转底炉处理钢铁厂尘泥技术

转底炉处理钢铁厂尘泥技术简介北京科技大学2014年3月1日提纲1技术概述2钢铁厂尘泥基础特性3钢铁厂尘泥制备内配碳球团的直接还原行为4转底炉处理钢铁厂尘泥工艺方案5转底炉处理钢铁厂尘泥关键技术6金属化球团在高炉炼铁中的应用1技术概述钢铁生产过程中粉尘的产生量一般为钢产量的8-12%左右，近年来，迫于铁矿资源紧张、污染物排放治理的压力，钢铁企业大都采用返回烧结的方法来利用这些粉尘，但由于粉尘中的Zn、Pb、K、Na等元素对烧结机产能、烧结矿质量及高炉顺行和长寿产生严重影响，因此，部分难利用粉尘不得不废弃，不但会对环境造成严重的污染，而且造成大量宝贵资源的浪费。

实现钢铁厂含锌粉尘高效利用，不仅有利于减少钢铁企业污染物排放，而且还可以充分利用其中的有价资源，对于实现我国钢铁工业的可持续发展具有十分重要的意义。

2007年10月莱钢与北京科技大学共同申报了国家发改委循环经济高技术产业化示范项目，并获批准（发改办高技【2007】3194号文），开始了关于转底炉关键工艺技术及装备的研究开发工作。

通过关键工艺技术基础研究，掌握了复杂原料条件下的铁氧化物还原规律，建立了能量供给与多化学反应匹配的热工控制机制，揭示了直接还原条件下锌铅钾钠的高效脱除机理，形成了高效还原脱锌的系统工艺集成、基于原料特性的综合配料及成球技术、稳定长寿的转底炉本体结构设计与制造技术、灵活高效的热工控制技术、转底炉能量综合利用技术、转底炉二次粉尘回收技术、关键工艺装备设计及制造技术等关键技术。

这些技术的应用，成功解决了在转底炉本体的设计制造技术、还原工艺及热工控制、二次粉尘的回收及转底炉余热回收利用等相关难题，达到了工程设计目标，实现了转底炉连续稳定运行。

2钢铁厂尘泥基础特性冶金粉尘主要产生于烧结、炼铁、炼钢和轧钢等工艺的生产过程，不同工序产生的粉尘粒度分布、比表面积、颗粒形貌、成球性、堆积密度、矿物组成以及主要元素分布及赋存状态等基础物性存在很大差别。

因此，对不同粉尘的各种理化性进行系统研究是成球、还原及锌、铅、钾、钠脱除等工艺过程的重要基础。

（1）粉尘种类及化学组成钢铁企业目前产生的含铁粉尘主要包括高炉槽上槽下灰、高炉干法除尘灰、转炉干法细灰、转炉干法粗灰、转炉污泥、转炉环境除尘灰、电炉灰和轧线污泥等。

不同粉尘的典型化学成分如表1所示。

表1 粉尘的主要化学成分（%）粉尘种类H2O Fe MFe FeO SiO2CaO MgO Al2O3K Na C Zn高炉布袋灰 2.8 17.03 1.65 7.88 2.87 2.180.7 2.490.760.28 34.00 16.60转炉细灰 4.7 52.30 2.48 15.59 2.37 6.52 1.050.79 1.01 1.67 1.52 0.03转炉粗灰 3.3 56.32 24.04 26.34 2.9918.84 3.760.530.460.59 0.70 0.05电炉灰 6.3 44.73 0.34 8.91 2.06 2.92 1.380.56 1.32 1.32 1.14 2.61轧线污泥15.5 71.73 0.13 43.86 1.390.020.03 1.190.140.36 1.12 0.13转炉污泥21.9 58.19 6.43 59.58 1.9810.28 3.47 1.830.190.21 1.65 0.25高炉槽灰 3.7 51.50 0.18 5.16 4.68 3.860.91 1.780.200.11 3.66 0.02转炉环境灰 4.2 38.60 3.10 12.72 4.0212.2 3.07 2.010.800.58 2.18 1.96=0.988 烧结三电场灰 2.5 33.45 -- -- 4.357.27 1.58 1.6215.88 1.08 Pb （2）粒度分布及比表面积由于不同种类粉尘的形成条件、物质组成、收集工艺等的不同，必然导致粉尘粒度及比表面积的差异。

而粒度的差异对于粉尘的成球性能、生球的抗压强度及其转底炉内的还原行为都有至关重要的影响。

通过分析检测可以知道，各粉尘粒度组成之间的差异很大，其中烧结电场除尘灰、电炉灰和转炉细灰的粒度最细，尤其是烧结电场除尘灰粒度在2.508 μm以下的占到了90%以上，比表面积达到9.396 m2/g；相比之下转炉粗灰、高炉布袋灰和转炉污泥较粗，比表面积分别为1.161m2/ g、0.913 m2/ g和0.826m2/ g；粒度最粗的是轧线污泥，比表面积只有0.421 m2/g。

（3）尘泥宏观形貌对于部分不同的粉尘，在粒度相近的情况下，其比表面积有时会存在较大差异，而不同的比表面积对粉尘的成球性能及球团的还原速率有着重要影响。

转炉细灰，高炉布袋除尘灰，转炉污泥，烧结电场除尘灰，转炉污泥有团聚现象，且形成的团聚状多孔、疏松。

其中，转炉污泥的团聚现象尤为明显，这是由于其比表面积大且含有一定量的水分，固体颗粒曾在有水分的条件下相互粘结和镶嵌，即使干燥后大部分颗粒仍旧粘结在一起，并且大颗粒上附着一些小颗粒，造成明显的团聚现象；电炉灰颗粒比较分散，期间镶嵌一些不规则颗粒物；转炉干法粗灰粘结颗粒呈圆球状，这是由于转炉粗灰中含有大量的CaO（含量18.84%），与含铁物相混合吸收空气中的水蒸汽后发生团聚，并且CaO具有较强的粘结作用，在倒运和运输过程中发生粘结球化现象；轧线污泥颗粒较大，有不规则状，也有球状，大部分是轧钢过程中散落的氧化铁皮。

（4）堆积密度及安息角粉尘的安息角是粉尘的动力特性之一，是设计除尘设备、料仓、管路的主要依据，而粉尘的堆积密度对于在设计料仓大小、估算粉尘重量等有很大的实用意义。

而粉尘的堆积密度和安息角与粉尘的种类、粒径、形状和含水率等因素有关。

（5）成球工艺性球团的制备是转底炉直接还原工艺处理含锌粉尘的重要工艺单元，合理的成球工艺是保证生球质量，提高球团生产效率的重要保证。

通常条件下，铁精粉、冶金工业粉尘或其它工业废弃物等有2种造球方式，一是圆盘造球，二是对辊压球。

圆盘造球对原料要求比较严格，首先原料小于325目大于70%以上，而且需要造球原料颗粒表面具有较高活性。

相比圆盘造球工艺，对辊压球工艺对原料要求较低，原料较大范围的粒度组成和水分含量都适用于对辊压球工艺，同时对辊压球单体设备生产能力大于圆盘造球工艺。

基于辊压球工艺的以上优点，结合钢铁厂含锌粉尘的特点，选定对辊压球为转底炉成球方式。

在球团成球工艺中，除了造球方式外，粘结剂种类、水分、压力等对球团的成球性能有较大影响。

（6）生球烘干行为未经干燥的生球直接布入转底炉预热段（约1000℃~1100℃）时，球团内部的水分将剧烈蒸发从而导致球团爆裂，破坏球团外形结构，增加球团粉化，造成炉底升高，给直接还原工序带来困难，最终导致生产率降低和成品球质量不均匀。

为了脱除生球中多余的水分并获得较高的干球强度，以保证还原的顺利进行，需要对含锌粉尘制备的球团的干燥特性进行研究，掌握球团水分脱除规律，为球团干燥工序设备的设计和操作参数的制定提供依据。

3尘泥制备内配碳球团直接还原行为对于含碳含锌球团转底炉直接还原工艺，金属化率和脱锌率是衡量产品金属化球团质量的两个重要指标。

金属化率越高，将其应用于高炉后节能效果就越显著；脱锌率越高，其对高炉的危害程度就越小，同时也更有利于有价元素的回收利用。

在含锌粉尘制备的含碳球团中，直接还原过程涉及到铁氧化物及氧化锌的还原、碳气化反应和其它副反应，过程极其复杂。

通过控制碳氧比、还原温度及还原时间等参数，不仅可以获得高质量的金属化球团，还可以缩短还原时间，提高生产率，减少能量消耗。

为进一步获得球团在不同条件下铁的还原速率及锌的脱除速率，从而为混合粉尘的配料及转底炉的炉内温度控制设计提供依据，分别对不同碳氧比及还原温度条件下球团的还原行为做了实验研究。

（1）配碳量对球团还原的影响由图1可以看出，当还原时间小于9min时，不同碳氧比的球团金属化率区别不大，还原时间超过9min后，碳氧比的多少对球团的金属化率和还原率影响变大。

碳氧比越高，还原反应终点的金属化率越高，且要达到70%以上的金属化率，碳氧比应不低于0.9。

由图2可以明显看出在本实验4种碳氧比条件下，当还原时间大于15min时，脱锌率大于93%。

不同碳氧比条件下球团脱锌率随时间变化曲线区别不大。

这是由于球团中锌的氧化物的总氧含量相对于铁氧化物的氧含量很小的，约占9%，而碳氧比是以总氧量计算确定，相对于锌的氧化物碳是严重过量的，因此锌和铅的还原脱除过程与碳氧比基本无关，实验结果的细微差别是由于实验精度造成的误差。

金属化率 /%还原时间 /min脱锌率/%还原时间/min图1碳氧比对球团金属化率的影响 图2 碳氧比对脱锌率的影响（2）温度对金属化率的影响很多学者对铁精矿内配碳球团自还原的机理进行了研究，认为：首先氧化物与和其直接相接触的碳的进行直接还原反应1，当与氧化物直接接触的碳耗尽后，主要进行由碳的气化反应生成的CO 参与的间接还原反应2和3。

Fe x O y + yC = xFe + yCO 1 Fe x O y + CO =Fe x O y-1 + CO 2 2 C + CO 2 = 2CO 3 图3是含锌粉尘制备的碳氧比为1.0的球团在温度为1200~1330℃时还原时间与金属化率及铁氧化物还原率的关系。

从图中可以看出还原温度对球团金属化率和铁氧化物还原率影响较为明显。

随着还原温度升高铁氧化物还原所达到平衡金属化率和还原率所需时间越短，说明铁氧化物直接还原速度越快。

这是由于铁氧化物直接还原属于吸热反应，温度越高，反应速率越快。

当还原温度高于1300℃时，15分钟内金属化率和铁氧化物还原率可达到85%以上,可作为优质含铁炉料用于高炉生产。

0510********246810金属化率 /%还原时间 /m i n 还原率 X还原时间 /m i n图3 不同温度下还原时间对球团金属化率和还原率的影响（3）温度对脱锌率的影响根据热力学分析含锌粉尘制备的含碳球团氧化锌是可以被还原，发生如下还原反应：()()()()ZnO s C s Zn g CO g +=+ (4)2()()()()ZnO s CO g Zn g CO g +=+...........................................................5 2()()2()C s CO g CO g += (6)对在碳氧比为1.0的条件下，不同温度下球团中锌的脱除率随时间的变化进行实验，结果如图4所示。

由图可见，还原温度对球团脱锌率影响较为明显。

随着温度升高，球团还原所达到平衡的脱锌率所需时间越短，在1200℃和1250℃条件下分别还原18min 和24min 时，球团脱锌率达到99%以上，而在1300℃和1330℃条件下只需还原15min ，球团脱锌率就达到99%以上。