六西格瑪管理工具在提高氧化鐵粉BET項目中的應用

周 芳

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

帶鋼經過酸洗之后，產生廢酸，為了節省能源和減少環境污染，有必要對廢酸進行回收利用，冷軋酸再生機組就是用來回收酸洗線產生的廢酸的機組。氧化鐵紅Fe2O3是在鹽酸再生處理廢酸的過程中，產生的一種高附加值的產品。氧化鐵紅的用途非常廣泛,最初用來生產染料和造球回爐的低品位產品，由于Fe2O3具有較高的電導率和獨特的軟磁性，是應用于高頻場合的理想磁性材料，目前廣泛用于液晶電視、攝像機、計算機、顯示器、各類測量儀器、控制和通信設備等領域。

由于氧化鐵紅在磁性材料的制作過程中占主導地位，故其性能的穩定性將直接影響其產品的穩定性。系統深入的研究酸再生工藝及氧化鐵紅的反應機理，優化并合理使用工藝參數，建立標準化的鐵粉質量管理體系，對于提升氧化鐵紅的質量品質、降低噸鋼成本都具有十分重要的作用和意義。

國標GBT 24244—2009鐵氧體用氧化鐵,適用于FeCl2經噴霧焙燒制成的Fe2O3，規定了氧化鐵的17項化學指標和3項物理指標，將氧化鐵分為五級，通稱一級品到五級品。其中比表面積SBET≥3.0為一級品，3.0＞SBET≥1.8之間為二級品。根據客戶實際要求，我們按照SBET≥2.5控制。

1 工藝流程及影響因素分析

1959年奧地利安德里茨公司首創了Ruthner法鹽酸再生工藝，即噴霧焙燒工藝。進入20世紀70年代以后，世界各國新建的冷軋酸再生普遍采用鹽酸酸洗。京唐冷軋鹽酸再生引進的是美國ISSI公司的技術。系統分為兩部分，一是脫硅系統；二是再生系統。脫硅系統是通過中和、絮凝、沉淀的物理和化學方法，去除廢酸中的SiO2，及其他部分雜質;再生系統是采用噴霧焙燒法，廢鹽酸在焙燒爐高溫狀態下與水、氧發生化學反應，生成Fe2O3和HCl。

1.1 脫硅系統工藝及影響鐵粉品質的因素分析

1.1.1 脫硅系統工藝

廢酸經石墨加熱器加熱至90~95℃，然后進入到充滿鐵屑的中和槽內，停留時間約12 h，去除所有游離的HC1，pH值達到1.0。再經由另一個石墨換熱器冷卻到40~45℃之后，用泵輸送到兩級pH調整罐，加入濃度25%的氨水，使pH值升高至4.O~4.5。

在絮凝罐中加入絮凝劑，絮狀氫氧化鐵酸液中的細小絮粒相互接近，形成較大的顆粒，然后流入沉淀槽，停留約1O h左右，絮狀物沉淀到底部，而頂部的澄清液體(凈化鐵液)溢流到凈化鐵液緩沖罐，用泵輸送到公共罐區的儲罐，進入再生系統，詳見圖1。

圖1 脫硅系統工藝流程

1.1.2 脫硅系統影響鐵粉品質的因素分析

由于鋼材內含錳、鋁、硅等雜質，這些雜質在帶鋼酸洗時隨著氧化鐵一起進入酸液，因此如果廢酸預處理工藝控制不當，不能在脫硅環節有效的除去這些雜質，進入再生系統以后，將隨著焙燒爐的燃燒反應，生成A12O3、MnO、SiO2等混雜在Fe3O4、FeO中，直接影響氧化鐵紅質量，降低鐵粉品質級別和售價。

因此需要研究和改善脫硅預處理工藝，在脫硅環節中，中和罐反應溫度控制、停留時間、碎鋼投加量，調節罐中氨水的投加，絮凝劑投加等都決定著凈化鐵液的質量，整個脫硅預處理效果影響因素的核心判斷指標是各環節的pH值。

1.2 再生系統工藝及影響鐵粉品質的因素分析

1.2.1 再生系統工藝

脫硅后的凈化廢酸液，輸送到PIL儲罐，過濾后，送入預濃縮器底部，由濃縮酸泵將凈化廢酸液加壓，通過噴嘴霧化后，噴入焙燒爐內的頂部，在高溫狀態下，凈化廢酸液與水、氧氣發生化學氧化還原反應，生成氧化鐵粉（主要是Fe2O3）和HCl氣體。氧化鐵粉落入焙燒爐底部，經旋轉閥、破碎機、熱螺旋輸送機等輸送系統，進入氧化鐵粉料倉。根據實際情況，開啟輔助加熱除Cl后，再稱重和打包裝袋（見圖2）。

圖2 再生系統工藝流程

1.2.2 再生系統影響鐵粉品質的因素分析

1）噴槍頻繁堵塞，導致霧化效果不好。盡管在脫硅系統已經進行了絮凝和沉淀處理，且進入噴槍前裝有過濾器，但是酸液內細小雜質較多，還是會造成噴槍噴頭頻繁堵塞，導致酸液霧化不均勻，影響爐內反應的均勻性，影響鐵粉質量。

2）噴嘴口徑大，磨損導致滴漏現象進一步嚴重。原設計使用的是口徑2.5 mm的噴嘴，每個月檢查更換一次，檢查中發現噴嘴在高壓酸液沖擊下，經常破損，酸液滴漏，霧化不好。

3）燒嘴內有鐵粉結塊，影響燒嘴溫度控制。長時間運行，焙燒爐內鐵粉沉積，尤其燒嘴區域鐵粉結塊，這樣一是導致噴射火焰遇到障礙，火焰不能充分進入爐內，影響爐區內高溫反映。二是導致燒嘴局部區域溫度過高，溫度計檢測高，影響控制精度。

4）燃燒系統工藝參數設置不合理。凈化廢酸和水、氧氣在焙燒爐在發生氧化還原反應，化學反應方程式如下：

以上三個反應式中，式（1）是主要反應，三個反應式間的比例關系與濃縮效果、噴嘴霧化效果、噴嘴流量壓力、爐內溫度等都有關，反應溫度影響Fe2O3的純度，BET和Cl含量。其中Cl含量隨溫度的升高而降低，所以要得到降低Cl含量，反應溫度不應太低。但是當溫度過高時，又會朝著式（2）進行，生成Fe3O4，也會影響氧化鐵粉的純度。根據反應式（1）可知，反應必須在一定的溫度和O2濃度下進行，二者缺一不可（其中溫度也間接受O2濃度的影響，O2濃度通過控制助燃系統的空燃配比來調節）。

綜上，焙燒爐溫度、煤氣熱值、空燃配比、噴灑流量壓力、噴灑效果等因素都會對反應過程造成影響，這些參數又不是孤立的，而是相互影響，相互制約的。需要借助分析工具來量化分析。

2 結合六西格瑪工具的分析

通過以上的頭腦風暴，結合FEMA分析，做快贏改善，取得初步進展。

噴灑流量、噴槍壓力、燒嘴溫度、空燃比等4個因子，對鐵粉質量的影響，需要定量分析。通過DOE試驗方法，查找最佳控制點，優化工藝參數。

2.1 快贏改善

2.1.1 提高噴槍清洗頻次

由原來48 h清洗一次噴槍，改為24 h一次。

2.1.2 更換小口徑噴嘴

使用口徑2.0 mm的小口徑噴嘴，解決滴漏問題，每周檢查一次，及時更換損壞的噴嘴，保證霧化效果（見圖3）。

圖3 更換噴嘴前后對比

2.1.3 定期清理燒嘴

清掃燒嘴，每周清掃一次，并加強檢查，從燒嘴觀察孔觀察火焰顏色，發現有結塊及時安排檢修清掃。

2.2 DOE試驗

通過之前的分析可知，Si含量受脫硅系統影響。所以這里只分析這4個因子與BET的關系，由于燃燒系統對Cl含量有影響，可以把Cl含量作為一個觀察指標。

制定數據收集計劃見表1，圖4由最佳子集回歸和逐步回歸分析結果可見，燒嘴溫度、空燃比和噴灑流量這三個因子對Y（氧化鐵粉BET）的影響都是顯著的。噴灑壓力對Y（BET）的影響不顯著。

表1 數據收集計劃

圖4 最佳子集回歸和逐步回歸

通過圖5DOE正交實驗設計方法進行分析。首先，將BET定義為Y（目標），將影響Y的三個關鍵因素噴灑量、燒嘴溫度、空燃比定義為X1、X2和X3，

圖5 Pareto圖分析

通過Pareto圖進行交互作用篩選，得出空燃比、燒嘴溫度、噴灑量這三個關鍵因素影響氧化鐵紅的BET，它們的交互作用不影響Y。

通過進一步的DOE實驗分析（見圖6）發現，空燃比、燒嘴溫度和噴灑流量對BET的影響都是顯著的（顯著因子P<0.05）,中心點也是顯著的（P<0.05），這意味著這些因子對BET的影響不是線性的，數值過大或者過小都不合適，存在最佳的中心點。

圖6 DOE一次分析

通過進一步的響應曲面設計分析見下頁圖7可知，燒嘴溫度*燒嘴溫度的顯著因子P<0.05燒嘴溫度的二次方對BET存在顯著影響。

圖7 DOE二次分析-響應曲面

由下頁圖8等值線圖可以看出，在設置范圍內（630~720℃），燒嘴溫度越往中心區域靠近，BET越大。

圖8 BET的等值線圖

在設置范圍內（流量80~100 L/min）噴灑流量越小，爐內反應越充分，氧化鐵粉BET越大，但是噴灑流量過低，會導致系統處理能力降低，無法及時處理酸洗產線排放的廢酸，考慮到實際生產壓力，噴灑流量不能過小。

在設置范圍內（空燃比值6~9），空燃比越小，氧化鐵粉BET越大，但是因為煤氣是有毒有害氣體，考慮到安全性，以及能耗成本，空燃比不能太小。

通過響應優化器圖9可以看出，當燒嘴溫度為660℃左右，噴灑量在73.67 L/min，空燃比在5.86時，BET到最佳值2.93。

圖9 響應優化器-燃燒系統工藝參數優化設定

3 結論

通過系統研究脫硅和再生系統工藝及凈化鐵液焙燒氧化機理，提高設備功能精度，合理調整脫硅系統PH控制，優化焙燒爐爐況的空燃比，燒嘴溫度等工藝參數，改善噴槍噴灑霧化效果，有效減少氧化鐵粉BET小、Si含量高等質量缺陷，對于提升冷軋氧化鐵粉的質量品質、降低生產成本以及保證酸再生系統的穩定順行都具有十分重要的作用和意義。

考慮到實際生產負荷，將燒嘴溫度控制在660℃左右，噴灑流量控制在90~95 L/min之間,空燃比控制在7.0~7.5之間，系統生產速度能力不受大的影響，不會積壓過多廢酸，氧化鐵粉BET合格率也達到預期目標，滿足外售品質要求。通過對冷軋酸再生氧化鐵紅質量攻關技術的研究，提高和穩定了鐵粉的產品質量品質，取得了顯著的經濟效益。