钢铁厂电炉灰和转炉LT灰消解特性研究.pdf
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1、Jun.2023Sinteringand Pelletizing2023年6 月No.3Vol.48球团第3期结第48 卷烧钢铁厂电炉灰和转炉LT灰消解特性研究吴佩佩,余志友,杨聪聪(1.宝武集团环境资源科技有限公司,上海2 0 190 0;2.中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙410 0 8 3)摘要:为了更好地利用钢铁厂含锌粉尘,本文结合现场转底炉生产工艺,研究了消解时间、物料水分、OG-LT混合灰质量比以及消解方式等参数对钢铁厂电炉灰和LT灰中f-CaO消解程度的影响。结果表明:延长消解时间和增加水分对提高电炉灰、LT灰的消解率有利,但是均不能使-CaO消解完全;在确保物料流动性和
2、生产顺行的前提下,当含水量为15%时,至少需消解48 h以上,电炉灰和LT灰中的f-Ca0消解率才能达到8 0%以上;当0 G泥和LT灰的质量比超过2:1时,OG-LT混合灰中的f-Ca0消解率达到7 0%以上。生产现场可以采用落地加水放置以及提高OG泥在混合灰中比例的方式解决因f-CaO发生消解反应对生产带来的不利影响。此外,通过加水浸泡、机械活化等工艺也是提高含锌粉尘-CaO消解率的重要措施。关键词:转底炉;电炉灰;LT灰;氧化钙;消解率中图分类号:TF08;X 7 57文献标识码:A文章编号:10 0 0-8 7 6 4(2 0 2 3)0 3-0 0 2 7-0 7doi:10.134
3、03/j.sjqt.2023.03.036Research on digestion characteristics of EAF and converter-LT dustsin iron and steel plantsWU Peipei,YU Zhiyou,YANG Congcong?2(1.Baowu Group Environmental Resources Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China;2.School of MineralsProcessing and Bioengineering,Central South Universi
4、ty,Changsha 410083,Hunan,China)Abstract:In order to make better use of zinc-containing dust in steel plants,effects such as digestion time,materialmoisture content,mass ratio of OG-LT mixed dust and digestion method on the degree of f-CaO digestion in EAF andconverter-LT dusts in iron and steel plan
5、ts are studied combined with the production process of on-site rotary hearthfurnace.The results show that:prolonging digestion time and increasing moisture content are beneficial to improve theslaking rate of EAF and converter-LT dusts,but f-CaO cannot be completely digested.On the premise of ensuri
6、ng thematerial fluidity and smooth peration of production,when the moisture content is 15%,it needs to be digested for at least48 hours,and the slaking rate of f-CaO in EAF and converter-LT dusts can reach above 80%.When the mass ratio of 0Gmud to LT dust exceeds 2:1,the slaking rate of f-CaO in OG-
7、LT mixed dust reaches over 70%.The production site cansolve the adverse effects of the digestion reaction of f-CaO on the production by placing it with water on the floor andincreasing the proportion of OG mud in the mixed dust In addition,such processes as water immersion and mechanicalactivation a
8、re also important measures to improve the f-CaO slaking rate of zinc-containing dust.Key words:rotary hearth furnace;EAF dust;LT dust;calcium oxide;slaking rate收稿日期:2 0 2 2-0 4-0 2;修回日期:2 0 2 2-0 5-16基金项目:湖南省重点研发计划资助项目(2 0 2 2 SK2075)作者简介:吴佩佩(198 7 一),男,工程师,从事钢铁厂含锌粉尘综合利用方面的研究与应用工作。通信作者:余志友(197 3一),男
9、,高级工程师,从事钢铁厂含锌粉尘综合利用方面的研究与管理工作。28团球第3期第48 卷结烧钢铁工业是我国经济发展的重要基础产业,也是固废排放大户,在冶炼过程中会产生大量冶金粉尘。据统计,钢铁企业产生的各类粉尘总量一般为钢铁产量的8%15%,而其中含锌粉尘约占2 0%30%1。2 0 2 2 年,全国粗钢产量超10.13亿吨,以此推算,每年产生的含锌粉尘超过2000万吨以上,如何合理处置含锌粉尘已经成为钢铁行业可持续发展的关键 2-3。目前处理含锌粉尘的方式中,因转底炉工艺具有适应性较好、可靠性高、易于操作和维护、对环境污染相对较小等优势,具有较大应用价值,更适合钢铁企业流程化生产 4-5。在常
10、规转底炉工艺中,通常将含锌粉尘、黏结剂和水混合均匀后进行压团或造球成型,经干燥后送人转底炉进行还原脱锌 6-8 。钢铁厂含锌粉尘按照生产工序可分为烧结灰、高炉尘泥、转炉尘泥、电炉粉尘等 9。其中,电炉灰、LT灰等炼钢过程产生的干法除尘灰等含锌粉尘常含有大量的游离氧化钙(f-CaO),约占其总钙元素质量分数的40%10-1。若f-Ca0不经过消解预处理或者消解程度较低,则其会在含锌粉尘后续的造球或压块、生球/生团块转运以及生球/生团块干燥等过程中继续水化生成Ca(OH)2,从而导致球团或团块出现体积膨胀,使得球团或团块的强度大幅降低甚至出现粉化等现象,这将严重影响转底炉的顺行以及还原产品的质量
11、12 。本文结合现场转底炉生产工艺,系统地研究了消解时间、物料水分、OG-LT混合灰质量比以及消解方式等参数对钢铁厂电炉灰和LT灰中f-CaO消解程度的影响。本研究旨在查明电炉灰、LT灰等含f-CaO的含锌粉尘的消解特性及其影响因素,探究强化钢铁厂电炉灰和转炉LT灰消解效果的措施和手段,这对提高含锌粉尘的造块强度,降低返球率,以及保障转底炉工艺的顺行,提高转底炉产量和产品质量、降低生产成本具有重要的现实意义。1试验原料与方法1.1试验原料1.1.1含锌粉尘的化学成分试验用含锌粉尘包括电炉除尘灰(电炉灰)、LT灰、OG泥、现场消解后的电炉除尘灰和OG-LT混合灰(OG泥与LT灰的混合比例为2:1
12、)等,均由宝武集团上海转底炉生产基地提供。电炉灰产自钢铁厂电炉冶炼的除尘灰,OG泥与LT灰均产自钢铁厂转炉炼钢工序,OG泥为转炉煤气湿法回收系统产出的污泥,LT灰为转炉干式除尘灰。各含锌尘泥主要化学成分如表1所示。由表1可知,电炉灰、LT灰、OG泥的CaO质量分数分别为10.86%、10.2 0%和7.10%。其中,0 G泥由于与水接触反应时间较长而不存在f-CaO,而干法除尘得到的电炉灰和LT灰中的f-CaO的质量分数较高。表1名各含锌粉尘主要化学成分(质量分数)Table 1Main chemical compositions of zinc-containing dust%含锌粉尘TFe
13、FeOCZnSCICao电炉灰40.1619.371.757.890.480.6110.86LT灰56.3845.672.344.420.200.3110.20OG泥59.4673.582.243.120.050.057.10电炉灰(现场消解后)39.9119.751.497.970.460.6110.92OG-LT混合灰(现场消解后)56.4645.132.014.030.180.299.481.1.2含锌粉尘的物相分析为了查明含锌粉尘中Ca元素的赋存状态,本研究采用化学物相法对未消解和生产现场消解后的电炉灰、LT灰中钙元素的赋存状态进行了分析,结果分别见表2、3。由表2、3可知,电炉灰中含
14、有4.52%的f-Ca0,约占其总钙元素分布率的40.73%;L T 灰中含有4.48%的f-Ca0,约占其总钙元素分布率的43.96%。现场的消解工艺和条件尚不能使含锌粉尘中的f-CaO完全消解,消解后的电炉灰和OG-LT混合灰的f-CaO质量分数分别约为3.8 6%和1.45%,分别约占其总钙元素分布率的35.35%和15.30%。现场消解后的电炉灰中29吴佩佩,等:钢铁厂电炉灰和转炉LT灰消解特性研究2023年第3期f-CaO质量分数仅比未消解电炉灰f-CaO质量分数低0.6 6%,从侧面说明电炉灰的活性较低,消解性能较差。此外,现场消解后的OG-LT混合灰中的f-CaO质量分数明显低于
15、电炉灰,这是由于加人OG泥对LT灰中的f-CaO质量分数产生了稀释作用。表2消解前不同含锌粉尘中Ca元素赋存状态Table2Occurrence state of calcium in differentzinc-containing dust before digestion含锌分析类型f-Cao CaCO,CaF,CaSiO,CaSO4粉尘钙质量分数/%4.522.500.932.390.62电炉灰钙分布率/%40.7323.058.5522.005.67钙质量分数/%4.483.910.840.760.21LT灰钙分布率/%43.96538.298.267.432.06表3现场消解后不同
16、含锌粉尘中Ca元素赋存状态Table3Occurrence state of calcium in different zinc-containing dust after digestion含锌分析类型f-Cao CaCO,CaF,CaSiO,CaSO4粉尘钙质量分数/%3.863.990.791.281.00电炉灰钙分布率/%35.3536.547.2311.729.16OG-LT钙质量分数/%1.457.180.320.380.15混合灰钙分布率/%15.3075.743.384.011.57同时,对现场消解后的电炉灰和OG-LT混合灰的主要物相进行分析,结果见图1。由图1可知:现场消解
17、后的电炉灰内仍可检测到明显的CaO衍射峰,这说明f-CaO未被完全消解;电炉灰中的载钙物相主要为f-CaO和碳酸钙系物相,还有一定量的CaO与Mg形成(Ca,M g)O 固溶体,由于MgO在消解反应中活性比CaO低,这可能是造成电炉灰f-CaO活性偏低的原因之一。相比而言,现场消解后的OG-LT混合灰中未检测到游离的CaO物相衍射峰,而CaCO,的衍射峰较明显,这可能是因为OG-LT混合灰中的f-CaO质量分数小于2%,已经低于衍射仪检测下限,导致无法准确检测出该物相,同时也说明LT中的f-CaO的消解速率相对电炉灰更快。1.2试验方法试验研究了电炉灰和LT灰中f-CaO消解放热和物料升温特性
18、,具体测试方法:每次称取3kg43(b)2104332(a)2-314938073102030405060708020/()(a)现场消解后的电炉灰;(b)现场消解后的OG-LT混合灰1一磁铁矿(Fe,04);2 一铁酸锌(ZnFe,04);3一浮氏体(FeO);4一金属铁(Fe);5一碳(C);6 一碳酸钙(CaCO,);7 一氧化锌(ZnO);8 一氧化钙(CaO);9一硫化亚铁(FeS);10 一硫化亚锌(ZnS)。图1现场消解后电炉灰和OG-LT混合灰的XRD物相分析Fig.1XRD phase analysis of EAF and OG-LT dustsafterdigestion
19、from steel mills初始料温为2 0 的电炉灰或LT灰,分别添加2 0的水,将原料水分调至10%、15%和17.5%,混匀后装人隔热箱中,通过在隔热箱中插人的测温仪实时记录料温变化。同时,试验还研究了消解时间、消解水分、配比、消解方式等因素对电炉灰、LT灰和OG-LT混合灰消解情况的影响。其试验流程:每次称取3kg干燥后的上述物料,按设定物料含水量配加一定质量的水,然后混匀、打散后放置消解一定时间,待消解结束时,对含锌粉尘进行缩分取样得到10 0 2 0 0 g消解后物料;再将物料铺平置于玻璃蒸发皿上,并放人10 0 的真空干燥箱中烘至恒重;对烘干后的消解物料进行制样,然后进一步缩
20、分、取样并化验f-CaO的质量分数。此外,为强化电炉灰和LT灰的消解,本文还研究了浸泡消解、强力混合机械活化和润磨机械活化等方式对电炉灰和LT灰消解情况的影响。相应的试验步骤:浸泡消解:将电炉灰或LT灰分别与水按质量比1:2 进行配矿、搅拌均匀后进行浸泡消解,分别考察了浸泡消解时间和水温对两种物料消解程度的影响,消解结束后,迅速用抽滤机对试验样品进行过滤得到滤饼;机械活化:电炉灰或LT灰中按一定含水量配加相应质量的水,快速混匀后分别装人立式强力混合机或实30团球第3期第48 卷结烧验室小型润磨机中,在强力混合或润磨过程中进行消解并得到相应的消解物料。上述试验得到消解后的物料通过缩分、取样、真空
21、干燥、制样、再缩分取样得到若干等份,分别用于化学分析等。电炉灰或LT灰中f-CaO的消解率(D)可通过公式(1)计算:Wo一W1D二100%(1)Wo式中:W。为电炉灰或LT灰消解前的游离钙质量分数,%;W1为电炉灰或LT灰消解后的残余游离钙质量分数,%。2结果与讨论2.1电炉灰与LT灰消解升温特性在不同水分条件下(10%、15%和17.5%)的电炉灰和LT灰的消解升温特性如图2 所示。322826(a)(b)(c)2730250./味0./味83432822422221222121120202001020304050607001020304050600102030405060消解时间/min
22、消解时间/min消解时间/min水分(质量分数)/%:(a)10;(b)15;(c)17.51一电炉灰;2 一LT灰。图2含锌粉尘在不同消解水分下的升温特性Fig.2Temperature rising characteristics of zinc-containing dust during digestion under different moisture conditions由图2 可知,电炉灰和LT灰各自分别在不同的水分条件下的升温规律均基本相同。电炉灰在消解初期物料升温较快,15min后料温曲线趋于平缓。这可能是由于电炉灰中仅有少量的f-CaO有较高的活性,易与水反应,在混合初期
23、放出大量热,而剩余的f-CaO活性较低,放热较为缓慢。LT灰在消解过程中始终处于升温状态,消解时间为6 0 min时温度曲线仍处于上升的趋势,这说明物料此时仍未消解完全。总而言之,电炉灰和LT灰中f-CaO的活性均较差,消解速率较慢;但相比而言,LT灰中f-CaO的活性优于电炉灰。同时,随着物料水分的提高,物料温度的上升幅度减小。这是由于等质量电炉灰或LT灰中f-CaO充分消解释放的热量是一定的。但是温度上升既是混合料热容的反映,也与含水量密切相关。一般来说,水的比热容远高于矿物的比热容,水在物料温度升高的同时也会吸收大量-CaO消解产生的热量。因此,仅通过温度上升来判断电炉灰、LT灰的消解情
24、况并不合理,温度上升慢可能是消解水分高的缘故,也有可能是粉尘本身f-CaO的活性低、消解速率慢。因此,两种物料的消解程度仍需通过测定其f-CaO质量分数来加以判定。图3所示为电炉除尘灰和LT灰消解前后的微观颗粒形貌。由图3可知,实验室消解后的含锌粉尘与生产现场消解的含锌粉尘的微观颗粒形貌基本保持一致。电炉除尘灰和LT灰消解前后的颗粒粒径均未发生明显变化,平均粒度在几个微米,但消解后颗粒趋于球化,棱角减少,分布更加分散。这可能是因为黏附在大颗粒上的小颗粒中的f-CaO与水反应并剧烈放热,从而造成颗粒间的黏附发生解体。但是由于两种含锌粉尘的f-CaO的活性均较差,所以大颗粒内部的f-CaO未得到消
25、解,因此整体来看消解前后的单体大颗粒的微观消解前实验室消解后现场消解后(a)Lumm消解前实验室消解后现场消解后(b)LumL(a)电炉除尘灰;(b)L T 灰图3电炉灰与LT灰消解前后的微观颗粒形貌对比Fig.3Particle morphology of EAF dust and LT dustbefore and after digestion31吴佩佩,等:钢铁厂电炉灰和转炉LT灰消解特性研究2023年第3期形貌基本未发生明显的变化。对比电炉灰和LT灰消解前后的微观颗粒形貌可知,LT灰消结后的小颗粒物料的含量明显更多,物料颗粒间黏附程度更小,颗粒表面更为光滑,这也证明了LT灰的消解程度
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