呂 巖,張 猛,陳 津,艾立群,周朝剛

(1.河北理工大學冶金與能源學院,河北唐山,063009;2.太原理工大學材料學院,山西太原 030024)

0 引言

我國作為鋼材生產(chǎn)和消費大國,煉鋼工序作為鋼鐵生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié),鋼渣的產(chǎn)生不可避免。近年來,我國鋼渣和鐵渣的堆置達 3億多噸,鋼渣占鋼鐵工業(yè)固體廢物的 12.09%。在冶金工業(yè)生產(chǎn)中,排放的主要固體廢棄物是高爐渣和轉爐渣。其中高爐渣是利用技術最成熟的工業(yè)廢渣,而轉爐渣的回收利用相對差很多,對鋼渣利用比較好的國家主要有美國、德國和日本,利用率均達到 95%以上。而我國在 2002年調查中鋼渣利用率僅為 36%,與國外先進國家相比,在鋼鐵渣綜合利用方面還有較大差距。

而用于建筑、道路、水泥是鋼渣綜合利用的主要途徑,但高含量的鐵氧化物亦是無益組分且造成鐵資源浪費。燒結、轉爐配加鋼渣都存在磷富集問題,鋼鐵廠循環(huán)利用鋼渣量受到限制。從環(huán)境保護與資源充分利用角度出發(fā),需要開發(fā)將鋼渣中磷去除并富集,回收渣中鐵錳等金屬的利用技術。

微波是一種電磁波,波長范圍沒有明確的界限,一般是指分米波、厘米波和毫米波三個波段,也就是波長從1mm到1m左右,頻率范圍從300MHz到300GHz,由于微波的頻率很高,所以亦稱為超高頻電磁波。與常規(guī)的依靠傳導、對流的加熱方法不同,微波加熱是依靠介質材料在微波場中的極化損耗產(chǎn)生的整體加熱,熱量產(chǎn)生于材料內部而非來自外部加熱源。這種“內加熱作用[1]”使加熱更快速、更均勻,無溫度梯度,無滯后效應。

微波技術在加熱高電介質耗損原料方面[2]是一種簡單而有效的方法,在冶金還原領域有著廣闊的應用前景。相較于傳統(tǒng)加熱還原工藝需要較高的溫度和損耗,具有體積性加熱[2]、選擇性加熱、非接觸性加熱、即時性等加熱特性的微波場在較低溫度下能夠提供更多的熱量。因為通過渣料表面點位與微波能的強烈作用,物料表面點位選擇性被很快加熱至很高溫度。鐵氧化物是一種高微波響應材料,而且如果 Fe3+/(Fe2++Fe3+)的比率[3]在一個合適的范圍內,鋼渣能得到有效加熱,碳質微粒物質具有良好的微波吸收特性,有利于迅速加熱原料。

實驗具體研究不同條件下微波加熱碳還原轉爐鋼渣中鐵氧化物、磷的還原動力學和磷在氣、渣、鐵中的分配行為,為轉爐渣在資源化提供應用基礎研究支撐。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

微波加熱裝置采用工業(yè)箱式微波加熱爐[4],如圖 1所示。主要技術指標為:(1)微波加熱物料質量范圍(2)最大微波加熱功率20kW;(3)物料在爐內靜態(tài)放置,位置上下可調;(4)物料進行加熱時,原則上可在保護氣氛下進行;(5)物料的出料溫度不高于300℃;(6)在靜態(tài)條件下,可以進行熱重實驗。

圖1 微波冶金試驗爐結構示意圖

實驗在2.45GHz,10 kW微波加熱爐中進行,溫度檢測采用帶屏蔽套熱電偶插入坩堝內測溫,溫度由函數(shù)記錄儀記錄。處理時間 20～40分鐘。坩堝采用高鋁磚,常壓下進行。實驗用坩堝及料柱尺寸如圖 2所示。

圖2 坩堝與料柱圖

1.2 實驗原料

鋼渣采用唐鋼二煉鋼廠普碳鋼轉爐鋼渣,為未處理新渣。破碎到 2 mm-100目,鋼渣加入量為 1 kg。經(jīng)分析,其化學成分如表 1。

1.3 實驗方法

由于實驗是在開放體系中進行的,考慮到空氣可能對爐內還原氣氛的影響,本次實驗擬采用較高碳當量。本文所用的轉爐渣對應的一個碳當量為 130 gC/1000 g鋼渣。此處一個當量的碳表示把轉爐渣中的鐵、錳、磷等的氧化物全部還原為單質所需的碳的總質量。將原料預混均勻后加入微波爐,開始計時和升溫,達到預設時間和溫度后停止。每次處理后分離渣和鐵,分別分析其化學成分,計算脫磷率和金屬還原率。

表1 唐鋼轉爐鋼渣主要化學成分

無煙煤粉采用高平趙莊三號無煙煤粉(WY3),成分分析見表2:

表2 無煙煤粉主要化學成分

制樣設備采用功率11kW,轉速910轉/m in的環(huán)式振動磨。原料的化學成分分析用常規(guī)化學分析。還原產(chǎn)物的成分采用WFX-310原子吸收分光光度計檢測。

2 結果與討論

圖3 物料的微波升溫曲線

實驗表明鋼渣為微波的良吸收體,如圖 3所示,當時間達到 15～20m in時,純渣料及各配碳量條件下的物料溫度均達到 1000℃并呈線性穩(wěn)定增加。還原結果如圖表 4所示,溫度對還原反應的影響很大,隨著溫度的上升,脫磷率穩(wěn)定增加。1400℃時脫磷率可達到 87.5%。當溫度達到 1200℃時,渣料中出現(xiàn)大量直徑小于 1mm的金屬顆粒,并且呈均一彌散分布。由此證明微波體無溫度梯度的加熱方式使其中不同位置的物料獲得均一穩(wěn)定的加熱特性。當溫度達到1300℃時,渣料中即出現(xiàn)易從渣相分離出的直徑在 10～20 mm的大顆粒金屬球,如圖 5所示。

碳熱還原鋼渣的反應機理是:Ca3(PO4)2+5C=3CaO+1/2P4+5CO該反應在超過1000℃時能自發(fā)進行,傳統(tǒng)工藝中溫度達到 1400℃才能迅速反應。微波場中當溫度達到 1200℃脫磷率就已經(jīng)達到 85%以上。所實驗表明,較傳統(tǒng)加熱工藝,微波促進鋼渣脫磷,使得還原脫磷反應在低溫下得以實現(xiàn)。

圖4 溫度對脫磷率的影響

實驗表明Ceq對還原反應的影響顯著。在微波場中升溫到 1300℃保溫20min檢測發(fā)現(xiàn),隨著碳當量的增加,渣中鐵和磷含量降低,脫磷率增加。如圖 5所示。當 Ceq=1時,即體系中的還原劑剛好夠還原鋼渣氧化物所用,由于體系開放,部分碳質還原劑在空氣環(huán)境下微波輻射氧化消耗,使得還原劑的有效參與率降低,從而導致脫磷率較低。隨著Ceq增加,當Ceq=3時,碳還原反應劇烈,CO氣泡從坩堝界面和料面不斷冒出,遇空氣燃燒劇烈,此時的脫磷率達到 86.9%。實驗發(fā)現(xiàn)配碳量較高情況下氣化脫磷占總脫磷率比重很大。主要由于高還原劑條件下產(chǎn)生大量CO氣體,CO上升過程將更多P(g)帶出,促進了磷的氣化逸散。此外,微波加熱在 1300℃下即可較充分的發(fā)生還原反應,此溫度尚未產(chǎn)生宏觀熔池,為固固相反應,料柱松散,磷蒸汽逸散阻力小,易被 CO氣體攜帶出體系。上述結果表明,鋼渣的還原效果很大程度上還是受還原劑的影響,碳當量越高,鐵和磷在渣鐵間的分配比越小,金屬聚集阻力和磷的氣化阻力越小,即高碳當量有利于磷的還原和遷移。但過高的碳當量在反映出其對于體系升溫有負面影響。所以選擇合適的過量碳當量是必要的。本次實表明,2～3倍碳當量既能返祖快速升溫啟動和促進脫磷反應,又能避免碳資源的浪費。

圖5 微波冶金試驗爐結構示意圖

為研究保溫時間對還原效果的影響,在1300℃,3Ceq條件下,分別設定保溫時間0 min、10 min、20 min、30min進行對比實驗,結果如圖 7。實驗證明,保溫時間越長,渣相中出現(xiàn)Fe-C合金球直徑越大,可回收金屬量越大,脫磷率也越高。這說明適當延長保溫時間,能提供更長時間和更多熱量促進金屬球的聚集長大,利于合金采集和回收。

3 結論

(1)實驗結果表明,轉爐鋼渣為微波的良吸收體可在 20 min被迅速加熱至 1000℃以上。微波加熱能促進鋼渣的還原反應,實現(xiàn)鋼渣在 1400℃以下的低溫還原脫磷。平均脫磷率達 85%以上,最優(yōu)可達 91.5%。

(2)微波碳熱還原鋼渣反應生成的Fe-C合金球,最大直徑可達18mm,易從渣中提取。其余呈均一彌散分布于殘渣中,直徑大多在3 mm以下,需篩分與渣相分離。

(3)在 1100℃～1400℃低溫范圍內,鋼渣脫磷率隨溫度升高而增大,1100℃時脫磷率達到 80%,1400℃時脫磷率增高至 87.5%。適當增加保溫時間,更利于還原反應的進行。

(4)鋼渣的還原效果很大程度受還原劑影響。金屬收得率和脫磷率隨著碳當量 Ceq的增加而增加, 1Ceq時脫磷率67%,3Ceq鋼渣脫磷率上升至86.9%。

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