劉瑜，劉秉國，邢曉鐘

（1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅金昌737100；2.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院；3.金川集團(tuán)股份有限公司）

環(huán)境·健康·安全

高爐瓦斯泥碳熱還原脫鋅研究*

劉瑜1，劉秉國2，邢曉鐘3

（1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅金昌737100；2.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院；3.金川集團(tuán)股份有限公司）

摘要：利用碳熱還原方法，開展了高爐瓦斯泥焙燒脫鋅實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，碳熱還原焙燒高爐瓦斯泥可有效脫除高爐瓦斯泥中的鋅。最佳工藝條件為：焙燒溫度為1 423 K，焙燒時(shí)間為180 min，物料粒徑為9.5～10.5 mm。在最佳工藝條件下，高爐瓦斯泥脫鋅率達(dá)99.2%，焙燒剩余渣中鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.15%，可返回高爐使用。

關(guān)鍵詞：高爐瓦斯泥；碳熱還原；脫鋅率

高爐瓦斯泥是高爐冶煉過程中隨著高爐煤氣攜帶出的原料粉塵及高溫區(qū)激烈反應(yīng)而產(chǎn)生的微粒經(jīng)濕式除塵而得到的產(chǎn)物［1］，其主要成分是氧化鐵和碳，也含有少量鋅、鉍、銦和鉛等有回收價(jià)值的有色金屬［2］。高爐瓦斯泥作為鋼鐵工業(yè)的副產(chǎn)品，每生產(chǎn)1 t鋼將產(chǎn)生約20 kg鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%的高爐瓦斯泥。按中國2012年產(chǎn)鋼7億t計(jì)算，瓦斯泥的年產(chǎn)出量估計(jì)在1 400萬t，折合金屬鋅為140萬～280萬t。由于這些廢棄物通常含有相當(dāng)數(shù)量的鋅、鉛等有價(jià)元素，如果簡單地將其傾倒野外或填埋，不但其重金屬的浸出會污染環(huán)境，而且損失了大量的有價(jià)金屬，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)；若直接返回鋼鐵廠內(nèi)循環(huán)使用，鋅在高爐內(nèi)易循環(huán)富集會縮短爐襯壽命，影響高爐的正常操作［3］。因此，對高爐瓦斯泥進(jìn)行循環(huán)利用研究，開發(fā)二次資源的高效分離技術(shù)及循環(huán)利用技術(shù)，不僅可以使寶貴的資源得到充分利用，而且可以減輕對環(huán)境的污染。

1　實(shí)驗(yàn)原料及方法

1.1原料

瓦斯泥原料取自某鋼鐵公司，其化學(xué)成分見表1。由表1可知，該瓦斯泥的全鐵含量較低，而鋅的含量較高，并含大量的碳。

表1　高爐瓦斯泥試樣的化學(xué)成分%

1.2實(shí)驗(yàn)方法

高爐瓦斯泥預(yù)先經(jīng)圓盤制粒機(jī)制成瓦斯泥球團(tuán)，烘干后，稱取一定數(shù)量和粒徑的瓦斯泥放入管式爐內(nèi)，以24 K/min的升溫速率升至所需溫度，在一定的溫度、粒徑和時(shí)間下焙燒還原。實(shí)驗(yàn)完畢后將碳熱還原后的瓦斯泥試樣做化學(xué)分析，分析其中的鋅元素的含量，然后計(jì)算出脫鋅率。實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖1所示。

圖1　碳熱還原脫鋅實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

1.3脫鋅率的計(jì)算

把碳熱還原焙燒后的高爐瓦斯泥試樣從爐膛內(nèi)取出，然后放到石墨坩堝中進(jìn)行還原性氣氛保護(hù)冷卻，冷卻至室溫后，對瓦斯泥取樣進(jìn)行脫鋅率的測定。瓦斯泥脫鋅率的計(jì)算：

式中：m原始鋅為瓦斯泥最初鋅質(zhì)量，g；m焙燒后鋅為瓦斯泥焙燒后鋅質(zhì)量，g；η脫為瓦斯泥的脫鋅率。

2　碳熱還原脫鋅實(shí)驗(yàn)研究

經(jīng)探索性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響高爐瓦斯泥脫鋅的主要因素有焙燒溫度、焙燒時(shí)間及物料粒徑，以上述3個(gè)因素為條件進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn)，研究各工藝條件對瓦斯泥脫鋅率的影響，確定最佳脫鋅工藝條件。

2.1焙燒溫度對脫鋅率的影響

原料為瓦斯泥粉末，焙燒時(shí)間為45 min，物料質(zhì)量為20 g。焙燒溫度對瓦斯泥脫鋅率的影響結(jié)果如圖2所示。

圖2　高爐瓦斯泥在不同焙燒溫度下的脫鋅率曲線

由圖2可以看出，隨著焙燒溫度的升高，高爐瓦斯泥的脫鋅率不斷提高。在1 223～1 273 K范圍內(nèi)，瓦斯泥脫鋅很快，脫鋅率從1 223 K時(shí)的68.9%提高到1 273 K時(shí)的82.5%；在1 273～1 373 K范圍內(nèi)，脫鋅率增加幅度變緩；當(dāng)焙燒溫度達(dá)1 423 K時(shí)，瓦斯泥脫鋅率達(dá)最大值95.3%。其主要原因在于氧化鋅的碳熱還原是一個(gè)強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，隨著溫度升高，平衡常數(shù)將增大［4］。所以，提高溫度對氧化鋅的還原過程都是非常有利的?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況和高爐生產(chǎn)對瓦斯泥焙燒渣含鋅量的要求，確定最佳的焙燒溫度為1 423 K。

2.2焙燒時(shí)間對脫鋅率的影響

原料為瓦斯泥粉末，焙燒溫度為1 423 K，物料質(zhì)量為20 g。焙燒時(shí)間對瓦斯泥脫鋅率的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3　高爐瓦斯泥在不同焙燒時(shí)間下的脫鋅率曲線

由圖3可以看出，隨著焙燒時(shí)間的延長，高爐瓦斯泥的脫鋅率不斷增大，這與代書華［5］研究的電爐粉塵碳熱還原脫鋅的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相一致。這主要是因?yàn)殡S著焙燒時(shí)間的延長，反應(yīng)C（s）+ZnO（s）= Zn（g）+CO（g）和CO（g）+ZnO（s）=Zn（g）+CO2（g）進(jìn)行得越充分，還原進(jìn)行得越徹底。在15～90 min范圍內(nèi)，瓦斯泥脫鋅率增大很快；當(dāng)焙燒90 min后，脫鋅率增加逐漸變緩；在焙燒時(shí)間為180 min時(shí)，脫鋅率達(dá)最大值98.47%。考慮到工業(yè)生產(chǎn)周期和高爐生產(chǎn)對瓦斯泥焙燒渣含鋅量的要求，最佳焙燒時(shí)間確定為180 min。

2.3物料粒徑對脫鋅率的影響

原料為瓦斯泥球團(tuán)，焙燒溫度為1 423 K，加熱時(shí)間為180 min，物料質(zhì)量為20 g。物料粒徑對瓦斯泥脫鋅率的影響如圖4所示。

圖4　高爐瓦斯泥在不同粒徑下的脫鋅率曲線

從圖4可以看出，在物料粒徑為0.833～10.5 mm時(shí)，隨著物料粒徑的增大，瓦斯泥的脫鋅率在不斷提高，在粒徑為9.5～10.5 mm時(shí)，脫鋅率達(dá)到最大值99.2%；當(dāng)瓦斯泥粒徑從10.5 mm增大至20.5 mm時(shí)，瓦斯泥的脫鋅率又隨粒徑的增加而減小?？赡艿脑蛟谟冢涸诹叫∮?.5 mm時(shí)，由于瓦斯泥粒徑較小，堆積密實(shí)，透氣性差，不利于一氧化碳與氧化鋅的還原反應(yīng)的進(jìn)行，所以脫鋅率低，隨著粒徑的增加，透氣性逐漸暢通，瓦斯泥脫鋅率也不斷提高；當(dāng)瓦斯泥粒徑超過10.5 mm后，由于瓦斯泥的碳熱還原屬于未反應(yīng)核收縮模型，此時(shí)反應(yīng)過程受氣相擴(kuò)散環(huán)節(jié)限制，粒徑越大，阻力越大，一氧化碳擴(kuò)散進(jìn)入球團(tuán)與氧化鋅發(fā)生還原反應(yīng)的速率越小，脫鋅率也就越低［6］，同時(shí)，生成的鋅蒸汽擴(kuò)散離開球團(tuán)反應(yīng)層的速率也越慢，導(dǎo)致瓦斯泥的脫鋅率隨粒徑的增大而減小。故選擇物料粒徑為9.5～10.5 mm。

2.4優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在焙燒溫度為1 423 K，焙燒時(shí)間為180 min和物料粒徑為9.5～10.5 mm的條件下，碳熱還原瓦斯泥的脫鋅率達(dá)99.2%，焙燒渣的鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%，符合高爐對原料的要求。焙燒還原渣的XRD分析譜圖見圖5。

圖5　高爐瓦斯泥碳熱還原焙燒后的XRD譜圖

由XRD分析結(jié)果知，高爐瓦斯泥在最佳工藝條件下碳熱還原后，還原焙燒渣的主要成分為磁鐵礦，也含有微量的鐵酸鋅。

3　結(jié)論

1）碳熱還原焙燒處理高爐瓦斯泥能實(shí)現(xiàn)其中鋅元素的有效脫除。2）在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，焙燒溫度越高，瓦斯泥焙燒后的殘余鋅量就越少，脫鋅率越高；焙燒時(shí)間越長，瓦斯泥焙燒后的殘余鋅量也越少，脫鋅率越高；隨著物料粒徑的增大，瓦斯泥的脫鋅率先增加后又減小。3）高爐瓦斯泥碳熱還原最佳脫鋅工藝條件為：焙燒溫度為1 423 K，焙燒時(shí)間為180 min，物料粒徑為9.5～10.5 mm，此時(shí)高爐瓦斯泥脫鋅率達(dá)99.2%。

參考文獻(xiàn)：

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［2］Abdel-latif M A.Fundamentals of zinc recovery from metallurgical wastes in the Enviroplas process［J］.Minerals Engineering，2002，15（11）：945-952.

［3］魏禮明，黎燕華，胡曉洪.高爐瓦斯泥的綜合利用探討及應(yīng)用［J］.金屬礦山，2004（z1）：493-495.

［4］張鑫，丁躍華，羅志俊，等.攀鋼瓦斯泥脫鋅還原工藝研究［J］.云南冶金，2008，37（3）：32-36.

［5］代書華.含鋅電爐粉塵綜合利用的研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2004：42-43.

［6］朱苗勇.現(xiàn)代冶金工藝學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

聯(lián)系方式：Jinchangliuyu@126.com

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CN，103183391

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CN，103288145

中圖分類號：TQ132.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-4990（2013）10-0039-03

收稿日期：2013-05-06

作者簡介：劉瑜（1976—），女，研究生，講師，主要從事冶金資源綜合利用的研究工作，已發(fā)表論文3篇，曾獲金昌市科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

*基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2013AA064003）；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2011FZ038）。

Research on dezincification of blast furnace flue slime by carbothermal reduction method

Liu Yu1，Liu Bingguo2，Xing Xiaozhong3
（1.Gansu Vocational﹠Technical College of Nonferrous Metallurgy，Jinchang 737100，China；
2.Faculty of Metallurgical and Energy Engineering，Kunming University of Science and Technology；3.Jinchuan Group Co.，Ltd.）

Abstract：The dezincification of blast furnace flue slime was investigated by carbothermal reduction method.Researching results showed that zinc in the blast furnace flue slime could be effectively removed by carbothermal reduction method.Under the optimum conditions of sintering temperature of 1 423 K，sintering time of 180 min，and material′s particle size at 9.5～10.5 mm，dezincification rate of the blast furnace flue slime could be as high as 99.2%，and zinc content of the sintering remaining slag was less than 0.15%.The remaining slag could be returned to the blast furnace.

Key words：blast furnace flue slime；carbothermal reduction method；dezincification rate