粘结剂在转炉造渣剂中的应用研究.pdf

粘结剂在转炉造渣剂中的应用研究 ① 杨正华， 张朝晖， 李新涛， 徐书祥， 米小雨 （西安建筑科技大学 冶金工程学院，陕西 西安 710055） 摘 要 以转炉除尘灰和氧化铁皮为原料，膨润土、氧化钙和水玻璃作为粘结剂制备了转炉造渣剂，研究了粘结剂种类对转炉造渣 剂强度的影响。 结果表明，膨润土和氧化钙单独作为粘结剂使用时，试样的生球落下强度较高，但干球抗压强度无法满足生产指 标；水玻璃单独作为粘结剂使用时，试样的干球抗压强度较高，但生球落下强度较低，加入量超过原料质量的 7％时方可满足生产需 求；三者混合使用时，采用正交实验确定了可满足生产指标的最优配比，即膨润土、氧化钙和水玻璃加入量分别为原料质量的 4％、 7％和 3％，此时制备的转炉造渣剂性能好，生球落下强度为 3.7 次，干球抗压强度为 9.89 MPa。 关键词 转炉造渣剂； 粘结剂； 膨润土； 氧化钙； 水玻璃 中图分类号 TF046文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2019.03.024 文章编号 0253-6099（2019）03-0099-04 Utilization of Binders in Slagging Agent for Converter YANG Zheng-hua， ZHANG Zhao-hui， LI Xin-tao， XU Shu-xiang， MI Xiao-yu （School of Metallurgical Engineering， Xi′an University of Architecture and Technology， Xi′an 710055， Shaanxi， China） Abstract With the ESP dust from converter and iron scrap as raw materials， a kind of slagging agent for converter was prepared with bentonite， calcium oxide and water glass as the binders. The influence of different binders on the strength of slagging agent was studied. It was found that， when the sample was prepared with bentonite or calcium oxide as the binder， the drop number of the produced green pellet was higher， but the compressive strength of dry pellet could not meet the production indicators. Only with water glass as the binder， the prepared dry green pellet had the higher compressive strength and lower drop number. However， with the addition of water glass at the amount of over 7％ of raw material （by mass）， the prepared pellet could meet the requirement for production. The orthogonal experiments determined the optimal proportioning of a combination of bentonite， calcium oxide and water glass as the binder for the normal production with the addition at the amount of 4％， 7％ and 3％， respectively， of the raw material （by mass）. The slagging agent showed good properties. The drop number and the compressive strength for the prepared green pellet was 3.7 times and 9.89 MPa， respectively. Key words slagging medium for converter； binder； bentonite； calcium oxide； water glass 我国钢铁企业生产过程中会产生大量固体废弃 物，占用土地的同时可能会对环境造成污染，因此综合 利用这些固体废弃物对减少占地面积、保护环境具有 重要意义[1]。 此类固体废弃物中有些含铁量高的物 质可以作为二次资源回收，如炼钢过程中产生的转炉 除尘灰和氧化铁皮，可作为原料用来制备转炉用造渣 剂，实现其回收利用[2-4] 。 在冷固结制备转炉造渣剂的过程中，粘结剂的选择 直接影响造渣剂的质量和性能，因此粘结剂的选择尤为 重要[5-8]。 粘结剂分为无机粘结剂和有机粘结剂 2 种， 其中无机粘结剂因其价格低、易获得，广泛用于制备造 渣剂。 目前常用的无机粘结剂有膨润土、氧化钙、水玻 璃和水泥等[6-7]。 膨润土（Al2O34SiO2H2O）具有较 强的粘结性、分散性及吸水性，在混料成型过程中有调 节水分的作用，可提高生球落下强度；氧化钙（CaO）可 与水反应生成氢氧化钙，具有很强的粘结能力，且氧化 钙对炼钢过程有益[9]；水玻璃（Na2OnSiO2）作为粘 结剂固化后粘结强度较高，利于提高干球抗压强度；水 泥作为粘结剂养护周期长，占地面积大，且会带入大量 的杂质。 综合上述原因，本实验选择膨润土、氧化钙和 ①收稿日期 2019-01-08 基金项目 陕西省教育厅地方专项 17JF014；西安市科技局 CXYZKD009；陕西省工业科技攻关项目（2016GY-221） 作者简介 杨正华（1984-），男，陕西兴平人，硕士研究生，主要研究方向为固体废弃物的回收利用。 第 39 卷第 3 期 2019 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №3 June 2019 万方数据 水玻璃作为粘结剂，对不同粘结剂在转炉造渣剂中的 应用进行了研究。 1 实 验 1.1 实验原料 实验采用转炉除尘灰和氧化铁皮作为原料。 其中 转炉除尘灰为干法除尘灰（化学成分见表 1），95％以 上的转炉除尘灰粒度大于 74 μm。 转炉除尘灰单独作 为原料使用时，在成型过程中易产生弹性后效，造成坯 体内部缺陷，影响试样强度。 表 1 转炉除尘灰化学成分（质量分数） ／ ％ TFeFeOSiO2CaOMgOPS 54.830.51.547.283.270.0520.174 氧化铁皮是轧钢过程中产生的黑色片状含铁氧化 物（化学成分见表 2），长宽分布在 3～5 mm 之间。 将 其作为原料与转炉除尘灰混合使用，可有效改善成型 性能，解决弹性后效等问题[10]。 表 2 氧化铁皮化学成分（质量分数） ／ ％ FeSiO2Al2O3CaOMgOP2O5MnOS 67.781.131.280.390.130.050.670.01 实验选用膨润土（化学成分见表 3）、分析纯氧化 钙（CaO 含量不低于98％，粒度-74 μm）和工业级水玻 璃作为粘结剂。 其中水玻璃密度为 1.382 g／ cm3，模数 在 3.1～3.4 之间，因水玻璃在空气中的固化速度慢，所 以采用氟硅酸钠作固化剂加速其固化，氟硅酸钠的加 入量为水玻璃质量的 15％。 表 3 膨润土化学成分（质量分数） ／ ％ SiO2Al2O3 CaOMgO K2ONa2O 57.2519.360.812.340.710.45 1.2 配料及成型 首先将质量比为 1∶1的转炉除尘灰和氧化铁皮进 行混合，在混料的过程中一部分氧化铁皮碎裂变小，与 转炉除尘灰形成颗粒级配，使其达到最紧密堆积并消 除成型后弹性后效的影响[10]；其次按比例加入粘结剂 及所需固化剂进行二次混料；最后加入原料质量 7％ 的水进行搅拌混匀。 原料混合均匀后，采用型号为 YES-600 的数显式液压机将其压制成型，成型压力为 60 kN，试样尺寸为 Φ36 mm 18 mm。 1.3 结果测试 实验采用生球落下强度和干球抗压强度来衡量试 样的性能。 采用液压机对试样施加压力，得到试样破 碎时对应的压力值，经过计算即可获得其干球抗压 强度。 每组试样在成型后随机抽取 10 个用于检测生球 落下强度，计算平均值作为该组试样的生球落下强度。 剩余试样放入恒温烘箱内 100 ℃干燥 2 h 后，随机抽 取 10 个试样检测干球抗压强度，计算平均值作为该组 试样的干球抗压强度。 转炉造渣剂在生产过程中需要 进行运输及堆放，若球团强度不足，在生产过程中，有 可能受到碰撞而碎裂。 考虑到生产过程的实际情况， 实验中转炉造渣剂强度需满足如下指标生球落下强 度需大于 2 次，干球抗压强度需大于 8 MPa。 实验流 程见图 1。 检测落下强度 冷压成型搅拌混匀 检测抗压强度 干燥 转炉除尘灰 氧化铁皮 粘接剂及固化剂 水 图 1 实验流程 2 实验结果及讨论 2.1 膨润土对试样强度的影响 将质量比为 1 ∶1的转炉除尘灰和氧化铁皮混匀 后，分别加入原料质量 1％、2％、3％、4％、5％的膨润土 及 7％的水制备了试样，并对其强度进行测试，膨润土 添加量对试样强度的影响见图 2。 膨润土添加量／％ 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 12345 抗压强度／MPa 落下强度／次 ■ ▲ ■ ▲ ■ ▲ ■ ▲ ■ ▲ 图 2 膨润土添加量对试样强度的影响 如图 2 所示，随着膨润土添加量增加，试样的生球 落下强度和干球抗压强度变化规律一致，均出现了先 增加后下降的趋势。 膨润土属于粒度极细的蒙脱石集 合体，在混料搅拌过程中易于吸水膨胀，分解成片状组 分，具有良好的粘结性，有助于试样形成稳定的结构， 001矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 因此加入膨润土可以提高试样的生球落下强度；试样 干燥后，其干球抗压强度也相应地提高[11]。 随着膨润 土的加入，试样强度增加，在加入量为 4％时达到最大 值；继续增加膨润土添加量，由于膨润土吸水性较强， 较多的水分被膨润土吸收，无法在原料内均匀分布，混 料时出现颗粒团聚现象，导致混料无法均匀，试样内部 产生缺陷，强度反而下降。 膨润土添加量为 1％时，试 样的生球落下强度即可满足生产指标；但干球抗压强 度较低，即使在膨润土添加量为 4％ 时达到最大值 2.68 MPa，仍无法满足工业要求。 2.2 氧化钙对试样强度的影响 将质量比为 1 ∶1的转炉除尘灰和氧化铁皮混匀 后，分别加入原料质量 1％、3％、5％、7％、9％的氧化钙 及 7％的水制备了试样，并对其强度进行测试，氧化钙 添加量对试样强度的影响见图 3。 氧化钙添加量／％ 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 13579 抗压强度／MPa 落下强度／次 ■ ▲ ■ ▲ ■ ▲ ■ ▲ ■ ▲ 图 3 氧化钙添加量对试样强度的影响 如图 3 所示，随氧化钙用量增加，生球落下强度和 干球抗压强度变化趋势一致。 当氧化钙添加量小于 7％时，试样强度随其添加量增多而增大，添加量为 7％ 时达到最大值；继续增加氧化钙添加量，由于水分不够 导致原料无法混匀，强度出现下降的趋势。 氧化钙在 混料过程中，会与水生成氢氧化钙，氢氧化钙胶体颗粒 具有很强的粘结能力，从而提高了成型后试样的强度。 试样在干燥过程中，与空气中的 CO2结合形成碳酸 钙，其失水后在试样表面形成网状结构晶须[12-13]，能 提高干球的抗压强度。 氧化钙单独作为粘结剂使用 时，添加量为 1％时，试样生球落下强度就可以满足生 产指标；但干球抗压强度即使在加入量为 7％时达到最 大值 4.08 MPa，仍无法满足生产要求。 2.3 水玻璃对试样强度的影响 将质量比为 1 ∶1的转炉除尘灰和氧化铁皮混匀 后，分别加入原料质量 3％、5％、7％、9％、11％的水玻 璃及 7％的水，其中氟硅酸钠的添加量始终为水玻璃 质量的 15％，水玻璃添加量对试样强度的影响见图 4。 水玻璃添加量／％ 21 18 15 12 9 6 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 357911 抗压强度／MPa 落下强度／次 ■ ▲ ■ ▲ ■ ▲ ■ ▲ ■ ▲ 图 4 水玻璃添加量对试样强度的影响 如图 4 所示，随着水玻璃用量增加，试样生球落下 强度提高不大，但是干球抗压强度明显升高。 试样在 干燥过程中，空隙间的水玻璃会硬化固结形成立体的 网状结构，对物料起到包裹和支撑作用，因此随着水玻 璃添加量增加，试样干球抗压强度增大[14]。 当水玻璃 加入量高于 3％时，试样抗压强度便大于 8 MPa，可以 满足生产指标；但是其落下强度在水玻璃添加量达到 7％时，才达到 2.1 次，刚满足生产指标。 2.4 复合粘结剂配比正交实验 由图 2～3 可知，膨润土或氧化钙添加量为 1％时， 试样生球落下强度就可以满足生产指标，但其干球抗 压强度较低；由图 4 可知，水玻璃添加量较低时，其干 球抗压强度就可满足生产指标，但其生球落下强度较 低。 由于水玻璃的价格与膨润土、氧化钙相比偏高，其 加入过多也会影响造渣剂的碱度，所以在满足生产指 标的前提下，应尽可能地降低水玻璃用量。 为提高实 验效率并获得最优性能，设计正交实验确定三者可满 足生产指标的最优配比。 正交实验设计与结果分别见 表 4 及表 5。 从表 5 可以看出，当膨润土、氧化钙和水 玻璃作为粘结剂复合使用时，每个实验结果均满足生 产指标。 对生球落下强度来说，最好的实验条件为 A3B3C1，即水玻璃、膨润土和氧化钙的添加量分别为 原料质量的 7％、4％和 7％。 同理，对干球抗压强度而 言，最好的实验条件为 A1B3C3，即水玻璃、膨润土和氧 化钙的添加量分别为原料质量的 3％、4％、7％。 水玻 璃的价格偏高，其添加量的增加会降低造渣剂的碱度， 表 4 正交实验表 水平 因素 水玻璃添加量（A） ／ ％ 膨润土添加量（B） ／ ％ 氧化钙添加量（C） ／ ％ 1323 2535 3747 101第 3 期杨正华等 粘结剂在转炉造渣剂中的应用研究 万方数据 表 5 正交实验设计与结果 水平 因素实验结果 ABC落下强度／ 次抗压强度／ MPa 11112.38.19 21222.98.13 31333.79.89 42123.59.24 52233.28.26 62314.18.27 73133.68.40 83214.38.79 93323.98.35 落 下 强 度 K13.03.13.6 K23.63.53.4 K33.93.93.5 R1.00.80.1 抗 压 强 度 K18.748.618.42 K28.598.408.58 K38.518.848.85 R0.220.440.43 不利于快速熔渣，所以选择水玻璃较少的配方，即正交 配方 A1B3C3，此时试样的生球落下强度为3.7 次，干球 抗压强度为 9.89 MPa。 3 结 论 1） 膨润土和氧化钙单独作为粘结剂使用时，制备 的转炉造渣剂生球强度较高，但干球抗压强度无法满 足生产指标。 水玻璃单独作为粘结剂使用时，制备的 转炉造渣剂干球抗压强度较高，但其生球落下强度较 低，加入量超过原料质量的 7％时方可满足生产要求。 2） 三者混合使用时，采用正交实验确定了可满足 生产指标的最优配比，即膨润土、氧化钙和水玻璃的加 入量分别为原料质量的 4％、7％和 3％时，制备的转炉 造渣剂性能最好，其生球落下强度为 3.7 次，干球抗压 强度达到 9.89 MPa，满足生产要求。 参考文献 [1] 陈泉源，柳欢欢. 钢铁工业固体废弃物资源化途径[J]. 矿冶工 程， 2007（3）49-56. [2] El-Hussiny N A， Shalabi M E H. A self-reduced intermediate product from iron and steel plants waste materials using a briquetting process[J]. Powder Technology， 2010，205（1）217-223. [3] 于先坤，杨 洪，华绍广. 冶金固废资源化利用现状及发展[J]. 金属矿山， 2015，44（2）177-180. [4] 张寿荣，张卫东. 中国钢铁企业固体废弃物资源化处理模式和发 展方向[J]. 钢铁， 2017，52（4）1-6. [5] 刘真真，孙体昌，余 文，等. 粘结剂对某高铁尾矿含碳球团强度 的影响[J]. 矿冶工程， 2013，33（6）84-87. [6] 甘 胤，王吉坤，包崇军，等. 冷压球团技术在冶金中的研究进展[J]. 矿产综合利用， 2014（1）10-15. [7] 毛 瑞，王 飞，杜 屏，等. 基于转底炉工艺的冶金含铁尘泥造 球试验研究[J]. 矿冶工程， 2017，37（2）107-111. [8] 罗渝东，郭秀键，李 勇. 钢铁厂除尘灰冷压成球技术的实验研究[J]. 烧结球团， 2014，39（3）44-47. [9] Mandal A K， Sarkar A， Sinha O P. Utilization of Lime Fines as an Ef- fective Binder as well as Fluxing Agent for Making Fluxed Iron Ore Pel- lets[J]. Journal of the Institution of Engineers， 2016，97（1）69-75. [10] 李 楠，顾华志，赵惠忠. 耐火材料学[M]. 北京冶金工业出版 社， 2010. [11] 鞠建英，申东铉. 膨润土在工程中的开发与应用[M]. 北京中国 建材工业出版社， 2003. [12] 孙 波，李家新，龙红明，等. 粘结剂对尘泥含碳球团干球强度的 影响[J]. 烧结球团， 2014，39（2）32-36. [13] 刘效彬. 中国传统灰浆的化学组成特征及粘结机理研究[D]. 杭 州浙江大学人文学院， 2015. [14] 侯彩英，周艳明，罗 红，等. 水玻璃的固化机理及其提高耐水性 途径分析[J]. 陶瓷， 2011（8）18-21. 引用本文 杨正华，张朝晖，李新涛，等. 粘结剂在转炉造渣剂中的应用 研究[J]. 矿冶工程， 2019，39（3）99-102. 201矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据