蔣武鋒，馬騰飛，郝素菊，趙朔，張玉柱

（華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210）

1 概 況

鋼鐵廠粉塵是整個(gè)鋼鐵行業(yè)的副產(chǎn)品，其數(shù)量甚至可以達(dá)粗鋼產(chǎn)量的10%左右。粉塵中含有大量鐵、碳等有價(jià)元素，可以部分代替含鐵原料，降低生產(chǎn)成本；但粉塵中還含有鋅、鉛、鉀、鈉、銦等元素，這些元素有些是影響高爐冶煉的有害元素，國內(nèi)許多鋼鐵企業(yè)將其進(jìn)行堆積處理[1]，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。低鋅粉塵可直接作為燒結(jié)配料使用，而鋅含量高的粉塵需進(jìn)行脫鋅處理后才能返回鋼鐵生產(chǎn)流程，若直接將含鋅量高的粉塵配入燒結(jié)工序或球團(tuán)工序中，將使燒結(jié)礦、球團(tuán)礦質(zhì)量下降，鋅元素在燒結(jié)/球團(tuán)-高爐流程中大量循環(huán)富集，引發(fā)高爐爐瘤、爐結(jié)，降低高爐利用系數(shù)，焦比升高，影響高爐的順利運(yùn)行及爐壽[2-3]。因此，研究一種低成本，高效率的脫鋅工藝，具有非常重要的意義。

內(nèi)配碳含鋅球團(tuán)還原處理工藝是將含鋅粉塵配碳造球后，利用高溫還原脫除粉塵中鋅元素的還原工藝，此種工藝相較于傳統(tǒng)的火法[4-7]和濕法處理工藝[8-10]，能夠高效快速還原含鋅量不同的粉塵，且操作簡單，流程短。本文主要通過脫水抗壓試驗(yàn)確定烘干球團(tuán)的較佳溫度及時(shí)間，在1200℃下進(jìn)行球團(tuán)的還原試驗(yàn)，采用了對比失重曲線和相對失重曲線并相互佐證的方法得出較佳的球團(tuán)大小及質(zhì)量參數(shù)，為鋼廠能更加節(jié)能高效的應(yīng)用內(nèi)配碳造球工藝提供參考。

2 球團(tuán)脫水抗壓試驗(yàn)

2.1 不同條件對球團(tuán)脫水率的影響

含鋅塵泥球團(tuán)在進(jìn)行高溫還原前需進(jìn)行充分脫除其中所包含的水分。在高溫管式爐中進(jìn)行還原脫鋅試驗(yàn)時(shí)，球團(tuán)水分的揮發(fā)會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值的偏差，且在造球階段球團(tuán)內(nèi)部含水量過高，不利于炭粉對鋅、鐵等氧化物進(jìn)行完全還原。一部分碳因水分的存在而造成浪費(fèi)。

脫水烘干試驗(yàn)主要目的是選取出強(qiáng)度大，脫水烘干后在進(jìn)行還原過程時(shí)不易破碎的球團(tuán)。烘干試驗(yàn)時(shí)球團(tuán)配比參數(shù)為直徑12 mm、配煤粉量16%、粘結(jié)劑含量5%。試驗(yàn)用煤粉為無煙煤粉，選用無水淀粉作為造球時(shí)的粘結(jié)劑。

圖 1 不同烘干溫度下球團(tuán)脫水與時(shí)間關(guān)系Fig .1 Relationship between water loss rate and drying time of pellets under different drying temperature

圖1 給出了不同溫度下脫水率與時(shí)間的關(guān)系。由圖可知，球團(tuán)烘干時(shí)間越長、烘干溫度越高，則球團(tuán)的相對失重越大。烘干溫度過低時(shí)，團(tuán)脫水率隨時(shí)間呈現(xiàn)先降低再平衡不變的趨勢，說明在較低烘烘干溫度下，隨著烘干時(shí)間延長時(shí)，烘干情況并不理想，球團(tuán)脫水率低，不利于球團(tuán)進(jìn)行還原時(shí)準(zhǔn)確判定其質(zhì)量變化數(shù)據(jù)。250℃到100℃不同烘干溫度下，120 min 時(shí)的剩余球團(tuán)質(zhì)量分別為56.05 g、59.65 g、68.65 g、77.63 g。當(dāng)烘干溫度在100℃時(shí)球團(tuán)的相對失重為23.1%，150°C 時(shí)相對失重為36.37%，200℃和250℃時(shí)相對失重分別為46.79%和49.88%。由此可知，當(dāng)烘干時(shí)間不變時(shí)，烘干溫度200℃與250℃的相對失重變化幅度僅為3.09%，差異較小，且伴隨著溫度的升高，有可能導(dǎo)致球團(tuán)界面炭粉與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低實(shí)際炭粉配比。故試驗(yàn)時(shí)烘干溫度采用200℃為較佳溫度。

2.2 不同烘干溫度對球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 是在不同烘干溫度和時(shí)間條件下球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的變化。由圖可知，伴隨著烘干時(shí)間的延長，不同烘干溫度下的球團(tuán)抗壓強(qiáng)度逐漸升高。但烘干溫度為250℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著烘干時(shí)間的延長反而出現(xiàn)了下降趨勢。因此，烘干溫度為250℃的球團(tuán)應(yīng)摒棄。120 min 時(shí)200℃下，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到試驗(yàn)要求，180 min 時(shí)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最大。結(jié)合球團(tuán)失水率關(guān)系可知，球團(tuán)較佳脫水溫度應(yīng)采用200℃。故適宜的烘干時(shí)間和溫度為120 min、200℃。

圖 2 不同烘干溫度下球團(tuán)抗壓強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系Fig .2 Relationship between compressive strength and drying time of pellets under different drying temperature

3 含鋅塵泥還原條件

3.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)采用粒度為-0.068 mm 的邢鋼無煙煤粉（固定碳含量為82.16%）及高爐含鋅粉塵。選取無水淀粉作為粘結(jié)劑；還原過程通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣；采用液氮作為防止球團(tuán)二次氧化的保護(hù)液體。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

球團(tuán)成分均為16%的無煙煤粉，5%的無水淀粉及79%的含鋅粉塵，試驗(yàn)設(shè)定相同直徑12 mm不同質(zhì)量（15 g、20 g 及25 g）的球團(tuán)（成分均為）及相同質(zhì)量20g 不同的小球直徑（6 mm、9 mm 及12 mm）和不同反應(yīng)時(shí)間（5 ～ 30 min）的條件下進(jìn)行還原試驗(yàn)研究。

3.3 試驗(yàn)步驟

1）按試驗(yàn)配比稱取適量原料，放入研缽中充分研磨 ，待粉末充分混勻后加入適量的水進(jìn)行造球。

2）將含鋅塵泥球團(tuán)放入200℃的恒溫干燥箱中恒溫2 h，直至水分完全蒸發(fā)。

3）用天平分別稱量質(zhì)量為15 g、20 g、25 g的含鋅塵泥球團(tuán)，放入鉬絲網(wǎng)籃中，將裝有小球的網(wǎng)籃放置于高溫管式爐的恒溫區(qū)部位。在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下恒溫一定時(shí)間，觀察小球還原過程的失重情況。待質(zhì)量變化趨于穩(wěn)定時(shí)，將小球迅速取出放于液氮中冷卻至室溫，以防二次氧化。

圖 3 不同直徑的球團(tuán)失重曲線Fig.3 pitch weight loss curves of different diameters

圖 4 不同直徑時(shí)相對失重對比曲線Fig.4 comparative curves of relative weight diameters loss at different diameters

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 直徑對球團(tuán)還原影響

圖3、圖4 分別為在還原溫度1200°C，球團(tuán)質(zhì)量為20 g，還原時(shí)間為30 min 時(shí)不同球團(tuán)直徑（6 mm、9 mm 及12 mm）的還原失重曲線和相對失重曲線。不同直徑的球團(tuán)在恒溫還原過程中，質(zhì)量一直呈現(xiàn)減小的變化。還原初期，失重曲線降低明顯，質(zhì)量變化較快，說明此時(shí)含鋅球團(tuán)反應(yīng)劇烈，球團(tuán)的主要反應(yīng)也集中于反應(yīng)初始階段。伴隨著時(shí)間的延長，曲線逐漸趨于平緩表明還原反應(yīng)速度降低，球團(tuán)內(nèi)反應(yīng)基本完成。反應(yīng)開始5 min 時(shí)，三種不同直徑下的球團(tuán)還原率已經(jīng)分別達(dá)到66.49%、66.8%及66.96%。由此看出，反應(yīng)在前5 min 時(shí)還原率已經(jīng)達(dá)到很大值。還原反應(yīng)速率隨著球團(tuán)直徑的增大而變快。

通過圖3 可以看出，在還原反應(yīng)初期，三種不同直徑的含鋅球團(tuán)相對失重均隨著時(shí)間的延長而增大，且直徑越大相對失重越嚴(yán)重，當(dāng)還原反應(yīng)時(shí)間超過10 min 時(shí)，相對失重曲線逐漸趨于平緩，表明還原反應(yīng)基本完成，由圖可知12 mm 直徑的球團(tuán)還原效果最好。

4.2 質(zhì)量對球團(tuán)還原影響

圖 5 不同質(zhì)量球團(tuán)的失重曲線Fig .5 Weight loss curve of pellets of different masses

圖5 為溫度為1200℃，還原時(shí)間為30 min，球團(tuán)直徑為12 mm，球團(tuán)質(zhì)量分別為15 g、20 g 及25 g 時(shí)的還原失重曲線。圖6 為不同質(zhì)量時(shí)的相對失重對比曲線。

由5 可以看出，伴隨著時(shí)間的延長，不同質(zhì)量的含鋅球團(tuán)曲線呈現(xiàn)先下降再趨于平緩的趨勢。反應(yīng)時(shí)間達(dá)到5 min 時(shí)，三種不同質(zhì)量的球團(tuán)還原率分別為32.57%、32.16%和30.68%?？梢钥闯?，反應(yīng)進(jìn)行到5 min 時(shí)，含鋅球團(tuán)的還原過程已超過30%。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，反應(yīng)進(jìn)行到10 min 時(shí)，失重曲線趨于平緩，此時(shí)不同質(zhì)量的球團(tuán)還原率分別為36.9%、37.3%及37.67%。

圖 6 不同質(zhì)量球團(tuán)的相對失重曲線Fig .6 Relative weight loss curves of different mass pellets

通過圖6 可以看出，隨著時(shí)間的延長，還原初期各質(zhì)量下的球團(tuán)相對失重均呈現(xiàn)升高的趨勢，反應(yīng)進(jìn)行到5 min 時(shí)相對失重分別32.57%、32.16%、30.68%，反應(yīng)進(jìn)行到10 min 時(shí)分別為36.90%、37.35%和37.67%。

通過失重和相對失重曲線可以得出，隨著質(zhì)量的增加，球團(tuán)的還原率并沒有得到大幅度的提升，且在反應(yīng)初期，質(zhì)量小的球團(tuán)還原率要略高于大質(zhì)量的含鋅球團(tuán)，且低質(zhì)量的球團(tuán)相對失重要大于高質(zhì)量的球團(tuán)。這是因?yàn)樵谙嗤睆降臈l件下，低質(zhì)量的含鋅球團(tuán)具有更高的孔隙度，反映初期球團(tuán)發(fā)生碳的氣化反應(yīng)，孔隙度高有利于球團(tuán)內(nèi)部CO 的擴(kuò)散，從而加快還原反應(yīng)的進(jìn)行。但隨著時(shí)間的延長，高質(zhì)量的含鋅球團(tuán)還原率和相對失重均得到穩(wěn)步提高。所以試驗(yàn)過程中適合選用質(zhì)量為20 g 的含鋅球團(tuán)作為標(biāo)準(zhǔn)稱量質(zhì)量進(jìn)行研究。

5 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)時(shí)烘干溫度采用200℃為較佳溫度，時(shí)間超過兩個(gè)小時(shí)以后，隨著烘干時(shí)間無限延長時(shí)，烘干脫水情況并不理想，脫水率呈現(xiàn)出先降低再平衡不變的趨勢。對比不同溫度下的強(qiáng)度可知隨著時(shí)間的延長，120 min 時(shí)200℃下球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)到試驗(yàn)所需的強(qiáng)度。

（2）通過試驗(yàn)分析得知，含鋅球團(tuán)最適宜的還原條件為：直徑12 mm，球團(tuán)質(zhì)量20 g，此時(shí)含鋅球團(tuán)還原效果最好。