內配碳含鋅球團烘干及造球參數探究

蔣武鋒，馬騰飛，郝素菊，趙朔，張玉柱

（華北理工大學冶金與能源學院，現代冶金技術教育部重點實驗室，河北 唐山 063210）

1 概 況

鋼鐵廠粉塵是整個鋼鐵行業的副產品，其數量甚至可以達粗鋼產量的10%左右。粉塵中含有大量鐵、碳等有價元素，可以部分代替含鐵原料，降低生產成本；但粉塵中還含有鋅、鉛、鉀、鈉、銦等元素，這些元素有些是影響高爐冶煉的有害元素，國內許多鋼鐵企業將其進行堆積處理[1]，造成了嚴重的環境污染。低鋅粉塵可直接作為燒結配料使用，而鋅含量高的粉塵需進行脫鋅處理后才能返回鋼鐵生產流程，若直接將含鋅量高的粉塵配入燒結工序或球團工序中，將使燒結礦、球團礦質量下降，鋅元素在燒結/球團-高爐流程中大量循環富集，引發高爐爐瘤、爐結，降低高爐利用系數，焦比升高，影響高爐的順利運行及爐壽[2-3]。因此，研究一種低成本，高效率的脫鋅工藝，具有非常重要的意義。

內配碳含鋅球團還原處理工藝是將含鋅粉塵配碳造球后，利用高溫還原脫除粉塵中鋅元素的還原工藝，此種工藝相較于傳統的火法[4-7]和濕法處理工藝[8-10]，能夠高效快速還原含鋅量不同的粉塵，且操作簡單，流程短。本文主要通過脫水抗壓試驗確定烘干球團的較佳溫度及時間，在1200℃下進行球團的還原試驗，采用了對比失重曲線和相對失重曲線并相互佐證的方法得出較佳的球團大小及質量參數，為鋼廠能更加節能高效的應用內配碳造球工藝提供參考。

2 球團脫水抗壓試驗

2.1 不同條件對球團脫水率的影響

含鋅塵泥球團在進行高溫還原前需進行充分脫除其中所包含的水分。在高溫管式爐中進行還原脫鋅試驗時，球團水分的揮發會造成試驗結果數值的偏差，且在造球階段球團內部含水量過高，不利于炭粉對鋅、鐵等氧化物進行完全還原。一部分碳因水分的存在而造成浪費。

脫水烘干試驗主要目的是選取出強度大，脫水烘干后在進行還原過程時不易破碎的球團。烘干試驗時球團配比參數為直徑12 mm、配煤粉量16%、粘結劑含量5%。試驗用煤粉為無煙煤粉，選用無水淀粉作為造球時的粘結劑。

圖 1 不同烘干溫度下球團脫水與時間關系Fig .1 Relationship between water loss rate and drying time of pellets under different drying temperature

圖1 給出了不同溫度下脫水率與時間的關系。由圖可知，球團烘干時間越長、烘干溫度越高，則球團的相對失重越大。烘干溫度過低時，團脫水率隨時間呈現先降低再平衡不變的趨勢，說明在較低烘烘干溫度下，隨著烘干時間延長時，烘干情況并不理想，球團脫水率低，不利于球團進行還原時準確判定其質量變化數據。250℃到100℃不同烘干溫度下，120 min 時的剩余球團質量分別為56.05 g、59.65 g、68.65 g、77.63 g。當烘干溫度在100℃時球團的相對失重為23.1%，150°C 時相對失重為36.37%，200℃和250℃時相對失重分別為46.79%和49.88%。由此可知，當烘干時間不變時，烘干溫度200℃與250℃的相對失重變化幅度僅為3.09%，差異較小，且伴隨著溫度的升高，有可能導致球團界面炭粉與氧氣發生化學反應，降低實際炭粉配比。故試驗時烘干溫度采用200℃為較佳溫度。

2.2 不同烘干溫度對球團抗壓強度的影響

圖2 是在不同烘干溫度和時間條件下球團抗壓強度的變化。由圖可知，伴隨著烘干時間的延長，不同烘干溫度下的球團抗壓強度逐漸升高。但烘干溫度為250℃時，抗壓強度隨著烘干時間的延長反而出現了下降趨勢。因此，烘干溫度為250℃的球團應摒棄。120 min 時200℃下，球團抗壓強度已經達到試驗要求，180 min 時球團抗壓強度最大。結合球團失水率關系可知，球團較佳脫水溫度應采用200℃。故適宜的烘干時間和溫度為120 min、200℃。

圖 2 不同烘干溫度下球團抗壓強度與時間關系Fig .2 Relationship between compressive strength and drying time of pellets under different drying temperature

3 含鋅塵泥還原條件

3.1 試驗原料

試驗采用粒度為-0.068 mm 的邢鋼無煙煤粉（固定碳含量為82.16%）及高爐含鋅粉塵。選取無水淀粉作為粘結劑；還原過程通入氮氣作為保護氣；采用液氮作為防止球團二次氧化的保護液體。

3.2 試驗設計

球團成分均為16%的無煙煤粉，5%的無水淀粉及79%的含鋅粉塵，試驗設定相同直徑12 mm不同質量（15 g、20 g 及25 g）的球團（成分均為）及相同質量20g 不同的小球直徑（6 mm、9 mm 及12 mm）和不同反應時間（5 ～ 30 min）的條件下進行還原試驗研究。

3.3 試驗步驟

1）按試驗配比稱取適量原料，放入研缽中充分研磨 ，待粉末充分混勻后加入適量的水進行造球。

2）將含鋅塵泥球團放入200℃的恒溫干燥箱中恒溫2 h，直至水分完全蒸發。

3）用天平分別稱量質量為15 g、20 g、25 g的含鋅塵泥球團，放入鉬絲網籃中，將裝有小球的網籃放置于高溫管式爐的恒溫區部位。在氮氣的保護下恒溫一定時間，觀察小球還原過程的失重情況。待質量變化趨于穩定時，將小球迅速取出放于液氮中冷卻至室溫，以防二次氧化。

圖 3 不同直徑的球團失重曲線Fig.3 pitch weight loss curves of different diameters

圖 4 不同直徑時相對失重對比曲線Fig.4 comparative curves of relative weight diameters loss at different diameters

4 試驗結果分析

4.1 直徑對球團還原影響

圖3、圖4 分別為在還原溫度1200°C，球團質量為20 g，還原時間為30 min 時不同球團直徑（6 mm、9 mm 及12 mm）的還原失重曲線和相對失重曲線。不同直徑的球團在恒溫還原過程中，質量一直呈現減小的變化。還原初期，失重曲線降低明顯，質量變化較快，說明此時含鋅球團反應劇烈，球團的主要反應也集中于反應初始階段。伴隨著時間的延長，曲線逐漸趨于平緩表明還原反應速度降低，球團內反應基本完成。反應開始5 min 時，三種不同直徑下的球團還原率已經分別達到66.49%、66.8%及66.96%。由此看出，反應在前5 min 時還原率已經達到很大值。還原反應速率隨著球團直徑的增大而變快。

通過圖3 可以看出，在還原反應初期，三種不同直徑的含鋅球團相對失重均隨著時間的延長而增大，且直徑越大相對失重越嚴重，當還原反應時間超過10 min 時，相對失重曲線逐漸趨于平緩，表明還原反應基本完成，由圖可知12 mm 直徑的球團還原效果最好。

4.2 質量對球團還原影響

圖 5 不同質量球團的失重曲線Fig .5 Weight loss curve of pellets of different masses

圖5 為溫度為1200℃，還原時間為30 min，球團直徑為12 mm，球團質量分別為15 g、20 g 及25 g 時的還原失重曲線。圖6 為不同質量時的相對失重對比曲線。

由5 可以看出，伴隨著時間的延長，不同質量的含鋅球團曲線呈現先下降再趨于平緩的趨勢。反應時間達到5 min 時，三種不同質量的球團還原率分別為32.57%、32.16%和30.68%。可以看出，反應進行到5 min 時，含鋅球團的還原過程已超過30%。隨著反應時間的延長，反應進行到10 min 時，失重曲線趨于平緩，此時不同質量的球團還原率分別為36.9%、37.3%及37.67%。

圖 6 不同質量球團的相對失重曲線Fig .6 Relative weight loss curves of different mass pellets

通過圖6 可以看出，隨著時間的延長，還原初期各質量下的球團相對失重均呈現升高的趨勢，反應進行到5 min 時相對失重分別32.57%、32.16%、30.68%，反應進行到10 min 時分別為36.90%、37.35%和37.67%。

通過失重和相對失重曲線可以得出，隨著質量的增加，球團的還原率并沒有得到大幅度的提升，且在反應初期，質量小的球團還原率要略高于大質量的含鋅球團，且低質量的球團相對失重要大于高質量的球團。這是因為在相同直徑的條件下，低質量的含鋅球團具有更高的孔隙度，反映初期球團發生碳的氣化反應，孔隙度高有利于球團內部CO 的擴散，從而加快還原反應的進行。但隨著時間的延長，高質量的含鋅球團還原率和相對失重均得到穩步提高。所以試驗過程中適合選用質量為20 g 的含鋅球團作為標準稱量質量進行研究。

5 結 論

（1）試驗時烘干溫度采用200℃為較佳溫度，時間超過兩個小時以后，隨著烘干時間無限延長時，烘干脫水情況并不理想，脫水率呈現出先降低再平衡不變的趨勢。對比不同溫度下的強度可知隨著時間的延長，120 min 時200℃下球團抗壓強度達到試驗所需的強度。

（2）通過試驗分析得知，含鋅球團最適宜的還原條件為：直徑12 mm，球團質量20 g，此時含鋅球團還原效果最好。