燒結機頭除塵灰理化性能及磁性特征分析

付本全，黃建陽，吳 英，湯靜芳

(1.武漢鋼鐵(集團)公司研究院資源與環境研究所，湖北 武漢，430080；2. 武漢鋼鐵(集團)公司(北京)新材料研究中心，北京，100012；3. 武漢鋼鐵(集團)公司股份公司燒結廠，湖北 武漢，430080)

燒結機頭除塵灰是鐵礦石燒結過程中通過燒結機頭煙氣電除塵器所捕集的粉塵，其產量約占燒結礦總產量的2%～4%，我國每年燒結產生機頭除塵灰高達1500萬t左右[1-2]。燒結機頭除塵灰經多次循環配礦使用后，其富含K、Na等堿金屬和Pb、Zn、Cu等重金屬元素具有較高的回收利用價值[3]。目前，國內已認識到機頭除塵灰資源價值而開展除塵灰提鉀[4]、提鉛[5]的研究工作。為此，本文以某燒結廠燒結機頭除塵灰為原料，采用SEM、XRD和化學分析等對其進行理化性能分析，并通過磁選實驗對其磁性特征進行了研究，以期為燒結機頭除塵灰資源化利用提供技術方案。

1 實驗

1.1 原料與儀器

實驗原料取自某燒結廠燒結機頭三級電場除塵器灰斗，相應編號為1#～3#試樣。由于3#試樣出現輕微結塊現象，實驗前將其在碾缽中碾磨2 min。

主要實驗儀器有Quanta 400型掃描電鏡、Rigaku D/max-2500 PC型X射線衍射儀、SOLAAR M6型和BT-9300型激光粒度分析儀。

1.2 實驗方法

(1)分析檢測。采用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、化學分析等對試樣進行微觀形貌、物相組成和元素分析，并參照固體廢棄物按 GB/T 2452—2003 對其粒徑、密度等進行測試。

(2)磁選分析。先將試樣稱重(m1)后在玻璃平板上抹至厚為0.5 mm，然后用8000 Gs磁棒在其上方5 mm處以0.01 m/s速率來回平移3 次進行磁選分離，最后將玻璃平板上殘余試樣進行稱重(m2)，磁選物質含量(%)=(m1-m2)/m1×100%。

2 結果與分析

2.1 除塵灰的物理性能分析

由于1#、2#試樣的密度較大，采用激光粒度分析儀分析時，大部分微粒沉積在循環泵槽底部，不進入粒徑測量光路系統，故1#、2#試樣的粒徑采用篩分法進行測量，其結果如圖1、圖2所示，3#試樣采用激光粒度分析儀進行測量(介質為酒精)，其結果如圖3所示。

由圖1可看出，1#試樣進行了7級篩分，標準篩選型分別為0.063、0.1、0.15、0.2、0.315、0.4和0.5 mm。其粒徑區分度較明顯，粒徑在小于0.063、0.063～0.1、0.1～0.15、0.15～0.2和0.2～0.315 mm五個范圍內呈近似均勻分布，均值占總量的18.82%。

圖1 1#試樣粒徑分布Fig.1 Size distribution of Sample 1#

圖2 2#試樣粒徑分布Fig.2 Size distribution of Sample 2#

由圖2可看出，2#試樣相對1#試樣減小2級可區分篩數，其粒徑在小于0.063、0.063～0.1和0.1～0.15 mm三個范圍過于集中，三者粒徑含量之和占總量的84.9%。

圖3 3#試樣粒徑分布Fig.3 Size distribution of Sample 3#

由圖3可看出，3#試樣的中粒徑為8.2×10-4mm,比1#試樣的平均粒徑0.175 mm和2#試樣的平均粒徑0.132 mm小得多。主要原因是由于在酒精的分散作用下，3#試樣的微顆粒實現了充分分散，測得粒徑為各微顆粒的粒徑，1#試樣和2#試樣由于采用干法篩分，未使用分散劑，所測粒徑應為顆粒團粒徑。

圖1～圖3的粒徑分布圖呈現的差異與燒結機頭電除塵器的工作原理密切相關，含塵氣體進入高壓直流電場后，氣體電離形成正、負離子附著于灰塵粒子表面，使塵粒帶電，接觸電極相反的極板放電后沉積。粒徑較大的粉塵容易捕獲到正、負離子，因此電除塵的顆粒粒徑隨電場級數的增加呈變小趨勢。

表1為不同電場除塵灰的物理性能檢測結果。結合表1和圖1～圖3可看出，除塵灰的性能隨著在除塵器中所處電場的不同而呈現差異。1#試樣灰量、平均粒徑和密度分別是3#試樣的15.76、213和1.12倍。各試樣含水率隨著其在除塵器中所處電場級數的增加呈上升趨勢。主要原因是隨著電場級數的增加，除塵灰的粒徑和氣體溫度逐漸降低，粒徑越小、溫度越低越容易吸收氣體環境中水分造成除塵灰的含水率呈現差異。

表1 除塵灰物理性能檢測結果Table 1 Physical properties of the dust

注：灰量為除塵灰產生量/燒結礦產量。

2.2 除塵灰的化學成分分析

表2為除塵灰與燒結礦化學組成的結果。由表2可看出，除塵灰中的Pb、Zn、Cu重金屬與K、Na堿金屬含量明顯高于成品燒結礦，這是因為在燒結配礦過程中添加了CaCl2溶液，在高溫燒結過程中，重金屬和堿金屬元素與CaCl2發生反應，生成易揮發性金屬鹽而進入燒結機頭電除塵器灰斗。燒結除塵灰經多次循環配礦使用后，這些元素富集到燒結機頭除塵灰中。三類除塵灰中w(TFe)分別為38.86%、19.45%和16.32%，均小于燒結礦的w(TFe)(52.88%)。低含鐵物料進入燒結礦不僅降低燒結混勻礦的品位、增加燒結過程能耗，而且引入的重金屬元素需重新添加CaCl2溶液，從而增加了藥劑使用量和煙氣中的Cl-濃度。

表2 除塵灰與燒結礦化學成分Table 2 Chemical compositions of the dust and sinter

2.3 除塵灰的微觀形貌分析

圖4為三種除塵灰SEM照片。由圖4(a)、(b)可看出，1#除塵灰呈菱角塊狀，各顆粒的區分度明顯，與原材料鐵礦粉、焦粉等形貌類似。由圖4(c)、(d)可看出，2#除塵灰呈不光滑球狀，大球黏附少量微球，球表面絨狀物表明該除塵灰存在包裹現象。由圖4(e)、(f)可看出，3#除塵灰呈團簇物微球形態，各小團蔟簇非致密，存在較大孔隙。顆粒白色物較多，表明該除塵灰的導電性較弱。由圖4可看出，3種除塵灰粒徑分布順序為：3#試樣<2#試樣<1#試樣。3種除塵灰形貌存在較大區別，結合顆粒在掃描電鏡下的導電性，表明燒結機頭電除塵器各電場除塵的對象不同，1#試樣所處電場處理易導電性顆粒物，2#試樣所處電場處理中性導電性顆粒物，3#試樣所處電場處理弱導電性顆粒物。

(a) 1#試樣(b)1#試樣 (c) 2#試樣

(d) 2#試樣 (e)3#試樣 (f) 3#試樣

圖4除塵灰的SEM照片

Fig.4SEMimagesofthedust

2.4 除塵灰的物相組成分析

圖5為除塵灰的XRD圖譜，除塵灰物相組成如表3所示。由表3可看出，燒結除塵灰的物相組成較為復雜，Fe主要以Fe2O3的形態存在；Pb主要以PbCl2和Pb2O2Cl形態存在，可能存在PbCl2O4；在2θ為13.2°、18.3°、23.2°、29.2°處出現的衍射峰均為KCl特征峰，未發現其他含K化合物的明顯特征峰。由此可見，燒結灰中K以KCl的形態存在。在2θ為8.3°、14.2°、17.8°、19.0°

圖5 除塵灰的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the dust

處出現的衍射峰均為 CaCl2特征峰，表明燒結生產過程中的CaCl2大量揮發至煙氣中而進入電除塵器灰斗。

2.5 除塵灰磁性特征分析

為考察燒結機頭除塵灰中的鐵素回收，將試樣進行磁選分離，其結果如表4所示。由表4可看出，三種除塵灰的磁性物質比率差異較大，1#試樣磁性物質比率為48.94%，2#試樣磁性物質比率為12.39%，3#試樣磁性物質比率為21.29%。由此可看出，除2#試樣磁性物質的百分含量小于該試樣的總鐵百分含量(19.45%)外，1#、3#試樣磁性物質的百分含量均大于各自試樣的總鐵百分含量(見表2)。主要原因是2#除塵灰顆粒表面包裹的一層非磁性物質影響了該除塵灰的磁選效果。1#、3#除塵灰在干法磁選條件下，磁選物質的百分比比化學分析的總鐵含量要高，主要原因是磁選物質夾雜了部分非含鐵物質。

對磁選后的除塵灰進行總鐵含量分析，1#除塵灰磁性物質w(TFe)為45.43%，而非磁性物質w(TFe)為31.08%；2#除塵灰磁性物質w(TFe)為36.58%，而非磁性物質w(TFe)為16.98%；3#除塵灰磁性物質w(TFe)為26.26%，而非磁性物質w(TFe)為13.41%。由此可推斷，通過干法磁選方式可以實現除塵灰中部分鐵元素回收，但是由于2#、3#除塵灰的微觀包裹、團簇形貌決定了其通過干法磁選無法得到很好的鐵素分離效果。

表3 除塵灰物相組成Table 3 Phase compositions of the dust

表4 除塵灰磁性特征(wB/%)Table 4 Magnetic characteristics of the dust

3 結論

(1)燒結機頭不同級電場除塵灰不僅物理性能存在不同，而且化學組成也存在差異。

(2)除塵灰中Pb、Zn、Cu、K、Na含量明顯高于成品燒結礦，其中Fe主要以Fe2O3形態存在，Pb主要以PbCl2和Pb2O2Cl2形態存在，K、Ca分別以KCl和CaCl2形態存在。

(3)干法磁選在一定程度上可實現除塵灰中鐵元素的回收。

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