段 帥 莫朝文 付廷濱 韓克峰

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司 煉鐵廠，山東 濟(jì)南250101）

0 引言

煉鋼污泥（簡(jiǎn)稱污泥）是煉鋼過程中除塵系統(tǒng)產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品，富含F(xiàn)e、CaO 等有益成分，平均含鐵45% 以上、含鈣12% 以上，屬于一種低品位、可利用的鐵原料，但由于其具有粒度細(xì)（-200 目粒級(jí)近100%）、粘性大、脫水困難、脫水處理時(shí)間長(zhǎng)、配加難度大,處理費(fèi)用高和技術(shù)設(shè)備條件的限制, 給進(jìn)一步回收處理帶來了很大困難。 直到20 世紀(jì)90 年代末大多數(shù)鋼鐵廠仍把它當(dāng)成廢棄物, 不僅占用大片土地,污染環(huán)境,而且浪費(fèi)了寶貴的二次資源[1]。

污泥作為濟(jì)鋼豎爐生產(chǎn)中的重要輔料，在豎爐生產(chǎn)中使用污泥替代部分鐵精粉，具有提高造球成球速率，降低膨潤(rùn)土用量，提高生球質(zhì)量等功能，對(duì)濟(jì)鋼現(xiàn)有工藝生產(chǎn)條件下豎爐生產(chǎn)具有重要意義。 但隨著其配加的不斷增加，在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的一些生產(chǎn)和質(zhì)量方面的問題是否與配加污泥有關(guān)又難以分析清楚。如,造球的波動(dòng)、球團(tuán)礦內(nèi)出現(xiàn)大量熔蝕和孔洞、豎爐結(jié)塊次數(shù)增多;停止配加污泥期間,造球生產(chǎn)又反而難以適應(yīng),出現(xiàn)成球速度降低、生球質(zhì)量下降、返礦增加、燃燒室壓力升高、爐況惡化等問題。

為了系統(tǒng)的研究清楚煉鋼污泥對(duì)濟(jì)鋼現(xiàn)有工藝技術(shù)條件下豎爐生產(chǎn)的影響，本文將在實(shí)驗(yàn)室使用配加污泥的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)比較，從豎爐的各個(gè)生產(chǎn)工序系統(tǒng)研究污泥對(duì)生產(chǎn)的影響， 以確定污泥對(duì)豎爐生產(chǎn)促進(jìn)作用及機(jī)理，以尋找出現(xiàn)有用料條件下濟(jì)鋼污泥的最佳使用生成區(qū)域，為進(jìn)一步利用開發(fā)污泥這一二次資源，實(shí)現(xiàn)清潔環(huán)保奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)的主要任務(wù)就是通過實(shí)驗(yàn)室模擬生產(chǎn)條件，測(cè)量配置好的各個(gè)方案的成球性、生球落下、生球抗壓、爆裂溫度、抗壓強(qiáng)度等，研究清楚其促進(jìn)作用及機(jī)理，從而找出最適合生產(chǎn)的配加方案。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方案采用根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)污泥、膨潤(rùn)土配加量都設(shè)置4 個(gè)水平，為確保各組試驗(yàn)結(jié)果的可比性及更好的指導(dǎo)生產(chǎn)，按照現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)配比對(duì)各種鐵精礦進(jìn)行預(yù)配、混勻后作為一種混合精粉再與煉鋼污泥和膨潤(rùn)土按照試驗(yàn)方案進(jìn)行配料。各種鐵料和膨潤(rùn)土的理化性能見表1 和2。 我們還用未潤(rùn)磨料與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)礦-3 皮帶取的全磨混合料（膨潤(rùn)土配比3.2%、污泥配比5.5%）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室造球、焙燒試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)原料的準(zhǔn)備

每次取混合精粉4kg，混料前先將污泥塊與除塵粉等混在一起人工研磨成細(xì)小顆粒，然后按試驗(yàn)方案配加相應(yīng)數(shù)量的膨潤(rùn)土，再采用V 型混料機(jī)進(jìn)行混料，時(shí)間固定5 分鐘；取200g 混合料測(cè)水分，剩余料全部進(jìn)行造球。造球機(jī)傾角45°，轉(zhuǎn)速設(shè)定為24r/min，造球時(shí)間均為15min（其中造母球2～3min，加料長(zhǎng)球9～10min，滾動(dòng)壓實(shí)3min）。 造球過程嚴(yán)格控制水分的加入， 按照方案標(biāo)準(zhǔn)在造球前用量筒取好加水量，盡量確保每次造球水分符合實(shí)驗(yàn)要求，以便在同等含水率水平下進(jìn)行比較，同時(shí)測(cè)試生球性能和爆裂等情況。 具體見表3 所示。

表1 各種試驗(yàn)原料及污泥的理化性能 （重量%）

表2 鈣基膨潤(rùn)土的理化性能

表3 試驗(yàn)用混合精粉配比 （重量%）

1.4 試驗(yàn)檢測(cè)方法

用孔徑為6mm、10mm、12.5mm、15mm 的篩子對(duì)生球進(jìn)行篩分，測(cè)量各粒級(jí)重量后計(jì)算百分比， 其中10～15mm 粒級(jí)所占百分比為成球率。取10～12.5mm（下文簡(jiǎn)稱小球）和12.5～15mm（下文簡(jiǎn)稱大球）粒級(jí)的生球進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。 落下強(qiáng)度測(cè)定是按生球從0.5m 高度落在厚度為30mm 的鋼板上不破裂的最大次數(shù)計(jì)算， 抗壓強(qiáng)度則按ISO-4700 檢測(cè)方法測(cè)試。

1.5 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中主要測(cè)量的成球率、生球質(zhì)量、成品球抗壓等，所使用的設(shè)備有V 型混料機(jī)、直徑一米的造球盤、可控溫度的電阻爐等。 電阻爐的溫度控制曲線如下圖所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 配加污泥后對(duì)原料結(jié)構(gòu)的影響

從表1 可以得出，在不記燒損的情況下，污泥的配加會(huì)有效提高中和料的FeO 和CaO 含量，但品位會(huì)有所下降，在污泥配后需考慮提高酸性國(guó)內(nèi)精粉的比例以平衡球團(tuán)礦的堿度。 因此，在實(shí)際生產(chǎn)中一般會(huì)根據(jù)污泥本身的特點(diǎn)，在預(yù)配料和攪拌混勻過程中,除塵粉、國(guó)內(nèi)粉、污泥和氧化鐵皮一起配加，以除塵粉與國(guó)內(nèi)粉吸收污泥中多余的水分,達(dá)到水分均衡,并作為混合料的基體；氧化鐵皮可以起到破碎介質(zhì)的作用粉碎污泥小塊，并被粘結(jié)性能較強(qiáng)的污泥包裹，有利于提高混合料的成球性能。

2.2 對(duì)生球質(zhì)量的影響

圖1 3.6%膨潤(rùn)土?xí)r污泥對(duì)生球質(zhì)量的影響

圖2 4.4%膨潤(rùn)土?xí)r污泥對(duì)生球質(zhì)量的影響

圖3 5.0%膨潤(rùn)土?xí)r污泥對(duì)生球質(zhì)量的影響

圖4 污泥配比與生球成球率的關(guān)系

圖5 潤(rùn)磨對(duì)配加污泥生球質(zhì)量的影響

2.2.1 對(duì)生球落下強(qiáng)度的影響

由圖1、圖2、圖3、可以看出，無論膨潤(rùn)土配比是3.6%、4.4%還是5.0%時(shí)，不配加污泥時(shí)大、小生球的落下強(qiáng)度都小于4 次/個(gè)；隨著污泥配比增加，大、小生球的落下強(qiáng)度都逐步升高，而且提高的幅度也逐步加大。 在膨潤(rùn)土配比為4.4%和5.0%時(shí)， 當(dāng)污泥配比由2%增加到4%， 落下強(qiáng)度增加幅度達(dá)到2～3 次/個(gè)， 當(dāng)污泥配比繼續(xù)增加到8%時(shí)，落下強(qiáng)度達(dá)到7～8 次/個(gè)的較好水平。 在污泥和膨潤(rùn)土配比相同的條件下，小球的落下強(qiáng)度都好于大球。

2.2.2 對(duì)生球抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1、圖2、圖3、可以看出，污泥配比對(duì)提高生球抗壓強(qiáng)度有積極作用， 尤其在膨潤(rùn)土配比較低時(shí)作用更加顯著。 如膨潤(rùn)土配比為3.6%時(shí)，不配加污泥的大小生球抗壓強(qiáng)度比較低，只有8N 和11.5N，當(dāng)污泥配比提高到8%時(shí)， 大、 小生球抗壓強(qiáng)度分別提高到13.2N 和19N，提高幅度較大；當(dāng)膨潤(rùn)土配比為4.4%時(shí)，隨污泥配比由0%提高到8%，大、小生球的抗壓強(qiáng)度由11.8N 和13.7N 分別提高到13.7N 和16.6N。 但是在膨潤(rùn)土配比5.0%時(shí)，未配加污泥的生球抗壓強(qiáng)度已相對(duì)較高，污泥配比變化對(duì)生球抗壓沒有明顯影響。同落下強(qiáng)度相反，同樣用料條件下大球的抗壓強(qiáng)度比小球高2～3.8 N。

總的來說，加入一定量的污泥會(huì)增加生石灰（CaO）的含量，而生石灰在污泥中又會(huì)與水作用生成Ca（OH）2，膠體顆粒具有很強(qiáng)的粘結(jié)能力。 在烘干水分之后它首先脫水生成生石灰CaO，到了圓盤造球加水后，母球的生石灰又會(huì)消耗水分從而使顆粒間的水層變薄，固體顆粒相互靠近，產(chǎn)生足夠大的分子粘結(jié)力，使母求得以快速的長(zhǎng)大，生球強(qiáng)度提高，滿足豎爐入爐要求。

2.3 污泥配比與成球率的關(guān)系

由圖4 可知，隨污泥配比增加，成球率也呈現(xiàn)一定的降低趨勢(shì)，這主要是因?yàn)?10mm 粒級(jí)的比例增加。 膨潤(rùn)土配比為5.0%時(shí)其成球率比配膨潤(rùn)土4.4%時(shí)要小， 前者隨污泥配比增加成球率下降的趨勢(shì)也明顯大于后者，這是由于膨潤(rùn)土配比越高，成球速度越慢的緣故。

分析認(rèn)為，主要原因是由于污泥含有大量的Ca(OH)2，粘性比較大且呈塊狀，人工不易粉碎、分散和混勻，大量的小污泥塊粒在造球過程中起到母球的作用或容易形成母球，但是由于實(shí)驗(yàn)室造球是間斷式的，每次造球給料量只有4kg，當(dāng)4kg 試驗(yàn)料用完后，不再繼續(xù)給料，所以其成球和出球方式與現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)性生產(chǎn)大不一樣。 大量后加入的料中的細(xì)小污泥塊作為母球還會(huì)黏附料繼續(xù)長(zhǎng)大， 與其他正在長(zhǎng)大或即將進(jìn)入壓實(shí)階段的生球“爭(zhēng)奪”有限的粉料，到一定時(shí)間結(jié)束時(shí)，就出現(xiàn)了大量只有6～10mm 的沒有長(zhǎng)到合格粒度的小生球，從而影響了成球率。

如果是連續(xù)生產(chǎn)造球，那么給料是連續(xù)的，造球盤能自動(dòng)根據(jù)生球粒級(jí)的大小將粒度合格的生球摔出去，未能長(zhǎng)大的小球則繼續(xù)在球盤內(nèi)長(zhǎng)大、壓實(shí)；同時(shí)，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)造球盤填充率較大、物料多，球與球之間碰撞、擠壓強(qiáng)度大，母球之間也容易在碰撞、擠壓中產(chǎn)生粘結(jié)合并為一，因而產(chǎn)出的粒度合格生球更多、且強(qiáng)度好。 需要注意的是，污泥塊粒度不能太大（一般不能大于2mm）、也不能太多，否則，不但影響成球率，也影響生球強(qiáng)度，而且在焙燒過程中易發(fā)生集中燒蝕、產(chǎn)生大的閉孔，嚴(yán)重影響球團(tuán)礦的質(zhì)量和強(qiáng)度。

2.4 潤(rùn)磨污泥混合料對(duì)生球質(zhì)量和成球率的影響

圖6 潤(rùn)磨對(duì)配加污泥生球成球率的影響

由圖5 可以看出，在膨潤(rùn)土配比同為3.2%的條件下，從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)取經(jīng)過潤(rùn)磨處理的配有5.5%污泥的混合料進(jìn)行造球試驗(yàn)， 生球的抗壓和落下強(qiáng)度等質(zhì)量指標(biāo)明顯優(yōu)于未經(jīng)潤(rùn)磨處理的人工混勻料造出的生球。 無論是在含水率8.0%還是9.5%左右，經(jīng)過潤(rùn)磨的物料，其生球落下強(qiáng)度遠(yuǎn)好于未磨料；同樣，潤(rùn)磨料的生球抗壓強(qiáng)度也大于未磨料。 尤其在含水率較高的情況下（9.5%左右），物料經(jīng)潤(rùn)磨后其生球落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度提高的幅度比低含水率（8.0%左右）情況下提高的幅度要大。

由圖6 可知，對(duì)含污泥的混合料進(jìn)行潤(rùn)磨有利于提高成球率。 在用料結(jié)構(gòu)、污泥配比5.5%、膨潤(rùn)土配比3.2%都一致的條件下，當(dāng)生球水分為8.0%和9.5%時(shí)，混合料經(jīng)潤(rùn)磨后造球成球率分別達(dá)到84%和80%，同比未經(jīng)潤(rùn)磨的成球率67.5%和72%分別高出16.5 和8 個(gè)百分點(diǎn)。

分析認(rèn)為，這是由于配有污泥的混合料經(jīng)潤(rùn)磨后，污泥塊能夠得到有效地研磨、粉碎、分散和混合，遠(yuǎn)比人工研磨混勻的效果好，所以經(jīng)潤(rùn)磨后的物料既避免了因大量小團(tuán)粒污泥存在影響母球過多和生球的長(zhǎng)大，又提高了細(xì)度和分散度，有利于污泥粘結(jié)性能的發(fā)揮，改善了物料的成球性能。 因此，潤(rùn)磨處理對(duì)含有污泥的混合料造球生產(chǎn)和生球質(zhì)量有著顯著的促進(jìn)作用。

2.5 配加煉鋼污泥與降低膨潤(rùn)土的關(guān)系及替代比

圖7 落下強(qiáng)度與膨潤(rùn)土配比、污泥配比、生球水分的殘差圖

圖8 抗壓強(qiáng)度與膨潤(rùn)土配比、污泥配比、生球水分的殘差圖

球團(tuán)配加污泥可以替代部分膨潤(rùn)土，降低膨潤(rùn)土消耗。圖1、圖2、圖3、及試驗(yàn)結(jié)果分析也已驗(yàn)證。利用Mintab 統(tǒng)計(jì)軟件，根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了兩者關(guān)系及替代比的分析。以污泥配比、膨潤(rùn)土配比、生球水分為可變量，分別以代表生球質(zhì)量的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度為響應(yīng)值進(jìn)行三元回歸分析，分別得到回歸方程1、方程2 及殘差圖（圖7、圖8）。

方程1：落下(小)= -8.05+1.84 膨潤(rùn)土配比+0.341 污泥配比+0.358水分，R2= 81.6%

方程2：抗壓(小)=0.986+0.185 膨潤(rùn)土配比+0.0439 污泥配比-0.0903水分，R2=74.0%

方程1 和2 的決定系數(shù)R2分別達(dá)到81.6%和74.0%。 圖2.7、圖2.8 中的正態(tài)概率圖和殘差直方圖也顯示落下強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度與三變量的殘差數(shù)據(jù)都服從正態(tài)分布，表明各組試驗(yàn)結(jié)果（觀測(cè)值）與擬合值的殘差范圍合理，式(1)和式(2)是有效的。

方程1 和2 表明，膨潤(rùn)土和污泥的配比都與生球質(zhì)量（落下和抗壓強(qiáng)度）呈正相關(guān)關(guān)系，那么，在一定程度內(nèi)兩者就可相互替代，即降低膨潤(rùn)土配比可采取增加一定量的污泥配比來保證生球質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定，反之亦然。 設(shè)污泥與膨潤(rùn)土的替代比K，通過式(1)和式(2) 可分別求得落下強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度不變時(shí)污泥與膨潤(rùn)土替代比分別為k落=5.40(倍)、k抗=4.21(倍)。 為兼顧生球落下與抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的平衡，以為標(biāo)準(zhǔn)替代比，那么，從本試驗(yàn)結(jié)果可以得出，濟(jì)鋼球團(tuán)廠目前條件下污泥與膨潤(rùn)土的替代比K=4.77(倍)，即污泥配比每增加4.77%，膨潤(rùn)土可降低1%。該值多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推測(cè)并指導(dǎo)生產(chǎn)作業(yè)的替代比5.0(倍)比較吻合。

2.6 配加污泥對(duì)球團(tuán)培燒固結(jié)的影響

由于生球強(qiáng)度不能滿足高爐冶煉的要求， 需要通過高溫培燒固結(jié)，使其具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；在球團(tuán)礦中加入了污泥造球后，由于污泥親水性好，粘結(jié)能力強(qiáng)，在燒結(jié)干燥過程中生球表面外層水分蒸發(fā)后，內(nèi)部水分并不會(huì)很快的遷移到表面，而是在物料表面由于過快的收縮后停留在了培燒球的內(nèi)部。等到了溫度升高后急劇蒸發(fā)是生球暴烈，不利有造球。因此，在配加污泥后，總體的培燒溫度不宜過高。一般在800-900 左右。此外，由于含有大量的石灰，在干燥過程中會(huì)形成氫氧化鈣結(jié)晶，增加了球團(tuán)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在加入了污泥后，總的球團(tuán)礦的亞鐵會(huì)上升，使生球在培燒過程中發(fā)生氧化反應(yīng)，生成新的晶相，在再結(jié)晶過程中晶粒不斷長(zhǎng)大使團(tuán)礦固結(jié)，利于球團(tuán)礦的生產(chǎn)，球團(tuán)強(qiáng)度顯著提高。

3 結(jié)論

（1）配加煉鋼污泥能夠改善生球質(zhì)量，隨污泥配比增加，生球落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度提高，尤其是落下強(qiáng)度提高幅度較大。

（2）由于污泥粘性強(qiáng)，未充分粉碎、分散的小污泥塊對(duì)實(shí)驗(yàn)室間斷式造球的成球率影響較大，但少量小污泥塊的存在可以作為母球促進(jìn)連續(xù)生產(chǎn)時(shí)造球效果的改善。

（3）在加入了污泥后，總的球團(tuán)礦的亞鐵會(huì)上升，使生球在培燒過程中發(fā)生氧化反應(yīng)，生成新的晶相，在再結(jié)晶過程中晶粒不斷長(zhǎng)大使團(tuán)礦固結(jié)，利于球團(tuán)礦的生產(chǎn)，球團(tuán)強(qiáng)度顯著提高。

（4）潤(rùn)磨工藝對(duì)含有污泥的混合料造球生產(chǎn)和生球質(zhì)量改善有著顯著的促進(jìn)作用，其生球落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和成球率都明顯高于未潤(rùn)磨處理的生球。

（5）在造球生產(chǎn)中，污泥可以替代部分膨潤(rùn)土，從本試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得的回歸方程式得出，濟(jì)鋼球團(tuán)廠目前條件下煉鋼污泥與膨潤(rùn)土的替代比K 為4.77 倍。

（6）在所設(shè)計(jì)研究的污泥方案范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)污泥在成品球大量聚集后會(huì)引起豎爐爐內(nèi)透氣性不均，容易引起粘結(jié)塊的產(chǎn)生，不利于豎爐爐況的穩(wěn)定。 同時(shí)，如潤(rùn)磨不好，又會(huì)在單個(gè)成品球引起熔蝕和孔洞，降低球團(tuán)礦冶金性能。 因此有關(guān)配加污泥后球團(tuán)礦在造球與焙燒問題，特別是其在豎爐爐內(nèi)的熱反應(yīng)行為還有待于繼續(xù)研究。

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