某鋼鐵廠除塵灰強化造球試驗研究

黃柱成 李鐵輝 易凌云 姜 濤

(中南大學資源加工與生物工程學院)

鋼鐵生產由原料(燒結、球團、焦化)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等多道工序組成［1-3］，由此會產生占鋼產量5% ～10%的各種除塵灰，包括燒結除塵灰、焦化除塵灰、高爐除塵灰及塵泥、轉爐除塵灰、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。然而由于成分復雜、粒度變化及水分波動大等原因，使得除塵灰的利用較為困難。據估算，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重地影響到所在地周邊的環境，并開始制約企業自身的發展。因此，利用好鋼鐵廠各工序產生的除塵灰，消除污染，實現清潔生產是關系到我國鋼鐵工業持續健康發展的一項重要任務［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/濕法聯合處理法、穩定化處理法和選冶處理技術等［9-10］。其中火法處理工藝(回轉窯工藝、BRS工藝、環形爐工藝、轉底爐工藝)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元素得以回收的一種處理方法，因工藝簡單、流程短而受到了眾多鋼鐵企業的重視。采用火法工藝處理鋼鐵廠除塵灰時，須先將除塵灰造球，其關鍵是采用合適的黏結劑，使球團具有足夠的強度［11］。本研究采用按中南大學專利技術制備的纖維化膨潤土對某鋼鐵廠的除塵灰進行強化造球試驗，旨在提高球團的強度，以滿足轉底爐還原工藝對球團質量的高要求。

1 試驗原料

除塵灰試樣由某鋼鐵廠提供，包括高爐布袋除塵灰、燒結機頭除塵灰、高爐重力除塵灰及靜電除塵灰4種樣品。灰樣中不利于高爐冶煉、危害鋼材質量的Cl、K、Na含量很高(見表1)，需要進行脫氯處理。

表1 灰樣中Cl、K、Na的含量

通過水泡、攪拌、靜置、脫水、曬干對原灰樣進行脫氯處理，脫氯后灰樣的化學成分、粒度組成分別見表2和3。

表2 脫氯后灰樣的化學成分

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，－0.074 mm含量達88.98%外，其他3種灰樣的粒度均較粗，且粒度分布范圍較廣。

試驗所用膨潤土來自內蒙古黃崗礦業公司，其化學組成和物理性能見表4和5。

表4 膨潤土主要化學成分 %

表5 膨潤土主要物理性能

從表4和表5可以看出，試驗所用膨潤土粒度較細，物理性能良好，有利于造球。

2 試驗方法

2.1 造球

按照圖1流程制備常規球團和強化球團。

圖1 造球試驗流程

(1)根據現場實際產灰情況，將靜電除塵灰、高爐重力除塵灰、燒結機頭除塵灰、高爐布袋除塵灰按45∶17.5∶20∶17.5 的質量比配成混合灰。

(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量分數計)混勻，再加水形成水分為5%的潤濕料。

(3)取10 kg潤濕料，在轉速為35 r/min、介質充填率為12%的JD1A－11型潤磨機中潤磨6 min，制成－200目含量為92%左右的造球混合料。

(4)向轉速為28 r/min、傾角為45°的 1 000 mm圓盤造球機中投加造球混合料和水，在12 min內形成一定量直徑為8～10 mm的母球，并取出500 g母球以備強化造球用。

(5)繼續向圓盤造球機中投加造球混合料，使剩余的母球長大成直徑為12～16 mm的常規生球。

(6)按中南大學專利技術，向膨潤土中添加某種有機分散劑和水，在機械攪拌作用下制備出有機分散劑質量分數為0.33%、膨潤土質量分數為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，通過繼續加料并用噴霧器噴灑纖維化膨潤土礦漿使這500 g母球長大成直徑為12～16 mm的強化生球，并根據以下兩式計算出強化球團中纖維化膨潤土的量x(干量，以質量分數計)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，以質量分數計):

式中，m0為母球量，500 g;m1為纖維化膨潤土礦漿量，g;m2為造球混合料續加量，g;16.6% 為纖維化膨潤土礦漿中膨潤土的質量分數;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膨潤土的質量分數，%。

(7)將常規生球和強化生球在110℃烘箱中烘干，得到常規干球和強化干球。

2.2 球團質量檢測

(1)球團強度檢測。在ZQYC型智能球團壓力機上測定兩種生球和兩種干球的抗壓強度(10個球團的平均值)。在0.5 m高處測定兩種生球的落下強度(10個生球的平均值)。

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

(3)干球粉化率檢測。將兩種干球分別用5 mm篩孔的篩子篩分5 min左右，根據篩下和篩上物料的質量算出粉化率。

3 試驗結果與討論

3.1 纖維化膨潤土對生球質量的影響

改變母球中膨潤土的用量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，分別進行常規造球和強化造球，然后檢測生球的抗壓強度、落下強度和爆裂溫度，以考察不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對生球質量的影響。

3.1.1 纖維化膨潤土對生球強度的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對生球抗壓強度和落下強度的影響分別如圖2、圖3所示。從圖2、圖3可以看出:兩種生球的抗壓強度和落下強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化造球時生球的強度均明顯更高。以母球中膨潤土的用量為2.0%為例，此時強化球團內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僅比常規球團增加了0.05%個百分點，但生球的落下強度和抗壓強度卻分別從18.3次和19.2 N/個提高到了21.2次和21.7 N/個，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 纖維化膨潤土對生球抗壓強度的影響

圖3 纖維化膨潤土對生球落下強度的影響

3.1.2 纖維化膨潤土對生球爆裂溫度的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對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，不會造成因快速脫水而產生過大的蒸汽壓使生球爆裂;其二是膨潤土有助于形成強度較好的干燥外殼，這種干燥外殼能承受較大內壓力的沖擊而不破裂;除此之外，膨潤土干燥收縮后會使干燥外殼形成許多分布均勻的小孔，有利于蒸汽擴散到表面，減少了球內的過剩蒸汽壓［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化造球時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，雖然此時強化球團內膨潤土的總用量僅比常規球團增加了0.05%個百分點，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，能吸收更多的水分，形成強度更高的干燥外殼。

圖4 纖維化膨潤土對生球爆裂溫度的影響

3.2 纖維化膨潤土對干球質量的影響

將上述不同膨潤土用量下所得常規生球和強化生球烘干，然后檢測干球的抗壓強度和粉化率，以考察不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對干球質量的影響。

3.2.1 纖維化膨潤土對干球抗壓強度的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對干球抗壓強度的影響如圖5所示。從圖5可以看出:兩種干球的抗壓強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化造球時干球的抗壓強度均明顯更高。以母球中膨潤土的用量為2.0%為例，雖然此時強化球團內膨潤土的總用量僅比常規球團增加了0.05%個百分點，但干球的抗壓強度卻從68 N/個提高到了76 N/個。

圖5 纖維化膨潤土對干球抗壓強度的影響

3.2.2 纖維化膨潤土對干球粉化率的影響

不同膨潤土用量下纖維化膨潤土對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化造球時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，雖然此時強化球團內膨潤土的總用量僅比常規球團增加了0.05%個百分點，但干球的粉化率卻從0.78%降到了0.51%。這是因為經纖維化后的膨潤土粒度變小，比表面積變大，分散度提高，能高效發揮黏結作用，形成高強度的微結晶連接，從而減少生球在干燥過程中的破損。

圖6 纖維化膨潤土對干球粉化率的影響■—常規造球;●—強化造球

4 結論

用纖維化膨潤土對某鋼鐵廠的除塵灰進行強化造球，當纖維化膨潤土的用量為1.04%、球團內膨潤土的總用量為2.05%時，相比于普通膨潤土用量為2.0%的常規造球，生球的落下強度和抗壓強度分別從18.3次和19.2 N/個提高到21.2次和21.7 N/個、爆裂溫度從240℃提高到274℃，干球的抗壓強度從68 N/個提高到76 N/個、粉化率從0.78%降低到0.51%，能很好地滿足轉底爐還原工藝對球團質量的高要求。

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