黃柱成 李鐵輝 易凌云 姜 濤

(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院)

鋼鐵生產(chǎn)由原料(燒結(jié)、球團(tuán)、焦化)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等多道工序組成［1-3］，由此會產(chǎn)生占鋼產(chǎn)量5% ～10%的各種除塵灰，包括燒結(jié)除塵灰、焦化除塵灰、高爐除塵灰及塵泥、轉(zhuǎn)爐除塵灰、電爐除塵灰、軋鋼皮及塵泥等［4］。這些除塵灰含鐵含碳，是寶貴的二次資源。然而由于成分復(fù)雜、粒度變化及水分波動大等原因，使得除塵灰的利用較為困難。據(jù)估算，我國的除塵灰有效利用率不足80%，未有效利用的除塵灰已越來越嚴(yán)重地影響到所在地周邊的環(huán)境，并開始制約企業(yè)自身的發(fā)展。因此，利用好鋼鐵廠各工序產(chǎn)生的除塵灰，消除污染，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)是關(guān)系到我國鋼鐵工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的一項重要任務(wù)［5-8］。

鋼鐵廠除塵灰的處理工藝很多，概括起來主要分為返回處理法、濕法、火法、火法/濕法聯(lián)合處理法、穩(wěn)定化處理法和選冶處理技術(shù)等［9-10］。其中火法處理工藝(回轉(zhuǎn)窯工藝、BRS工藝、環(huán)形爐工藝、轉(zhuǎn)底爐工藝)是在一定的高溫下，利用金屬氧化物的還原特性及融沸點的差異，以粉塵自身含有的固體碳為還原劑還原金屬氧化物，使部分或者全部有價元素得以回收的一種處理方法，因工藝簡單、流程短而受到了眾多鋼鐵企業(yè)的重視。采用火法工藝處理鋼鐵廠除塵灰時，須先將除塵灰造球，其關(guān)鍵是采用合適的黏結(jié)劑，使球團(tuán)具有足夠的強(qiáng)度［11］。本研究采用按中南大學(xué)專利技術(shù)制備的纖維化膨潤土對某鋼鐵廠的除塵灰進(jìn)行強(qiáng)化造球試驗，旨在提高球團(tuán)的強(qiáng)度，以滿足轉(zhuǎn)底爐還原工藝對球團(tuán)質(zhì)量的高要求。

1 試驗原料

除塵灰試樣由某鋼鐵廠提供，包括高爐布袋除塵灰、燒結(jié)機(jī)頭除塵灰、高爐重力除塵灰及靜電除塵灰4種樣品。灰樣中不利于高爐冶煉、危害鋼材質(zhì)量的Cl、K、Na含量很高(見表1)，需要進(jìn)行脫氯處理。

表1 灰樣中Cl、K、Na的含量

通過水泡、攪拌、靜置、脫水、曬干對原灰樣進(jìn)行脫氯處理，脫氯后灰樣的化學(xué)成分、粒度組成分別見表2和3。

表2 脫氯后灰樣的化學(xué)成分

表3 脫氯后灰樣的粒度組成

從表2和表3可以看出:灰樣經(jīng)脫氯處理后，Cl、K、Na的含量明顯降低;4種灰樣中除靜電除塵灰粒度較細(xì)，－0.074 mm含量達(dá)88.98%外，其他3種灰樣的粒度均較粗，且粒度分布范圍較廣。

試驗所用膨潤土來自內(nèi)蒙古黃崗礦業(yè)公司，其化學(xué)組成和物理性能見表4和5。

表4 膨潤土主要化學(xué)成分 %

表5 膨潤土主要物理性能

從表4和表5可以看出，試驗所用膨潤土粒度較細(xì)，物理性能良好，有利于造球。

2 試驗方法

2.1 造球

按照圖1流程制備常規(guī)球團(tuán)和強(qiáng)化球團(tuán)。

圖1 造球試驗流程

(1)根據(jù)現(xiàn)場實際產(chǎn)灰情況，將靜電除塵灰、高爐重力除塵灰、燒結(jié)機(jī)頭除塵灰、高爐布袋除塵灰按45∶17.5∶20∶17.5 的質(zhì)量比配成混合灰。

(2)向混合灰中加入一定量的膨潤土(按膨潤土占混合灰和膨潤土總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)混勻，再加水形成水分為5%的潤濕料。

(3)取10 kg潤濕料，在轉(zhuǎn)速為35 r/min、介質(zhì)充填率為12%的JD1A－11型潤磨機(jī)中潤磨6 min，制成－200目含量為92%左右的造球混合料。

(4)向轉(zhuǎn)速為28 r/min、傾角為45°的 1 000 mm圓盤造球機(jī)中投加造球混合料和水，在12 min內(nèi)形成一定量直徑為8～10 mm的母球，并取出500 g母球以備強(qiáng)化造球用。

(5)繼續(xù)向圓盤造球機(jī)中投加造球混合料，使剩余的母球長大成直徑為12～16 mm的常規(guī)生球。

(6)按中南大學(xué)專利技術(shù)，向膨潤土中添加某種有機(jī)分散劑和水，在機(jī)械攪拌作用下制備出有機(jī)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.33%、膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.6%的纖維化膨潤土礦漿，然后將先前取出的500 g母球放回圓盤造球機(jī)，通過繼續(xù)加料并用噴霧器噴灑纖維化膨潤土礦漿使這500 g母球長大成直徑為12～16 mm的強(qiáng)化生球，并根據(jù)以下兩式計算出強(qiáng)化球團(tuán)中纖維化膨潤土的量x(干量，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)和膨潤土的總量y(未纖維化膨潤土干量+纖維化膨潤土干量，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計):

式中，m0為母球量，500 g;m1為纖維化膨潤土礦漿量，g;m2為造球混合料續(xù)加量，g;16.6% 為纖維化膨潤土礦漿中膨潤土的質(zhì)量分?jǐn)?shù);7.6%為母球水分;5%為造球混合料水分;z為混合灰與膨潤土混合時膨潤土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

(7)將常規(guī)生球和強(qiáng)化生球在110℃烘箱中烘干，得到常規(guī)干球和強(qiáng)化干球。

2.2 球團(tuán)質(zhì)量檢測

(1)球團(tuán)強(qiáng)度檢測。在ZQYC型智能球團(tuán)壓力機(jī)上測定兩種生球和兩種干球的抗壓強(qiáng)度(10個球團(tuán)的平均值)。在0.5 m高處測定兩種生球的落下強(qiáng)度(10個生球的平均值)。

(2)生球爆裂溫度檢測。在SCO－50型生球爆裂溫度測定儀上測定兩種生球的爆裂溫度(50個合格生球4%破裂時的溫度)。

(3)干球粉化率檢測。將兩種干球分別用5 mm篩孔的篩子篩分5 min左右，根據(jù)篩下和篩上物料的質(zhì)量算出粉化率。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 纖維化膨潤土對生球質(zhì)量的影響

改變母球中膨潤土的用量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，分別進(jìn)行常規(guī)造球和強(qiáng)化造球，然后檢測生球的抗壓強(qiáng)度、落下強(qiáng)度和爆裂溫度，以考察不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對生球質(zhì)量的影響。

3.1.1 纖維化膨潤土對生球強(qiáng)度的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對生球抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度的影響分別如圖2、圖3所示。從圖2、圖3可以看出:兩種生球的抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度均隨著膨潤土用量的增大而不斷上升，但各膨潤土用量下采用纖維化膨潤土強(qiáng)化造球時生球的強(qiáng)度均明顯更高。以母球中膨潤土的用量為2.0%為例，此時強(qiáng)化球團(tuán)內(nèi)纖維化膨潤土的用量為1.04%，膨潤土的總用量為2.05%，雖然膨潤土的總用量僅比常規(guī)球團(tuán)增加了0.05%個百分點，但生球的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度卻分別從18.3次和19.2 N/個提高到了21.2次和21.7 N/個，說明纖維化后的膨潤土具有更好的親水性和更高的分散度，有利于提高顆粒之間的黏結(jié)力，從而改善了鋼鐵廠除塵灰的成球性能［12-14］。

圖2 纖維化膨潤土對生球抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 纖維化膨潤土對生球落下強(qiáng)度的影響

3.1.2 纖維化膨潤土對生球爆裂溫度的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對生球爆裂溫度的影響如圖4所示。從圖4可以看出，兩種生球的爆裂溫度均隨著膨潤土用量的增大而不斷提高。其主要原因一是膨潤土能吸收大量水分，這部分水分在生球干燥的最后階段緩慢釋放，不會造成因快速脫水而產(chǎn)生過大的蒸汽壓使生球爆裂;其二是膨潤土有助于形成強(qiáng)度較好的干燥外殼，這種干燥外殼能承受較大內(nèi)壓力的沖擊而不破裂;除此之外，膨潤土干燥收縮后會使干燥外殼形成許多分布均勻的小孔，有利于蒸汽擴(kuò)散到表面，減少了球內(nèi)的過剩蒸汽壓［15-16］。從圖4還可以看到:各膨潤土用量下采用纖維化膨潤土強(qiáng)化造球時生球的抗爆裂性能均明顯更好。以母球中膨潤土的用量為2.0%為例，雖然此時強(qiáng)化球團(tuán)內(nèi)膨潤土的總用量僅比常規(guī)球團(tuán)增加了0.05%個百分點，但生球的爆裂溫度卻從240℃提高到了274℃。這是由于纖維化后的膨潤土親水性更好，持水性能更強(qiáng)，能吸收更多的水分，形成強(qiáng)度更高的干燥外殼。

圖4 纖維化膨潤土對生球爆裂溫度的影響

3.2 纖維化膨潤土對干球質(zhì)量的影響

將上述不同膨潤土用量下所得常規(guī)生球和強(qiáng)化生球烘干，然后檢測干球的抗壓強(qiáng)度和粉化率，以考察不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對干球質(zhì)量的影響。

3.2.1 纖維化膨潤土對干球抗壓強(qiáng)度的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對干球抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示。從圖5可以看出:兩種干球的抗壓強(qiáng)度均隨著膨潤土用量的增加而提高，但各膨潤土用量下采用纖維化膨潤土強(qiáng)化造球時干球的抗壓強(qiáng)度均明顯更高。以母球中膨潤土的用量為2.0%為例，雖然此時強(qiáng)化球團(tuán)內(nèi)膨潤土的總用量僅比常規(guī)球團(tuán)增加了0.05%個百分點，但干球的抗壓強(qiáng)度卻從68 N/個提高到了76 N/個。

圖5 纖維化膨潤土對干球抗壓強(qiáng)度的影響

3.2.2 纖維化膨潤土對干球粉化率的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對干球粉化率的影響如圖6所示。從圖6可知:兩種干球的粉化率均隨著膨潤土用量的增加而下降，但各膨潤土用量下采用纖維化膨潤土強(qiáng)化造球時干球的粉化率均明顯更低。以母球中膨潤土的用量為2.0%為例，雖然此時強(qiáng)化球團(tuán)內(nèi)膨潤土的總用量僅比常規(guī)球團(tuán)增加了0.05%個百分點，但干球的粉化率卻從0.78%降到了0.51%。這是因為經(jīng)纖維化后的膨潤土粒度變小，比表面積變大，分散度提高，能高效發(fā)揮黏結(jié)作用，形成高強(qiáng)度的微結(jié)晶連接，從而減少生球在干燥過程中的破損。

圖6 纖維化膨潤土對干球粉化率的影響■—常規(guī)造球;●—強(qiáng)化造球

4 結(jié)論

用纖維化膨潤土對某鋼鐵廠的除塵灰進(jìn)行強(qiáng)化造球，當(dāng)纖維化膨潤土的用量為1.04%、球團(tuán)內(nèi)膨潤土的總用量為2.05%時，相比于普通膨潤土用量為2.0%的常規(guī)造球，生球的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別從18.3次和19.2 N/個提高到21.2次和21.7 N/個、爆裂溫度從240℃提高到274℃，干球的抗壓強(qiáng)度從68 N/個提高到76 N/個、粉化率從0.78%降低到0.51%，能很好地滿足轉(zhuǎn)底爐還原工藝對球團(tuán)質(zhì)量的高要求。

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