基于转底炉工艺的冶金含铁尘泥造球试验研究.pdf

第3 7 卷第2 期 2 0 1 7 年0 4 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G l C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 7 №2 A p r i l2 0 1 7 基于转底炉工艺的冶金含铁尘泥造球试验研究① 毛瑞，王飞，杜屏，任立群 江苏省 沙钢 钢铁研究院，江苏张家港2 1 5 6 2 5 摘要基于转底炉工艺，分析了不同种类含铁尘泥的成球性能，并在此基础上开展了含铁尘泥造球试验，分别考察了膨润土、有 机粘结剂c 以及复合粘结剂对含铁尘泥球团性能的影响规律，结果表明，随着膨润土使用量逐渐增大，含铁尘泥生球的抗压强度、 落下强度和爆裂温度逐渐提高；有机粘结剂C 对生球的抗压强度影响不大，但能显著提高生球的水分和落下强度，当有机粘结剂c 用量由0 ．5 0 ％提高至0 ．7 5 ％时，生球的水分由1 8 ．8 ％增至2 0 ．7 ％，落下强度由1 3 次提高至4 0 次，爆裂温度显著降低；单独使用膨润 土或有机粘结剂c 均不能达到较好的成球效果，而使用膨润土与有机粘结剂C 组成的复合粘结剂可显著提高含铁尘泥球团的各项 指标，且复合粘结剂的使用成本较低，生球全铁品位也有较大幅度提升。 关键词含铁尘泥；转底炉；球团；资源化利用 中图分类号T F 0 4 6文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 7 ．0 2 ．0 2 7 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 7 0 2 0 1 0 7 - 0 5 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nP e l l e t i z i n gw i t hI r o n c o n t a i n i n gD u s ta n dS l u d g e w i t hR o t a r yH e a r t hF u r n a c eP r o c e s s M A 0R u i ，W A N GF e i ，D UP i n g ，R E NL i - q u n R e s e a r c hI n s t i t u t eo f I r o na n dS t e e lo f J i a n g s uP r o v i n c e S h a s t e e l ，Z h a n g f i a g a n g2 1 5 6 2 5 ，J i a n g s u ，C h i n a A b s t r a c t T h eb a i l i n gp e r f o r m a n c eo fi r o n c o n t a i n i n gd u s ta n ds l u d g ew a si n v e s t i g a t e dt h r o u g ht e s t e sa n dp e l l e t i z i n g e x p e r i m e n tw i t hr o t a r yh e a r t hf u r n a c ep r o c e s s ．I n f l u e n c e so fb e n t o n i t e ，o r g a n i c b i n d e rCa n dc o m p o s i t eb i n d e ro n p r o p e r t i e so ft h eo b t a i n e dp e l l e t w e r ed i s c u s s e d ．I ti sf o u n dt h a tc o m p r e s s i v es t r e n g t h ．d r o pn u m b e r sa n dc r a c k i n g t e m p e r a t u r eo fp e l l e t sg r a d u a n yi n c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s e i nb e n t o n i t ec o n t e n t ，w h i l eo r g a n i cb i n d e rCh a sl i t t l e i n f l u e n c eo nc o m p r e s s i v es t r e n g t hb u tb r i n g sag r e a ti m p a c to nt h ew a t e rc o n t e n ta n dd r o pn u m b e ro fg r e e np e l l e t s ．W i t h t h eo r g a n i ‘cb i n d e rCc o n t e n ti n c r e a s e df r o m0 ．5 0 ％t oO ．7 5 ％．w a t e rc o n t e n to fg r e e np e l l e t si n c r e a s e df r o m1 8 ．8 ％t o 2 0 ．7 ％a n dt h ed r o pn u m b e ri m p r o v e df r o m1 3t o4 0t i m e s ．b u tt h ec r a c k i n gt e m p e r a t u r ew a ss i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e d ． C o m p a r e dt oa nu n f a v o r a b l ee f f e c tb r o u g h tb yu s i n gb e n t o n i t eo ro r g a n i cb i n d e rCa l o n e ，ac o m b i n a t i o no fb e n t o n i t ea n d o r g a n i cb i n d e rCc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp e l l e t sa tal o w e rc o s t ，w i t ht h eT F eg r a d e o fg r e e np e l l e t s a l s og r e a t l yi m p r o v e d ． K e yw o r d s i r o n c o n t a i n i n gd u s ta n ds l u d g e ；r o t a r yh e a r t hf u r n a c e ；p e l l e t i z i n g ；r e s o u r c eu t i l i z a t i o n 含铁尘泥是钢铁生产流程中品种最多、成分最复 杂的一类废弃物，富含T F e 、C a O 、M g O 、C 等宝贵资源， 且数量非常庞大，约为钢产量的1 0 ％【1 - 3 ] ，为了实现钢 铁工业可持续健康发展，有效提高资源利用效率，降低 污染排放，对冶金含铁尘泥开展资源化利用研究具有 十分重要的意义。目前，含铁尘泥处理工艺主要分为 物理法、湿法、火法及含铁尘泥高附加值利用等H 。6 1 。 综合对比各钢铁厂含铁尘泥的处理工艺，火法工艺对 含铁尘泥的处理效率较高、处理规模大，是含铁尘泥资 源化利用的主要途径H “1 。 钢铁企业含铁尘泥资源化利用的发展方向是含铁 尘泥的集中化处理，含铁尘泥应该被当成一种资源，按 其基础特性进行综合分类和管理，同时资源化利用方 式应能够达到一定的规模与效率，基于以上分析，直接 还原法和熔融还原法将是未来钢铁企业含铁尘泥处理 的主流工艺[ 9 。1 1 | 。转底炉工艺是目前比较受关注的用 于处理各钢厂含锌铁粉尘的直接还原工艺的典型代 表，能有效利用尘泥中的铁、碳和C a O 等物质，生产金 ①收稿日期2 0 1 6 0 9 2 7 作者简介毛瑞 1 9 8 8 - ，男，江苏连云港人，博士，主要从事高炉炼铁及二次资源综合利用等研究工作。 万方数据 矿冶工程 第3 7 卷 属化球团，具有较好的处理效果卜”o 。沙钢转底炉的 成型工艺采用圆盘造球的形式，含铁尘泥成球效果的 好坏直接影响金属化球团的产量和质量，故本文基于 转底炉工艺，对含铁尘泥开展造球试验研究，优化转底 炉造球工艺，以期为转底炉处理含铁尘泥工艺的改进 和创新提供参考。 1 试验原料 1 ．1 原料化学成分 沙钢转底炉使用的含铁尘泥有电炉灰、高炉矿槽 除尘灰、高炉出铁场除尘灰、高炉污泥和转炉污泥等， 使用的粘结剂为膨润土，本文以沙钢转底炉所使用的 各种原料为基准，设计方案，开展模拟试验。各种含铁 尘泥原料的化学成分如表1 所示。 表1 含铁尘泥原料化学成分 质量分数 ／％ 原料T F e S i 0 2 2 ．5 0 6 ．4 0 5 ．9 3 6 ．8 3 2 ．6 6 5 7 ．5 0 C a O M 9 0 A 1 2 0 3 C H 2 0 电炉灰 4 6 ．0 5 矿槽除尘灰4 9 ．3 4 出铁场除尘灰4 9 ．2 9 高炉污泥 3 3 ．7 9 转炉污泥 5 1 ．0 0 膨润土 5 ．2 0 2 ．2 3O ．6 20 ．4 5 8 ．3 01 ．5 92 ．3 5 9 ．7 52 ．5 92 ．1 4 3 ．9 41 ．1 43 ．o o 9 ．1 42 ．5 30 ．8 6 7 ．3 03 ．0 91 9 ．5 0 O ．9 0 1 0 ．0 0 3 ．3 3 2 2 ．5 0 7 ．0 7 1 0 ．3 1 8 ．0 1 1 ．9 3 1 4 ．8 2 1 1 ．2 0 9 ．2 l 将上述含铁尘泥按一定配比进行配料，生产金属 化球团，可充分利用含铁尘泥中F e 、c 和c a 等有价元 素，实现含铁尘泥球团的自还原，从而回收尘泥中F e 和Z n 。 1 ．2 原料粒度组成 粒度分布是含铁尘泥的重要特性之一，它对含铁 尘泥造球效果有较大影响。对各种含铁尘泥的粒度进 行了检测分析，结果如表2 所示。 表2 含铁尘泥粒度分析结果 粒度鱼量 丝 ／m m 电炉灰矿槽除尘灰出铁场除尘灰高炉污泥转炉污泥 一0 ．1 58 0 ．2 6 O ．1 5 ～O ．5 01 0 ．6 1 O ．5 一1 ．07 ．3 2 1 ．O ～3 ．01 ．8 1 6 9 ．7 0 6 ．8 3 1 5 ．1 0 8 ．3 7 9 3 ．3 4 1 ．3 3 1 ．8 6 3 ．4 7 4 4 ．4 6 1 3 ．3 6 3 0 ．3 0 1 1 ．8 8 3 1 ．4 2 1 4 ．0 1 3 6 ．2 9 1 8 ．2 8 2 试验方法 2 ．1 含铁尘泥成球性能 在含铁尘泥的各项基础性能中，颗粒表面的亲水 性、颗粒形状及大小，对其成球性影响最大。含铁尘泥 颗粒表面亲水性越高，固相与液相界面的接触角越小， 颗粒容易被水浸湿，薄膜水和毛细水含量越高，毛细水 的迁移速度也高，从而成球性能好。成球性指数K 可 用来表征含铁尘泥成球性的好坏 K 去 ㈩ ％一％ j 式中％为含铁尘泥最大分子水含量，％；睨为含铁 尘泥最大毛细水含量，％； 采用压滤法测定含铁尘泥的最大分子水，用机械 压力将含铁尘泥试样中的重力水与毛细水压出，并用 滤纸吸收，保留在试样中的水就是最大分子水；采用容 量法测量含铁尘泥的最大毛细水，利用毛细水只能靠 毛细力的作用在颗粒之间形成的毛细孔迁移、重力并 不能使其发生运动的原理，当微颗粒间的孔隙为毛细 水所充满时，所填充的水就是最大毛细水。 不同K 值所对应的成球性评价见表3 。 表3 不同， 值所对应的成球性评价 K 值成球性评价 O ．8 0 无成球性 较弱成球性 中等成球性 较好成球性 优良成球性 2 ．2 含铁尘泥造球试验 将各种含铁尘泥按一定比例进行配料，加入一定 量的粘结剂 膨润土和有机粘结剂 ，充分混合后，再 加入一定比例的水，使混合料达到造球原料的含水标 准，并采用圆盘造球机进行造球。试验所用圆盘造球 机的主要技术参数为直径l0 0 0m m ，转速2 8r ／m i n ， 边高1 5 0m m ，倾角4 7 。，造球时每批料量1 0k g ，造球时 间约1 0m i n 。造好的生球经过人工筛分，将1 0 ～1 2 ．5 m m 的生球作为合格生球，测定生球抗压强度、落下强 度、生球水分和爆裂温度等性能，作为衡量造球效果的 综合考核指标。 3 结果与讨论 3 ．1 含铁尘泥的成球性能 静态成球性指数K 是综合反映物料粒度、粒度组 成、比表面积和亲水性能的参数，可根据K 值大小来 衡量含铁尘泥的静态成球性能，K 值越大，说明其越容 易成球。本文所用各种含铁尘泥的K 值如表4 所示。 由表4 可以看出，5 种含铁尘泥的K 值均大于o ．8 0 ，单 纯从成球性指数来看，5 种含铁尘泥具有非常好的成 球性，但是成球性指数并非越大越好。对于圆盘造球 工艺来说，在造球的初始阶段，尘泥颗粒具有较大的表 万方数据 第2 期 毛瑞等基于转底炉工艺的冶金含铁尘泥造球试验研究 面能，小球核以聚集的方式长大，当球核聚集长大到一 定阶段，由于转动力矩的作用，不能继续聚集长大，此 时生球主要以磨损、磨剥转移和成层的方式长大，若K 值过大，物料的亲水性太强，细粒物料易聚结成母球， 且母球保水能力强、强度好，在造球过程中母球不易破 损，影响母球以磨损、磨剥转移和成层的方式长大，最 终导致母球过多，母球长大缓慢。 表4 各种含铁尘泥的静态成球性指数K 值 含铁尘泥 K 值 1 ．1 2 O ．9 2 O ．9 6 1 ．7 3 1 ．5 5 电炉灰 矿槽除尘灰 出铁场除尘灰 高炉污泥 转炉污泥 本文所用的5 种含铁尘泥K 值过大，亲水性强， 在造球过程中，母球很容易形成，但是长大缓慢，需加 大造球水分才能使母球聚结长大，最终生球的水分高， 不利于后续工艺生产的进行。故在设计含铁尘泥时， 应考虑成球性的影响，保持成球性在合理区间内，从而 保证转底炉生产的稳定顺行。在综合考虑含铁尘泥混 合料的碳含量、全铁含量、锌含量以及成球性等指标， 设计的配比方案为电炉除尘灰矿槽除尘灰出铁场 除尘灰高炉污泥膨润土 2 1 3 0 1 9 2 5 5 ，基于该配 比方案开展造球试验。 3 ．2 膨润土对造球效果的影响 膨润土是目前被广泛采用的球团粘结剂。考察了 膨润土用量对含铁尘泥生球性能的影响，结果如图1 所示． 图l膨润土添加量对生球质量的影响 由图l 可以看出，随着膨润土添加量逐渐增大，生 球的抗压强度和落下强度逐渐提高。膨润土具有较强 的吸水能力，当膨润土被润湿后，一方面膨润土各层吸 水膨胀形成连接桥，降低了生球孔隙率，拉近了颗粒间 距离，从而提高颗粒间的毛细力和粘滞力；另一方面， 在造球过程中，受压力、剪切力的影响，膨润土各片层 产生滑动，形成纤维星散结构，可将含铁尘泥颗粒紧密 粘结在一起，从而提高生球的抗压强度。膨润土具有 较强的吸水能力，吸水形成的粘结桥具有较强的塑性， 分散在含铁尘泥颗粒之间，当生球受到外力冲击，颗粒 之间可产生滑动，从而提高生球的落下强度。 膨润土的吸水、缚水能力都高于含铁尘泥，在造球 过程中，加入膨润土后，含铁尘泥颗粒能快速聚结成 核，较多的水分变为层问水，这种层间水不随机械力的 作用而发生转移，使得球核的强度提高，减少了球核的 破碎，使得球核的长大速度变慢，需加大造球水分才能 使球核长大，最终导致生球的平均粒度小、水分高。 对于含铁尘泥生球，在烘干过程中，生球表面的水 分首先被蒸发，球团内部水分在毛细力的作用下逐渐 向球团表面扩散，当水分扩散过快时，会使内压力急剧 增大，一旦内压力超过球团的抗张强度，就会产生爆 裂。生球干燥过程中的内压力可由波伊索尔斯定理 计算 Ⅳ，1、2 P 塑场2 J s ；业j 生R 2 g ‘ 占’ 式中P 为含铁尘泥生球干燥过程中的内压力；K 为科 泽恩常数；町为水的粘度；V 为脱水速度；p 为原料密 度；S 为比表面；占为气孔率；R 为球团半径。 由式 2 可知，在其他条件不变的情况下，内压力 与脱水速度成正比，膨润土由于具有较强的吸水和缚 水性能，可使生球在干燥过程中缓慢释放出水分，降低 脱水速度，从而避免因内压力过大而使生球产生爆裂， 因此，随着膨润土添加量增加，含铁尘泥生球的爆裂温 度逐渐提高。 3 ．3 有机粘结剂对造球效果的影响 本文选用一种新型有机粘结剂c ，其配加量小，可 显著改变含铁尘泥原料的成球性，在球团高温氧化过 程中将完全燃烧生成C O 和H 0 ，可显著提高成品球 的全铁品位。有机粘结剂C 用量对含铁尘泥生球性 能的影响如图2 所示。图2 中点划线部分为添加5 ％ 膨润土时含铁尘泥球团的各项性能，从图中可以看出， 添加有机粘结剂C 后，含铁尘泥的成球性能得到大幅 度改善，有机粘结剂c 添加量为0 ．2 5 ％时，含铁尘泥生 球的各项性能均优于添加5 ％的膨润土。有机粘结剂 c 的加入，使含铁尘泥的成球性得到大幅改善，相对于 膨润土而言，添加有机粘结剂c 后造球所加入的水分 有了很大程度的提高，有机粘结剂c 使用量为o ．2 5 ％ 万方数据 1 1 0矿冶工程 第3 7 卷 时，生球含水量便达到了1 6 ．9 ％，而当有机粘结剂c 使 用量为0 ．7 5 ％时，生球含水量高达2 0 ．7 ％，但生球表面 看起来依然非常干燥，说明有机粘结剂C 具有比膨润 土更强的吸水和缚水能力。 3 2 蠢2 4 瞽1 6 瓣8 0 有机粘结剂C 添加量／％有机粘结剂C 添加量／％ 图2 有机粘结剂C 添加量对生球质量的影响 随着有机粘结剂c 添加量增加，生球的抗压强度 变化不大，略高于使用膨润土时的生球，而生球的落下 强度逐渐增加，尤其是有机粘结剂c 用量由0 ．5 0 ％增 加至0 ．7 5 ％时，生球的落下强度由1 3 次升高至4 0 次， 增加幅度明显；随着有机粘结剂c 使用量增加，生球的 爆裂温度逐渐降低，由o ．2 5 ％时的7 0 0o C 降低至0 ．7 5 ％ 时的5 0 0 ℃，但仍高于使用膨润土时的生球。 通过分析，有机粘结剂C 的吸水量约是膨润土的 1 0 倍以上，可大幅提升含铁尘泥物料的亲水性能，在 造球过程中，当加入水后，粘结剂中的聚合物将形成巨 大的空间网状结构，将含铁尘泥颗粒紧密地连结在一 起，使得含铁尘泥物料快速聚合、长大，使生球具备一 定的强度。由于有机粘结剂c 的吸水性非常强，使得 生球的含水量远高于使用膨润土时的生球，生球具有 很强的塑性，从而其落下强度得到了大幅提升；另一方 面，生球的塑性过高对抗压强度不利，故抗压强度变化 不大。 含铁尘泥生球的爆裂温度不仅受生球水分的影 响，同时还受烘干过程中的水分蒸发速度影响。烘干 温度为1 5 0 ℃时，分别对配加5 ％膨润土、0 ．2 5 ％有机 粘结剂c 和0 ．5 0 ％有机粘结剂c 所得生球的水分蒸发 速度进行了检测和分析，结果如图3 所示。由图3 可 以看出，烘干温度为1 5 0o C 时，无论添加何种粘结剂的 生球，当烘干时间为8 0m i n 时，生球水分均可完全脱 除。但生球在不同烘干时间时的水分脱除速率有很大 区别，相对于有机粘结剂c ，膨润土的缚水性能稍差， 故添加5 ％膨润土的生球在烘干过程的前2 5m i n 内， 水分脱除迅速，明显快于添加0 ．2 5 ％有机粘结剂C 的 生球，添加o ．5 0 ％有机粘结剂c 的生球脱水最慢；由式 2 可知，烘干过程中生球的内压力与脱水速度成正 比，而内压力过大会使生球产生爆裂，故添加5 ％膨润 土生球的爆裂温度要低于添加有机粘结剂C 的生球。 烘十时间／m i n 图3 配加不同粘结剂的生球脱水率随时间的变化 总的说来，使用有机粘结剂C 后，生球的成球速 度以及各项性能均有一定程度的提高，但生球的水分 过高，球团表面粗糙，平均粒径小，不利于后续生产的 顺利进行；另外，有机粘结剂的成本高、配加量少，生产 过程中较难控制。 3 ．4 复合粘结剂对造球效果的影响 以上研究表明，单独使用膨润土或有机粘结剂c 均不能达到较好的效果，故通过试验探索复合粘结剂 用于含铁尘泥造球的可行性。试验选用3 种不同种类 的有机粘结剂C ，其2 ％溶液的粘度分别为14 0 0 、10 0 0 和5 0 0m P a s ，先将膨润土和有机粘结剂C 按8 l 的 比例混合，再将此混合物作为复合粘结剂按1 ．1 2 5 ％的 比例配人含铁尘泥，充分混合均匀后进行造球试验，结 果如图4 所示． 复合粘结剂粘度／ m P a s 复合粘结剂粘度／ m P a s 图4 不同复合粘结剂对生球各项性能的影响 相对于膨润土，添加复合粘结剂后，含铁尘泥的成 万方数据 第2 期毛瑞等基于转底炉工艺的冶金含铁尘泥造球试验研究 球性能得到了很大幅度的改善，复合粘结剂具有较好 的水分控制效果，母球很容易形成，成球速度非常快， 生球表面光滑、圆润，粒级分布均匀，平均粒径大。 由图4 可以看出，随着复合粘结剂中有机粘结剂 c 粘度降低，生球的抗压强度和落下强度整体上呈现 降低的趋势；有机粘结剂c 的吸水性与其粘度呈现一 定的正相关性，因此，随着有机粘结剂c 粘度降低，生 球的水分也逐渐降低，由1 5 ．8 ％降低至1 3 ．9 ％，水分整 体上趋于正常水平；另外，随着复合粘结剂中有机粘结 剂c 粘度逐渐降低，其缚水能力逐渐减弱，因此，生球 的爆裂温度也随之降低。 综合来看，使用复合粘结剂所得含铁尘泥生球的 各项指标要优于单独使用膨润土或有机粘结剂c 的 生球，且其使用成本低、用量少，能显著提高球团全铁 品位，因此，复合粘结剂作为含铁尘泥造球粘结剂是可 行的，是未来含铁尘泥造球粘结剂的发展方向之一。 4 结论 1 随着膨润土添加量逐渐增大，含铁尘泥生球的 抗压强度、落下强度以及爆裂温度都逐渐提高，当膨润 土添加量为5 ％时，生球的抗压强度、落下强度以及爆 裂温度分别为5 ．9N 、1 1 次和5 5 0o C 。 2 随着有机粘结剂c 添加量增加，生球的抗压强 度变化不大，略高于使用膨润土时的生球，而生球的水 分和落下强度变化明显，当有机粘结剂C 用量由0 ．5 0 ％ 增加至0 ．7 5 ％时，生球的水分由1 8 ．8 ％增至2 0 ．7 ％，落 下强度由1 3 次升高至4 0 次；生球的爆裂温度随着有 机粘结剂C 添加量增加而逐渐降低。 3 单独使用膨润土或有机粘结剂c 均不能达到 较好的效果，使用膨润土和有机粘结剂c 组成的复合 粘结剂可显著提高生球的各项性能，同时可提高含铁 尘泥球团的全铁品位，降低粘结剂使用成本，在经济上 和技术上都具有可行性。 参考文献 [ 1 ] 李正义，陈飚．钢铁企业含铁污泥的综合利用技术与效益[ J ] ． 中国资源综合利用，2 0 0 3 9 2 3 2 4 ． [ 2 ] 陈砚雄，冯万静．钢铁企业粉尘的综合处理与利用[ J ] ．烧结球 团，2 0 0 5 ，3 0 5 4 2 4 6 ． [ 3 ] 刘百臣，魏国，沈峰满，等．钢铁厂尘泥资源化管理与利用[ J ] ． 材料与冶金学报，2 0 0 6 ，5 3 2 3 1 2 3 7 ． [ 4 ]曹克，胡立光．水力旋流分离技术在瓦斯泥脱锌工程中的应用 与研究[ J ] ．宝钢技术，2 0 0 6 5 1 6 1 8 ． [ 5 ] 王彩虹，杨云虎，秦彩霞．酒钢冶炼工序除尘灰高效利用研究[ J ] ． 矿冶工程，2 0 1 5 ，3 5 3 1 0 3 1 0 5 ． [ 6 ] 余雪峰，薛庆国，王静松，等．钢铁厂含锌粉尘综合利用及相关处 理工艺比较[ J ] ．炼铁，2 0 1 0 ，2 9 4 5 6 6 2 ． 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