復(fù)合造塊法高效處置含碳鋼鐵塵泥研究

李光輝，程德，劉會波，徐良平，鐘強，姜濤

(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

鋼鐵塵泥是鋼鐵企業(yè)在原料準備、燒結(jié)、球團、煉鐵、煉鋼和軋鋼等工藝過程中進行干法除塵、濕法除塵和廢水處理后產(chǎn)生的固體廢棄物，其總量為粗鋼產(chǎn)量的8%～12%。我國每年鋼鐵塵泥產(chǎn)出量超過1 億 t，如何以較低的成本，回收其中所含的鐵、鋅、鉛、碳等有價元素，并盡可能實現(xiàn)零排放，是現(xiàn)在需要解決的問題[1-3]。

隨著對塵泥物化特性認識的不斷加深及為了降低鋅對煉鐵工序的危害，鋼鐵塵泥的處理工藝分為兩大類：中高鋅塵泥處理工藝和低鋅塵泥處理工藝[4-6]。中高鋅塵泥處理工藝主要包括：常規(guī)選礦工藝、濕法工藝、火法工藝和火法-濕法聯(lián)合處理工藝。選礦工藝處理塵泥的效率較低，脫鋅效果不理想；濕法工藝存在浸出劑消耗量大、除雜步驟繁瑣、浸出渣無法回收利用、處理工藝成本高、污染嚴重等問題[4,7]；火法工藝存在生產(chǎn)效率低、維護成本高等問題[6,8-9]；火法-濕法聯(lián)合處理法存在處理工藝流程復(fù)雜，設(shè)備投資和生產(chǎn)成本高等缺點。低鋅塵泥主要采用直接返回工藝，包括燒結(jié)工藝、冷固結(jié)球團工藝、氧化球團工藝、熱壓團工藝、高爐噴吹工藝等。冷固結(jié)球團、氧化球團工藝和熱壓團工藝存在塵泥處理量小、對塵泥粒度、成球性要求高等問題；高爐噴吹工藝存在揚塵嚴重、與煤粉混合不均勻、噴吹量不可控，易造成上煤操作中斷等問題[6,8,10-11]；返回燒結(jié)工藝具有處理量大、投資小、見效快、工藝簡單等優(yōu)點，是目前主要的鋼鐵塵泥處理工藝[12-14]。

返回燒結(jié)工藝是將鋼鐵塵泥按照一定比例直接加入燒結(jié)配料，經(jīng)一次混合、二次混合后進行燒結(jié)，實現(xiàn)塵泥中鐵、碳等有價元素的回收利用[13,15]。50%～70%的鋼鐵塵泥由鐵前及煉鐵工序產(chǎn)生，主要包括原料場灰、燒結(jié)機尾除塵灰、燒結(jié)成品除塵灰、儲礦槽灰、高爐二次灰和高爐出鐵場灰，其鐵、碳含量高，鋅、鉛含量低，可直接作為燒結(jié)配料返回燒結(jié)利用。另外，對于鋅質(zhì)量分數(shù)大于1%、堿金屬質(zhì)量分數(shù)大于0.5%的塵泥經(jīng)過脫鋅、脫鉀鈉處理后也可以返回燒結(jié)利用。但由于塵泥種類多、性質(zhì)各異、粒度細、親水性差、難制粒等特點，塵泥直接加入燒結(jié)會嚴重影響混合料制粒效果，顯著惡化料層透氣性，降低燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量[16-18]。同時，塵泥黏附性差，在燒結(jié)過程中被抽出又會造成二次污染。為此，本文作者選用鋼鐵廠典型鋼鐵塵泥，開展復(fù)合造塊法處置鋼鐵塵泥的研究，研究塵泥球團配比、粒度及分布對燒結(jié)過程的影響，揭示燒結(jié)基體料與鋼鐵塵泥復(fù)合造塊的成礦機理。

1 原料性能與試驗方法

1.1 試驗原料

本研究采用的原料主要包括某鋼廠燒結(jié)生產(chǎn)用鐵礦勻礦、鋼鐵生產(chǎn)產(chǎn)生的6種塵泥、熔劑和焦粉。鋼鐵塵泥按燒結(jié)與煉鐵工序排放的次序排列，依次是原料場灰、機尾電除塵灰、成品除塵灰、儲礦槽灰、高爐二次灰、高爐出鐵場灰。鐵礦勻礦和6 種鋼鐵塵泥的主要化學(xué)成分及燒損如表1所示。

表1 鐵礦勻礦和鋼鐵塵泥的主要化學(xué)成分及燒損(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Main chemical composition and LOI of blending iron ores and steel dusts%

由表1 可知：鐵礦勻礦的全鐵(TFe)品位為60.98%，F(xiàn)eO含量較低，TFe與FeO質(zhì)量分數(shù)之比為20.46，TFe 與燒失量(LOI)的質(zhì)量分數(shù)之比為10.13，表明勻礦主要以褐鐵礦形式存在。按TFe含量來分，機尾電除塵灰、成品除塵灰及高爐出鐵場灰屬于高鐵塵泥，而原料場灰、儲礦槽灰及高爐二次灰屬于低鐵塵泥。按含碳量來分，原料場灰、高爐二次灰和儲礦槽灰屬于中碳塵泥塵，其余3種屬于低碳塵泥。同時，機尾電除塵灰、成品除塵灰及儲礦槽灰的CaO 含量相對較高，高爐出鐵場灰的CaO 和SiO2含量最低。研究所用熔劑主要化學(xué)成分及燒損結(jié)果見表2所示，焦粉的工業(yè)分析和灰分主要化學(xué)成分結(jié)果如表3所示。

表2 熔劑的主要化學(xué)成分及燒損(質(zhì)量分數(shù))Table 2 Main chemical composition and LOI of fluxes%

表3 焦粉工業(yè)分析和主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Table 3 Industrial analysis and chemical composition of coke breeze%

由表2可知：生石灰的CaO質(zhì)量分數(shù)偏低，為66.02%，石灰石、白云石中CaO 質(zhì)量分數(shù)分別為51.47% 和30.41%，白云石中MgO 質(zhì)量分數(shù)為20.55%。由表3可知：焦粉的固定碳質(zhì)量分數(shù)較高為84.79%，揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)較低，灰分主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3。

1.2 試驗方法

鋼鐵塵泥復(fù)合造塊試驗流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合造塊試驗流程圖Fig.1 Flow diagram of composite agglomeration process

在配加塵泥球團的復(fù)合造塊試驗中，第一步，將原料場灰、機尾電除塵灰、成品除塵灰、儲礦槽灰、高爐二次灰和高爐出鐵場灰按照質(zhì)量比為8∶36∶18∶18∶12∶8的比例進行配料，然后進行造球得到塵泥球團[18-19]。第二步，依據(jù)配料方案精確稱量勻礦、返礦、熔劑和焦粉并充分混勻，加入生石灰及相應(yīng)質(zhì)量的消化水，消化5 min。第三步，碾碎結(jié)塊的生石灰顆粒，加入設(shè)定的二次水分，進行一次混勻。第四步，將初步混勻料裝入直徑×長度為600 mm×1 200 mm 的圓筒混合機進行制粒，制粒時間為5 min，所得制粒料即為燒結(jié)混合料。第五步，將燒結(jié)混合料和塵泥球團混勻并布料到直徑×長度為170 mm×1 000 mm的燒結(jié)杯中進行點火、抽風燒結(jié)。

在燒結(jié)進行的同時，對燒結(jié)混合料的代表性樣品進行粒度組成和透氣性指數(shù)的測定。粒度組成的測定采用一套8.0、5.0、3.0、1.0 和0.5 mm 的標準篩，每次試樣質(zhì)量為200～300 g，篩分時間為10 min，稱量各篩上物料的質(zhì)量，計算各粒級質(zhì)量分數(shù)和各粒級的加權(quán)平均值作為混合料的平均粒度。采用實驗室透氣性指數(shù)測定裝置測定出混合料樣品的壓差Δp，根據(jù)Voice公式進行計算，得到透氣性指數(shù)(J.P.U)[18,20]。

燒結(jié)終點是指廢氣溫度達到最大值的時間點，在燒結(jié)終點記錄燒結(jié)時間，并及時調(diào)整燒結(jié)負壓進行抽風冷卻。最后，從燒結(jié)杯中靠自重卸出燒結(jié)餅，并經(jīng)單齒輥破碎，得到待檢測造塊產(chǎn)品。

分別測定造塊產(chǎn)品成品率、轉(zhuǎn)鼓強度和觀察其微觀結(jié)構(gòu)等。將造塊產(chǎn)品從2 m 高處自由落下3次后，放入往復(fù)篩中進行篩分，往復(fù)篩的篩孔為正方形，邊長分別為40、25、16、10和5 mm，成品率用下式計算：

式中：P表示成品率；m1表示粒級大于5 mm 的燒結(jié)礦質(zhì)量；m2表示燒結(jié)礦總質(zhì)量；m0表示鋪底料質(zhì)量。

轉(zhuǎn)鼓強度采用YB/T 5166—1993的方法進行測定。取典型的燒結(jié)產(chǎn)品，經(jīng)鑲樣、磨片、拋光后，在偏光顯微鏡下分析其微觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果與討論

鋼鐵塵泥燒結(jié)試驗中，固定返礦外配為25%、生石灰質(zhì)量分數(shù)為6.5%、焦粉質(zhì)量分數(shù)為4.3%、混合料水分為7.5%、燒結(jié)堿度為2.0，料層高度為1 000 mm，點火溫度為1 100～1 180 ℃，點火時間為90 s，保溫溫度為950～1 000 ℃，保溫時間為60 s，點火負壓為6 kPa，燒結(jié)負壓為12 kPa，抽風冷卻時間為90 s，冷卻負壓為6 kPa。

2.1 鋼鐵塵泥配比對燒結(jié)的影響

固定燒結(jié)配料結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，改變鋼鐵塵泥的配加量，研究鋼鐵塵泥配比對燒結(jié)混合料制粒效果和燒結(jié)指標的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：隨著鋼鐵塵泥配比增加，混合料制粒效果變差，原始料層透氣性惡化；當塵泥配比增加至23.41%時，透氣性指數(shù)和燒結(jié)速度分別降低39.69%和29.93%。隨塵泥配比增加，燒結(jié)礦成品率和利用系數(shù)顯著降低，而燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度有一定程度提高。鋼鐵塵泥性質(zhì)差異大、粒度細、親水性差、制粒難、燒結(jié)難，直接配入會導(dǎo)致一系列問題，特別是對于1 000 mm 超高料層燒結(jié)，由于鋼鐵塵泥含有一定燃料，會加重料層自動蓄熱作用，造成下層料層過熔，惡化料層熱態(tài)透氣性，影響燒結(jié)過程，明顯降低燒結(jié)產(chǎn)能。

圖2 鋼鐵塵泥配比對燒結(jié)的影響Fig.2 Effect of steel dusts proportion on sintering process

2.2 鋼鐵塵泥球團均勻分布的復(fù)合造塊研究

2.2.1 鋼鐵塵泥球團配比的影響

固定燒結(jié)試驗條件，將鋼鐵塵泥制備成粒度為10～12 mm的塵泥球團，改變燒結(jié)混合料中塵泥球團的加入量，研究塵泥球團配比對燒結(jié)料層透氣性和燒結(jié)指標的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：隨著球團配比增加，混合料原始透氣性增加，燒結(jié)速度保持在19～21 mm/min 范圍內(nèi)，燒結(jié)成品率和利用系數(shù)有一定程度降低，但轉(zhuǎn)鼓強度增加。與塵泥直接返回燒結(jié)比較，采用復(fù)合造塊方法可明顯改善料層透氣性，提高燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量指標，解決塵泥直接返回燒結(jié)導(dǎo)致的燒結(jié)產(chǎn)率明顯下降的問題。

圖3 鋼鐵塵泥球團配比對燒結(jié)的影響Fig.3 Effect of pellets proportion of steel dusts on sintering process

2.2.2 鋼鐵塵泥球團粒度的影響

固定鋼鐵塵泥球團配比為23.34%，改變加入燒結(jié)混合料中塵泥球團的粒級，研究塵泥球團粒度對燒結(jié)料層透氣性和燒結(jié)指標的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4 可知：隨著塵泥球團粒度增大，料層原始透氣性略有降低，燒結(jié)速度先降低再增加，但燒結(jié)速度保持在20.5 mm/min左右。燒結(jié)礦成品率和利用系數(shù)有一定程度降低，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度略有提高?？傮w而言，塵泥球團粒度為5～8 mm時，各項燒結(jié)指標較優(yōu)，燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強度和利用系數(shù)分別為77.49%、69.71% 和1.441 t/(m2·h)。

圖4 鋼鐵塵泥球團粒度對燒結(jié)的影響Fig.4 Effect of pellets size of steel dusts on sintering process

2.3 鋼鐵塵泥球團偏析分布的復(fù)合造塊研究

2.3.1 燒結(jié)料層蓄熱及計算

基于料層蓄熱理論[12,15,21]，取長×寬×高為1 m×1 m×1 m 的料柱(圖5)，將整個料柱從上到下平均分為10層，每層厚度為100 mm，計算不同料層熱量收入、總蓄熱率和可利用蓄熱率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 燒結(jié)料層蓄熱模型及計算結(jié)果Fig.5 Heat storage model and calculation results of sintered layer

由圖5可知：當塵泥球團均勻分布時，料層各單元的熱量收入、總蓄熱率和可利用蓄熱率有明顯的差異。沿料層高度方向，總蓄熱率和可利用蓄熱率逐層增加，料層熱量收入先增加后降低。結(jié)果表明，超高料層過度的蓄熱作用，使得料層上下部的熱量收入差距大，不均熱現(xiàn)象嚴重，導(dǎo)致上下部燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量差異大，不利于保持燒結(jié)礦的均質(zhì)性。

2.3.2 基于熱量均勻的理想料層計算

由于鋼鐵塵泥本身含有一定的碳，基于料層熱量均勻，通過塵泥球團在料層中的偏析分布來設(shè)計理想料層結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果如圖6所示(圖6(a)中每組彩色圖柱由左到右分別表示燒結(jié)料層第1層到第10層)。由圖6可知：塵泥球團在1層和2層大量分布、占比為53.60%，在3～8 層少量分布或不分布，而在9層和10層又較多分布、占比為33.27%。相應(yīng)的料層各層焦粉含量呈先增加后降低的趨勢，在中間料層焦粉占總焦粉的最大比例為11.90%。料層上部的球團配比高，總?cè)剂虾扛?，可提供充足燃燒化學(xué)熱來保證頂部造塊產(chǎn)品質(zhì)量，而料層中下層燃料用量少，可最大化吸收來自料層上部的可利用蓄熱，將自動蓄熱劣勢轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。通過塵泥球團合理偏析分布，料層各層熱量收入的最小值為4 802.0 MJ/m3，而最大值為4 964.0 MJ/m3，料層各層熱量收入基本一致，達到料層均熱的目的。

圖6 理論燒結(jié)料層結(jié)構(gòu)計算Fig.6 Theoretical sinter layer structure

塵泥球團均勻分布和合理偏析分布得到的燒結(jié)指標如表4所示。由表4可知：通過塵泥球團合理偏析分布，可一定程度提高燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強度和利用系數(shù)。由于塵泥本身含有一定的碳，配加塵泥球團可明顯降低焦粉消耗；采用塵泥球團偏析分布可進一步降低焦粉消耗，燒結(jié)過程焦粉消耗量僅為35.45 kg/t。

表4 不同鋼鐵塵泥球團分布的燒結(jié)指標Table 4 Sintering indexes of steel dust pellets with different distribution

2.4 鋼鐵塵泥球團復(fù)合造塊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

將塵泥球團偏析分布得到復(fù)合造塊產(chǎn)品制片、觀察其宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)可見產(chǎn)品呈現(xiàn)高堿度基體料+塵泥球團結(jié)構(gòu)。圖7(b)中球團部分為中孔厚壁結(jié)構(gòu)，擁有許多形狀不規(guī)則、大小不一的黑色孔洞，孔洞有利于氧氣擴散，對低價鐵氧化物進行氧化，有利于提高燒結(jié)過程料層透氣性。在圖7(c)中基體部分，針狀和條狀鐵酸鈣占主體，結(jié)晶完善且互連成整體，與鐵氧化物緊密結(jié)合，熔蝕狀鐵酸鈣與硅酸鹽液相的生成量較少?；w料和球團之間的過渡帶是基體料中的鐵酸鈣液相侵入球團與赤鐵礦顆粒形成交織結(jié)構(gòu)，或是Fe3O4與Fe2O3直接交織在一起。同時，在球團部分發(fā)現(xiàn)由FeO與SiO2、CaO反應(yīng)形成的鈣鐵橄欖石黏結(jié)相，與磁鐵礦相互黏合交織，可提升造塊產(chǎn)品的強度。

圖7 復(fù)合造塊產(chǎn)品的礦相結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of composite agglomeration product

3 結(jié)論

1)鋼鐵塵泥直接返回燒結(jié)，惡化料層透氣性，影響燒結(jié)過程；隨著鋼鐵塵泥配比增加，料層透氣性惡化，燒結(jié)礦成品率和利用系數(shù)顯著降低。采用復(fù)合造塊方法可明顯改善料層透氣性，提高燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量指標，解決塵泥直接返回燒結(jié)導(dǎo)致的燒結(jié)產(chǎn)率明顯下降的問題。

2)塵泥球團均勻分布時，料層各單元的熱量收入、總蓄熱率和可利用蓄熱率差異明顯，過度蓄熱作用使料層上下部熱量收入差距大，不均熱現(xiàn)象嚴重。通過塵泥球團合理偏析分布，53.60%球團在1層和2層分布、33.27%球團在9層和10層分布、其余球團分布在3～8層，料層各層熱量收入基本一致，實現(xiàn)料層均熱。

3)塵泥球團偏析分布獲得的復(fù)合造塊產(chǎn)品成品率、轉(zhuǎn)鼓強度、利用系數(shù)和焦粉消耗分別為78.34%、69.33%、1.551 t/(m2·h)和35.45 kg/t。產(chǎn)品礦相結(jié)構(gòu)為高堿度基體料+塵泥球團，球團部分為中孔厚壁結(jié)構(gòu)，有利于提高燒結(jié)過程料層透氣性；基體部分主要為針狀和條狀鐵酸鈣，結(jié)晶完善且互連成整體；球團與基體料之間的過渡帶為基體料中鐵酸鈣液相浸入球團與赤鐵礦顆粒形成交織結(jié)構(gòu)，或是赤鐵礦與磁鐵礦直接交織在一起。