含鐵塵泥高堿度內(nèi)配碳球團(tuán)自還原過程中脫硫和脫磷研究

余 岳，張 波，薛正良

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

隨著鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的塵泥數(shù)量也隨之增多。鋼鐵廠每生產(chǎn)1 t粗鋼產(chǎn)生的含鐵塵泥達(dá)到35～40 kg。有效利用含鐵塵泥，對(duì)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用有著重要的意義。目前含鐵塵泥主要用作燒結(jié)原料，但由于含鐵塵泥粒度細(xì)，易出現(xiàn)粘堵輸送系統(tǒng)、配料不暢和不易混勻等問題。利用高堿度內(nèi)配碳球團(tuán)在高溫下還原制備金屬鐵粒的方法[1-2]，相比于傳統(tǒng)工藝，該方法具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品無二次氧化以及渣鐵分離等優(yōu)點(diǎn)。為此，本文基于該方法在豎式碳管爐中進(jìn)行含鐵塵泥高堿度內(nèi)配碳球團(tuán)的還原試驗(yàn)，并對(duì)其還原過程中脫硫和脫磷的影響因素進(jìn)行研究，以期為含鐵塵泥高堿度內(nèi)配碳球團(tuán)的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)所用原料分別為煉鋼污泥、出鐵場灰、重力灰、軋鋼皮、無煙煤和消石灰，其中煉鋼污泥堿度為5.22，出鐵場灰堿度為0.25，重力灰中碳含量為34.25%。通過配加消石灰得到所需的試驗(yàn)堿度，重力灰中碳含量較高，可充分利用各有用成分。試驗(yàn)原料的化學(xué)組成如表1所示。

表1 原料的化學(xué)組成

1. 2 試驗(yàn)方案

設(shè)含鐵原料總質(zhì)量為100 g，試驗(yàn)內(nèi)配碳比用配入碳的摩爾數(shù)與氧化鐵中氧的摩爾數(shù)之比表示，并根據(jù)n(C)/n(O)及堿度R來計(jì)算相應(yīng)的原料配比。

方案Ⅰ：w(煉鋼污泥)為15%，w(軋鋼皮)為15%，w(重力灰+出鐵場灰)為70%。n(C)/n(O)分別為1.1和1.2，渣相堿度R分別為1.8、2.0和2.2。此方案不加煤粉，還原劑均來自重力灰中的炭。

方案Ⅱ：w(煉鋼污泥)為15%，w(軋鋼皮)為10%，w(重力灰)為30%，w(出鐵場灰)為45%。通過無煙煤提供還原劑，n(C)/n(O)分別為1.1和1.2，渣相堿度R分別為1.8、2.0和2.2。

1.3 試樣制備

將各粉塵在120 ℃烘箱中烘烤12 h。按試驗(yàn)原料配比配料并充分混勻，用0.2 mm篩多次篩分，以確保充分混勻，然后外加8%～10%水再混勻，并用2 mm篩子再篩分，將篩上大顆粒打散，保持原料的松散，避免結(jié)團(tuán)。將充分混勻的原料用壓樣機(jī)壓制成團(tuán)塊。將試樣置入(110±5) ℃烘箱中烘干備用。

所用還原試驗(yàn)設(shè)備為立式快速升溫碳管爐。在試驗(yàn)過程中，始終從碳管爐底部通N2，以防止碳管和試樣氧化。準(zhǔn)確稱量試樣后用石墨坩堝盛裝，并控制升溫速率。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，保溫時(shí)間為10 min，然后隨爐冷卻至700 ℃后取出，在空氣中冷卻至室溫。

1.4 指標(biāo)計(jì)算方法

用0.125 mm篩將還原產(chǎn)物分離成渣鐵兩部分，再用5 mm篩將鐵粒分級(jí)。稱量渣與鐵粒并分級(jí)化驗(yàn)鐵粒成分，按下列公式計(jì)算鐵收得率、脫硫率和脫磷率。即：

(1)

(2)

(3)

式中：M0為反應(yīng)前試樣質(zhì)量，g；Mi為i粒度的鐵顆粒質(zhì)量，g；TFe0為反應(yīng)前試樣的全鐵含量，%；TFei為i粒度鐵顆粒的全鐵含量，%；xP0、xS0分別為反應(yīng)前試樣中P、S含量，%；xPi、xSi分別為反應(yīng)后i粒度鐵顆粒的P、S含量，%；i為1，2，其中：1為大于5 mm的鐵顆粒；2為小于5 mm的鐵顆粒。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵粒脫硫影響因素分析

2.1.1 配碳比對(duì)鐵粒脫硫的影響

含鐵塵泥脫硫反應(yīng)是在還原性氣氛下發(fā)生的，因此配碳比的多少對(duì)鐵粒脫硫率影響較大。圖1為配碳比對(duì)鐵粒脫硫率的影響。由圖1可看出，鐵粒的脫硫率均在97%以上，并隨著配碳比的增加而提高，鐵粒的硫含量最低達(dá)到0.007%。對(duì)于重力灰中的碳還原時(shí)，鐵粒的最高脫硫率為98.50%，而添加煤粉還原時(shí)，鐵粒的最高脫硫率為98.28%。增加配碳比，主要體現(xiàn)在團(tuán)塊內(nèi)部生成CO的速率加快，體系內(nèi)CO分壓增加，有利于促進(jìn)脫硫反應(yīng)的發(fā)生。但對(duì)于以煤粉為還原劑時(shí)，如果配碳比增加，隨煤粉帶入的硫增加，這有可能導(dǎo)致鐵顆粒硫含量增加。

圖1 配碳比對(duì)鐵粒脫硫率的影響Fig.1 Effect of n(C)/n(O) ratio on the desulfurization efficiency of iron nugget

2.1.2 還原溫度對(duì)鐵粒脫硫的影響

還原溫度是影響含鐵塵泥直接還原反應(yīng)的重要因素，同時(shí)對(duì)其脫硫過程也有一定的影響。圖2為還原溫度對(duì)鐵粒脫硫率的影響。由圖2可看出，當(dāng)還原溫度升高時(shí)，鐵粒脫硫率隨之升高，且均高于96%。這是由于還原溫度升高促進(jìn)碳的氣化反應(yīng)發(fā)生，同時(shí)脫硫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度升高有利于該反應(yīng)的進(jìn)行。

圖2 還原溫度對(duì)鐵粒脫硫率的影響Fig.2 Effect of reduction temperature on the desulfurization efficiency of iron nugget

2.1.3 堿度對(duì)鐵粒脫硫的影響

堿度是影響渣鐵分離的重要因素，并且能夠影響渣脫硫過程。圖3為堿度對(duì)鐵粒脫硫率的影響。由圖3可看出，堿度對(duì)鐵粒脫硫率的影響非常明顯。當(dāng)堿度R為1.8時(shí)，方案Ⅰ的鐵粒脫硫率約為88%，這是由于堿度較低而使渣相中的CaO含量降低，致使鐵粒脫硫率降低。隨著堿度的增加，鐵粒脫硫率明顯升高，這是因?yàn)閴A度增加，配料中CaO含量增加，可用于吸收COS氣體也增多，從而使鐵粒脫硫率增加[3]。由此可認(rèn)為，鐵粒脫硫率的高低與渣鐵是否分離有很大關(guān)系，當(dāng)渣鐵不能有效分離時(shí)，部分渣混入鐵粒中而使其脫硫率降低。如果堿度過高，則會(huì)導(dǎo)致渣相組成偏離正硅酸鈣的相區(qū)，渣鐵難以分離，也會(huì)造成鐵粒脫硫率降低，所以保證合適的堿度對(duì)鐵粒脫硫是十分重要的。

圖3 堿度對(duì)鐵粒脫硫率的影響Fig.3 Effect of alkalinity on the desulfurization efficiency of iron nugget

2.2 鐵粒脫磷影響因素分析

2.2.1 配碳比對(duì)鐵粒脫磷的影響

含鐵塵泥脫磷過程主要為還原脫磷，配碳比對(duì)鐵粒脫磷的影響主要是改善還原氣氛。圖4為配碳比對(duì)鐵粒脫磷率的影響。由圖4可看出，隨著配碳比的增加，鐵粒脫磷率增加，這是由于隨著配碳比的增加，一方面在低溫時(shí)參與固-固脫磷反應(yīng)的碳增多，另一方面在高溫時(shí)，隨著碳溶損反應(yīng)的發(fā)生，參與氣化脫磷的CO迅速增多，氣相分壓增大，還原反應(yīng)速率加快，從而使鐵粒脫磷率增加。對(duì)于重力灰中的碳還原時(shí)，當(dāng)配碳比為1.2、堿度R為2.0、還原溫度為1400℃時(shí)，鐵粒最高脫磷率達(dá)到38.52%；對(duì)于添加煤粉還原時(shí)，當(dāng)配碳比為1.1、堿度R為2.0、還原溫度為1400℃時(shí)，鐵粒最高脫磷率達(dá)到31.40%。

圖4 配碳比對(duì)鐵粒脫磷率的影響Fig.4 Effect of n(C)/n(O) ratio on the dephosphorization efficiency of iron nugget

2.2.2 還原溫度對(duì)鐵粒脫磷的影響

從熱力學(xué)角度來看，改變還原溫度對(duì)反應(yīng)的發(fā)生具有較大的影響。圖5為還原溫度對(duì)鐵粒脫磷率的影響。由圖5可看出，隨著還原溫度的升高，鐵粒脫磷率明顯增加。這是因?yàn)楹F塵泥還原脫磷反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所以升高溫度有利于反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，升高溫度有利于碳?xì)饣磻?yīng)的進(jìn)行，體系中生成CO量的增加，有利于脫磷[4-5]。

圖5 還原溫度對(duì)鐵粒脫磷率的影響Fig.5 Effect of reduction temperature on the dephosphorization efficiency of iron nugget

2.2.3 堿度對(duì)鐵粒脫磷的影響

堿度對(duì)鐵粒脫磷率的影響如圖6所示。由圖6可看出，當(dāng)堿度R為1.8時(shí)，鐵粒的脫磷率較低，這是由于渣相未能自然粉化，團(tuán)塊中CaO含量較低，通過渣脫除的磷較少，因此鐵粒脫磷率降低。在一定范圍內(nèi)，隨著堿度的提高，鐵粒脫磷率大幅升高，但當(dāng)堿度R為2.2時(shí)，對(duì)于重力灰中的碳還原時(shí)，鐵粒脫磷率有所降低，這是由于堿度升高，渣相熔點(diǎn)升高，使渣相變黏，透氣性變差。CO的擴(kuò)散阻力增大，還原動(dòng)力學(xué)條件惡化，因此鐵粒脫磷效果變差[6]。

圖6 堿度對(duì)鐵粒脫磷率的影響

Fig.6Effectofalkalinityonthedephosphorizationefficiencyofironnugget

3 結(jié)論

(1)高堿度內(nèi)配碳球團(tuán)在高溫快速還原制備金屬鐵粒的過程中，隨著渣鐵分離以及渣相自然粉化的發(fā)生，硫得到了有效的脫除，脫硫率高于97%，鐵粒中硫含量最低達(dá)到0.007%。

(2)還原溫度升高使鐵粒脫硫率增大，隨著堿度的增加脫硫率增大。對(duì)于依靠重力灰中的碳還原時(shí)，隨著配碳比的增加，碳的氣化反應(yīng)速率加快，CO分壓增大，鐵粒脫硫率隨之增大；而對(duì)于煤粉作還原劑時(shí)，配碳比增加，則由煤粉帶入的硫增加，不利于鐵粒脫硫。

(3)配碳比增加和還原溫度升高，均有利于鐵粒脫磷，其脫磷率隨著堿度的增加先增大后減小，在一定范圍內(nèi)堿度過高會(huì)使渣相熔點(diǎn)升高，透氣性變差，還原動(dòng)力學(xué)條件惡化，不利于脫磷。鐵粒

脫磷率一般為5%～35%，最高達(dá)到38.52%。

[1] 張海峰，薛正良，周繼程，等. 內(nèi)配煤團(tuán)塊直接還原法制備鐵粒技術(shù)研究[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，30(2): 125-127,188.

[2] 張海峰. 高堿度內(nèi)配碳團(tuán)塊高溫直接還原制備鐵粒技術(shù)[D].武漢：武漢科技大學(xué), 2006.

[3] 黃希祜. 鋼鐵冶金原理[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社，2002：370-385.

[4] 付麗娜, 亢立明. 豎爐球團(tuán)配加煉鋼污泥的研究及實(shí)踐[J]. 燒結(jié)球團(tuán)，2001，16(6)：16-18.

[5] 趙棟楠. 堿性內(nèi)配碳團(tuán)塊高溫自還原制備金屬鐵粒的基礎(chǔ)研究[D]. 武漢：武漢科技大學(xué)，2012.

[6] 王東彥，陳偉慶，周榮章，等. 鋼鐵廠含鋅鉛粉塵配碳球團(tuán)的直接還原工藝[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，19(2)：130-133.