转底炉处置含锌粉尘压球用粘结剂工业化应用研究

转底炉处置含锌粉尘压球用粘结剂工业化应用研究

张江鸣,任煜,廖二冬,李圣辉,程顺

宝武环科武汉金属资源有限责任公司 480000

摘要：近些年来，随着钢铁工业的飞速发展，钢铁生产产生的粉尘对环境和人类的危害日益加重，这也对企业铁前生产造成危害。钢铁企业一般将低锌含铁粉尘配入烧结使用，但中高锌粉尘配入烧结会降低烧结矿质量，并对高炉顺性和高炉寿命产生不良影响。如何经济地实现含锌粉尘的高效利用成为难题。

关键词：转底炉；含锌粉尘；压球；粘结剂；工业化应用

引言

目前处理冶金尘泥的方式中，因转底炉工艺的适应性较好、可靠性高、易于操作和维护、且对环境污染相对较小，具有较大应用价值，更适合钢铁企业流程化生产。转底炉生产线采用压球工艺对含锌粉尘进行成型及烘干含锌粉尘的脱锌处理，脱锌后的金属化物料返回炼铁炼钢工序得到循环利用，锌富集于烟尘进行收集后用于外售。由于含锌粉尘种类多、性能差异大，必须使用粘结剂强化成球，以提高成球率及球团强度保证转底炉运转稳定及产品质量。但是，目前大多使用淀粉类粘结剂，存在添加量大（３％～７％）、生产成本高、成品率较低及成品粉化率高（全流程返料量高达30％～60％），易导致转底炉底结块，影响排料等问题。

1转底炉发展概述

转底炉工艺最初是一种煤基直接还原炼铁工艺，后来用于处理钢铁厂含锌粉尘，尤其在日本和中国得到快速发展。20世纪50年代，美国Ross公司发明了转底炉直接还原法，取名为Fastmet工艺。1974年，加拿大的国际镍集团公司用转底炉处理不锈钢的氧化物废料，并命名为Inmetco工艺。日本神户钢铁厂与美国Miderx公司联合开发转底炉直接还原新工艺，在20世纪90年代中后期取得突破性进展，生产出了高纯度粒铁，该产品被命名为ITmk3。

新日铁于1998年从美国ＭａｕｍｅｅＲ＆Ｅ公司引进转底炉技术处理钢铁厂粉尘，技术改进后在日本Ｋｉｍｉｔｓｕ、Ｈｉｋａｒｉ、Ｈｉｒｏｈａｔａ等企业建造了工业生产规模的转底炉。北京科技大学是我国最早研究转底炉的科研院所，在1992、1996和2001年分别在河南舞钢、鞍山和山西冀城建成了不同规模的转底炉。为了解决高炉锌的危害，2007年北京科技大学与莱钢合作，建成了年处理粉尘量为30万吨的大型转底炉，并投入生产。各类含锌粉尘原料通过配料、成球、烘干单元后进入转底炉，并在1250～1300℃的高温环境下发生还原和挥发等物理化学变化，最后成为金属化球团用作高炉或转炉的原料；生成的高温烟气先通过余热锅炉回收余热，再经过除尘后排放大气，同时得到富锌二次粉尘，该粉尘可作为提锌及多种化工产品的原料。转底炉工艺可大幅降低铁前系统的锌、铅及碱金属负荷。

2转底炉脱锌工艺

2.1转底炉工艺流程

2×20万t转底炉设计年处理含锌粉尘能力40万t，生产金属化球团30万t，主要工艺有压球、还原、烟气处理、烟尘回收、成品处理。首先将各种干灰、黏结剂粉送至配料灰仓，经过洒水消解去除尘泥中80%的游离CaO，以降低加热过程中的生球膨胀破裂现象。配料仓中各种粉尘、黏结剂以及返料通过定量给料机按比例配料送至强力混合机进行混合。混匀后的物料进入缓冲仓，经定量给料输送至压球机压球。经过筛分的生球送至转底炉振动布料器，将生球均匀布到转底炉环形炉床上。进入转底炉内的烘干生球利用炉内高温及球团中的碳发生还原反应，在20～30min内将氧化铁大部分还原成为金属铁，同时将氧化锌还原为锌，金属锌挥发进入烟气中，并再次氧化成氧化锌粉末，经沉降室和除尘器回收。

2.2除尘灰化学成分

日照某钢厂产出的含铁尘泥包含烧结电场灰、炼铁除尘灰、炼钢除尘灰。其中烧结电场灰锌含量低、碱金属氯化物含量高，使用湿法脱除85%碱金属氯化物后返回烧结配料。转炉污泥和转炉细灰粒度细小而易粘结成块，直接进入烧结工序难以搭配混匀，锌、铅等有害元素含量较高。炼铁除尘灰及炼钢除尘灰根据锌含量少量进行冷压球后直接返回炼钢转炉，大部分采用转底炉火法脱锌后再使用。

含锌粉尘化验结果显示粉尘含铁量较高，含有多种杂质元素。其中炼铁除尘灰中的高炉干灰主要由焦炭碎粒和烧结矿碎粒组成，碳含量为31.5%～33.3%，烧结碎粒中含有少量赤铁矿且含有大量磁铁矿、铁酸钙和玻璃相并有少数焦炭灰分残留和脉石。Zn含量为0.3%～2.4%，以铁酸锌及氧化锌等形式弥散分布在硅酸盐和焦末粒子等粉尘上，少部分附着在其他物相上。PbO除小部分以单一圆颗粒均匀分布在高炉尘泥中外，大部分与ZnO有着相似的分布。铁主要以氧化物形式存在，少量以金属铁及铁酸钙形式存在，其他杂质相有CaCO3、MgCO3、SiO2、CaO及硅酸盐等杂相。烧结电场灰中大部分物相为Fe2O3、碱金属的氯化物和一部分钙铁等形成的复合氧化物，还有少量Pb3O4。转炉污泥多为一些浮氏体和少量金属铁与部分硅酸盐渣相共存。转炉细灰中主要物相为铁氧化物，还有一些硅酸盐渣相。高炉除尘灰的碳含量较高，在转底炉生产实践中往往以高炉灰为主要还原剂原料搭配调整各种原料除尘灰。

3压球试验研究

3.1复合粘结剂与常规淀粉粘结剂球团质量对比

配料结构参照表1，单一变量条件下，进行淀粉粘结剂ＸＣ－１＃和复合粘结剂ＹＸ－１＃、ＹＸ－２＃的压球对比试验，结合现场生产工艺控制指标，混合料含水率选择13％～14％，同时降低复合粘结剂的配比进行压球，采用新型复合粘结剂得到球团表面光滑度和完整度要比常规粘结剂好。在同等添加比例3.3％的条件下，采用新型复合粘结剂的球团指标比常规使用的淀粉粘结剂ＸＣ－１高，特别是爆裂指数、干燥脱粉率、干球落下强度和抗压强度。另外，在同一条件下，提高混合料水分，生球落下次数和干球抗压强度等指标均有提高，而生球团抗压强度下降是由于混合料水分增加，导致生球团塑性变形能力加大；当复合粘结剂ＹＸ－１＃、ＹＸ－２＃添加比例下降至2.8％，生干球团落下强度、抗压强度略有下降，但同ＸＣ－１粘结剂添加量3.3％的指标相差不大。采用新型复合粘结剂的球团干燥脱粉率和爆裂指数都小于１％，这是由于复合粘结剂中的大分子有机物和无机粘结剂共同作用的效果，二者将含锌粉尘颗粒通过物理包裹和静电吸附作用连接到一起，最终形成不容易爆裂和破碎的球团。

表1压球工艺参数优化试验采用的配矿

3.2复合粘结剂含锌粉尘压球工业中试试验

由实验室阶段研究可知，新型复合粘结剂ＹＸ－１＃和ＹＸ－２＃添加比例2.8％时，各项指标可满足转底炉产线生产需求。因此，在宝武集团上海转底炉生产线开展为期５天的新型复合粘结剂中试试验，两种新型粘结剂各试用2.5天。压球工艺参数和基础试验基本一致，基础试验结果显示，混合料水分增加对提高球团质量有利，但是考虑到物料水分高升高会造成粘堵，影响产线顺行，因此混合料含水率设置为13.5％。两种复合粘结剂添加比例为208％时，生球落下次数均在８次／（0.5ｍ）以上；干球落下次数均超过12次／（0.5ｍ），干球落下强度均超过90％。另外，试验过程对两种粘结剂所得干球抗压强度进行了测试，结果显示，不同时间段干球平均抗压强度均在200Ｎ左右。因此，中试各项指标结果趋势和基础试验结果一致，即复合粘结剂在添加量2.8％时，球团各项指标都能满足转底炉生产，且经测算，新型复合粘结剂生产总成本较普通淀粉粘结剂减少20％以上。

结语

新型复转底炉技术在处理含锌尘泥方面具有经济环保、更易操作和维护等优势，但仍然存在一些技术挑战和局限性。合粘结剂具有添加量低、球团质量指标好的优点，采用新型复合粘结剂可降低转底炉粘结剂20％以上成本，粘结剂添加量、球团爆裂指数和干燥脱粉率降低，可降低返料量，间接增加转底炉产线新原料的处置量，提高设备利用率、生产效率。

参考文献

[1]张鲁芳.我国转底炉处理钢铁厂含锌粉尘技术研究[J].烧结球团，2012，37（3）：57－60.

[2]黄洁.谈转底炉的发展[J].中国冶金，2007，17（4）：23－25.

[3]张高鹏．转底炉工艺处理转炉炼钢粉尘的相关基础研究[D]．重庆大学，2020．