王少軍，蔣朝敏，周朝剛，3，楊建華，王書(shū)桓，3，周會(huì)琴，王 崇

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司煉鋼部， 河北 唐山 063200；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院， 河北唐山 063210；3.唐山市特種冶金及材料制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 唐山 063210）

氧化鐵皮是由于爐氣中的鐵原子和氧原子通過(guò)鑄坯表面向鑄坯內(nèi)部擴(kuò)散產(chǎn)生的，其主要成分有Fe2O3、Fe3O4、FeO 及少量鐵和其他雜質(zhì)元素，氧化鐵皮綜合全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)70%左右，回收利用價(jià)值極高[1-6]。根據(jù)氧化鐵皮的產(chǎn)生機(jī)理，其種類(lèi)可以分為以下三種，一次氧化鐵皮：在熱軋、連鑄板坯加熱和保溫過(guò)程中產(chǎn)生，溫度一般為1 100 ℃～1 300 ℃；二次氧化鐵皮：在粗軋過(guò)程中，熱軋鋼板表面將再次產(chǎn)生氧化鐵皮；三次氧化鐵皮：粗軋之后的熱軋鋼板將被精軋，在精軋過(guò)程中將在熱軋鋼板的表面再次產(chǎn)生氧化鐵皮[7-9]。針對(duì)不同生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)生的氧化鐵皮，如何實(shí)現(xiàn)高效的利用對(duì)各鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)都具有重要的意義[10]。例如呂凱輝通過(guò)調(diào)整煉鋼廠(chǎng)氧化鐵皮造渣料的加入方式和槍位控制，以及冶煉過(guò)程中的對(duì)比分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了氧化鐵皮的高效利用[11]。

首鋼京唐公司煉鋼部產(chǎn)生的氧化鐵皮一直由汽車(chē)運(yùn)輸?shù)交靹蛄蠄?chǎng)，通過(guò)配加礦粉制作燒結(jié)礦回收利用。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，氧化鐵皮中含有較大顆粒鋼鐵廢料影響到燒結(jié)機(jī)的正常運(yùn)行，且由于混勻料場(chǎng)距離煉鋼生產(chǎn)廠(chǎng)房距離遠(yuǎn)，在運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng)常有散落到路面的氧化鐵皮，造成的揚(yáng)塵影響廠(chǎng)區(qū)環(huán)境。為了更好得回收氧化鐵皮，實(shí)現(xiàn)短流程、高效率的二次資源回收再利用，決定在冷固球團(tuán)生產(chǎn)線(xiàn)以轉(zhuǎn)爐一次灰為主原料，再配加一定比例的氧化鐵皮，進(jìn)行壓球工藝實(shí)踐，每年可以回收上萬(wàn)噸氧化鐵皮，轉(zhuǎn)爐后相當(dāng)于每年節(jié)約上萬(wàn)噸燒結(jié)礦，這將大大降低煉鋼工序的生產(chǎn)成本，同時(shí)也更加符合京唐公司循環(huán)經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)模式，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 原料分析

氧化鐵皮是鑄機(jī)二冷水沖刷冷卻鑄坯表面后沉積在兩座旋流井中的沉淀物，由天車(chē)抓出晾曬才能進(jìn)行回收利用，圖1 為氧化鐵皮形貌圖。

圖1 氧化鐵皮形貌圖

在冷固球團(tuán)生產(chǎn)線(xiàn)中的主原料轉(zhuǎn)爐一次灰要配加一定比例的水進(jìn)行消化后才能進(jìn)行強(qiáng)制壓球，因而首先要分析氧化鐵皮的主要成分，以及后續(xù)實(shí)踐過(guò)程對(duì)強(qiáng)制壓球過(guò)程的影響，如下表1 所示為不同生產(chǎn)線(xiàn)的氧化鐵皮中TFe 與水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 氧化鐵皮成分 %

如表1 所示，通過(guò)對(duì)不同生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)出來(lái)的氧化鐵皮成分進(jìn)行分析，并與轉(zhuǎn)爐一次灰成分進(jìn)行對(duì)比可知，氧化鐵皮中TFe 和轉(zhuǎn)爐一次灰中TFe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差無(wú)幾，氧化鐵皮中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.20%～4.10%之間波動(dòng)，可按照一定比例配加氧化鐵皮并觀(guān)察對(duì)冷固球團(tuán)生產(chǎn)線(xiàn)配水工藝的影響。

2 配加氧化鐵皮工藝實(shí)踐

2.1 試驗(yàn)方案

對(duì)冷固球團(tuán)生產(chǎn)線(xiàn)做基礎(chǔ)設(shè)備改進(jìn)，恢復(fù)添加氧化鐵皮的天車(chē)，制作了氧化鐵皮倉(cāng)專(zhuān)用的防護(hù)篩子及相關(guān)設(shè)備，嚴(yán)格按照15%～20%的比例在冷固球團(tuán)中添加氧化鐵皮進(jìn)行實(shí)踐，其原料消化時(shí)間按照正常10～14 h 組織，原料配水和配膠可根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況適當(dāng)調(diào)整，尤其是配膠量目前按照5%～6%控制[12，13]，如壓球過(guò)程有變化可在實(shí)驗(yàn)過(guò)程適當(dāng)調(diào)整膠量。

詳細(xì)記錄并對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程中冷固球團(tuán)在1 號(hào)皮帶的抗壓強(qiáng)度及成球質(zhì)量分?jǐn)?shù)和地倉(cāng)粉末率，每天至少取兩次以上的試樣進(jìn)行比對(duì)，同時(shí)記錄好相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 成球率

從1 號(hào)皮帶隨機(jī)取兩組試樣，檢驗(yàn)優(yōu)化后的成球質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并與普通皮帶優(yōu)化前成球質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比。

經(jīng)檢測(cè)，兩條皮帶的成球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為64.81%和60.87%，平均成球質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比優(yōu)化前成球質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有增加。

表2 隨機(jī)取樣成球質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比表

2.2.2 濕球強(qiáng)度

從1 號(hào)皮帶和普通皮帶分別隨機(jī)抽取10 個(gè)試樣球，分別檢驗(yàn)其強(qiáng)度，如表3。

表3 隨機(jī)取樣濕球強(qiáng)度對(duì)比表 N

根據(jù)上表3 可知，1 號(hào)皮帶試驗(yàn)球平均強(qiáng)度為409 N/個(gè)（強(qiáng)度范圍：250 N～490 N），普通球平均強(qiáng)度為 388 N/個(gè)（強(qiáng)度范圍：210 N～500 N），與普通球相比，實(shí)驗(yàn)球平均強(qiáng)度提高了21 N/個(gè)。

2.2.3 濕球重量對(duì)比分析

再次從1 號(hào)皮帶和普通皮帶分別隨機(jī)抽取10個(gè)試樣，稱(chēng)取單個(gè)球的重量，如表4 所示。

根據(jù)上表4 可知，測(cè)得單個(gè)試驗(yàn)球平均質(zhì)量為98.3 g（質(zhì)量范圍：73.6 g～120.4 g），單個(gè)普通球平均質(zhì)量為 97.9 g（質(zhì)量范圍：76.4～121.6 g）。與普通球相比，實(shí)驗(yàn)球單個(gè)質(zhì)量平均增加0.4 g。

表4 隨機(jī)取樣單球質(zhì)量對(duì)比表 g

2.2.4 地倉(cāng)小球粉末率

從地下料倉(cāng)隨機(jī)抽取19 個(gè)不同質(zhì)量的樣本，并分別測(cè)量各組中直徑小于5 mm 球團(tuán)的質(zhì)量，由于其直徑過(guò)小，不能直接用作冷固球團(tuán)，因此將球團(tuán)直徑小于5 mm 的球團(tuán)看作粉末，將返回造球機(jī)重新造球[14]，測(cè)量結(jié)果如表5。

表5 地倉(cāng)取樣粉末率表

根據(jù)表5 數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)樣本中平均粉末率為8.52%，且最高值為9.88%，完全滿(mǎn)足粉末率小于10%以下的標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)取得的樣本的粉末率做直方圖以及正態(tài)分布曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2），分析樣本粉末率出現(xiàn)頻率最多的區(qū)間。

圖2 樣品粉末率(%)直方圖及正態(tài)分布曲線(xiàn)圖

通過(guò)直方圖與正態(tài)分布曲線(xiàn)可知，粉末率在[8.32%，8.82%]區(qū)間的出現(xiàn)次數(shù)最多，但是球團(tuán)粉末率標(biāo)準(zhǔn)差為1.064，說(shuō)明樣本粉末率在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，沒(méi)有穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)。

2.2.5 配加氧化鐵皮工藝實(shí)踐

1）試驗(yàn)過(guò)程隨機(jī)抽取優(yōu)化后前與優(yōu)化后的冷固球團(tuán)樣本，并檢測(cè)其成球率、濕球強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)對(duì)比于優(yōu)化前，優(yōu)化后的冷固球團(tuán)性能均有提高，但濕球強(qiáng)度還有提高空間。

2）從地下料倉(cāng)隨機(jī)抽取配加氧化鐵皮后的樣本，通過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)粉末率在6.32%～9.88%之間波動(dòng)，較之前未配加氧化鐵皮的粉末率9%～10%，結(jié)果有一定進(jìn)步。

3）配加氧化鐵皮后冷固球團(tuán)粉末率和強(qiáng)度有了明顯改善，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀(guān)察冷固球團(tuán)產(chǎn)品球粉末率不穩(wěn)定，出現(xiàn)了時(shí)而波動(dòng)的現(xiàn)象。

2.3 氧化鐵皮對(duì)煉鋼工藝造渣料加入量的影響

在現(xiàn)階段的鋼鐵制造工藝中，造渣工藝是煉鋼工藝至關(guān)重要的一步，直接影響到轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中脫磷、脫硫等環(huán)節(jié)能否順利高效的進(jìn)行。

傳統(tǒng)工藝中，轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程主要加入的造渣料有石灰、輕燒白云石、生白云石、燒結(jié)礦和螢石等。其中加入燒結(jié)礦的目的是增加爐渣中的氧化鐵，避免吹煉過(guò)程“返干期”導(dǎo)致的磷高成分出格。對(duì)化鐵皮采用電鏡掃描得到的形貌圖如圖3 所示，由圖3 可知，氧化鐵皮中物質(zhì)有比較明顯的分區(qū)，白色區(qū)域的主要為FeO，淺黑色區(qū)域的Fe2O3，深黑色區(qū)域的為Fe3O4, 三者在氧化鐵皮的電鏡掃描形貌圖中所占比例最大。

圖3 不同倍數(shù)下氧化鐵皮的電鏡掃描圖

為了進(jìn)一步確定氧化鐵皮的物相結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行X 射線(xiàn)衍射分析，得到的XRD 分析圖譜結(jié)果如圖4 所示，觀(guān)察圖4 可知，氧化鐵皮中Fe3O4、FeO、Fe2O3三種物質(zhì)的峰值最高，說(shuō)明Fe3O4、FeO、Fe2O3是氧化鐵皮中最主要物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)上述分析可知，氧化鐵皮中TFe 的含量很高，在一定程度上可以代替燒結(jié)礦達(dá)到目標(biāo)。且目前金屬料短缺價(jià)格昂貴，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程鋼鐵料消耗的成本降低，控制鋼鐵料消耗成本，轉(zhuǎn)爐調(diào)整入爐金屬料結(jié)構(gòu)，酒鋼碳鋼薄板廠(chǎng)根據(jù)實(shí)際金屬料供應(yīng)情況，將以氧化鐵皮為輔料的冷固球團(tuán)可直接作為金屬料加入爐內(nèi)代替部分金屬冷料，通過(guò)實(shí)踐相關(guān)數(shù)據(jù)分析，鋼鐵料消耗減少，轉(zhuǎn)爐冶煉成本得以降低。

圖4 氧化鐵皮成分XRD 分析圖譜

2.4 經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)過(guò)一系列改進(jìn)和關(guān)鍵技術(shù)調(diào)整，每月產(chǎn)生的氧化鐵皮可以全部配加到冷固球團(tuán)生產(chǎn)線(xiàn)中，相當(dāng)于月產(chǎn)提高1 100 t。目前燒結(jié)礦價(jià)格（不含稅）：1037.3 元/t，冷固球團(tuán)價(jià)格（不含稅）：251.91 元/t，燒結(jié)礦 w（TFe）為 57%左右，冷固球團(tuán) w（TFe）為 61%左右，兩者TFe 含量基本上相當(dāng)，但價(jià)格相差785.39元/t。

按照使用氧化鐵皮生產(chǎn)的冷固球團(tuán)等量替代燒結(jié)礦計(jì)算，按照一年計(jì)算共計(jì)節(jié)約成本：1 100×12×785.39=1 036.71 萬(wàn)元

3 結(jié)論

1）按照一定比例配加氧化鐵皮應(yīng)用在冷固球團(tuán)生產(chǎn)線(xiàn)上，將配加氧化鐵皮后冷固球團(tuán)的成球率、濕球強(qiáng)度、濕球重量、地倉(cāng)粉末率與配加氧化鐵皮前球團(tuán)相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可行，成品球技術(shù)指標(biāo)符合轉(zhuǎn)爐入爐爐料要求。

2）利用氧化鐵皮顆粒大、硬度高和含鐵量高等特點(diǎn)充當(dāng)冷固球團(tuán)生產(chǎn)線(xiàn)中的骨料，在提高冷固球團(tuán)的成球率、濕球強(qiáng)度和增加濕球重量以及降低球團(tuán)粉末率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了鋼鐵廢料二次資源的循環(huán)利用，并且縮短了運(yùn)輸流程，改善了廠(chǎng)區(qū)環(huán)境。

3）通過(guò)電鏡掃描以及XRD 圖譜分析可知，以氧化鐵皮為輔料的冷固球團(tuán)可直接作為金屬料加入爐內(nèi)代替部分金屬冷料，鋼鐵料消耗減少，轉(zhuǎn)爐冶煉成本降低。

4）以氧化鐵皮生產(chǎn)的冷固球團(tuán)代替燒結(jié)礦，實(shí)現(xiàn)了氧化鐵皮再返回到轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，一年可節(jié)約成本高達(dá)1 036.71 萬(wàn)元。