黃柱成 翁興洋 李志霖 易凌云

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

鋼鐵工業(yè)每年都要產(chǎn)生大量的高爐爐渣、煙塵及污泥、氧化鐵皮和酸洗廢物等含鐵、碳除塵灰固體廢棄物［1-2］。據(jù)估算，我國除塵灰利用率不足80%，由于其成分復(fù)雜，粒度、水分波動大，難以進行有效的回收利用［3］。傳統(tǒng)方法是將粉塵返回?zé)Y(jié)配料并循環(huán)利用，或者直接掩埋處理［4］。近年來，鋼鐵工業(yè)致力于用更加科學(xué)環(huán)保的方法處理除塵灰，目前廣泛使用的方法之一是煉鐵法，具體來講就是將含鐵粉塵物料經(jīng)過脫水干燥后，加入添加劑造球，采用回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)底爐等還原焙燒，制成金屬化球團［5］。而如何造出合格的球團，已成為該工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過高溫處理后的焙砂或除塵灰顆粒具有孔隙發(fā)達、表面粗糙、疏水性強等特點，采用常規(guī)方法造球時，球團性能指標低，會對后續(xù)作業(yè)產(chǎn)生不利影響。近年來，莊劍銘［6］、張一敏［7］曾對硫酸渣的造球特性進行了研究，并指出可以通過潤磨等手段來提高球團質(zhì)量;馬鋼球團廠等［8-11］采用潤磨工藝對除塵灰進行預(yù)處理來改善物料成球性能以提高球團質(zhì)量［12］，但是，針對除塵灰在成核、生球長大、生球緊密階段的特性研究較少。為此，本研究分析了除塵灰混合料在造球過程中成核、長大、生球緊密階段的規(guī)律及其在圓盤造球機中的運動規(guī)律，并通過采用潤磨預(yù)處理增強球團性能。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試驗原料

試驗所用原料由來自某鋼鐵廠的煉鋼轉(zhuǎn)爐干法除塵灰、高爐出鐵廠除塵灰、轉(zhuǎn)爐二次除塵灰和高爐瓦斯泥按一定比例配合而成的除塵灰混合料?；旌狭匣瘜W(xué)多元素分析見表1，粒度分析見表2，物理性能見表3。

表1 混合料化學(xué)成分分析Table 1 Chemical composites analysis of the mixture %

表2 混合料粒度組成Table 2 Particle size distribution of the mixture %

表3 混合料物理性能Table 3 Physical properties of the mixture

從表1～表3可以看出，混合料 TFe含量為52.32%，C含量為9.32%，碳是在除塵灰冷卻和沉積過程中析炭而形成的細粒炭黑，將對造球過程產(chǎn)生不利影響;除塵灰混合料的粒度較粗，－0.075 mm粒級含量為59.00%;混合料中CaO含量為7.42%，在水作用下CaO消化成膠體能產(chǎn)生黏結(jié)劑的作用，使除塵灰顆粒聚集成團，在干燥過程中仍保持強度，這些特性造成了除塵灰的造球性能與鐵精礦相比，存在很大差異。

對除塵灰進行掃描電鏡分析，結(jié)果見圖1。

圖1 混合料掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM photo of the mixture

從圖1可以看出，除塵灰經(jīng)過高溫處理后，顆粒內(nèi)部疏松多孔、表面粗糙并黏附大量微細粒物料，部分顆粒存在較粗的裂紋。

1.2 試驗方法

將煉鋼轉(zhuǎn)爐干法除塵灰、高爐出鐵廠除塵灰、轉(zhuǎn)爐二次除塵灰和高爐瓦斯泥除塵灰按一定配比進行人工混勻，采用潤磨機對混勻后物料進行潤磨，并比較潤磨前后混合料粒度、比表面積、顆粒形貌、接觸角的變化。采用圓盤造球機分別對經(jīng)過潤磨預(yù)處理后和未經(jīng)過預(yù)處理的混合料進行人工造球，取12～15 mm的生球作為合格生球，取出部分合格生球并測定其落下強度、抗壓強度、生球水分、生球孔隙率和爆裂溫度。將剩余合格生球進行干燥后，測其落下強度、抗壓強度和群落粉化率。

潤磨預(yù)處理采用500 mm×500 mm的無極調(diào)速潤磨機，轉(zhuǎn)速為38 r/min，介質(zhì)充填率為12%，潤磨機功率為1.5 kW，每次給料量為5 kg，給料水分為(質(zhì)量分數(shù))10.34%，比表面積測定參照GB 8074—87勃氏法進行測定，在Blaine透氣儀中進行實驗;采用透過高度法［13］測量除塵灰的接觸角;用激光粒度分析儀測定除塵灰的粒度組成。

試驗所用造球設(shè)備為1 000 mm×200 mm圓盤造球機，傾角47°，轉(zhuǎn)速23 r/min，每次造球時間20 min。生球干燥在650 mm×970 mm豎式管爐中進行，風(fēng)速1.2 m/s，風(fēng)溫180℃。

2 造球試驗結(jié)果與討論

2.1 除塵灰造球及其運動規(guī)律分析

除塵灰造球過程，物料顆粒之間主要存在3種作用力:固液界面上的毛細力Fb、顆粒間相互作用力FP以及顆粒產(chǎn)生相對運動時與液橋間產(chǎn)生的黏滯作用力FV，其中Fp為范德華力、靜電力和磁場力等的合力［15］。從除塵灰加水潤濕過程來看，水分小于10%時，用手捏時，混合料成團性能很差。當水分超過14%時，用手捏時，能把混合料中水分擠到表面，甚至可搓成“面團”。除塵灰顆粒內(nèi)部存在大量孔隙和孔洞，加水潤濕時，水分首先進入孔隙和孔洞中，同時混合料中存在大量CaO等黏結(jié)性成分，有助于造球過程中物料黏結(jié)和兼并長大，在機械力作用下形成大量較疏松的母球，并相互兼并長大，產(chǎn)生形狀各異、表面粗糙、結(jié)構(gòu)疏松的球團(圖2)。在緊密階段，生球黏盤現(xiàn)象時有發(fā)生，生球質(zhì)量較差［15-16］。對含水量為10.74%的除塵灰進行造球，生球水分控制在14%以內(nèi)。試驗過程發(fā)現(xiàn)，圓盤黏料嚴重，造球時間長，造球水分少時球團不長大，水分高時形成大量兼并長大球團，球團大小不均勻，形狀不規(guī)則，含水高。對所制球團指標進行性能檢測，結(jié)果見表4、表5。

圖2 未預(yù)處理原料所造球團形貌Fig.2 Morphology of green pellets made of non damp milling material

表4 未預(yù)處理原料造球的生球指標Table 4 Indexes of green pellets made of non damp milling material

從表4、表5可以看出，生球水分達到13.32%，生球落下強度、抗壓強度和爆裂溫度分別為9.2次、20.09 N/個、260℃，干球落下強度、抗壓強度和群落粉化率分別為0.7次、52.44 N/個、18.42%，生球及干球質(zhì)量較差。

2.2 潤磨預(yù)處理對除塵灰造球的影響

將混合料配好并混勻后送入潤磨機進行潤磨，考查不同潤磨時間對除塵灰顆粒粒度組成、比表面積、接觸角的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 潤磨對除塵灰粒度、比表面積、接觸角的影響Table 6 Effects of damp milling on grinding fineness，specific surface，and contact angle

從表6可以看出，隨著潤磨時間的增加，除塵灰粒度逐漸降低。潤磨9 min后，－0.075 mm含量從59.00%增至70.00%，平均粒徑從110.00 μm降至93.14 μm，同時，除塵灰的比表面積也從0.74 m2/g提高到0.84 m2/g，接觸角從45.2°降至38.8°。原料微細顆粒含量越多，親水性越好，所造球團中顆粒排列越緊密越不易發(fā)生黏料現(xiàn)象。另外，研究表明，－10 μm粒級顆粒間可產(chǎn)生膠結(jié)連接作用［17］，提高顆粒間黏滯作用力，從而提高球團強度，母球間發(fā)生聚結(jié)的可能性降低，更趨向于吸收新的濕料，以成層方式長大，減少濕球黏盤和兼并長大的可能性。從潤磨6 min后的除塵灰所造生球形貌(圖3)可以看出，球團大小均勻，形狀規(guī)則，球團是一層一層逐漸長大。對經(jīng)過不同潤磨時間的除塵灰所造合格生球質(zhì)量以及干燥后球團質(zhì)量進行檢測，其結(jié)果見表7和表8。

圖3 潤磨6 min原料所造球團形貌Fig.3 Morphology of green pellets made of six minutes damp milling material

表7 潤磨預(yù)處理對生球質(zhì)量的影響Table 7 Effects of damp milling on green pellets

表8 潤磨預(yù)處理對干球質(zhì)量的影響Table 8 Effects of damp milling on dry pellets

從表7、表8可以看出，隨著潤磨時間的增加，生球孔隙率逐漸降低，生球落下強度、抗壓強度、爆裂溫度逐漸升高;干球落下強度、抗壓強度逐漸升高，群落粉化率逐漸降低。除塵灰進行潤磨預(yù)處理后，原料中抗壓能力小的顆粒在潤磨機里首先被破碎，細粒級含量提高，除塵灰內(nèi)部孔隙率減小。同時，細粒級的提高使所造生球中顆粒排列更緊密，生球及干球強度提高。當潤磨時間為9 min時與不潤磨相比，生球落下強度和抗壓強度分別從9.2次、20.09 N/個提高到30.5次、30.78 N/個，干球落下強度和抗壓強度分別從 0.7 次、52.44 N/個提高至 2.1 次、86.42 N/個，群落粉化率從18.42%降低至5.23%。

3 結(jié)論

(1)對除塵灰進行潤磨處理后，進行強化造球，當潤磨時間為9 min時，與未進行潤磨處理比較，生球落下強度和抗壓強度分別從9.2次、20.09 N/個提高到30.5次、30.78 N/個，干球落下強度和抗壓強度分別從 0.7次、52.44 N/個提高至 2.1次、86.42 N/個，群落粉化率從18.42%降低至5.23%。

(2)除塵灰經(jīng)過潤磨預(yù)處理后，使疏松和具有裂紋的除塵灰顆粒破碎，微細顆粒含量增加，比表面積增大，造球過程母球間發(fā)生兼并聚結(jié)的可能性降低，母球更趨向于吸收微細粒粉料，以成層方式長大。

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