微波处理转炉钢渣回收铁的试验研究.pdf
微波处理转炉钢渣回收铁的试验研究 ① 张彦龙1, 艾立群2, 张小妹2, 朱祎姮2 (1.邯郸钢铁集团有限责任公司, 河北 邯郸 056016; 2.河北联合大学 冶金与能源学院,河北 唐山 063009) 摘 要 在氮气保护气氛下利用微波加热对转炉钢渣的碳热还原行为进行了研究。 结果表明铁收得率随钢渣粒度、还原温度、碳当 量、保温时间的增加而升高。 在 2 倍碳当量、粒度 0.15 mm、还原温度为 1 400 ℃下保温 45 min,铁收得率最高可达 93.6%,SEM/ EDS 分析显示此条件下所得渣块无 Fe 存在。 该试验为转炉钢渣中铁的回收提供了依据。 关键词 转炉钢渣; 碳热还原; 微波加热; 回收铁 中图分类号 X757文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.04.021 文章编号 0253-6099(2015)04-0080-04 Recovering Iron from Converter Steel Slag by Microwave Processing ZHANG Yan⁃long1, AI Li⁃qun2, ZHANG Xiao⁃mei2, ZHU Yi⁃heng2 (1.Handan Iron and Steel Group Co Ltd, Handan 056016, Hebei, China; 2.School of Metallurgy and Energy, Hebei United University, Tangshan 063009, Hebei, China) Abstract The behavior of carbothermic reduction of the converter slag by microwave heating under nitrogen atmosphere was studied. Results show that iron yield increases with the increasing of slag particle size, reduction temperature, carbon equivalent and heat preservation time. By adding twice as much carbon equivalent, the slag with a granularity of 0.15 mm was heated at reduction temperature of 1 400 ℃ for a heat preservation time of 45 min, and the iron yield attained 93.6%. SEM/ EDS study shows that there is no iron residue in the treated slag. The experiment provides a basis for iron recovery from converter slag. Key words converter steel slag; carbothermic reduction; microwave; iron recovery 目前转炉钢渣主要通过破碎磁选后回收废铁,渣 中以氧化物形式存在的铁、锰等未能回收利用。 回收 废铁后的钢渣用于建材生产、冶炼熔剂、道路工程、地 基回填等[1-2],利用率约为50%~60%[3]。 从环境保护 和资源再利用的角度出发,急需开发除去渣中磷,综合 利用铁、锰等元素的技术[4]。 微波加热具有及时性、选择性、均匀性等优点,在 冶金领域的应用越来越广泛[5-8]。 本文采用转炉钢渣、无烟煤为原料,通过微波加热 方式进行还原试验。 研究了不同条件对转炉钢渣中铁 还原的影响规律,得出还原的最佳工艺条件,为转炉钢 渣的综合利用提供参考。 1 试 验 1.1 试验原料 试验所用钢渣来自首钢京唐公司转炉脱磷钢渣, 其主要成分如表 1 所示,XRD 分析结果如图 1 所示。 表 1 转炉钢渣的主要化学成分(质量分数) / % CaOFeOP2O5SiO2Al2O3MnOMgOTFe 36.6416.047.5416.701.624.327.8414.64 FeO C2F C2S MgO Ca5PO42SiO4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2 / θ 图 1 钢渣 X 射线衍射图谱 ①收稿日期 2015-02-04 基金项目 国家自然科学资助(2012(51174072)) 作者简介 张彦龙(1984-),男,河北平山人,助理工程师,硕士研究生,主要从事品种钢及其洁净化研究。 作者简介 艾立群(1965-),男,河北乐亭人,教授,博士,主要从事品种钢及其洁净化研究。 第 35 卷第 4 期 2015 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №4 August 2015 由图 1 可看出,钢渣主要物相为 C2S、C2F、FeO、 Ca5(PO4)2SiO4、MgO 等。 试验所用无烟煤的主要化学成分如表 2 所示。 表 2 无烟煤的主要化学成分(质量分数) / % 固定碳灰分挥发分硫 73.4720.865.670.23 1.2 试验设备 试验所用 HAMiLab-V6000 型微波高温实验炉如 图 2 所示。 83671 2 4 5 910 图 2 HAMiLab-V6000 微波高温实验炉外观图 1 炉体;2 真空系统;3 气路系统;4 传动系统;5 水 冷系统;6 微波源;7 三销钉调配器;8 电控系统;9 红外 测温仪;10 保温系统 1.3 试验方法 将钢渣和无烟煤磨细至 0.074~0.335 mm,称取钢 渣 50 g,加入试验所需碳当量(此处碳当量表示碳把 转炉钢渣中铁、磷、锰的氧化物全部还原为单质所需要 的碳总质量[9])的无烟煤;混合均匀装入刚玉质坩埚, 放入微波高温气氛实验炉,进行微波加热还原;试验在 氮气保护气氛下进行,完成试验后对反应产物进行相 关测定。 2 试验结果及讨论 2.1 还原温度对铁收得率的影响 在配入 2 倍碳当量(此钢渣对应 1 个碳当量为 3.1 g C/50 g 混合物)、粒度 0.15 mm、保温 30 min 条 件下,不同还原温度对铁收得率的影响如图 3 所示。 根据热力学可知,碳还原钢渣中的 FeO 属于吸热 反应,温度升高有利于反应正向进行,1 100 ℃时,观察 到物料呈现暗红色;还原后渣块边缘呈轻微烧结状,出 现了弥散细小金属颗粒,镶嵌于烧结块状物中,难以 /B, ;5 90 80 70 60 50 40 30 20 1100120013001400 图 3 还原温度对铁收得率的影响 分离,渣块中心部分可以看到未反应的物料。 还原的 铁在过量碳条件下发生渗碳反应,降低了铁的熔点,铁 的流动性变好,渣相中产生局部熔池。 随着温度升高, 渣中的 FeO 被进一步还原,此时碳消耗后形成的空隙 也有利于铁相的扩散凝集和液相汇聚。 1 300 ℃时,在 块状物边缘出现了粗大的合金球,可以轻易的从块状 物剥离下来。 所以提高温度可以促进铁的还原,利于 铁相的集聚长大,且在磁选过程中渣铁也易分离,从而 提高铁收得率。 1 100 ℃ 时,还原反应进行得很不充 分,铁收得率只有26.2%,温度提高到1400 ℃时,铁收 得率可达 84.2%。 综合考虑,适宜的微波处理还原温 度为 1 400 ℃。 2.2 碳当量对铁收得率的影响 在 1 400 ℃、粒度 0.15 mm、保温 30 min 条件下, 碳当量对铁收得率的影响如图 4 所示。 ;5 92 86 80 74 1.01.52.02.53.0 4 图 4 碳当量对铁收得率的影响 钢渣中的配碳量越大,钢渣单位体积内 FeO 和无 烟煤粉的接触面积就越大,还原效果就越好。 无烟煤 是强吸波物质,碳当量升高会导致微波场中被改性无 烟煤粉数量增加,使钢渣中的碳活性增强,增加了无烟 煤的反应性,且能使混合物料接受更多的微波辐射,增 加反应所需要的热量。 配碳量越高,碳的气化反应速 度越快,促进了 FeO 的还原,铁收得率由 1 倍碳当量 时的 74.7%提高到 3 倍时的 90.0%。 但碳当量太大, 18第 4 期张彦龙等 微波处理转炉钢渣回收铁的试验研究 也会造成还原剂的浪费,因此选择 2 倍碳当量。 2.3 粒度对铁收得率的影响 在 1 400 ℃、2 倍碳当量、保温 30 min 条件下,钢 渣粒度对铁收得率的影响如图 5 所示。 ;0min ;5 100 90 80 70 60 0153045 图 6 保温时间对铁收得率的影响 由图 6 可知,随着保温时间延长,铁收得率提高。 保温时间为 0 min 时,铁收得率虽已达到 64.7%,但还 原出的细小铁珠较多,说明还原时间短,铁珠还未能集 聚长大,有的铁珠镶嵌在渣中,分离困难。 还原时间达 到 30 min 时,铁收得率达 84.2%,此时铁珠集聚长大, 渣面也有 CO 逸出留下的气孔。 还原时间为 45 min 时,铁收得率可达 93.6%,渣面趋于光滑,说明物料内 反应生成 CO 越来越少,气孔逐渐为渣相凝聚而消失。 保温时间 45 min 时铁还原效果较好。 2.5 还原产物分析 温度 1 400 ℃、2 倍碳当量、粒度 0.15 mm、保温时 间 45 min 条件下还原后铁珠的 SEM 照片和 EDS 能谱 如图 7 所示。 E /keV Fe Fe 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 E /keV Fe Fe Fe FeMn Mn P P C C ab 2 1 图 7 铁珠 SEM 图及 EDS 分析 (a) SEM; (b) EDS 由图 7 可知,还原后铁珠中元素为 Fe、P、Mn、C。 说明在过量碳存在条件下发生了渗碳反应,且转炉钢 渣中磷和锰的氧化物也可以被还原出来。 渣块的 XRD 分析如图 8 所示。 10 20 30 40 50 60 70 80 Ca3MgSiO42 C2S C3S Ca2Al2SiO7 2 / θ 图 8 渣相 X 射线衍射图谱 图 8 中未发现金属铁或含铁化合物的衍射峰,说 明钢渣中的铁氧化物已全部被还原成金属铁。 渣相物 相组成为 Ca3Mg(SiO4)2、C2S、C3S、Ca2Al2SiO7。 还原后渣块的 SEM 图及 EDS 分析见图 9。 1 1 2 3 4 5 6 7 E /keV C OMg Al Si Ca ab Ca Mn 图 9 渣块的 SEM 图及 EDS 分析 (a) SEM; (b) EDS 28矿 冶 工 程第 35 卷 由图 9 可以看出,还原渣块呈板结状,结构致密。 EDS 扫描显示其元素有 Ca、Si、Mg、O、Al、Mn、C,未发 现 Fe 元素,说明此条件下 Fe 元素的还原很好。 3 应用前景 在试验室条件下,微波碳热还原转炉钢渣回收铁具 有很好的效果。 铁珠可经K2CO3等熔剂进一步脱磷,所 得磷可制成复合肥;脱磷后的金属返回炼钢;还原后的 残渣可作烧结熔剂等。 但目前微波碳热还原转炉钢渣 实现工业化应用还存在一系列问题,如足够大的均匀微 波场的获得、微波能转化为热能的效率、微波泄漏等。 因此,欲将相关试验成果工业化,还需进一步完善微波 冶金理论,加快研制满足工业化生产的微波设备。 4 结 论 1) 微波碳热还原钢渣最佳工艺条件为还原温度 1 400 ℃、2 倍碳当量、钢渣粒度 0.15 mm、保温时间 45 min,此时铁收得率可达 93.6%。 渣块 SEM/ EDS 分 析表明渣块中无 Fe 元素,还原效果好。 2) 其他条件相同的情况下,1 100~1 400 ℃范围 内,温度升高,铁收得率显著提高。 3) 随着碳当量增加,铁收得率提高。 4) 粒度较大的情况下,铁收得率较高。 5) 保温时间在 0~45 min 范围内,保温时间越长, 钢渣还原效果越好。 参考文献 [1] 郭家林, 赵俊学. 钢渣综合利用技术综述及建议[J]. 中国冶金, 2009,9(2)35-38. 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