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(huì)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(dòng)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(shí)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(xiàng)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(diǎn)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(jià)元素得以回收的一種處理方法，因工藝簡(jiǎn)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(shí)，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(duì)某鋼鐵廠的除塵灰進(jìn)行強(qiáng)化造球試驗(yàn)，旨在提高球團(tuán)的強(qiáng)度，以滿足轉(zhuǎn)底爐還原工藝對(duì)球團(tuán)質(zhì)量的高要求。

1 試驗(yàn)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?；覙又胁焕诟郀t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(duì)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(yàn)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(yàn)所用膨潤土粒度較細(xì)，物理性能良好，有利于造球。

2 試驗(yàn)方法

2.1 造球

按照?qǐng)D1流程制備常規(guī)球團(tuán)和強(qiáng)化球團(tuán)。

圖1 造球試驗(yàn)流程

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jì))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(zhǎng)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(zhǎng)大成直徑為12～16 mm的強(qiáng)化生球，并根據(jù)以下兩式計(jì)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(jì))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(jì)):

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(shí)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(cè)

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

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

(3)干球粉化率檢測(cè)。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(yàn)結(jié)果與討論

3.1 纖維化膨潤土對(duì)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(cè)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(duì)生球質(zhì)量的影響。

3.1.1 纖維化膨潤土對(duì)生球強(qiáng)度的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對(duì)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(shí)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(shí)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?jī)H比常規(guī)球團(tuán)增加了0.05%個(gè)百分點(diǎn)，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(gè)提高到了21.2次和21.7 N/個(gè)，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(duì)生球抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 纖維化膨潤土對(duì)生球落下強(qiáng)度的影響

3.1.2 纖維化膨潤土對(duì)生球爆裂溫度的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對(duì)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(huì)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(huì)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(shí)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(shí)強(qiáng)化球團(tuán)內(nèi)膨潤土的總用量?jī)H比常規(guī)球團(tuán)增加了0.05%個(gè)百分點(diǎn)，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(duì)生球爆裂溫度的影響

3.2 纖維化膨潤土對(duì)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(cè)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(duì)干球質(zhì)量的影響。

3.2.1 纖維化膨潤土對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)強(qiáng)化球團(tuán)內(nèi)膨潤土的總用量?jī)H比常規(guī)球團(tuán)增加了0.05%個(gè)百分點(diǎn)，但干球的抗壓強(qiáng)度卻從68 N/個(gè)提高到了76 N/個(gè)。

圖5 纖維化膨潤土對(duì)干球抗壓強(qiáng)度的影響

3.2.2 纖維化膨潤土對(duì)干球粉化率的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對(duì)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(shí)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(shí)強(qiáng)化球團(tuán)內(nèi)膨潤土的總用量?jī)H比常規(guī)球團(tuán)增加了0.05%個(gè)百分點(diǎn)，但干球的粉化率卻從0.78%降到了0.51%。這是因?yàn)榻?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(duì)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(duì)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(shí)，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(gè)提高到21.2次和21.7 N/個(gè)、爆裂溫度從240℃提高到274℃，干球的抗壓強(qiáng)度從68 N/個(gè)提高到76 N/個(gè)、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(duì)球團(tuán)質(zhì)量的高要求。

［1］ 王筱留．鋼鐵冶金學(xué)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2009．

［2］ 黃希祜．鋼鐵冶金原理［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2008．

［3］ 黃希祜．鋼鐵冶金過程理論［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1993．

［4］ 沈宗斌，沙永志．鋼鐵除塵灰冷固結(jié)球團(tuán)工藝研究［C］∥2003年冶金能源環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議論文集．北京:中國金屬學(xué)會(huì)，2003:348-351．

［5］ 張向偉，廖洪強(qiáng)，包向軍，等．除塵灰泥集中處理及資源化利用技術(shù)［J］．冶金環(huán)境保護(hù)，2007(5):32-34．

［6］ Komar Kawatra S，Jayson Ripke S．Effects of bentonite fiber formation in iron ore pelletization［J］．Int J Minerals Process，2002，65:141-149．

［7］ 佘雪峰，薛慶國，王靜松，等．萊鋼冶金除塵灰的造球及直接還原工藝性能研究［C］∥2010年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)文集(上)．北京:中國金屬學(xué)會(huì)，2010:366-371．

［8］ Kutsenko L I，et al．Synthesis of carboxymethyl cellulose based on short fibers and lignified partof flax pedicels(boon)［J］．Russian Journal of Applied Chemistry，2005，78(12):204-208．

［9］ 蔣新民．鋼鐵廠燒結(jié)機(jī)頭電除塵灰綜合利用［D］．湘潭:湘潭大學(xué)，2010．

［10］ 雷國元，李志剛．煉鐵廠爐前礦槽除塵灰綜合利用研究［J］．礦產(chǎn)保護(hù)與利用，1998，6(3):47-49．

［11］ 王 瑋，孟令和．除塵灰綜合利用技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用［J］．中國資源綜合利用，2011，29(2):23-26．

［12］ Kawatra S K，Ripke S J．Developing and understanding the bentonite Hiber bonding mechanism［J］．Minerals Engineering，2001，14(6):647-659．

［13］ Kawatra SK，Ripke SJ．Laboratory studies Hor improving greenball strength in bentonite-bonded magnetite coacentrate pellets［J］．International Journal of Mineral Processing，2003，72(14):429-441．

［14］ Alinee B，et al．Deposition of calcium particles on fiber surfaces included by cationic polyelectrolyte and bontonite［J］．Colloids and Surfaces:A ，2001，190:71-80．

［15］ 楊永斌，黃桂香，姜 濤，等．有機(jī)黏結(jié)劑替代膨潤土制備氧化球團(tuán)［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，38(5):850-855．

［16］ 楊大兵，王永剛，喻榮高，等．程潮鐵礦球團(tuán)配加黏結(jié)劑試驗(yàn)研究［J］．武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(5):334-338．