劉坤鵬 劉曉軒 吳佩佩 曹志成 余志友 張 然

(寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司 上海：201900)

鋼鐵工業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是固廢排放大戶，在其冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的各類粉塵總量一般為鋼鐵產(chǎn)量的8%～15%，而其中含鋅粉塵約占20%～30%[1]。2021年，全國(guó)粗鋼產(chǎn)量超10.3億噸，以此推算，每年產(chǎn)生的含鋅粉塵超過(guò)2000萬(wàn)噸以上，如何合理處置冶金塵泥已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[2]。

目前處理冶金塵泥的方式中，因轉(zhuǎn)底爐工藝的適應(yīng)性較好[3-4]、可靠性高、易于操作和維護(hù)、且對(duì)環(huán)境污染相對(duì)較小，具有較大應(yīng)用價(jià)值[5]，更適合鋼鐵企業(yè)流程化生產(chǎn)[6-10]。轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線采用壓球工藝對(duì)含鋅粉塵進(jìn)行成型及烘干含鋅粉塵的脫鋅處理，脫鋅后的金屬化物料返回?zé)掕F煉鋼工序得到循環(huán)利用，鋅富集于煙塵進(jìn)行收集后用于外售。由于含鋅粉塵種類多、性能差異大[11-12]，必須使用粘結(jié)劑強(qiáng)化成球，以提高成球率及球團(tuán)強(qiáng)度保證轉(zhuǎn)底爐運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定及產(chǎn)品質(zhì)量[13-14]。但是，目前大多使用淀粉類粘結(jié)劑，存在添加量大(3%～7%)、生產(chǎn)成本高、成品率較低及成品粉化率高(全流程返料量高達(dá)30%～60%)[15]，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)底爐底結(jié)塊，影響排料等問(wèn)題[16]。

為改善含鋅粉塵團(tuán)塊的強(qiáng)度和還原性，提高轉(zhuǎn)底爐利用系數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，本研究開(kāi)發(fā)了一種新型復(fù)合粘結(jié)劑，對(duì)該新型復(fù)合粘結(jié)劑進(jìn)行了試驗(yàn)室試驗(yàn)，并于寶武集團(tuán)上海轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線進(jìn)行工業(yè)中試試驗(yàn)。

1 原料成分與性質(zhì)

1.1 原料化學(xué)成分

本文所用的原料由轉(zhuǎn)底爐現(xiàn)場(chǎng)提供，包括現(xiàn)場(chǎng)用焦化系統(tǒng)除塵灰(CDQ粉)、高爐出鐵場(chǎng)灰、高爐二次灰、電爐除塵灰、轉(zhuǎn)爐干法灰(LT灰)、轉(zhuǎn)爐濕法灰(OG泥)、冷軋泥，以及現(xiàn)場(chǎng)消解后的電爐除塵灰和LT灰(OG泥∶LT灰質(zhì)量比為4∶1的混合灰)等。試驗(yàn)室用含鋅塵泥的化學(xué)成分如表1所示。

由表1可見(jiàn)，高爐出鐵場(chǎng)灰和高爐二次灰中的鋅含量較OG泥、LT灰及電爐除塵灰的Zn含量低，通常在0.5% ～ 2.5%之間，Pb含量低于0.5%；而C含量遠(yuǎn)高于其他含鋅粉塵，分別達(dá)到6%和26%左右，可作為后續(xù)高溫還原的還原劑；此外，高爐灰中的SiO2、Al2O3、S、Cl和堿金屬含量均較高，特別是Cl、K、Na，易在還原過(guò)程中揮發(fā)進(jìn)入煙塵，最后成為次氧化鋅的主要組分之一。相比而言，電爐灰和冷軋泥的含鋅量最高，其次為轉(zhuǎn)爐塵泥(LT灰、OG泥)。這些物料中均含有較高的P、S、Cl和堿金屬含量。其中，P、S等元素較難在還原過(guò)程中脫除，最終進(jìn)入金屬化團(tuán)塊中，從而限制金屬化爐料在煉鋼中的應(yīng)用。

電爐灰、LT灰兩種干法灰、OG泥和冷軋泥兩種濕法除塵污泥的CaO含量在7%～15%之間，OG泥和冷軋泥中游離氧化鈣含量少，而干法除塵得到的電爐灰和LT灰中含有較高的游離CaO含量。

表1 試驗(yàn)室用含鋅粉塵的化學(xué)成分/(質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%)

1.2 物理性質(zhì)

冶金塵泥的粒度組成和比表面積如表2所示。除冷軋泥外，其他冶金塵泥的粒度均非常細(xì)，特別是OG泥和出鐵場(chǎng)灰，0.025 mm以下含量分別為93.23%和85.58%。從比表面積來(lái)看，所有冶金塵泥的比表面積均較高，其中高爐二次灰的比表面積最低，為1919 cm2·g-1，而高爐出鐵場(chǎng)灰最高，為3752 cm2·g-1。

表2 冶金塵泥的粒度組成

由表3 CDQ粉的粒度組成可見(jiàn)，CDQ粉粒度較細(xì)，0.150 mm顆粒以下含量約占53%。

表3 CDQ粉的粒度組成

2 研究方法

為了確保含鋅粉塵球團(tuán)被轉(zhuǎn)底爐還原后得到較高的金屬化率、脫鋅率、抗壓強(qiáng)度以及較低的粉化率的金屬化球團(tuán)，在壓團(tuán)過(guò)程中需要嚴(yán)格把控各項(xiàng)工藝參數(shù)，包括粘結(jié)劑種類選擇、粘結(jié)劑用量、球團(tuán)水分等指標(biāo)。

2.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

壓球試驗(yàn)研究和生產(chǎn)中用到的球團(tuán)成型設(shè)備壓球機(jī)洛陽(yáng)中原礦山機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的GY300-100高壓實(shí)驗(yàn)壓球機(jī)，與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)所用法國(guó)SC(sahut conreur)公司型號(hào)為MP/800/2×400的壓球機(jī)主要技術(shù)參數(shù)相通，其輥間壓力可以在0～30 MPa之間調(diào)節(jié)，壓輥轉(zhuǎn)速固定8 r·min-1，所得團(tuán)塊的尺寸為25 mm×25 mm×15 mm的橢圓體型團(tuán)塊。

2.2 壓球工藝方案

結(jié)合轉(zhuǎn)底爐現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)原料結(jié)構(gòu)，配料方案見(jiàn)表4所示。

表4 壓球工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)采用的配礦方案(干基)/(wt%)

每次壓球試驗(yàn)固定物料干基總重為2 kg，壓球工藝參數(shù)為：

(1)混合物料含水率13%-14%；

(2)實(shí)驗(yàn)室研究和產(chǎn)線生產(chǎn)壓球機(jī)參數(shù)一致，成型壓力20 MPa，折算線壓力為1.6 t·cm-1；

(3)粘結(jié)劑主要用于強(qiáng)化含鋅粉塵團(tuán)塊制備，提高團(tuán)塊強(qiáng)度。本研究中用到的現(xiàn)場(chǎng)用粘結(jié)劑為寶鋼轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線采用的常規(guī)淀粉粘結(jié)劑XC-1#，YX-1#和YX-2#，均為寶武環(huán)科自主研發(fā)的復(fù)合粘結(jié)劑。

球團(tuán)質(zhì)量指標(biāo)要求見(jiàn)表5所示。

2.3 團(tuán)塊質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

生團(tuán)塊的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有成球率、落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和爆裂指數(shù)；而干團(tuán)塊的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)有干燥脫粉率、落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

(1)成球率：定義為每次壓團(tuán)試驗(yàn)一次成型所得生團(tuán)塊中≥8 mm粒級(jí)的百分含量?！? mm粒級(jí)含量越高，意味著團(tuán)塊強(qiáng)度高。

(2)落下強(qiáng)度，采用了兩種方法進(jìn)行測(cè)定：

(a)取10個(gè)外形完整的生團(tuán)塊或干團(tuán)塊，分別從0.5 m高度摔落到5 mm鋼板，記錄下各團(tuán)塊破碎1/4以上時(shí)所對(duì)應(yīng)的落下次數(shù)，最終落下強(qiáng)度定義為：所有團(tuán)塊落下次數(shù)的平均值，單位為“次·(0.5 m)-1”；

(b)每次取10個(gè)外形完整的生團(tuán)塊或干團(tuán)塊，稱重記錄初始重量后，從0.5 m高處摔落至5 mm鋼板上10次，然后用8 mm方孔篩對(duì)團(tuán)塊進(jìn)行篩分，≥8 mm以上團(tuán)塊所占的百分含量定義為落下強(qiáng)度。每組試驗(yàn)重復(fù)2-3次；

(3)抗壓強(qiáng)度：取10個(gè)外形完整的生團(tuán)塊或干團(tuán)塊，依次對(duì)每個(gè)團(tuán)塊緩慢施加壓力，記錄團(tuán)塊被壓潰瞬間的強(qiáng)度，最后求取平均值；

(4)爆裂指數(shù)：每取20個(gè)外形完整的生團(tuán)塊裝入底部帶孔的不銹鋼罐中，料層高度約100 mm，在鼓風(fēng)風(fēng)溫350 ℃，風(fēng)速1.5 N·m·s-1的條件下，干燥5 min后取出冷卻，稱重并記錄團(tuán)塊質(zhì)量，然后用8 mm方孔篩篩出≤ 8 mm粒級(jí)，以該粒級(jí)的百分含量表征生團(tuán)塊的爆裂指數(shù)。爆裂指數(shù)越低，意味著生團(tuán)塊的熱穩(wěn)定性越好。

(5)干燥脫粉率：取一定量外形完整的生團(tuán)塊，置于105 ℃烘箱烘干6 h后取出冷卻、稱重，然后篩分、計(jì)算得到8 mm以下粒級(jí)的百分含量。該數(shù)值越高，意味著生團(tuán)塊的強(qiáng)度較差，生產(chǎn)中易在干燥中產(chǎn)生粉末，增加返料量。

(6)返料比：轉(zhuǎn)底爐在生產(chǎn)過(guò)程中各工序不滿足入爐條件的粉料返回混料機(jī)和新料混合以后重新壓球，24小時(shí)統(tǒng)計(jì)一次。

返料比=(返料皮帶秤34小時(shí)累計(jì)量/新料量)*100%

表5 轉(zhuǎn)底爐工藝對(duì)入爐球團(tuán)指標(biāo)要求

3 壓球試驗(yàn)研究

3.1 復(fù)合粘結(jié)劑與常規(guī)淀粉粘結(jié)劑球團(tuán)質(zhì)量對(duì)比

配料結(jié)構(gòu)參照表4，單一變量條件下，進(jìn)行淀粉粘結(jié)劑XC-1#和復(fù)合粘結(jié)劑YX-1#、YX-2#的壓球?qū)Ρ仍囼?yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝控制指標(biāo)，混合料含水率選擇13%～14%，同時(shí)降低復(fù)合粘結(jié)劑的配比進(jìn)行壓球，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2和圖3所示。從圖1可以看出，采用新型復(fù)合粘結(jié)劑得到球團(tuán)表面光滑度和完整度要比常規(guī)粘結(jié)劑好。由圖2可見(jiàn)，在同等添加比例3.3%的條件下，采用新型復(fù)合粘結(jié)劑的球團(tuán)指標(biāo)比常規(guī)使用的淀粉粘結(jié)劑XC-1高，特別是爆裂指數(shù)、干燥脫粉率、干球落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。另外，由圖2可知，同一條件下，提高混合料水分，生球落下次數(shù)和干球抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)均有提高，而生球團(tuán)抗壓強(qiáng)度下降是由于混合料水分增加，導(dǎo)致生球團(tuán)塑性變形能力加大；從圖2(a)和表5可知，當(dāng)復(fù)合粘結(jié)劑YX-1#、YX-2#添加比例下降至2.8%，生干球團(tuán)落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度略有下降，但同XC-1粘結(jié)劑添加量3.3%的指標(biāo)相差不大。而從圖2(b)可知，復(fù)合粘結(jié)劑添加比例下降時(shí)，其爆裂指數(shù)和干燥脫粉率較普通淀粉粘結(jié)劑XC-1低，可較好滿足轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)需求。

圖1 不同種類粘結(jié)劑球團(tuán)形貌

圖2 粘結(jié)劑配比3.3%時(shí)球團(tuán)性能指標(biāo)對(duì)比

從圖2和圖3可知，采用新型復(fù)合粘結(jié)劑的球團(tuán)干燥脫粉率和爆裂指數(shù)都小于1%，這是由于復(fù)合粘結(jié)劑中的大分子有機(jī)物和無(wú)機(jī)粘結(jié)劑共同作用的效果，二者將含鋅粉塵顆粒通過(guò)物理包裹和靜電吸附作用連接到一起，最終形成不容易爆裂和破碎的球團(tuán)。

圖3 粘結(jié)劑配比2.8%時(shí)球團(tuán)性能指標(biāo)對(duì)比

3.2 復(fù)合粘結(jié)劑含鋅粉塵壓球工業(yè)中試試驗(yàn)

由實(shí)驗(yàn)室階段研究可知，新型復(fù)合粘結(jié)劑YX-1#和YX-2#添加比例2.8%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)可滿足轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)線生產(chǎn)需求。因此，在寶武集團(tuán)上海轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線開(kāi)展為期5天的新型復(fù)合粘結(jié)劑中試試驗(yàn)，兩種新型粘結(jié)劑各試用2.5天。壓球工藝參數(shù)和基礎(chǔ)試驗(yàn)基本一致，基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果顯示，混合料水分增加對(duì)提高球團(tuán)質(zhì)量有利，但是考慮到物料水分高升高會(huì)造成粘堵，影響產(chǎn)線順行，因此混合料含水率設(shè)置為13.5%。圖4為不同粘結(jié)劑配比下，球團(tuán)性能指標(biāo)對(duì)比。

圖4 不同復(fù)合粘結(jié)劑配比的球團(tuán)性能指標(biāo)對(duì)比

由圖4可知，兩種復(fù)合粘結(jié)劑添加比例為2.8%時(shí)，生球落下次數(shù)均在8次/(0.5 m)以上；干球落下次數(shù)均超過(guò)12次/(0.5 m)，干球落下強(qiáng)度均超過(guò)90%。另外，試驗(yàn)過(guò)程對(duì)兩種粘結(jié)劑所得干球抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，不同時(shí)間段干球平均抗壓強(qiáng)度均在200 N左右。因此，中試各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果趨勢(shì)和基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果一致，即復(fù)合粘結(jié)劑在添加量2.8%時(shí)，球團(tuán)各項(xiàng)指標(biāo)都能滿足轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)，且經(jīng)測(cè)算，新型復(fù)合粘結(jié)劑生產(chǎn)總成本較普通淀粉粘結(jié)劑減少20%以上。

另外，由中試生產(chǎn)實(shí)踐可知，生產(chǎn)線上采用復(fù)合粘結(jié)劑的球團(tuán)質(zhì)量比常規(guī)淀粉粘結(jié)劑好，球團(tuán)規(guī)整、表面光滑且碎球少，兩種新型粘結(jié)劑使用過(guò)程中，生產(chǎn)返料均低于40%，遠(yuǎn)低于上海轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)線50%返料比的生產(chǎn)指標(biāo)要求，且相同生產(chǎn)條件下與普通淀粉粘結(jié)劑相比，試驗(yàn)期間生產(chǎn)入爐量與產(chǎn)量均有增加，生產(chǎn)效率得以提升。

4 結(jié)論

(1)中試試驗(yàn)驗(yàn)證了基礎(chǔ)試驗(yàn)研究結(jié)果，新型復(fù)合粘結(jié)劑具有添加量低、球團(tuán)質(zhì)量指標(biāo)好的優(yōu)點(diǎn)，采用新型復(fù)合粘結(jié)劑可降低轉(zhuǎn)底爐粘結(jié)劑20%以上成本，粘結(jié)劑添加量、球團(tuán)爆裂指數(shù)和干燥脫粉率降低，可降低返料量，間接增加轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)線新原料的處置量，提高設(shè)備利用率、生產(chǎn)效率；

(2)復(fù)合粘結(jié)劑YX-1#和YX-2#用量為2.8%，生產(chǎn)工藝控制含鋅粉塵含水率13.5%，壓球機(jī)壓力20 MPa，轉(zhuǎn)速8 r·min-1，球團(tuán)指標(biāo)可滿足轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)需求；

(3)YX-1#和YX-2#復(fù)合粘結(jié)劑經(jīng)基礎(chǔ)試驗(yàn)和半工業(yè)化中試試驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好，對(duì)于轉(zhuǎn)底爐行業(yè)降低成本、提高生產(chǎn)效率意義重大。