轉爐灰成型工藝的試驗研究

＊毛人平 胡紫葉 趙振坤 趙永延

（中國礦業大學（北京） 北京 100083）

1.試驗研究背景

轉爐煉鋼是目前世界上最主要的煉鋼方法，使用氧氣吹入鐵水中，使鐵水中的碳等元素氧化。在吹煉過程中由于鐵等元素的氧化，將會產生大量的煙塵。由于環保要求日趨嚴格，因此必須進行除塵以保護環境。常用的除塵方法有濕法和干法除塵。隨著國家對環境污染治理的力度加大，轉爐煉鋼的一次除塵由傳統的濕法除塵轉向干法除塵，干法靜電除塵工藝得到了大力的發展，通過蒸發冷卻器得到的轉爐干灰一次灰和通過靜電除塵器得到的轉爐干灰二次灰替代了轉爐污泥，成為了轉爐煉鋼除鋼渣外最多的轉爐廢物副產品。轉爐干法除塵灰中，含有鐵元素（TFe約55%）、活性氧化鈣（15%～20%）及在煉鋼過程損失的微量合金等資源，這部分轉爐灰回收的經濟效益與社會效益越來越顯著[1]。尤其是將其制成球團返回轉爐，不僅回收了鐵資源，降低鋼鐵料消耗，還能大大提高煉鋼冶煉的經濟效益和環境效益[1-3]。但轉爐灰球團必須具有一定的抗壓強度才能入爐冶煉，目前轉爐灰球團的抗壓強度要求一般為不低于800N/個。本研究旨在通過實驗室的試驗研究，探討出一種適合轉爐灰成型的工藝。

2.試驗原料性狀

本試驗研究所需的轉爐灰取自廣西某鋼廠。樣品外觀呈棕褐色，平均粒徑在0.15mm左右，堆密度為1.15g/cm3，樣品水分為6%。表1為其化學成分組成。

表1 轉爐灰化學成分

根據表1的化學成分分析，鐵元素含量高達68%，有很高的回收利用價值；鋅的含量也較高，對鋼的質量不利，應在成型前用浮選方法回收，但鋅對成型并無影響，故本研究直接用含鋅的原料進行成型試驗。從原料粒度方面來看，轉爐灰樣品顆粒較細，比表面積大，粘結劑的用量與傳統的粉煤成型相比不會太低。

3.粘結劑選擇探索試驗

轉爐灰的成型機理與粉煤成型一致，因此其成型粘結劑與型煤粘結劑基本一致。本試驗研究從粉煤成型常用的粘結劑中選取了膨潤土、羧甲基纖維素、水玻璃、預糊化淀粉進行初步成型試驗。按不同比例將粘結劑分別加入原料中并加水混合攪拌，混合攪拌均勻后的原料用直徑50mm的球形模具在壓力機上壓制成型，成型壓力20MPa，成型物料的水分22%，然后將成型后的球團放入110℃的干燥箱中干燥2.5h。球團冷卻至室溫后分別測試其抗壓強度。探索實驗結果如表2。

表2 初步探索試驗結果

對探索性試驗作如下歸納：

從探索試驗的結果看，轉爐灰球團的抗壓強度均隨粘結劑的用量增加而增加。

膨潤土在添加量為8%時，其抗壓強度僅為425N/個，距離800N/個的要求相去甚遠，如果再增加添加量，則會明顯降低轉爐灰球團的鐵含量，冶煉時造渣量增大，增加煉鋼熔劑的用量并使電耗增加；羧甲基纖維素添加量為1.2%時，轉爐灰球團抗壓強度達860N/個，滿足800N/個的要求，但羧甲基纖維素價格較高，1.2%的添加量經濟性略差；水玻璃添加量為8%時，轉爐灰球團抗壓強度達到802N/個，但與膨潤土一樣，增加了造渣量和能耗；預糊化淀粉添加量4%時，轉爐灰球團抗壓強度達到了820N/個，但粘結劑成本較高。

從球團抗壓強度來看，水玻璃添加量8%、預糊化淀粉添加量4%和羧甲基纖維素添加量1.2%都能夠滿足大于800N/個的要求，但膨潤土8%的添加量、水玻璃8%的添加量會明顯降低轉爐灰球團的含鐵量。

根據與相關粘結劑廠家的報價，目前膨潤土價格約500元/噸，羧甲基纖維素4500元/噸，液狀水玻璃價格約600元/噸，預糊化淀粉3600元/噸。根據探索性試驗的結果，從經濟性和冶煉工藝上考慮，用羧甲基纖維素比其他三種粘結劑更好。從性價比方面考慮，最終選擇羧甲基纖維素。

4.各影響因素探討

目前羧甲基纖維素4500元/噸，添加量為1.2%時能夠滿足轉爐灰球團強度大于800N/個要求，噸轉爐灰球團粘結劑成本達到54元/噸，還是有些偏高。為了能降低羧甲基纖維素添加量、降低生產成本，對球團的干燥制度、成型原料的水分以及成型壓力對轉爐灰球團抗壓強度的影響進行了研究。

(1)干燥制度

初步探索試驗的轉爐灰球團都是在110℃的溫度下進行干燥的，干燥后的轉爐灰球團具有比較好的抗壓強度時粘結劑用量都比較高，而且球團表面基本都有許多細小的裂紋，從而影響了干燥后的轉爐灰球團的抗壓強度。原因是成型物料的水分在高溫下強烈揮發變成水蒸氣逸出，在轉爐灰球團內部形氣流成通道導致球團開裂，從而降低了球團的抗壓強度。如果干燥初期用較低溫度先讓水分緩慢逸出，待球團外表干燥到具有一定強度后再用較高溫度干燥，此時轉爐灰球團表面已經固化的硬殼的束縛作用應能對改善轉爐灰球團的抗壓強度有所幫助，從而可以降低粘結劑用量。

取3kg轉爐灰加入1.2%的羧甲基纖維素，加水至物料水分22%，混合均勻后在20MPa下成型。成型后的轉爐灰球團均分成三份分別先在60℃（低溫）干燥、然后再在110℃（高溫）下進行干燥。干燥總時間采用工業型煤生產中常用的2.5h。干燥方案及結果見表3。

表3 不同干燥條件下的球團抗壓強度

從表3的結果可以看出，同一成型條件下的轉爐灰球團在3種干燥方案下的殘余水分分別為1.5%、2.1%和4.0%。轉爐灰球團的抗壓強度以第二種方案的最好，達到了1020N/個。觀察轉爐灰球團表面，方案1的球團表面仍有部分裂紋，而方案2和方案3的球團表面沒有裂紋，說明延長低溫段干燥時間會先使球團表面，避免球團表面產生裂紋。方案3的球團抗壓強度未達到800N/個的要求則是因為高溫時間過短，殘余較高的水分影響了轉爐灰球團的抗壓強度，如果再延長高溫干燥時間，則會使總干燥時間加長，降低生產效率。因此，先低溫段（60℃）干燥50min、后高溫段（110℃）干燥100min的干燥制度是比較合適的。

表4 正交試驗設計表

(2)正交試驗

①水分的影響：合適的成型水分對成型效果有重要影響。由于轉爐灰粒度較細，比表面積大，成型水分應該不會太低。本試驗研究考察了水分變化對成型效果的影響。結果表明，成型水分低于20%，球團會在脫模后崩裂，水分超過25%時則會有水在成型過程中被擠出且球團與模具粘連不易脫模。

②成型壓力的影響：目前工業型煤的成型壓力一般在18～30MPa。本研究對轉爐灰成型的試驗表明，在成型原料水分為22%時，成型壓力在20～25MPa時可以獲得比較理想的成型效果。成型壓力低于20MPa，轉爐灰球團冷強度較弱，從脫模上脫落時易摔碎不利于工業生產中的轉運；壓力超過26MPa，則成型過程中會有水被擠出，轉爐灰球團與模具粘連、不易脫模，且脫模后球團易碎裂，說明壓力超過顆粒本身的強度，成型時顆粒二次破碎產生新的斷面，而新斷面之間又沒有粘結劑的粘合而導致開裂。

③羧甲基纖維素添加量的影響：羧甲基纖維素添加量直接影響到轉爐灰球團的抗壓強度，添加量越低則轉爐灰球團抗壓強度越低；反之，則越高。但過高的羧甲基纖維素添加量的缺點就是噸轉爐灰粘結劑成本過高，導致經濟效益急劇下降。

為了綜合考察成型壓力、成型水分以及羧甲基纖維素對球團強度的影響、探究合適的成型條件，本研究在干燥制度為先低溫（60℃）干燥50min，再高溫（110℃）干燥100min的條件下進行了如下正交試驗。

試驗結果表明，A3B2C3條件下的轉爐灰球團抗壓強度最高，達1225N/個；影響因素顯著性的簡單分析表明，羧甲基纖維素添加量＞成型壓力＞成型水分。

5.條件優化

正交試驗的結果表明，在先低溫（60℃）干燥50min，再高溫（110℃）干燥100min的條件下，羧甲基纖維素添加量1.2%、成型壓力25MPa、成型水分22.5%時轉爐灰球團抗壓強度達到1225N/個，但行業內要求超過800N/個即可滿足要求。因此，并不是轉爐灰球團強度越高越好，過高的抗壓強度只會增加生產成本降低生產企業效益。為降低羧甲基纖維素用量、節省成本，在成型水分22.5%、成型壓力25MPa的條件下考察了羧甲基纖維素添加量與轉爐灰球團抗壓強度的關系，干燥制度仍然采用先60℃下干燥50min、然后110℃下干燥100min。試驗結果如表5。

表5 羧甲基纖維素添加量與抗壓強度關系

根據表5的結果，成型水分22.5%、成型壓力25MPa的條件，干燥制度采用60℃下50min、110℃下100min，羧甲基纖維素添加量在0.9%時球團強度可達845N/個，滿足球團入爐冶煉的要求。0.9%的添加量時，粘結劑成本為40.5元/噸。因此，將最終的成型工藝條件確定為：成型水分22.5%、成型壓力25MPa、羧甲基纖維素添加量0.9%；干燥制度為60℃下干燥50min然后在110℃下再干燥100min。

6.結語

（1）轉爐灰可以制成符合冶煉要求轉爐灰球團，較佳的成型條件為成型水分22.5%、成型壓力25MPa、羧甲基纖維素添加量0.9%，成型后的球團先 60℃下干燥50min然后在110℃下再干燥100min，干燥后的轉爐灰球團抗壓強度可達845N/個。

（2）成型后的轉爐灰球團采用分段干燥可有效提高轉爐灰球團抗壓強度，降低粘結劑用量降低成本。本研究的合適干燥制度為成型后的球團先 60℃下干燥50min然后在110℃下再干燥100min。

（3）本試驗研究僅為實驗室規模，工業化生產前應先進行工業化試驗驗證。

（4）受時間和精力限制，本研究沒有進行不同粘結劑復配研究。