周蘭花，曾富洪，龔永民

（攀枝花學院，四川 攀枝花 617000）

高爐瓦斯泥（灰）指隨高爐煤氣逸出經(jīng)濕法（干法）分離得到的爐塵。我國每年產(chǎn)高爐瓦斯泥（灰）量很大，一個年產(chǎn)500萬t鐵的鋼鐵公司，年產(chǎn)瓦斯泥（灰）可達6萬t，其中瓦斯泥和瓦斯灰大約各占一半。瓦斯泥（灰），除了含鐵、碳外，往往還含有鋅等有價成分，具有一定的利用價值。但因粒度細利用困難，目前處理它的主要方式有直接堆存和燒結配料法。過去部分企業(yè)為利用瓦斯泥（灰）的鐵成分將其加入燒結料中成為燒結礦入高爐，此方法存在：燒結料層透氣性易受影響、在高爐冶煉中鋅循環(huán)富集影響高爐運行，鋅不能得到利用等問題。直接堆存對環(huán)境影響大。隨著冶金生產(chǎn)縱深發(fā)展和環(huán)保要求的加大，瓦斯泥的鐵、碳、鋅等資源的綜合開發(fā)利用是一種趨勢[1]。

目前，提取瓦斯泥（灰）中鐵、碳、鋅等有價成分的方法有物理法[2-5]和化學法[6-8]，化學法中包括火法?；鸱ň哂凶赃€原性（借助自帶C還原自身內(nèi)的氧化物）、操作較簡單等特點，是較為有效的一種高爐瓦斯泥（灰）綜合利用方法。高爐瓦斯泥（灰）火法自還原提取鐵、鋅等有價成分工作尚處于初步階段。本研究通過開展高爐瓦斯泥火法自還原實驗，主要探索高爐瓦斯泥鐵鋅分離中溫度、時間、造球壓力等熱工參數(shù)優(yōu)化值，以期獲得高的鐵、鋅還原效果，實現(xiàn)鐵鋅良好分離，為瓦斯泥火法利用奠定基礎。在實驗中為克服瓦斯泥粒度細問題，將瓦斯泥制成球團，在單因素實驗基礎上，采用響應曲面法中的BBD (Box-Behnken Design)法[9]設計實驗，對高爐瓦斯泥球團自還原中鐵鋅還原及其分離熱工參數(shù)進行優(yōu)化。

1 實驗原料

實驗用攀鋼高爐瓦斯泥成分見表1，粒度0.15～0.25 mm。由表1發(fā)現(xiàn)，瓦斯泥中鐵、鋅氧化物完全還原至金屬產(chǎn)物時，瓦斯泥提供的還原劑C量是過量的，因此，高爐瓦斯泥加熱實驗中使鐵、鋅氧化物還原時不額外添加其他還原劑。將瓦斯泥加適量水與PVA粘結劑均勻混合后，混合料用液壓機制球。實驗前，105℃下球團干燥24 h。

表1 高爐瓦斯泥成分/%Table 1 Composition of BF gas sludge

2 實 驗

2.1 實驗方案

進行高爐瓦斯泥鐵鋅分離實驗時，溫度設定值首先通過HSC軟件分析確定。由HSC軟件計算每g高爐瓦斯泥自還原熱力學平衡成分結果見圖1。由圖1可見，高于1100℃時，能較好實現(xiàn)FeO轉變?yōu)镕e、ZnO轉變?yōu)闅鈶B(tài)Zn，并綜合考慮動力學因素，實驗設定的溫度范圍為1100～1350℃。

圖1 高爐瓦斯泥自還原平衡成分Fig.1 Self-reducing balanced components of BF gas sludge

確定溫度條件后設置單因素實驗方案，結果見表2。在單因素實驗基礎上，依據(jù)響應曲面法原理，利用Design Expert 8.0.6軟件中BBD法設計溫度、時間、造球壓力三因素三水平實驗，其因素水平與編碼見表3。

表2 單因素實驗方案Table 2 Single factor test program

表3 響應面法實驗因數(shù)水平與編碼值Table 3 Actual and code values of variables

2.2 實驗過程

干燥的瓦斯泥球團置于剛玉坩堝中，放入按程序升溫達到預設實驗溫度的加熱爐中，再加熱到球團預定的時間后取出坩堝，在N2中冷卻。冷卻后對樣品進行MFe（金屬鐵）、TFe、ZnO含量分析。以還原試樣中鐵的金屬化率Y1（還原產(chǎn)生的金屬鐵量與還原后試樣中TFe量的比值）作為鐵還原程度評價指標、還原試樣中鋅的金屬化率Y2（按式（1）計算）作為鋅還原程度評判指標。

式（1）中，(mZn)0、(mZn)r分別為還原前、后瓦斯泥球團中Zn的質量。

3 結果與分析

3.1 單因素實驗結果與分析

單因素結果見圖2～5。由圖2～5可知，8 MPa后造球壓力對鐵鋅金屬化率影響不大；20～75 min內(nèi)隨時間增加，鐵、鋅的金屬化率均增加，但在45 min后增加緩慢；1100～1300℃內(nèi)隨溫度增加，鐵、鋅的金屬化率均增加。

圖2 1200℃、40 min鐵金屬化率與造球壓力的關系Fig.2 Relationship between metallization of iron and pelleting pressure at 1200℃ and 40 min

圖3 1200℃、40 min鋅金屬化率與造球壓力的關系Fig.3 Relationship between metallization of zinc and pelleting pressure at 1200℃ and 40 min

3.2 BBD法實驗結果與分析

BBD法實驗方案及其實驗結果見表4。

表4 響應面法實驗方案及結果Table 4 Matrix and results of RSM test

（2）響應值回歸優(yōu)化模型

利用Design Expert 8.0.6軟件對響應值Y1、Y2影響不顯著項進行優(yōu)化，方差分析結果列入表5、6中，進一步分析得到響應值Y1、Y2的回歸模型，如下：

表5 Y1的方差分析Table 5 ANOVA on Y1

由式（2）、（3）中各項系數(shù)可知，溫度和時間對鐵、鋅的金屬化率有顯著正的影響，造球壓力的影響很小；各因素對響應值Y1、Y2影響重要程度為B（時間）＞A（溫度）＞C（造球壓力）。

將編碼用實際參數(shù)符號回代得到響應值Y1、Y2與實際參數(shù)符號之間的回歸模型為：

圖4 8 MPa造球壓力下鐵的金屬化率Fig.4 Metallization of iron at 8 MPa of pelleting pressure

圖5 8 MPa造球壓力下鋅的金屬化率Fig.5 Metallization of zinc at 8 MPa of pelleting pressure

表6 Y2的方差分析Table 6 ANOVA on Y2

由表5、6可見，失擬項P均大于0.05（不顯著），建立的模型P值均＜0.0001（非常顯著）。表明，建立的Y1、Y2模型擬合程度良好，建立的模型合適，可以用建立的模型對高爐瓦斯泥加熱過程中鐵鋅還原熱工參數(shù)進行優(yōu)化分析。

（4）鐵鋅氧化物還原熱工參數(shù)優(yōu)化

由方程（4）、（5）求解，得到高爐瓦斯泥球團自還原中鐵鋅氧化物還原熱工參數(shù)優(yōu)化條件為：溫度1299.95℃、加熱時間47.05 min、造球壓力8 MPa，Y1、Y2預測極大值分別為94.67%、96.08%。結合優(yōu)化條件和實際可操作性，在1300℃、47 min、造球壓力為8 MPa再進行三次實驗，實驗產(chǎn)品的Y1、Y2平均值分別為94.4%、95.5%。實驗產(chǎn)品的XRD檢測結果見圖6、7。分析Y1、Y2結果及圖6、7及可知，優(yōu)化條件下瓦斯泥球團中的鐵、鋅氧化物能得到良好還原；鐵氧化物大多還原成為金屬鐵并留存于球團中，鋅氧化物還原為揮發(fā)態(tài)的金屬鋅并氧化轉變?yōu)閆nO進入煙氣中，從而使瓦斯泥中鐵鋅實現(xiàn)良好分離。

圖6 還原球團XRD分析Fig.6 XRD analysis of reduced pellets

圖7 還原揮發(fā)物XRD分析Fig.7 XRD analysis of reduced volatiles

4 結 論

（1）1100～1350℃下高爐瓦斯泥自還原中鐵、鋅氧化物還原可能還原成為金屬鐵、鋅。

（2）高爐瓦斯泥球團自還原過程中，8 MPa后造球壓力對鐵鋅金屬化率影響不大；20～75 min內(nèi)隨時間增加，鐵、鋅的金屬化率均增加，但在45 min后增加緩慢；1100～1300℃內(nèi)隨溫度增加，鐵、鋅的金屬化率均增加；對鐵鋅氧化物還原的金屬化率影響中，時間有非常顯著正影響，溫度有顯著的正影響，造球壓力影響很小。

（3）高爐瓦斯泥球團自還原過程中鐵、鋅的金屬化率與因素間具有的關系模型式為：

建立的模型是可靠的。并由模型獲得的1299.95℃、時間為47.05 min、造球壓力為8 MPa優(yōu)化條件下，預測的鐵金屬化率較大，為94.67%、鋅的金屬化率較大，為96.08%。優(yōu)化條件下的實驗獲得鐵金屬化率為94.4%、鋅金屬化率較大為96.1%，鐵鋅實現(xiàn)良好的分離。