高爐瓦斯泥自還原鐵鋅分離BBD法優化

周蘭花，曾富洪，龔永民

（攀枝花學院，四川 攀枝花 617000）

高爐瓦斯泥（灰）指隨高爐煤氣逸出經濕法（干法）分離得到的爐塵。我國每年產高爐瓦斯泥（灰）量很大，一個年產500萬t鐵的鋼鐵公司，年產瓦斯泥（灰）可達6萬t，其中瓦斯泥和瓦斯灰大約各占一半。瓦斯泥（灰），除了含鐵、碳外，往往還含有鋅等有價成分，具有一定的利用價值。但因粒度細利用困難，目前處理它的主要方式有直接堆存和燒結配料法。過去部分企業為利用瓦斯泥（灰）的鐵成分將其加入燒結料中成為燒結礦入高爐，此方法存在：燒結料層透氣性易受影響、在高爐冶煉中鋅循環富集影響高爐運行，鋅不能得到利用等問題。直接堆存對環境影響大。隨著冶金生產縱深發展和環保要求的加大，瓦斯泥的鐵、碳、鋅等資源的綜合開發利用是一種趨勢[1]。

目前，提取瓦斯泥（灰）中鐵、碳、鋅等有價成分的方法有物理法[2-5]和化學法[6-8]，化學法中包括火法。火法具有自還原性（借助自帶C還原自身內的氧化物）、操作較簡單等特點，是較為有效的一種高爐瓦斯泥（灰）綜合利用方法。高爐瓦斯泥（灰）火法自還原提取鐵、鋅等有價成分工作尚處于初步階段。本研究通過開展高爐瓦斯泥火法自還原實驗，主要探索高爐瓦斯泥鐵鋅分離中溫度、時間、造球壓力等熱工參數優化值，以期獲得高的鐵、鋅還原效果，實現鐵鋅良好分離，為瓦斯泥火法利用奠定基礎。在實驗中為克服瓦斯泥粒度細問題，將瓦斯泥制成球團，在單因素實驗基礎上，采用響應曲面法中的BBD (Box-Behnken Design)法[9]設計實驗，對高爐瓦斯泥球團自還原中鐵鋅還原及其分離熱工參數進行優化。

1 實驗原料

實驗用攀鋼高爐瓦斯泥成分見表1，粒度0.15～0.25 mm。由表1發現，瓦斯泥中鐵、鋅氧化物完全還原至金屬產物時，瓦斯泥提供的還原劑C量是過量的，因此，高爐瓦斯泥加熱實驗中使鐵、鋅氧化物還原時不額外添加其他還原劑。將瓦斯泥加適量水與PVA粘結劑均勻混合后，混合料用液壓機制球。實驗前，105℃下球團干燥24 h。

表1 高爐瓦斯泥成分/%Table 1 Composition of BF gas sludge

2 實 驗

2.1 實驗方案

進行高爐瓦斯泥鐵鋅分離實驗時，溫度設定值首先通過HSC軟件分析確定。由HSC軟件計算每g高爐瓦斯泥自還原熱力學平衡成分結果見圖1。由圖1可見，高于1100℃時，能較好實現FeO轉變為Fe、ZnO轉變為氣態Zn，并綜合考慮動力學因素，實驗設定的溫度范圍為1100～1350℃。

圖1 高爐瓦斯泥自還原平衡成分Fig.1 Self-reducing balanced components of BF gas sludge

確定溫度條件后設置單因素實驗方案，結果見表2。在單因素實驗基礎上，依據響應曲面法原理，利用Design Expert 8.0.6軟件中BBD法設計溫度、時間、造球壓力三因素三水平實驗，其因素水平與編碼見表3。

表2 單因素實驗方案Table 2 Single factor test program

表3 響應面法實驗因數水平與編碼值Table 3 Actual and code values of variables

2.2 實驗過程

干燥的瓦斯泥球團置于剛玉坩堝中，放入按程序升溫達到預設實驗溫度的加熱爐中，再加熱到球團預定的時間后取出坩堝，在N2中冷卻。冷卻后對樣品進行MFe（金屬鐵）、TFe、ZnO含量分析。以還原試樣中鐵的金屬化率Y1（還原產生的金屬鐵量與還原后試樣中TFe量的比值）作為鐵還原程度評價指標、還原試樣中鋅的金屬化率Y2（按式（1）計算）作為鋅還原程度評判指標。

式（1）中，(mZn)0、(mZn)r分別為還原前、后瓦斯泥球團中Zn的質量。

3 結果與分析

3.1 單因素實驗結果與分析

單因素結果見圖2～5。由圖2～5可知，8 MPa后造球壓力對鐵鋅金屬化率影響不大；20～75 min內隨時間增加，鐵、鋅的金屬化率均增加，但在45 min后增加緩慢；1100～1300℃內隨溫度增加，鐵、鋅的金屬化率均增加。

圖2 1200℃、40 min鐵金屬化率與造球壓力的關系Fig.2 Relationship between metallization of iron and pelleting pressure at 1200℃ and 40 min

圖3 1200℃、40 min鋅金屬化率與造球壓力的關系Fig.3 Relationship between metallization of zinc and pelleting pressure at 1200℃ and 40 min

3.2 BBD法實驗結果與分析

BBD法實驗方案及其實驗結果見表4。

表4 響應面法實驗方案及結果Table 4 Matrix and results of RSM test

（2）響應值回歸優化模型

利用Design Expert 8.0.6軟件對響應值Y1、Y2影響不顯著項進行優化，方差分析結果列入表5、6中，進一步分析得到響應值Y1、Y2的回歸模型，如下：

表5 Y1的方差分析Table 5 ANOVA on Y1

由式（2）、（3）中各項系數可知，溫度和時間對鐵、鋅的金屬化率有顯著正的影響，造球壓力的影響很小；各因素對響應值Y1、Y2影響重要程度為B（時間）＞A（溫度）＞C（造球壓力）。

將編碼用實際參數符號回代得到響應值Y1、Y2與實際參數符號之間的回歸模型為：

圖4 8 MPa造球壓力下鐵的金屬化率Fig.4 Metallization of iron at 8 MPa of pelleting pressure

圖5 8 MPa造球壓力下鋅的金屬化率Fig.5 Metallization of zinc at 8 MPa of pelleting pressure

表6 Y2的方差分析Table 6 ANOVA on Y2

由表5、6可見，失擬項P均大于0.05（不顯著），建立的模型P值均＜0.0001（非常顯著）。表明，建立的Y1、Y2模型擬合程度良好，建立的模型合適，可以用建立的模型對高爐瓦斯泥加熱過程中鐵鋅還原熱工參數進行優化分析。

（4）鐵鋅氧化物還原熱工參數優化

由方程（4）、（5）求解，得到高爐瓦斯泥球團自還原中鐵鋅氧化物還原熱工參數優化條件為：溫度1299.95℃、加熱時間47.05 min、造球壓力8 MPa，Y1、Y2預測極大值分別為94.67%、96.08%。結合優化條件和實際可操作性，在1300℃、47 min、造球壓力為8 MPa再進行三次實驗，實驗產品的Y1、Y2平均值分別為94.4%、95.5%。實驗產品的XRD檢測結果見圖6、7。分析Y1、Y2結果及圖6、7及可知，優化條件下瓦斯泥球團中的鐵、鋅氧化物能得到良好還原；鐵氧化物大多還原成為金屬鐵并留存于球團中，鋅氧化物還原為揮發態的金屬鋅并氧化轉變為ZnO進入煙氣中，從而使瓦斯泥中鐵鋅實現良好分離。

圖6 還原球團XRD分析Fig.6 XRD analysis of reduced pellets

圖7 還原揮發物XRD分析Fig.7 XRD analysis of reduced volatiles

4 結 論

（1）1100～1350℃下高爐瓦斯泥自還原中鐵、鋅氧化物還原可能還原成為金屬鐵、鋅。

（2）高爐瓦斯泥球團自還原過程中，8 MPa后造球壓力對鐵鋅金屬化率影響不大；20～75 min內隨時間增加，鐵、鋅的金屬化率均增加，但在45 min后增加緩慢；1100～1300℃內隨溫度增加，鐵、鋅的金屬化率均增加；對鐵鋅氧化物還原的金屬化率影響中，時間有非常顯著正影響，溫度有顯著的正影響，造球壓力影響很小。

（3）高爐瓦斯泥球團自還原過程中鐵、鋅的金屬化率與因素間具有的關系模型式為：

建立的模型是可靠的。并由模型獲得的1299.95℃、時間為47.05 min、造球壓力為8 MPa優化條件下，預測的鐵金屬化率較大，為94.67%、鋅的金屬化率較大，為96.08%。優化條件下的實驗獲得鐵金屬化率為94.4%、鋅金屬化率較大為96.1%，鐵鋅實現良好的分離。