蔣武鋒，馬騰飛，郝素菊，趙朔，張玉柱

（華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210）

1 概 況

鋼鐵廠粉塵是整個(gè)鋼鐵行業(yè)的副產(chǎn)品，其數(shù)量甚至可以達(dá)粗鋼產(chǎn)量的10%左右。粉塵中含有大量鐵、碳等有價(jià)元素，可以部分代替含鐵原料，降低生產(chǎn)成本；但粉塵中還含有鋅、鉛、鉀、鈉、銦等元素，這些元素有些是影響高爐冶煉的有害元素，國(guó)內(nèi)許多鋼鐵企業(yè)將其進(jìn)行堆積處理[1]，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。低鋅粉塵可直接作為燒結(jié)配料使用，而鋅含量高的粉塵需進(jìn)行脫鋅處理后才能返回鋼鐵生產(chǎn)流程，若直接將含鋅量高的粉塵配入燒結(jié)工序或球團(tuán)工序中，將使燒結(jié)礦、球團(tuán)礦質(zhì)量下降，鋅元素在燒結(jié)/球團(tuán)-高爐流程中大量循環(huán)富集，引發(fā)高爐爐瘤、爐結(jié)，降低高爐利用系數(shù)，焦比升高，影響高爐的順利運(yùn)行及爐壽[2-3]。因此，研究一種低成本，高效率的脫鋅工藝，具有非常重要的意義。

內(nèi)配碳含鋅球團(tuán)還原處理工藝是將含鋅粉塵配碳造球后，利用高溫還原脫除粉塵中鋅元素的還原工藝，此種工藝相較于傳統(tǒng)的火法[4-7]和濕法處理工藝[8-10]，能夠高效快速還原含鋅量不同的粉塵，且操作簡(jiǎn)單，流程短。本文主要通過(guò)脫水抗壓試驗(yàn)確定烘干球團(tuán)的較佳溫度及時(shí)間，在1200℃下進(jìn)行球團(tuán)的還原試驗(yàn)，采用了對(duì)比失重曲線和相對(duì)失重曲線并相互佐證的方法得出較佳的球團(tuán)大小及質(zhì)量參數(shù)，為鋼廠能更加節(jié)能高效的應(yīng)用內(nèi)配碳造球工藝提供參考。

2 球團(tuán)脫水抗壓試驗(yàn)

2.1 不同條件對(duì)球團(tuán)脫水率的影響

含鋅塵泥球團(tuán)在進(jìn)行高溫還原前需進(jìn)行充分脫除其中所包含的水分。在高溫管式爐中進(jìn)行還原脫鋅試驗(yàn)時(shí)，球團(tuán)水分的揮發(fā)會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值的偏差，且在造球階段球團(tuán)內(nèi)部含水量過(guò)高，不利于炭粉對(duì)鋅、鐵等氧化物進(jìn)行完全還原。一部分碳因水分的存在而造成浪費(fèi)。

脫水烘干試驗(yàn)主要目的是選取出強(qiáng)度大，脫水烘干后在進(jìn)行還原過(guò)程時(shí)不易破碎的球團(tuán)。烘干試驗(yàn)時(shí)球團(tuán)配比參數(shù)為直徑12 mm、配煤粉量16%、粘結(jié)劑含量5%。試驗(yàn)用煤粉為無(wú)煙煤粉，選用無(wú)水淀粉作為造球時(shí)的粘結(jié)劑。

圖 1 不同烘干溫度下球團(tuán)脫水與時(shí)間關(guān)系Fig .1 Relationship between water loss rate and drying time of pellets under different drying temperature

圖1 給出了不同溫度下脫水率與時(shí)間的關(guān)系。由圖可知，球團(tuán)烘干時(shí)間越長(zhǎng)、烘干溫度越高，則球團(tuán)的相對(duì)失重越大。烘干溫度過(guò)低時(shí)，團(tuán)脫水率隨時(shí)間呈現(xiàn)先降低再平衡不變的趨勢(shì)，說(shuō)明在較低烘烘干溫度下，隨著烘干時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，烘干情況并不理想，球團(tuán)脫水率低，不利于球團(tuán)進(jìn)行還原時(shí)準(zhǔn)確判定其質(zhì)量變化數(shù)據(jù)。250℃到100℃不同烘干溫度下，120 min 時(shí)的剩余球團(tuán)質(zhì)量分別為56.05 g、59.65 g、68.65 g、77.63 g。當(dāng)烘干溫度在100℃時(shí)球團(tuán)的相對(duì)失重為23.1%，150°C 時(shí)相對(duì)失重為36.37%，200℃和250℃時(shí)相對(duì)失重分別為46.79%和49.88%。由此可知，當(dāng)烘干時(shí)間不變時(shí)，烘干溫度200℃與250℃的相對(duì)失重變化幅度僅為3.09%，差異較小，且伴隨著溫度的升高，有可能導(dǎo)致球團(tuán)界面炭粉與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低實(shí)際炭粉配比。故試驗(yàn)時(shí)烘干溫度采用200℃為較佳溫度。

2.2 不同烘干溫度對(duì)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 是在不同烘干溫度和時(shí)間條件下球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的變化。由圖可知，伴隨著烘干時(shí)間的延長(zhǎng)，不同烘干溫度下的球團(tuán)抗壓強(qiáng)度逐漸升高。但烘干溫度為250℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著烘干時(shí)間的延長(zhǎng)反而出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。因此，烘干溫度為250℃的球團(tuán)應(yīng)摒棄。120 min 時(shí)200℃下，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到試驗(yàn)要求，180 min 時(shí)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最大。結(jié)合球團(tuán)失水率關(guān)系可知，球團(tuán)較佳脫水溫度應(yīng)采用200℃。故適宜的烘干時(shí)間和溫度為120 min、200℃。

圖 2 不同烘干溫度下球團(tuán)抗壓強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系Fig .2 Relationship between compressive strength and drying time of pellets under different drying temperature

3 含鋅塵泥還原條件

3.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)采用粒度為-0.068 mm 的邢鋼無(wú)煙煤粉（固定碳含量為82.16%）及高爐含鋅粉塵。選取無(wú)水淀粉作為粘結(jié)劑；還原過(guò)程通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣；采用液氮作為防止球團(tuán)二次氧化的保護(hù)液體。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

球團(tuán)成分均為16%的無(wú)煙煤粉，5%的無(wú)水淀粉及79%的含鋅粉塵，試驗(yàn)設(shè)定相同直徑12 mm不同質(zhì)量（15 g、20 g 及25 g）的球團(tuán)（成分均為）及相同質(zhì)量20g 不同的小球直徑（6 mm、9 mm 及12 mm）和不同反應(yīng)時(shí)間（5 ～ 30 min）的條件下進(jìn)行還原試驗(yàn)研究。

3.3 試驗(yàn)步驟

1）按試驗(yàn)配比稱取適量原料，放入研缽中充分研磨 ，待粉末充分混勻后加入適量的水進(jìn)行造球。

2）將含鋅塵泥球團(tuán)放入200℃的恒溫干燥箱中恒溫2 h，直至水分完全蒸發(fā)。

3）用天平分別稱量質(zhì)量為15 g、20 g、25 g的含鋅塵泥球團(tuán)，放入鉬絲網(wǎng)籃中，將裝有小球的網(wǎng)籃放置于高溫管式爐的恒溫區(qū)部位。在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下恒溫一定時(shí)間，觀察小球還原過(guò)程的失重情況。待質(zhì)量變化趨于穩(wěn)定時(shí)，將小球迅速取出放于液氮中冷卻至室溫，以防二次氧化。

圖 3 不同直徑的球團(tuán)失重曲線Fig.3 pitch weight loss curves of different diameters

圖 4 不同直徑時(shí)相對(duì)失重對(duì)比曲線Fig.4 comparative curves of relative weight diameters loss at different diameters

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 直徑對(duì)球團(tuán)還原影響

圖3、圖4 分別為在還原溫度1200°C，球團(tuán)質(zhì)量為20 g，還原時(shí)間為30 min 時(shí)不同球團(tuán)直徑（6 mm、9 mm 及12 mm）的還原失重曲線和相對(duì)失重曲線。不同直徑的球團(tuán)在恒溫還原過(guò)程中，質(zhì)量一直呈現(xiàn)減小的變化。還原初期，失重曲線降低明顯，質(zhì)量變化較快，說(shuō)明此時(shí)含鋅球團(tuán)反應(yīng)劇烈，球團(tuán)的主要反應(yīng)也集中于反應(yīng)初始階段。伴隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，曲線逐漸趨于平緩表明還原反應(yīng)速度降低，球團(tuán)內(nèi)反應(yīng)基本完成。反應(yīng)開(kāi)始5 min 時(shí)，三種不同直徑下的球團(tuán)還原率已經(jīng)分別達(dá)到66.49%、66.8%及66.96%。由此看出，反應(yīng)在前5 min 時(shí)還原率已經(jīng)達(dá)到很大值。還原反應(yīng)速率隨著球團(tuán)直徑的增大而變快。

通過(guò)圖3 可以看出，在還原反應(yīng)初期，三種不同直徑的含鋅球團(tuán)相對(duì)失重均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，且直徑越大相對(duì)失重越嚴(yán)重，當(dāng)還原反應(yīng)時(shí)間超過(guò)10 min 時(shí)，相對(duì)失重曲線逐漸趨于平緩，表明還原反應(yīng)基本完成，由圖可知12 mm 直徑的球團(tuán)還原效果最好。

4.2 質(zhì)量對(duì)球團(tuán)還原影響

圖 5 不同質(zhì)量球團(tuán)的失重曲線Fig .5 Weight loss curve of pellets of different masses

圖5 為溫度為1200℃，還原時(shí)間為30 min，球團(tuán)直徑為12 mm，球團(tuán)質(zhì)量分別為15 g、20 g 及25 g 時(shí)的還原失重曲線。圖6 為不同質(zhì)量時(shí)的相對(duì)失重對(duì)比曲線。

由5 可以看出，伴隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，不同質(zhì)量的含鋅球團(tuán)曲線呈現(xiàn)先下降再趨于平緩的趨勢(shì)。反應(yīng)時(shí)間達(dá)到5 min 時(shí)，三種不同質(zhì)量的球團(tuán)還原率分別為32.57%、32.16%和30.68%?？梢钥闯?，反應(yīng)進(jìn)行到5 min 時(shí)，含鋅球團(tuán)的還原過(guò)程已超過(guò)30%。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)進(jìn)行到10 min 時(shí)，失重曲線趨于平緩，此時(shí)不同質(zhì)量的球團(tuán)還原率分別為36.9%、37.3%及37.67%。

圖 6 不同質(zhì)量球團(tuán)的相對(duì)失重曲線Fig .6 Relative weight loss curves of different mass pellets

通過(guò)圖6 可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，還原初期各質(zhì)量下的球團(tuán)相對(duì)失重均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，反應(yīng)進(jìn)行到5 min 時(shí)相對(duì)失重分別32.57%、32.16%、30.68%，反應(yīng)進(jìn)行到10 min 時(shí)分別為36.90%、37.35%和37.67%。

通過(guò)失重和相對(duì)失重曲線可以得出，隨著質(zhì)量的增加，球團(tuán)的還原率并沒(méi)有得到大幅度的提升，且在反應(yīng)初期，質(zhì)量小的球團(tuán)還原率要略高于大質(zhì)量的含鋅球團(tuán)，且低質(zhì)量的球團(tuán)相對(duì)失重要大于高質(zhì)量的球團(tuán)。這是因?yàn)樵谙嗤睆降臈l件下，低質(zhì)量的含鋅球團(tuán)具有更高的孔隙度，反映初期球團(tuán)發(fā)生碳的氣化反應(yīng)，孔隙度高有利于球團(tuán)內(nèi)部CO 的擴(kuò)散，從而加快還原反應(yīng)的進(jìn)行。但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，高質(zhì)量的含鋅球團(tuán)還原率和相對(duì)失重均得到穩(wěn)步提高。所以試驗(yàn)過(guò)程中適合選用質(zhì)量為20 g 的含鋅球團(tuán)作為標(biāo)準(zhǔn)稱量質(zhì)量進(jìn)行研究。

5 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)時(shí)烘干溫度采用200℃為較佳溫度，時(shí)間超過(guò)兩個(gè)小時(shí)以后，隨著烘干時(shí)間無(wú)限延長(zhǎng)時(shí)，烘干脫水情況并不理想，脫水率呈現(xiàn)出先降低再平衡不變的趨勢(shì)。對(duì)比不同溫度下的強(qiáng)度可知隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，120 min 時(shí)200℃下球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)到試驗(yàn)所需的強(qiáng)度。

（2）通過(guò)試驗(yàn)分析得知，含鋅球團(tuán)最適宜的還原條件為：直徑12 mm，球團(tuán)質(zhì)量20 g，此時(shí)含鋅球團(tuán)還原效果最好。