粘結劑對不銹鋼除塵灰成球抗壓強度的影響分析

史永強

（中冶寶鋼技術服務有限公司，上海201200）

0 引言

不銹鋼除塵灰是指在不銹鋼冶煉過程中電弧爐、AOD/VOD爐或轉爐中的高溫液體在強攪動下進入煙道，并被布袋除塵器或電除塵器收集的金屬、渣等成分的混合物。據估計，每生產1 t不銹鋼可以產生18～33 kg粉塵[1]，其中電爐的粉塵量約為裝爐量的1%～2%，AOD爐的粉塵量約為裝爐量的0.7%～1%[2]。據中國特鋼企業協會不銹鋼分會統計，2017年不銹鋼粗鋼產量達到了2 577.37萬噸[3]，且總產量還有上升的趨勢。按產塵量4%計算，我國每年有100萬噸以上的不銹鋼除塵灰產出。

隨著環境立法的要求越來越嚴，對鋼鐵企業環境適應性的要求也不斷提高，因此一些降低能源消耗、減少廢棄物排放及廢棄物回收再利用的技術方法在鋼鐵廠得到了大力推廣，近幾年開發的一些鋼鐵廠除塵灰回收、回用技術都已得到成功應用。不銹鋼除塵灰的回收利用過程中要求實現無塵處理，通常是采用粘結成型、造球、壓塊、制磚等工藝方法。

1 不銹鋼除塵灰壓球工藝簡述

1.1 不銹鋼除塵灰的理化特點

1.1.1 主要元素

不銹鋼除塵灰中含有大量的有價金屬，主要含有Fe、Cr、Ni、Si、Ca、Mn、Zn、Al、Mg等元素，其中有回收價值的元素主要為Fe（約33%）、Cr（10%）、Ni（1%～3%）、Zn（2%～4%），這些元素的含量隨工序及產出時間的不同而略有差別，表1列出的是寶鋼不銹鋼混合除塵灰中各元素的平均質量分數[4]。其中，如Fe、Ni、Mn和Cr等大多以氧化物的形式存在，而可浸出的有毒物質如Cr6+、Zn等重金屬元素和可溶性鹽類會造成地下水的污染。

表1 寶鋼不銹鋼混合除塵灰化學成分質量分數

1.1.2 粒度組成

除塵灰粉的粒度一般從1 μm以下到幾十微米不等，馬國軍等對不銹鋼除塵灰的粒度進行了研究[5]，指出大部分不銹鋼除塵灰的粒度均小于5 μm，粒度在30～40 μm之間的都在3%以下，其具體粒度組成如表2所示。國外Stephen等也對除塵灰的粒度進行了研究[6]，指出除塵灰的真正粒徑在0.1～5 μm，而我們所觀察到的一些較大顆粒一般都是除塵灰小顆粒的聚集物。由此可以看出不銹鋼除塵灰的粒度其實非常小，在收集、運輸以及使用過程中都會產生比較嚴重的粉塵，對環境污染比較大。同時，除塵灰的粒度可以滿足市場上大部分壓球設備的要求。

表2 不銹鋼除塵灰的粒度分布

1.2 不銹鋼除塵灰的壓球工藝

1.2.1 不銹鋼除塵灰壓球工藝流程

將不銹鋼除塵灰、粘結劑、水等原料按照一定比例進行混合、攪拌，再用壓球機成球，最后通過光照和風等自然干燥過程，形成干燥的除塵灰球，除塵灰球可以作為輔料加入電爐進行冶煉，即：除塵灰→攪拌→硝解→壓球機→裝袋→再次冶煉。

1.2.2 不銹鋼除塵灰壓球成品的質量要求

不銹鋼除塵灰壓球成品的最終用途一般都是作為冶煉輔料，決定了除塵灰壓球成品質量最重要的指標是抗壓強度。不銹鋼除塵灰壓球成品從生產到最終使用，必然要經過堆放、裝袋（箱）、車輛運輸、皮帶輸送、吊運等轉移過程，在這些過程中，如果壓球成品的抗壓強度不夠，可能會出現破損、碎裂、碎成粉末等情況，不僅會造成二次揚塵污染，而且可能影響到壓球成品的再次冶煉過程。

一般認為，在設備選定的情況下，不銹鋼除塵灰壓球成品的抗壓強度與粘結劑、水的添加比例、冷卻時間等密切相關。

2 不銹鋼除塵灰壓球實驗

2.1 實驗設計

實驗設備：本文中選用的是河南某壓球設備廠家生產的設備，主要參數如下：輥徑為750 mm，輥寬為480 mm，總壓力150 t，最大線壓比3 t/cm，功率75 kW。

實驗原料：選擇了上海某大型鋼企不銹鋼煉鋼環節所產生的不銹鋼除塵灰。

實驗添加料設計：取不同粘結劑添加比例、不同水添加比例所壓制的成品球各10個，72 h后用壓力秤測量其抗壓強度并計算均值。

對于在實驗中所選取的粘結劑添加比例、水的添加比例之外的添加劑（粘結劑和水）配比已經進行了相關實驗，結果表明，不銹鋼除塵灰成球的抗壓強度低于500 N，非常易碎，無法進行裝袋（箱），沒有規模生產的價值，或者出現除塵灰在壓制過程粘模而不能成球的現象，同樣不能規模生產。因此，本文實驗中的添加劑配比是能夠滿足規模生產的配比，本文探究的是在規模生產過程中粘結劑和水的添加比例與除塵灰成球抗壓強度之間的關系。

2.2 實驗結果

2.2.1 粘結劑為水玻璃

水玻璃添加比例為3%、4%、5%，每種水玻璃添加比例分別添加3%、4%、5%的水進行壓球，即按照9種不同配比進行壓球實驗，72 h后各測量10只成球抗壓強度。

實驗結果如圖1所示，可以看出在水的添加比例不變時，水玻璃的添加量增加并不一定會使成球抗壓強度隨之增加；在水玻璃的添加比例不變時，水的添加量增加最終會導致成球抗壓強度降低。

圖1 水玻璃添加比例與成球抗壓強度關系

2.2.2 粘結劑為淀粉

不銹鋼除塵灰干粉添加淀粉的比例為3%、4%、5%，每種添加比例分別添加3%、4%、5%的水進行壓球，即按照9種不同配比進行壓球實驗，72 h后各測量10只成球抗壓強度。

實驗結果如圖2所示，可以看出在水添加比例低于5%時，淀粉添加比例越高，成球的抗壓強度越高；水的添加比例增加會導致成球抗壓強度呈現降低趨勢。

圖2 淀粉添加比例與成球抗壓強度關系

2.2.3 粘結劑為高分子粘結劑

不銹鋼除塵灰干粉添加高分子粘結劑的比例為3%、4%、5%，每種比例分別添加3%、4%、5%的水進行壓球，即按照9種不同配比進行壓球實驗，72 h后各測量10只成球抗壓強度。

實驗結果如圖3所示，可以看出水的添加比例小于等于4%時，高分子粘結劑添加比例增加，成球的抗壓強度隨之提高，同時水的添加比例增加也會使成球抗壓強度提高；水的添加比例超過4%會導致成球抗壓強度下降。

圖3 高分子粘結劑添加比例與成球抗壓強度關系

3 結論

（1）對于生產實際中常見的三種類型的粘結劑——水玻璃、淀粉、高分子粘結劑，淀粉作為添加劑時不銹鋼除塵灰成球抗壓強度最大，實驗檢測數據達到1 800 N；高分子粘結劑次之，水玻璃再次之。

（2）當水的添加比例不變時，一般而言，粘結劑添加比例增加會使成球的抗壓強度提高；三種粘結劑無論使用何種比例，在水的添加比例超過4%時，成球的抗壓強度都會隨之下降。

以上結論是基于小批量實驗，環境溫度在12℃左右所得出的，當大批量生產、環境溫度有所變化，真正進行長期規模化生產時，根據成球抗壓強度需求的不同，可以參考本文結論對粘結劑種類的選擇、粘結劑和水的配比進行適當調整。

[1]MA G,GARBERS-CRAIG A M.Cr(VI)containing electric furnace dusts and filter cake from a stainless steel waste treatment plant:Part 2-Formation mechanisms and leachability[J].Ironmaking&Steelmaking,2006,33(3):238-244.

[2]宋海琛，彭兵.不銹鋼粉塵綜合利用現狀及研究進展[J].礦產綜合利用，2004（3）：18-22.

[3]中國特鋼企業協會不銹鋼分會.2017年中國不銹鋼粗鋼產量同比增長4.74%至2 577.37萬噸 [DB/OL].（2018-01-29）[2018-04-15]http://www.cssc.org.cn/shuju/Shijiebuxiu gangchanliangshuju/2018-01-29/3970.

[4]韓偉.不銹鋼生產過程中含鎳廢棄物的綜合利用[J].寶鋼技術，2009（3）：27-30.

[5]馬國軍，范巍，徐之浩，等.不銹鋼廠煙塵中鉻及其他元素的分布規律研究[C]//第十三屆（2009年）冶金反應工程學會議論文集，2009：331-336.

[6]STEPHENLL,WAYNEFL,JANETGS,etal.Bureauof MinesReport of Investigation[R].UunitedStates,1983.