋅的原料進(jìn)行成型試驗(yàn)。從原料粒度方面來看，轉(zhuǎn)爐灰樣品顆粒較細(xì)，比表面積大，粘結(jié)劑的用量與傳統(tǒng)的粉煤成型相比不會(huì)太低。

3.粘結(jié)劑選擇探索試驗(yàn)

轉(zhuǎn)爐灰的成型機(jī)理與粉煤成型一致，因此其成型粘結(jié)劑與型煤粘結(jié)劑基本一致。本試驗(yàn)研究從粉煤成型常用的粘結(jié)劑中選取了膨潤土、羧甲基纖維素、水玻璃、預(yù)糊化淀粉進(jìn)行初步成型試驗(yàn)。按不同比例將粘結(jié)劑分別加入原料中并加水混合攪拌，混合攪拌均勻后的原料用直徑50mm的球形模具在壓力機(jī)上壓制成型，成型壓力20MPa，成型物料的水分22%，然后將成型后的球團(tuán)放入110℃的干燥箱中干燥2.5h。球團(tuán)冷卻至室溫后分別測試其抗壓強(qiáng)度。探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 初步探索試驗(yàn)結(jié)果

對探索性試驗(yàn)作如下歸納：

從探索試驗(yàn)的結(jié)果看，轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度均隨粘結(jié)劑的用量增加而增加。

膨潤土在添加量為8%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度僅為425N/個(gè)，距離800N/個(gè)的要求相去甚遠(yuǎn)，如果再增加添加量，則會(huì)明顯降低轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)的鐵含量，冶煉時(shí)造渣量增大，增加煉鋼熔劑的用量并使電耗增加；羧甲基纖維素添加量為1.2%時(shí)，轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)860N/個(gè)，滿足800N/個(gè)的要求，但羧甲基纖維素價(jià)格較高，1.2%的添加量經(jīng)濟(jì)性略差；水玻璃添加量為8%時(shí)，轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)到802N/個(gè)，但與膨潤土一樣，增加了造渣量和能耗；預(yù)糊化淀粉添加量4%時(shí)，轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)到了820N/個(gè)，但粘結(jié)劑成本較高。

從球團(tuán)抗壓強(qiáng)度來看，水玻璃添加量8%、預(yù)糊化淀粉添加量4%和羧甲基纖維素添加量1.2%都能夠滿足大于800N/個(gè)的要求，但膨潤土8%的添加量、水玻璃8%的添加量會(huì)明顯降低轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)的含鐵量。

根據(jù)與相關(guān)粘結(jié)劑廠家的報(bào)價(jià)，目前膨潤土價(jià)格約500元/噸，羧甲基纖維素4500元/噸，液狀水玻璃價(jià)格約600元/噸，預(yù)糊化淀粉3600元/噸。根據(jù)探索性試驗(yàn)的結(jié)果，從經(jīng)濟(jì)性和冶煉工藝上考慮，用羧甲基纖維素比其他三種粘結(jié)劑更好。從性價(jià)比方面考慮，最終選擇羧甲基纖維素。

4.各影響因素探討

目前羧甲基纖維素4500元/噸，添加量為1.2%時(shí)能夠滿足轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)強(qiáng)度大于800N/個(gè)要求，噸轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)粘結(jié)劑成本達(dá)到54元/噸，還是有些偏高。為了能降低羧甲基纖維素添加量、降低生產(chǎn)成本，對球團(tuán)的干燥制度、成型原料的水分以及成型壓力對轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究。

(1)干燥制度

初步探索試驗(yàn)的轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)都是在110℃的溫度下進(jìn)行干燥的，干燥后的轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)具有比較好的抗壓強(qiáng)度時(shí)粘結(jié)劑用量都比較高，而且球團(tuán)表面基本都有許多細(xì)小的裂紋，從而影響了干燥后的轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度。原因是成型物料的水分在高溫下強(qiáng)烈揮發(fā)變成水蒸氣逸出，在轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)內(nèi)部形氣流成通道導(dǎo)致球團(tuán)開裂，從而降低了球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度。如果干燥初期用較低溫度先讓水分緩慢逸出，待球團(tuán)外表干燥到具有一定強(qiáng)度后再用較高溫度干燥，此時(shí)轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)表面已經(jīng)固化的硬殼的束縛作用應(yīng)能對改善轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度有所幫助，從而可以降低粘結(jié)劑用量。

取3kg轉(zhuǎn)爐灰加入1.2%的羧甲基纖維素，加水至物料水分22%，混合均勻后在20MPa下成型。成型后的轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)均分成三份分別先在60℃（低溫）干燥、然后再在110℃（高溫）下進(jìn)行干燥。干燥總時(shí)間采用工業(yè)型煤生產(chǎn)中常用的2.5h。干燥方案及結(jié)果見表3。

表3 不同干燥條件下的球團(tuán)抗壓強(qiáng)度

從表3的結(jié)果可以看出，同一成型條件下的轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)在3種干燥方案下的殘余水分分別為1.5%、2.1%和4.0%。轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度以第二種方案的最好，達(dá)到了1020N/個(gè)。觀察轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)表面，方案1的球團(tuán)表面仍有部分裂紋，而方案2和方案3的球團(tuán)表面沒有裂紋，說明延長低溫段干燥時(shí)間會(huì)先使球團(tuán)表面，避免球團(tuán)表面產(chǎn)生裂紋。方案3的球團(tuán)抗壓強(qiáng)度未達(dá)到800N/個(gè)的要求則是因?yàn)楦邷貢r(shí)間過短，殘余較高的水分影響了轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度，如果再延長高溫干燥時(shí)間，則會(huì)使總干燥時(shí)間加長，降低生產(chǎn)效率。因此，先低溫段（60℃）干燥50min、后高溫段（110℃）干燥100min的干燥制度是比較合適的。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

(2)正交試驗(yàn)

①水分的影響：合適的成型水分對成型效果有重要影響。由于轉(zhuǎn)爐灰粒度較細(xì)，比表面積大，成型水分應(yīng)該不會(huì)太低。本試驗(yàn)研究考察了水分變化對成型效果的影響。結(jié)果表明，成型水分低于20%，球團(tuán)會(huì)在脫模后崩裂，水分超過25%時(shí)則會(huì)有水在成型過程中被擠出且球團(tuán)與模具粘連不易脫模。

②成型壓力的影響：目前工業(yè)型煤的成型壓力一般在18～30MPa。本研究對轉(zhuǎn)爐灰成型的試驗(yàn)表明，在成型原料水分為22%時(shí)，成型壓力在20～25MPa時(shí)可以獲得比較理想的成型效果。成型壓力低于20MPa，轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)冷強(qiáng)度較弱，從脫模上脫落時(shí)易摔碎不利于工業(yè)生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)運(yùn)；壓力超過26MPa，則成型過程中會(huì)有水被擠出，轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)與模具粘連、不易脫模，且脫模后球團(tuán)易碎裂，說明壓力超過顆粒本身的強(qiáng)度，成型時(shí)顆粒二次破碎產(chǎn)生新的斷面，而新斷面之間又沒有粘結(jié)劑的粘合而導(dǎo)致開裂。

③羧甲基纖維素添加量的影響：羧甲基纖維素添加量直接影響到轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度，添加量越低則轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)抗壓強(qiáng)度越低；反之，則越高。但過高的羧甲基纖維素添加量的缺點(diǎn)就是噸轉(zhuǎn)爐灰粘結(jié)劑成本過高，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益急劇下降。

為了綜合考察成型壓力、成型水分以及羧甲基纖維素對球團(tuán)強(qiáng)度的影響、探究合適的成型條件，本研究在干燥制度為先低溫（60℃）干燥50min，再高溫（110℃）干燥100min的條件下進(jìn)行了如下正交試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，A3B2C3條件下的轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)1225N/個(gè)；影響因素顯著性的簡單分析表明，羧甲基纖維素添加量＞成型壓力＞成型水分。

5.條件優(yōu)化

正交試驗(yàn)的結(jié)果表明，在先低溫（60℃）干燥50min，再高溫（110℃）干燥100min的條件下，羧甲基纖維素添加量1.2%、成型壓力25MPa、成型水分22.5%時(shí)轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)到1225N/個(gè)，但行業(yè)內(nèi)要求超過800N/個(gè)即可滿足要求。因此，并不是轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)強(qiáng)度越高越好，過高的抗壓強(qiáng)度只會(huì)增加生產(chǎn)成本降低生產(chǎn)企業(yè)效益。為降低羧甲基纖維素用量、節(jié)省成本，在成型水分22.5%、成型壓力25MPa的條件下考察了羧甲基纖維素添加量與轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，干燥制度仍然采用先60℃下干燥50min、然后110℃下干燥100min。試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 羧甲基纖維素添加量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)表5的結(jié)果，成型水分22.5%、成型壓力25MPa的條件，干燥制度采用60℃下50min、110℃下100min，羧甲基纖維素添加量在0.9%時(shí)球團(tuán)強(qiáng)度可達(dá)845N/個(gè)，滿足球團(tuán)入爐冶煉的要求。0.9%的添加量時(shí)，粘結(jié)劑成本為40.5元/噸。因此，將最終的成型工藝條件確定為：成型水分22.5%、成型壓力25MPa、羧甲基纖維素添加量0.9%；干燥制度為60℃下干燥50min然后在110℃下再干燥100min。

6.結(jié)語

（1）轉(zhuǎn)爐灰可以制成符合冶煉要求轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)，較佳的成型條件為成型水分22.5%、成型壓力25MPa、羧甲基纖維素添加量0.9%，成型后的球團(tuán)先 60℃下干燥50min然后在110℃下再干燥100min，干燥后的轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)抗壓強(qiáng)度可達(dá)845N/個(gè)。

（2）成型后的轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)采用分段干燥可有效提高轉(zhuǎn)爐灰球團(tuán)抗壓強(qiáng)度，降低粘結(jié)劑用量降低成本。本研究的合適干燥制度為成型后的球團(tuán)先 60℃下干燥50min然后在110℃下再干燥100min。

（3）本試驗(yàn)研究僅為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，工業(yè)化生產(chǎn)前應(yīng)先進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)驗(yàn)證。

（4）受時(shí)間和精力限制，本研究沒有進(jìn)行不同粘結(jié)劑復(fù)配研究。