转炉粉尘碳酸化制备转炉用化渣剂研究分析★

张志霞

（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553000）

钢铁行业作为资源和能源消耗大户，现面临愈发严重的资源及环境压力，节能减排工作和固废资源的利用已成我国钢铁行业的研究重点。转炉粉尘是转炉炼钢过程的固体废弃物，具有含铁高、粒度细的特点，如何实现转炉粉尘的有效利用需引起充分重视。

在能源消耗和温室气体排放方面，我国均位于世界第二，当下面临的减排压力巨大。目前，利用碱性氧化物（如CaO、MgO）固定CO2作为一种减排新技术，已用于燃煤锅炉尾气处理、煤气化制氢、能源储存系统等领域。到目前为止，针对含铁粉尘固定CO2的研究相对较少，又存在碳酸化压块的强度问题，因此，需进一步研究各碳酸化参数对压块强度的影响规律。

将钢铁行业内的含铁粉尘经过压块碳酸化处理，可捕获行业内产生的CO2，这样既可减少CO2排放，又可实现含铁粉尘这一固废资源的再利用。

1 转炉粉尘的资源状况及其特点

转炉粉尘（或转炉尘泥）是转炉厂通过烟气除尘得到的，其主要成分是氧化铁、氧化钙和二氧化硅等，有害元素的含量很低，吨钢约可产干尘泥12 kg[1]。

目前钢铁厂排出来的粉尘分为两种[2-3]：一种是经过压滤而来的细污泥（-0.1 mm粒度级，占比约80%），含水量约为30.61%；另一种是经过旋流器粗处理后排放的颗粒，含水量约为24.52%。粗污泥含铁品位在60%左右，细污泥含铁品位在50%左右。转炉内细小的金属微粒被炉气带至旋流器时沉淀下来，与炉气分离。故粗尘泥粒度较大，含铁量也更高，其中w（Fe）就高达16.75%。

转炉产生的粉尘量，因各钢企的原料条件、工艺参数的不同，波动范围较大。转炉粉尘有以下共同点：

1）含铁量较高。铁品位一般为30%~70%，且有害杂质较少，是宝贵的二次资源。

2）粒度细小。大多数转炉粉尘粒度小于50μm。正因为这些粉尘粒度细小，极易扬灰，易造成二次污染，影响工人的作业环境。

3）亲水性差。由于粒度细小，转炉粉尘的比表面积大且表面光滑，使得其亲水性下降，因此对其加湿处理较为困难。

2 转炉粉尘碳酸化再利用的现状

我国转炉粉尘数量大，且成分波动范围也大，导致我国的转炉粉尘有效利用率并不高。

钢铁厂的各类尘泥利用方式通常有两种：作为原料配入烧结；采用冷固结法制成球团。所谓冷固结球团，就是将一定量的黏结剂加入含铁粉尘，在低温下固结，制得球团矿。碳酸化固结，就是在球团原料中配入一定量的石灰制成生球，然后将其置于低温和含有较高浓度的CO2气氛中进行碳酸化反应，使得球团表面和内部生成碳酸钙微晶结构，形成具有一定强度的碳酸化球团[4-6]。

近年来，国外学者对碳酸化固结工艺展开了大量研究，如Erten MH[6]对萤石精矿粉进行了碳酸化冷态固结研究。目前我国有关碳酸化固结工艺的研究相对较少，还处在初步阶段。张志霞[7]、胡长庆[8]进行了含铁粉尘碳酸化制备球团的相关研究表明：碳酸化球团，生产工艺简单、操作方便，且适合处理细粉尘，故其工业化应用前景广阔。

在转炉冶炼初期，使用部分碳酸化球团可以平衡转炉熔池的温度，减少废钢和石灰的消耗量，又因其内的碳酸钙会在熔池内发生分解，所产二氧化碳气体可强化熔池搅拌，有利于炉渣发泡，从而加快了脱磷反应。与单纯的石灰块等造渣剂相比，碳酸化球团的加入提高了炉渣w（FeO），显著降低了炉渣的黏度，提高了流动性，加快传质，从而提高了炉渣在石灰颗粒中的渗透，破环了致密产物层C2S，进一步加快了CaO的溶解。综上，碳酸化球团在热力学和动力学两方面都有利于转炉的脱磷，不仅提高了转炉的脱磷量，而且提高了炉渣的脱磷速率。因此，碳酸化球团用于转炉，是一种很好的造渣剂和助熔剂。

3 转炉粉尘碳酸化

3.1 转炉粉尘压块

试验所使用的转炉粉尘和石灰，均来自实际生产中的某钢铁公司，其化学成分如表1所示。

表1 转炉粉尘和石灰的化学成分 %

压块（生球）制备步骤：先进行原料处理，将来自现场的转炉粉尘和石灰置入圆筒球磨机，磨30 min；然后配料，依据不同CaO配比，计算得出所需转炉粉尘和石灰的质量；再进行混料，使转炉粉尘和石灰充分混合；混料后，加一定量的水，水润2 h；而后使用拉压试验机进行压块；最后烘干。

3.2 压块碳酸化实验

将压块自然干燥一段时间后，选取合格的压块（无裂痕、较圆）进行试验。

将每组（20个）压块放入吊篮后，将吊篮置入加热炉，再连接天平进行位置调节，确保吊篮在加热炉中央且没有接触内壁，并确保连接铁丝没有接触炉盖；开始加热升温，加热过程中一直通入N2作为保护气体；待炉温达到目标温度且稳定一段时间后，将N2切换为CO2/（CO2+N2），进行碳酸化反应；反应达到目标时间后，关闭CO2，打开N2，碳酸化反应终止；关闭加热装置，继续通入N2，待成品球冷却到室温，试验结束。

采用TL-5000型弹簧拉压试验机测试压块抗压强度。

4 实验数据

随着碳酸化反应的进行，压块生成的CaCO3产物的厚度不断增加，相应地氧化钙的转化率也在不断升高，压块内的分子间排列更为紧密，从而提高了压块的抗压强度。

故先经CaO配比、反应温度、碳酸化反应时间、气体浓度的各自单因素实验（氧化钙转化率），分别得到各工艺参数的最佳条件为20%、600℃、60 min、75%。后采用上述工艺参数，得出碳酸化压块的抗压强度（其中S1—S9表示CaO配比皆为20%的压块编号）如表2所示。

表2 不同碳酸化压块的抗压强度

由表2可知：碳酸化球团的抗压强度随着压块压力升高而呈升高趋势，且都能满足转炉冶炼对造渣剂强度的要求。

5 结论

1）石灰作为含铁粉尘冷固结的黏结剂，在CaO颗粒消化后，形成附着在含铁粉尘颗粒表面的Ca（OH）2胶体，使得生球具有一定的机械强度。

2）碳酸化反应过程中，因生成的CaCO3致密性高，从而提高了成品球的强度。碳酸化程度越大，碳酸化球团的强度越大。

3）碳酸化球团作为转炉冶炼的化渣剂，因其含有大量的铁氧化物，具有促进化渣的能力；又因其含大量的氧化钙，具有一定的脱磷能力。

4）采用转炉粉尘碳酸化制备的球团做造渣剂，可满足转炉冶炼要求，同时可降低炼钢石灰及钢料消耗，降低炼钢成本。