某钢铁厂除尘灰强化造球试验研究

黄柱成 李铁辉 易凌云 姜 涛

(中南大学资源加工与生物工程学院)

钢铁生产由原料(烧结、球团、焦化)、炼铁、炼钢、轧钢等多道工序组成［1-3］，由此会产生占钢产量5% ～10%的各种除尘灰，包括烧结除尘灰、焦化除尘灰、高炉除尘灰及尘泥、转炉除尘灰、电炉除尘灰、轧钢皮及尘泥等［4］。这些除尘灰含铁含碳，是宝贵的二次资源。然而由于成分复杂、粒度变化及水分波动大等原因，使得除尘灰的利用较为困难。据估算，我国的除尘灰有效利用率不足80%，未有效利用的除尘灰已越来越严重地影响到所在地周边的环境，并开始制约企业自身的发展。因此，利用好钢铁厂各工序产生的除尘灰，消除污染，实现清洁生产是关系到我国钢铁工业持续健康发展的一项重要任务［5-8］。

钢铁厂除尘灰的处理工艺很多，概括起来主要分为返回处理法、湿法、火法、火法/湿法联合处理法、稳定化处理法和选冶处理技术等［9-10］。其中火法处理工艺(回转窑工艺、BRS工艺、环形炉工艺、转底炉工艺)是在一定的高温下，利用金属氧化物的还原特性及融沸点的差异，以粉尘自身含有的固体碳为还原剂还原金属氧化物，使部分或者全部有价元素得以回收的一种处理方法，因工艺简单、流程短而受到了众多钢铁企业的重视。采用火法工艺处理钢铁厂除尘灰时，须先将除尘灰造球，其关键是采用合适的黏结剂，使球团具有足够的强度［11］。本研究采用按中南大学专利技术制备的纤维化膨润土对某钢铁厂的除尘灰进行强化造球试验，旨在提高球团的强度，以满足转底炉还原工艺对球团质量的高要求。

1 试验原料

除尘灰试样由某钢铁厂提供，包括高炉布袋除尘灰、烧结机头除尘灰、高炉重力除尘灰及静电除尘灰4种样品。灰样中不利于高炉冶炼、危害钢材质量的Cl、K、Na含量很高(见表1)，需要进行脱氯处理。

表1 灰样中Cl、K、Na的含量

通过水泡、搅拌、静置、脱水、晒干对原灰样进行脱氯处理，脱氯后灰样的化学成分、粒度组成分别见表2和3。

表2 脱氯后灰样的化学成分

表3 脱氯后灰样的粒度组成

从表2和表3可以看出:灰样经脱氯处理后，Cl、K、Na的含量明显降低;4种灰样中除静电除尘灰粒度较细，－0.074 mm含量达88.98%外，其他3种灰样的粒度均较粗，且粒度分布范围较广。

试验所用膨润土来自内蒙古黄岗矿业公司，其化学组成和物理性能见表4和5。

表4 膨润土主要化学成分 %

表5 膨润土主要物理性能

从表4和表5可以看出，试验所用膨润土粒度较细，物理性能良好，有利于造球。

2 试验方法

2.1 造球

按照图1流程制备常规球团和强化球团。

图1 造球试验流程

(1)根据现场实际产灰情况，将静电除尘灰、高炉重力除尘灰、烧结机头除尘灰、高炉布袋除尘灰按45∶17.5∶20∶17.5 的质量比配成混合灰。

(2)向混合灰中加入一定量的膨润土(按膨润土占混合灰和膨润土总量的质量分数计)混匀，再加水形成水分为5%的润湿料。

(3)取10 kg润湿料，在转速为35 r/min、介质充填率为12%的JD1A－11型润磨机中润磨6 min，制成－200目含量为92%左右的造球混合料。

(4)向转速为28 r/min、倾角为45°的 1 000 mm圆盘造球机中投加造球混合料和水，在12 min内形成一定量直径为8～10 mm的母球，并取出500 g母球以备强化造球用。

(5)继续向圆盘造球机中投加造球混合料，使剩余的母球长大成直径为12～16 mm的常规生球。

(6)按中南大学专利技术，向膨润土中添加某种有机分散剂和水，在机械搅拌作用下制备出有机分散剂质量分数为0.33%、膨润土质量分数为16.6%的纤维化膨润土矿浆，然后将先前取出的500 g母球放回圆盘造球机，通过继续加料并用喷雾器喷洒纤维化膨润土矿浆使这500 g母球长大成直径为12～16 mm的强化生球，并根据以下两式计算出强化球团中纤维化膨润土的量x(干量，以质量分数计)和膨润土的总量y(未纤维化膨润土干量+纤维化膨润土干量，以质量分数计):

式中，m0为母球量，500 g;m1为纤维化膨润土矿浆量，g;m2为造球混合料续加量，g;16.6% 为纤维化膨润土矿浆中膨润土的质量分数;7.6%为母球水分;5%为造球混合料水分;z为混合灰与膨润土混合时膨润土的质量分数，%。

(7)将常规生球和强化生球在110℃烘箱中烘干，得到常规干球和强化干球。

2.2 球团质量检测

(1)球团强度检测。在ZQYC型智能球团压力机上测定两种生球和两种干球的抗压强度(10个球团的平均值)。在0.5 m高处测定两种生球的落下强度(10个生球的平均值)。

(2)生球爆裂温度检测。在SCO－50型生球爆裂温度测定仪上测定两种生球的爆裂温度(50个合格生球4%破裂时的温度)。

(3)干球粉化率检测。将两种干球分别用5 mm筛孔的筛子筛分5 min左右，根据筛下和筛上物料的质量算出粉化率。

3 试验结果与讨论

3.1 纤维化膨润土对生球质量的影响

改变母球中膨润土的用量为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，分别进行常规造球和强化造球，然后检测生球的抗压强度、落下强度和爆裂温度，以考察不同膨润土用量下纤维化膨润土对生球质量的影响。

3.1.1 纤维化膨润土对生球强度的影响

不同膨润土用量下纤维化膨润土对生球抗压强度和落下强度的影响分别如图2、图3所示。从图2、图3可以看出:两种生球的抗压强度和落下强度均随着膨润土用量的增大而不断上升，但各膨润土用量下采用纤维化膨润土强化造球时生球的强度均明显更高。以母球中膨润土的用量为2.0%为例，此时强化球团内纤维化膨润土的用量为1.04%，膨润土的总用量为2.05%，虽然膨润土的总用量仅比常规球团增加了0.05%个百分点，但生球的落下强度和抗压强度却分别从18.3次和19.2 N/个提高到了21.2次和21.7 N/个，说明纤维化后的膨润土具有更好的亲水性和更高的分散度，有利于提高颗粒之间的黏结力，从而改善了钢铁厂除尘灰的成球性能［12-14］。

图2 纤维化膨润土对生球抗压强度的影响

图3 纤维化膨润土对生球落下强度的影响

3.1.2 纤维化膨润土对生球爆裂温度的影响

不同膨润土用量下纤维化膨润土对生球爆裂温度的影响如图4所示。从图4可以看出，两种生球的爆裂温度均随着膨润土用量的增大而不断提高。其主要原因一是膨润土能吸收大量水分，这部分水分在生球干燥的最后阶段缓慢释放，不会造成因快速脱水而产生过大的蒸汽压使生球爆裂;其二是膨润土有助于形成强度较好的干燥外壳，这种干燥外壳能承受较大内压力的冲击而不破裂;除此之外，膨润土干燥收缩后会使干燥外壳形成许多分布均匀的小孔，有利于蒸汽扩散到表面，减少了球内的过剩蒸汽压［15-16］。从图4还可以看到:各膨润土用量下采用纤维化膨润土强化造球时生球的抗爆裂性能均明显更好。以母球中膨润土的用量为2.0%为例，虽然此时强化球团内膨润土的总用量仅比常规球团增加了0.05%个百分点，但生球的爆裂温度却从240℃提高到了274℃。这是由于纤维化后的膨润土亲水性更好，持水性能更强，能吸收更多的水分，形成强度更高的干燥外壳。

图4 纤维化膨润土对生球爆裂温度的影响

3.2 纤维化膨润土对干球质量的影响

将上述不同膨润土用量下所得常规生球和强化生球烘干，然后检测干球的抗压强度和粉化率，以考察不同膨润土用量下纤维化膨润土对干球质量的影响。

3.2.1 纤维化膨润土对干球抗压强度的影响

不同膨润土用量下纤维化膨润土对干球抗压强度的影响如图5所示。从图5可以看出:两种干球的抗压强度均随着膨润土用量的增加而提高，但各膨润土用量下采用纤维化膨润土强化造球时干球的抗压强度均明显更高。以母球中膨润土的用量为2.0%为例，虽然此时强化球团内膨润土的总用量仅比常规球团增加了0.05%个百分点，但干球的抗压强度却从68 N/个提高到了76 N/个。

图5 纤维化膨润土对干球抗压强度的影响

3.2.2 纤维化膨润土对干球粉化率的影响

不同膨润土用量下纤维化膨润土对干球粉化率的影响如图6所示。从图6可知:两种干球的粉化率均随着膨润土用量的增加而下降，但各膨润土用量下采用纤维化膨润土强化造球时干球的粉化率均明显更低。以母球中膨润土的用量为2.0%为例，虽然此时强化球团内膨润土的总用量仅比常规球团增加了0.05%个百分点，但干球的粉化率却从0.78%降到了0.51%。这是因为经纤维化后的膨润土粒度变小，比表面积变大，分散度提高，能高效发挥黏结作用，形成高强度的微结晶连接，从而减少生球在干燥过程中的破损。

图6 纤维化膨润土对干球粉化率的影响■—常规造球;●—强化造球

4 结论

用纤维化膨润土对某钢铁厂的除尘灰进行强化造球，当纤维化膨润土的用量为1.04%、球团内膨润土的总用量为2.05%时，相比于普通膨润土用量为2.0%的常规造球，生球的落下强度和抗压强度分别从18.3次和19.2 N/个提高到21.2次和21.7 N/个、爆裂温度从240℃提高到274℃，干球的抗压强度从68 N/个提高到76 N/个、粉化率从0.78%降低到0.51%，能很好地满足转底炉还原工艺对球团质量的高要求。

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