曹明明, 張建良, 邢相棟, 姜 吉吉, 毛 瑞

( 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院, 北京 100083)

摘 要: 基于轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝, 以硫酸渣為原料進(jìn)行壓團(tuán)、焙燒, 通過(guò)正交試驗(yàn)研究了 C/ O、還原溫度、還原時(shí)間等參數(shù)對(duì)球團(tuán)金屬化率和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響, 并對(duì)其影響規(guī)律進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)得出最佳工藝參數(shù)為: 還原溫度 1 280 e ; C/ O 比 112; 還原時(shí)間 24 min。在此參數(shù)下, 含碳球團(tuán)的金屬化率為891 79% , 抗壓強(qiáng)度為 6 703 N/ P。X 光衍射( XR D) 分析也證明, 硫酸渣經(jīng)過(guò)還原后出現(xiàn)了大量金屬鐵, 表明采用轉(zhuǎn)底爐工藝切實(shí)可行。

關(guān)鍵詞: 硫酸渣; 含碳球團(tuán); 金屬化率; 抗壓強(qiáng)度

1 前 言

硫酸渣作為制取硫酸后的工業(yè)廢渣, 含鐵量一般在 30%~ 55% , 對(duì)其進(jìn)行綜合利用, 能彌補(bǔ)我國(guó)鐵礦資源的不足。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外在這方面進(jìn)行了大量研究[1~ 3]。轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原工藝是近年來(lái)備受關(guān)注的新煉鐵工藝, 該工藝以礦粉、煤粉復(fù)合含碳球團(tuán)為原料, 在 1 300~ 1 350 e 下快速還原, 得到金屬化率為 85% 左右的金屬化球團(tuán)[ 4~ 6]。由優(yōu)質(zhì)原料獲得的金屬化球團(tuán)可直接替代廢鋼供電爐使用, 不能直接供電爐的金屬化球團(tuán)可經(jīng)過(guò)二次熔分得到鐵水, 再供給轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼, 也可以預(yù)還原金屬化球團(tuán)的形式加入高爐。

為了探索用轉(zhuǎn)底爐工藝處理硫酸渣的可行性, 本研究針對(duì)硫酸渣廢棄物的特點(diǎn), 進(jìn)行了硫酸渣含碳球團(tuán)高溫焙燒試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)原料及方法

2、1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用硫酸渣及煤粉的成分列于表 1、表2。從表中可以看出, 硫酸渣含鐵較低, 但 S、Zn等有害雜質(zhì)含量較高; FeO 含量較低, 說(shuō)明在制酸過(guò)程中, 硫鐵礦氧化較徹底, 絕大部分 Fe2+氧化成 Fe3+, 使得硫酸渣中鐵大部分以弱磁性礦物形式存在。煤粉含碳較高、灰分低, 是典型的無(wú)煙煤。硫酸渣及煤粉的粒度組成如表 3所示。

2、2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

將硫酸渣、煤粉篩分至 1 mm 以下, 加入一定量的粘結(jié)劑和水, 混勻; 在 15 MPa 的壓力、10r/ min 的轉(zhuǎn)速下, 用對(duì)輥壓球機(jī)壓制成團(tuán); 將制成的硫酸渣含碳球團(tuán)放入恒溫干燥箱內(nèi)烘干,然后裝入石墨盒內(nèi)置于已達(dá)設(shè)定溫度的高溫電阻爐內(nèi), 至設(shè)定時(shí)間后, 取出冷卻。使用抗壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)定還原后金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度; 分析金屬化球團(tuán)的 MFe、TFe, 計(jì)算其金屬化率。

試驗(yàn)主體設(shè)備為高溫電阻爐( 額定溫度1 600 e ) , 見圖 1。爐膛溫度用雙鉑銠熱電偶測(cè)量, 采用 PID 可控硅程序控制。當(dāng)裝有含碳球團(tuán)的石墨盒放入爐內(nèi)后, 由于石墨盒及球團(tuán)強(qiáng)烈的吸熱, 爐膛溫度迅速下降(降幅約 200 e ),從入爐到溫度回升再到設(shè)定溫度約需 5 min, 這個(gè)過(guò)程中既有揮發(fā)份的分解和燃燒, 又有鐵氧化物的還原。由于爐膛封閉性較好, 球團(tuán)還原在還原氣氛下進(jìn)行。

本研究采用正交試驗(yàn)的方法, 以球團(tuán)金屬化率和抗壓強(qiáng)度作為質(zhì)量指標(biāo), 重點(diǎn)考察還原溫度、配碳量及還原時(shí)間對(duì)球團(tuán)質(zhì)量的影響。

2、3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)之前的預(yù)實(shí)驗(yàn), 確定了 C/ O、還原溫度和還原時(shí)間相應(yīng)的三個(gè)水平( 見表 4) , 設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)。

C/ O 比的定義為, 球團(tuán)中作為還原劑的煤所含的固定碳碳原子摩爾數(shù)與鐵氧化物中所含的氧原子摩爾數(shù)之比。在固體碳還原鐵氧化物的化學(xué)反應(yīng)中, 一個(gè)碳原子奪取鐵氧化物中的一個(gè)氧原子, 理論上鐵氧化物中氧完全為碳所結(jié)合生成 CO 的化學(xué)當(dāng)量 C/ O 比等于 1。然而,在選取 C/ O 比的水平時(shí), 當(dāng)取 C/ O\ 1, 這樣可說(shuō)明碳過(guò)量對(duì)還原的影響程度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3、1 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)9 組試驗(yàn)還原后金屬化球團(tuán)的化學(xué)成分和抗壓強(qiáng)度分別進(jìn)行檢測(cè), 結(jié)果列于表 5。

3、2 試驗(yàn)結(jié)果分析

選擇金屬化率和抗壓強(qiáng)度作為判斷標(biāo)準(zhǔn),將表 5 的結(jié)果列入表 6中。

利用極差分析法分析表 6 中結(jié)果, 得出各因素對(duì)金屬化率和抗壓強(qiáng)度的影響。極差的大小可以用來(lái)描述因素對(duì)指標(biāo)影響的主次。金屬化率和抗壓強(qiáng)度的分析計(jì)算過(guò)程是一樣的, 現(xiàn)以金屬化率的分析計(jì)算過(guò)程為例, 說(shuō)明如下。

SA1表示因素 A 取第一水平時(shí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和; SA2表示因素 A 取第二水平時(shí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和; SA3表示因素 A 取第三水平時(shí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和, 即:

(4)~ 式(6) 中 KA 表示還原溫度和還原時(shí)間處于綜合平均意義下, C/ O 分別為 110、018、112 時(shí)的球團(tuán)金屬化率。對(duì)于因素 B、C, 也用同樣的方法計(jì)算。在正交實(shí)驗(yàn)中, 如果某因素對(duì)結(jié)果起主要影響, 則在數(shù)量關(guān)系上表現(xiàn)為該因素各水平的指標(biāo)綜合平均值 K 之間相差較大, 反之, 則說(shuō)明該因素不是主要影響因素。

從表 6 分析可以得出結(jié)論: 各因素對(duì)金屬化率的影響按大小順序依次是A(C/ O) 、B(還原溫度)、C(還原時(shí)間); 最優(yōu)方案是 A3B3C2, 即: C/O 為 112, 還原溫度 1 280 e , 還原時(shí)間 24 min。

對(duì)抗壓強(qiáng)度分析計(jì)算得出如下結(jié)論: 各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響按大小順序依次為 A( C/O) 、B( 還原溫度) 、C( 還原時(shí)間) ; 最好的方案是A3B3C2, 即: C/ O 為 112, 還原溫度 1 280 e , 還原時(shí)間 24 min。

上述分析表明, 對(duì)于金屬化率和抗壓強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)而言, 最好的方案都是 A3B3C2( 即第 9組試 驗(yàn))?？?nbsp;以 看 出, 該 組 的 金 屬 化 率 為89179% , 抗壓強(qiáng)度為 6 703 N/ P, 是 9 組試驗(yàn)中綜合指標(biāo)最好的。因此, 還原工藝參數(shù)宜取: C/O= 112, 還原溫度 1 280 e , 還原時(shí)間 24 min。由圖 2 可知, 對(duì)金屬化率而言, 隨著 C/ O 和還原溫度的升高, 金屬化率上升, 但達(dá)到一定程度后, 趨勢(shì)變緩; 隨著還原時(shí)間增加, 金屬化率先升高后略微降低?？紤]到生產(chǎn)成本, 應(yīng)該選擇適中的條件, 即 C/ O112, 還原溫度為 1 280e , 還原時(shí)間為 24 min。隨著還原時(shí)間增長(zhǎng), 金屬化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度先增加后減小; 而隨著還原溫度和 C/ O 升高, 金屬化球團(tuán)的強(qiáng)度逐步增大。由表 6 和圖 2 可知, 1~ 9 組試驗(yàn)金屬化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度都很高, 完全能夠滿足生產(chǎn)要求。因此, 適宜的還原條件也是 C/ O112, 還原溫度1 280 e , 還原時(shí)間 24 min。

3、3 XRD 分析

對(duì)硫酸渣和最優(yōu)組合條件下( 9 號(hào)試驗(yàn)) 得到的金屬化球團(tuán)進(jìn)行 X 光衍射(XRD) 分析, 結(jié)果如圖3 所示。從圖 3 可看出, 還原焙燒前的硫酸渣中, Fe 主要以 Fe2O3和 Fe3O4的形式存在,另外還有一些含 Co 的物相; 經(jīng)過(guò)焙燒后, 出現(xiàn)了單質(zhì) Fe, 即鐵氧化物在 9 號(hào)試驗(yàn)條件下被還原成金屬鐵; 出現(xiàn)的雜亂峰為渣相, 說(shuō)明在此焙燒條件下出現(xiàn)了液相渣。

4 結(jié) 論

1) 影響球團(tuán)金屬化率最顯著的因素是 C/O, 其次是溫度, 再次是時(shí)間; 影響金屬化球團(tuán)強(qiáng)度最顯著的因素也是 C/ O, 其次是溫度, 然后是時(shí)間。綜合考慮各個(gè)因素對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響,認(rèn)為合理的工藝參數(shù)應(yīng)為: 溫度 1 280 e 、C/ O比 112、時(shí)間 24 min。

2) 由 XRD 分析可知, 硫酸渣經(jīng)還原后出現(xiàn)了大量金屬鐵。

3) 適宜的 C/ O 比對(duì)球團(tuán)金屬化率的提高有促進(jìn)作用, 保持焙燒帶及冷卻帶的密閉性、減少漏風(fēng), 是提高金屬化率的有效方法。

4) 根據(jù)硫酸渣的特點(diǎn), 選擇轉(zhuǎn)底爐處理工藝是可行的。通過(guò)控制還原條件, 可以得到金屬化率達(dá) 89179%左右的金屬化球團(tuán)。

參考文獻(xiàn)

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