中國轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥生產(chǎn)中含碳球團(tuán)粉化原因解析

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)底爐；含鋅塵泥；粉化；資源循環(huán)利用；冶金塵泥

0 引言

中國2022年鋼鐵行業(yè)粗鋼產(chǎn)量達(dá)10.13億t， 位居世界第一。鋼鐵行業(yè)的蓬勃發(fā)展，為中國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步提供了重要支撐，但同時(shí)也帶來了環(huán)境治理難題。這是由于鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵總量約占鋼產(chǎn)量的8%～12%，其中含鋅粉塵約占粉塵總量的20%～30%。因此，在2021年國家提出鋼鐵冶金行業(yè)推廣“固廢不出廠”后，探索含鋅塵泥的深度資源化利用方式成為國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)發(fā)展資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)的主要方向之一。通常條件下，含鐵塵泥主要返回?zé)Y(jié)配料工序，參與內(nèi)部循環(huán)利用，然而當(dāng)配入的含鐵塵泥Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%，會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)料層的透氣性降低、高爐生產(chǎn)不穩(wěn)定、破壞高爐爐體等問題。因此，鋼鐵企業(yè)不斷尋求其他的含鋅塵泥處置方案，如回轉(zhuǎn)窯處理鋼鐵含鋅粉塵技術(shù)、轉(zhuǎn)底爐處理鋼鐵含鋅粉塵技術(shù)等，以實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)粉塵的完全循環(huán)利用。

特別是進(jìn)入十四五規(guī)劃新時(shí)期，在更高的環(huán)保要求制約下，國內(nèi)的鋼鐵企業(yè)逐漸將目光聚集向能夠助力鋼鐵企業(yè)環(huán)保產(chǎn)業(yè)建設(shè)的轉(zhuǎn)底爐處置含鋅粉塵技術(shù)。中國的轉(zhuǎn)底爐工業(yè)發(fā)展迅速，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，存在含碳球團(tuán)粉化嚴(yán)重問題，對(duì)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)順行與產(chǎn)品質(zhì)量造成不利影響。因此，本文針對(duì)含碳球團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥全流程生產(chǎn)過程中出現(xiàn)粉化現(xiàn)象的原因進(jìn)行全面考察與解析，促進(jìn)轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥生產(chǎn)高效順行，助力中國轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥技術(shù)的發(fā)展。

1 轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與存在問題

目前，中國含鋅塵泥處理技術(shù)發(fā)展迅速，主要以火法處理工藝為主，包括轉(zhuǎn)底爐工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝、OxyCup豎爐工藝與DK小高爐工藝等。由于中國鋼鐵企業(yè)產(chǎn)出的高爐含鋅粉塵大部分為低鋅含鋅粉塵，在以上4類處置方法中，轉(zhuǎn)底爐適合處理中、低鋅固廢塵泥，更適合于國內(nèi)絕大部分以長流程為主流工藝的鋼鐵企業(yè)。

1.1 轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)底爐是目前鋼鐵企業(yè)應(yīng)用最廣泛的固廢資源處置工藝，該工藝可追溯至1965年Midland Ross公司（Midrex公司前身）開發(fā)的Heat-Fast工藝。中國轉(zhuǎn)底爐技術(shù)研究工作始于20世紀(jì)90年代，北京科技大學(xué)首先在山西翼城和河南鞏義各建一座設(shè)計(jì)年產(chǎn)能力7萬t的轉(zhuǎn)底爐。進(jìn)入21世紀(jì)，國家重點(diǎn)支持鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥生產(chǎn)線建設(shè)，國內(nèi)諸多技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出符合國內(nèi)的鐵礦資源和能源結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)政策的穩(wěn)定成熟的轉(zhuǎn)底爐工業(yè)化產(chǎn)線。如表1所示，至2023年底，國內(nèi)建設(shè)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線的數(shù)量將不低于22座，未來發(fā)展前景廣闊。

1.2 轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥生產(chǎn)存在問題

轉(zhuǎn)底爐處理含鋅粉塵的工藝流程如圖1所示，主要包括原料預(yù)處理系統(tǒng)、壓球成型系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、轉(zhuǎn)底爐直接還原系統(tǒng)、金屬化球團(tuán)冷卻系統(tǒng)。物料經(jīng)過配料混合（污泥需要烘干以便控制水分）后輥壓制成含碳球團(tuán)，經(jīng)過烘干后再轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)底爐內(nèi)進(jìn)行直接還原，生產(chǎn)可用于高爐煉鐵或轉(zhuǎn)爐/電爐煉鋼生產(chǎn)的金屬化球團(tuán)；鋅氧化物被還原成鋅蒸氣從球團(tuán)中逸出，隨著煙氣進(jìn)入煙道，被氧化后通過布袋收塵系統(tǒng)回收，得到ZnO產(chǎn)品。

目前，轉(zhuǎn)底爐工藝趨于成熟，具有脫鋅率高、對(duì)原料的要求靈活、工藝設(shè)備簡單易于制造、投資較低、污染也相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)。然而，轉(zhuǎn)底爐在處理含鋅塵泥的生產(chǎn)中存在含碳球團(tuán)的粉化嚴(yán)重的問題。含碳球團(tuán)粉化嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致必須增加篩分裝置，篩下物返回?zé)Y(jié)工序或再壓塊送給高爐，徒增成本；同時(shí)導(dǎo)致成品金屬化率和脫鋅率降低，產(chǎn)品質(zhì)量變差，產(chǎn)量減少，降低系統(tǒng)生產(chǎn)率；另外，含碳球團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐中粉化會(huì)導(dǎo)致爐腔底部結(jié)塊（瘤）嚴(yán)重（圖2），增加爐腔底部負(fù)重，導(dǎo)致生產(chǎn)不暢。

因此，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)底爐處理含鋅塵泥生產(chǎn)順行，關(guān)鍵在于調(diào)整原料配比（尤其是配碳量）、水分調(diào)控、含鈣塵泥消解程度、黏結(jié)劑選用、混合方式、成型設(shè)備參數(shù)、干燥工藝參數(shù)、還原氣氛選擇與流速、轉(zhuǎn)底爐各段的還原溫度與還原時(shí)間等因素，降低含碳球團(tuán)在轉(zhuǎn)運(yùn)、干燥、還原過程中的粉化，保證轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)順行與產(chǎn)品質(zhì)量。所以，必須對(duì)轉(zhuǎn)底爐工藝生產(chǎn)過程中含碳球團(tuán)的粉化現(xiàn)象進(jìn)行考察與解析，為改善轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ)，助力轉(zhuǎn)底爐工藝的發(fā)展。

2 轉(zhuǎn)底爐處理含鋅粉塵各工序粉化分析

2.1 原料預(yù)處理系統(tǒng)

原料配比、水分調(diào)控、含鈣塵泥消解程度、粘結(jié)劑選用、混合方式等因素會(huì)影響含碳球團(tuán)的強(qiáng)度。

（1）原料配比。

中國的轉(zhuǎn)底爐技術(shù)主要用于處置鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生的含鐵/含鋅塵泥。由表2中發(fā)現(xiàn)，一般情況下，轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線原料的種類多、成分波動(dòng)較大且特性差異大，因此，原料的品類搭配對(duì)于轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

（2）水分調(diào)控。

水分是物料和粘結(jié)劑之間的反應(yīng)介質(zhì)，更與原料本身性質(zhì)、粘結(jié)劑種類和成型壓力有關(guān)。若水分過低，粉料結(jié)合強(qiáng)度差，容易造成成球率低甚至無法成球；粉狀粘結(jié)劑無法產(chǎn)生更好的固結(jié)效果。

（3）含鈣塵泥消解程度。

國內(nèi)大多數(shù)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線的原料中會(huì)配入含鈣的煉鋼塵泥。根據(jù)張高鵬與郭秀鍵的相關(guān)研究，煉鋼除塵灰等原料的活性氧化鈣（f-CaO）含量普遍較高（具體數(shù)據(jù)如表3與表4所示）。由于f-CaO與水的消解反應(yīng)會(huì)生成Ca（OH）2，此時(shí)體積膨脹150%～250%，當(dāng)球團(tuán)中的固結(jié)力不足以抵抗f-CaO在消解過程中的膨脹力，球團(tuán)就會(huì)粉化破裂。因此，含鈣塵泥消解程度是影響含碳球團(tuán)自然粉化的重要因素之一。

（4）粘結(jié)劑選用。

無機(jī)粘結(jié)劑能夠?yàn)楹记驁F(tuán)提供更好的熱強(qiáng)度，但提供的冷強(qiáng)度差且會(huì)帶入雜質(zhì)。有機(jī)粘結(jié)劑在含碳球團(tuán)成型中能提供較好的冷強(qiáng)度，且?guī)雸F(tuán)塊的雜質(zhì)少，然而在高溫條件下易分解燃燒，導(dǎo)致含碳球團(tuán)粉化。因此，為追求較好的強(qiáng)度和較高的球團(tuán)品位，將不同類型的無機(jī)類與有機(jī)類粘結(jié)劑搭配使用，生產(chǎn)兼具有兩者優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合粘結(jié)劑。

（5）混合方式。

使用有效的混合方式能夠避免物料偏析的同時(shí)，有利于f-CaO與水分接觸，使消解更完全，含碳球團(tuán)自然粉化程度更低；有利于物料、水分、粘結(jié)劑充分接觸，粘結(jié)效果會(huì)更好，固結(jié)強(qiáng)度更高；有利于提高物料混勻程度，從而提高含碳球團(tuán)致密度與強(qiáng)度。

2.2 成型系統(tǒng)

冶金行業(yè)中常用的冷壓球團(tuán)生產(chǎn)方法為對(duì)輥式壓球法（工作原理如圖3所示）。對(duì)輥式壓球機(jī)主要由兩部分組成，其中料斗上部物料會(huì)對(duì)下部物料產(chǎn)生一定的壓力作用；壓輥對(duì)物料施加一定的水平壓力以破壞物料的拱橋效應(yīng)，使團(tuán)塊內(nèi)的顆粒重排且密實(shí)化。成型壓力設(shè)置過小，物料顆粒不能獲得緊密排列所需要的壓力，導(dǎo)致含碳球團(tuán)粉化；成型壓力設(shè)置過大則導(dǎo)致脫模困難且會(huì)破壞團(tuán)塊粘結(jié)的連續(xù)性結(jié)構(gòu)，使含碳球團(tuán)失去強(qiáng)度。

2.3 干燥系統(tǒng)

干燥過程中水分變化是影響含碳球團(tuán)自然粉化的重要因素之一，含碳球團(tuán)在干燥過程水分變化會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生表面氣化和內(nèi)部擴(kuò)散現(xiàn)象（圖4）：外層水分蒸發(fā)后，內(nèi)層水分不能及時(shí)地?cái)U(kuò)散到表面，表面出現(xiàn)干裂；內(nèi)層水分不斷地由內(nèi)擴(kuò)散到外層而導(dǎo)致含碳球團(tuán)內(nèi)部孔隙率升高，影響球團(tuán)抗壓強(qiáng)度與粉化率。根據(jù)表5中張高鵬的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，過高的干燥溫度會(huì)導(dǎo)致含碳球團(tuán)干燥過程中水分的表面氣化和內(nèi)部擴(kuò)散速度的差異增大，球團(tuán)表層出現(xiàn)干殼現(xiàn)象；同時(shí)含碳球團(tuán)內(nèi)層水分?jǐn)U散受阻，部分水分在球團(tuán)汽化，造成其內(nèi)層氣壓變大，容易加劇球團(tuán)破裂。再者生球在高溫作用下，部分有機(jī)粘結(jié)劑分解揮發(fā)或脫水失效，固結(jié)作用下降，造成含碳球團(tuán)粉化。

2.4 轉(zhuǎn)底爐直接還原系統(tǒng)

由圖5中某鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線粉化率年度統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，粉化率在20%～25%之間，平均值為24.06%。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YB/T 4272）中表明金屬化球團(tuán)的粒度不大于5 mm部分應(yīng)不超過10%。若粉化產(chǎn)物所占比例較大，則說明生產(chǎn)率下降；并且粉化的部分需要再壓塊后才能進(jìn)行使用，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增高。而出現(xiàn)還原粉化現(xiàn)象的原因是在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)1 000～1 300 ℃的爐溫與還原氣氛作用下，含碳球團(tuán)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)改變，使得其破裂粉化。含碳球團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)還原過程如圖6所示，其中氣氛種類與流速、配碳量、各階段還原溫度與時(shí)間等因素會(huì)對(duì)含碳球團(tuán)還原粉化產(chǎn)生較大影響。

在低溫（400～600 ℃）還原階段，含碳球團(tuán)中的含鐵物相轉(zhuǎn)變通常伴隨著晶型和晶體體積的會(huì)發(fā)生如圖7所示的轉(zhuǎn)變：由α-Fe2O3向γ-Fe2O3再向磁鐵礦轉(zhuǎn)變。其中赤鐵礦α-Fe2O3（三方晶系）先轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g產(chǎn)物磁赤鐵礦γ-Fe2O3（等軸晶系）發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變是鐵礦球團(tuán)還原膨脹的主要原因之一。這是由于三方晶系六方晶格轉(zhuǎn)變成等軸晶系立方晶格的過程中會(huì)產(chǎn)生極大內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致含碳球團(tuán)碎裂粉化。

在高溫還原階段，配碳量、還原溫度與還原時(shí)間等因素會(huì)影響含碳球團(tuán)還原過程和還原效果。在高溫條件下，碳元素則被消耗從而在球團(tuán)中留下大量孔隙（圖8）;鐵氧化物被還原生成聚集的大片鐵連晶；其他未被還原的組分往往形成低熔點(diǎn)的渣相，部分填充因碳消耗所形成的孔隙。同時(shí)，含碳球團(tuán)中的ZnO在高溫條件下被還原的熱力學(xué)條件優(yōu)于FeO，Zn、Pb的氧化物被還原成Zn、Pb蒸氣后從含碳球團(tuán)中逸出，影響了含碳球團(tuán)中金屬鐵的形成，并使渣系成分發(fā)生變化，對(duì)球團(tuán)內(nèi)部的粘結(jié)相產(chǎn)生的不利影響。相關(guān)研究表明，隨著原料鋅含量的增加，成品金屬化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，尤其是在氣氛條件較差時(shí)，對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度產(chǎn)生的不利影響更為嚴(yán)重。

2.5 金屬化球團(tuán)冷卻系統(tǒng)

金屬化球團(tuán)隨出料螺旋排入圓筒冷卻機(jī)，將從1 000 ℃冷卻到約200 ℃，在冷卻過程中，金屬化球團(tuán)會(huì)產(chǎn)生能夠破壞焙燒過程中形成的粘結(jié)鍵的破壞應(yīng)力，導(dǎo)致金屬化球團(tuán)強(qiáng)度下降。

3 結(jié)論

（1）含碳球團(tuán)粉化的影響因素主要包括：原料配比（尤其是配碳量）、水分調(diào)控、含鈣塵泥消解程度、粘結(jié)劑選用、混合方式、成型設(shè)備參數(shù)、干燥工藝參數(shù)、還原氣氛選擇與流速、轉(zhuǎn)底爐各段的還原溫度與還原時(shí)間等。

（2）通過解析發(fā)現(xiàn)含碳球團(tuán)粉化主要包括自然粉化與還原粉化；自然粉化的主要原因是煉鋼塵泥中f-CaO的消解不完全與含碳球團(tuán)在干燥過程中水分表面氣化和內(nèi)部擴(kuò)散速度的差異；還原粉化的主要原因在于低溫（400～600 ℃）還原過程中含鐵物相晶型轉(zhuǎn)變與晶體體積變化。

（3）通過考察與解析轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)過程中球團(tuán)產(chǎn)生粉化現(xiàn)象的原因，為改善轉(zhuǎn)底爐含碳球團(tuán)粉化問題提供參考依據(jù)，進(jìn)而有利于提高金屬化球團(tuán)成品率，降低轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)成本，促進(jìn)轉(zhuǎn)底爐工藝的發(fā)展。

本文摘自《鋼鐵研究學(xué)報(bào)》2024年第5期