金屬化球團抗壓強度的影響因素分析及資源化利用

郭秀鍵，羅寶龍，趙忠宇，倪曉明，羅 磊，雍海泉

（重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司，重慶 401122）

鋼鐵冶煉過程中產生的冶金塵泥約為鋼產量的10%～13%，成分以鐵為主，部分含有鋅、鉛、鉀、鈉等有害元素［1－3］。冶金塵泥應該得到合理的回收利用，若處理不當，不僅造成資源浪費，還會污染環境。通常鋼鐵企業回收冶金塵泥作為燒結原料進入高爐，但部分塵泥含有的鋅等有害元素會在高爐內部循環富集，增加高爐鋅負荷，影響高爐順行［4－6］，還會弱化焦炭和礦石的冶金性能，降低料塊的強度和還原性，增加高爐冶煉焦比［7］。轉底爐直接還原工藝具有原料適應性強、能源消耗低、環境友好等特點，是目前處理高爐灰、轉爐灰等含鋅塵泥的主流工藝，脫除鋅等有害元素的同時產出金屬化球團，而強度是影響金屬化球團資源化利用的重要指標之一。丁娟等［8］以高爐瓦斯灰和轉爐污泥為原料制備含碳球團，考察了焙燒條件的影響，并且測得其抗壓強度；吳鏗等［9］對采用不同煤種配碳還原，分析了球團還原冷卻后的強度變化規律；吳斌等［10］研究了不同黏結劑、溫度對球團強度的影響。

本文通過分析球團原料特性，試驗研究原料配比、焙燒制度、烘干、冷卻方式、成型方式對轉底爐金屬化球團抗壓強度的影響，并探討金屬化球團進高爐利用的可行性，以期為轉底爐工業生產參數的優化和金屬化球團的資源化利用提供借鑒和參考。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料為來自某鋼廠的冶金塵泥，主要成分如表1所示。含鋅較高的原料主要是高爐布袋灰、煉鋼一次灰和煉鋼二次灰，這在長流程鋼鐵企業中比較典型。高爐布袋灰中的鋅主要來源于燒結礦、球團礦、焦炭、煤粉等高爐原燃料［11］，煉鋼一次灰和煉鋼二次灰中的鋅則主要來源于冶煉過程中加入的鍍鋅廢鋼或其它鋅鉛防腐鋼材。另外，高爐布袋灰中還含有較高的鉀、鈉，其主要以氯化物形式存在［12］；水洗后得到的水洗料中鉀、鈉明顯減少，鐵、鋅等元素得到了相應富集，說明水洗可以實現其中鉀、鈉雜質的大部分脫除。

表1 冶金塵泥的主要化學成分和堆密度Table 1 M ain chem ical component and bulk density ofmetallurgical dust＆sludge

高爐旋風灰和高爐布袋灰都含有較高的碳，可為轉底爐提供還原劑；高爐爐前灰的鋅、碳質量分數均不高，主要用于配料調節，提高入爐料的鐵質量分數；煉鋼二次灰的氧化鈣質量分數高，超過了15%，對配料的堿度影響較大。

采用激光粒度分布儀對冶金粉塵進行檢測，得到粒度分布如表2所示。由表2可知：高爐旋風灰粒度較粗， ＜74μm粒級占比僅為16.88%，＜250μm粒級占比才達到75.47%；高爐布袋灰的粒度比旋風灰細很多，粒度集中在44μm以下，＜74μm粒級占比已達到93.56%；高爐爐前灰的粒度更細， ＜44μm粒級占比已達到90%左右，＜74μm粒級占比超過98%；煉鋼一次灰和煉鋼二次灰＜74μm粒級占比接近75%，只是煉鋼一次灰＜10μm粒級占比明顯更高。

表2 冶金粉塵的粒度分布（質量分數）Table 2 Particle size distribution ofmetallurgical dust %

1.2 試驗方法

根據冶金粉塵的化學成分，按配比稱量并添加干粉黏結劑，充分利用原料中的碳，控制n（C）/n（O）（物質的量的比）為1.0～1.1，調節水分攪拌均勻并成型、干燥。黏結劑選用有機淀粉類，配加量2.5%。成型方式有兩種，壓球采用對輥壓球機，滾球采用圓盤造球機。焙燒設備為電加熱還原焙燒爐，用電加熱來控制溫度，用天然氣燃燒產生的煙氣來模擬轉底爐氣氛，二者共同完成球團焙燒。先把焙燒爐的溫度升到設定的溫度，調整好爐膛的氣氛，將烘干后的球團裝入料盤，打開爐門送入，關閉爐門進行焙燒并開始計時，達到設定的焙燒時間后取出料盤冷卻，然后取樣檢測。試驗步驟如圖1所示。

圖1 試驗步驟Fig.1 Experiment process

2 試驗結果與討論

2.1 原料配比的影響

本文采用壓球方式成型，在球團干燥后放入焙燒爐焙燒，在焙燒溫度為1 270℃和焙燒時間為22 min條件下研究原料配比對金屬化球團強度的影響，試驗結果如表3所示。由表3可見：不同原料配比對金屬化球團強度影響較大，當高爐旋風灰配比高達56%時，金屬化球團表面結殼，內部呈粉末狀，如圖2所示；減少旋風灰的配比至42%，同時添加28%的爐前灰時，金屬化球團內部粉化現象基本消失，球團抗壓強度提高到1 000 N/P左右，球團外表面呈灰黑色，球徑略有縮??；進一步減少高爐旋風灰的配比至18%，同時添加26%高爐布袋灰，26%高爐爐前灰，20%煉鋼一次灰和10%煉鋼二次灰，金屬化球團抗壓強度明顯提高，達到2 815 N/P，球團外形呈現金屬光澤，部分還出現了金屬液珠，且球徑普遍縮小2～3 mm；將高爐布袋灰用其水洗料替代，其他配比保持不變，金屬化球團抗壓強度卻又明顯降低，僅有1 181 N/P。

圖2 不同原料配比下金屬化球團外貌形態Fig.2 Appearance of DRIw ith different raw material ratios

改變原料配比，相當于改變了混合料的粒度組成和成分組成。從粒度組成上看，A1～A3試驗中，隨著高爐旋風灰和煉鋼一次灰配比減少，以及高爐爐前灰和高爐布袋灰配比的提高，混合料的平均粒度相應降低，粒度的降低有利于成球后碳、鐵、鋅的充分結合與反應，還原后的鐵微熔相粘連在一起，從而提高了金屬化球團的強度。A4試驗金屬化球團強度的明顯降低，則是由于高爐布袋灰水洗后參與配料，物料顆粒有所聚集，致使球團中碳、鐵、鋅結合不如干灰充分所致。從化學成分方面看，隨著堿度的降低，球團強度越來越高，說明堿度可能也是影響金屬化球團強度的因素之一。

2.2 生球烘干的影響

本文選取兩組典型的原料配比，采用壓球方式成型，對比生球烘干與不烘干對金屬化球團強度的影響。為保證生球入爐后不爆裂，采用逐步升溫的多段制溫度焙燒，即溫度為1 150℃時焙燒7min，升溫到1 270℃再焙燒7min，然后升溫到1 300℃焙燒8 min出爐，總焙燒時間為22 min，試驗結果如表4所示。B1、B2兩組試驗與B3、B4兩組試驗的原料配比雖然差異較大，但都表現為生球烘干后金屬化球團的強度明顯要高，說明生球烘干入爐對提高金屬化球團強度有利，在實際生產中，為了防止球團爆裂和追求更高的產品強度指標，建議將生球烘干入爐。

表4 烘干對金屬化球抗壓團強度的影響Table 4 Effects of drying on com pressive strength ofmetallized pellets

2.3 焙燒制度的影響

本文選取兩組典型的原料配比，采用壓球方式成型，干燥后入爐焙燒，考察不同的焙燒制度對金屬化球團強度的影響，試驗結果如表5所示。B1、B3試驗采用逐步多段升溫焙燒制度，總焙燒時間為22min（1 150℃焙燒7min、1 270℃焙燒7 min、1 300℃焙燒8 min）；A2、A3試驗采用一段溫度焙燒制度，即溫度為1 270℃放入球團直接焙燒22 min。試驗結果表明，在相同原料配比下，焙燒溫度制度的改變對金屬化球團強度影響不大，其仍表現為原料配比是影響球團強度的主要因素。

表5 焙燒制度對金屬化球團抗壓強度的影響Table 5 Effects of calcination conditions on compressive strength ofmetallized pellets

2.4 冷卻方式的影響

本文選用的高爐旋風灰、高爐布袋灰水洗料、高爐爐前灰、煉鋼一次灰、煉鋼二次灰配比分別為18%、26%、26%、20%、10%，采用壓球方式成型，將生球干燥后入爐，采用相同的溫度（1 270℃）和焙燒時間（22 min）進行焙燒，研究氮氣冷卻、爐內冷卻2 min＋出爐氮氣冷卻、空氣冷卻3種冷卻方式對金屬化球團抗壓強度的影響，試驗得到其對應球團抗壓強度分別為1 181、1 049、926 N/P。試驗結果表明，在原料配比、焙燒溫度、焙燒時間等參數相同時，采用氮氣冷卻，爐內冷卻＋出爐氮氣冷卻以及空氣冷卻3種方式對金屬化球團抗壓強度的影響不大。而分析成分后發現，采用空氣冷卻只比氮氣冷卻的球團金屬化率低約5%，這表明在球團出爐初期，空氣會氧化其表面的金屬鐵，而隨著溫度急劇降低及表層氧化后形成了鈍化層，氧化反應變得很緩慢。

2.5 成型方式的影響

為考察成型方式對球團強度的影響，本文選用2組不同的原料配比，分別采用壓球成型和圓盤造球成型，干燥后將生球入爐焙燒，設置焙燒溫度為1 270℃、焙燒時間為22min，對比成型方式對金屬化球團抗壓強度的影響，試驗結果如表6所示。由表6可見：在相同的焙燒溫度下，當混合料中高爐旋風灰配比較高時，造球焙燒后金屬化球團雖然沒有像壓球那樣出現空殼粉化現象，但強度較低，不到500 N/P；優化原料配比后，雖然造球焙燒后金屬化球團強度明顯增加，但相比同等條件下壓球焙燒后金屬化球團抗壓強度差距明顯。

表6 成型方式對金屬化球團抗壓強度的影響Table 6 Effects of form ing methods on compressive strength ofmetallized pellets

3 金屬化球團的資源化利用

金屬化球團作為冶金塵泥的直接還原產物，其資源化利用主要有以下幾種途徑：①作為高爐的配料之一，通過高爐的配料設施與燒結礦、球團礦等原料共同進入高爐；②作為冷卻劑，代替廢鋼進入轉爐；③進入熔分爐，進一步被還原并實現渣鐵分離。

采用轉底爐直接還原工藝處置長流程鋼鐵企業產出的冶金塵泥，得到的金屬化球團可以達到全鐵質量分數為65%以上，金屬化率為70%以上，鋅質量分數則可以穩定控制在0.5%以下，適合進入高爐使用。當然，為了避免增加高爐的鋅負荷，脫鋅率在可控范圍內應盡量提高。在球團強度方面，參考《高爐煉鐵公司設計規范》中典型高爐對燒結礦、球團礦的要求，其強度指標對比如表7所示。

表7 燒結礦、球團礦與金屬化球團強度指標對比Table 7 Com parison of strength parameters among sinter，pellet and metallized pellets

表7中金屬化球團轉鼓指數、抗壓強度值是工程上轉底爐穩定生產普遍可以達到的，而更高的強度，就需要通過調整原料配比，甚至要加入部分沒有脫鋅需求的塵泥才可以實現。金屬化球團抗壓強度指標與球團礦相比有一定差距，但轉鼓強度并不遜色。造球工藝的金屬化球團的轉鼓強度與燒結礦相當，而壓球工藝的金屬化球團轉鼓強度優于燒結礦，與球團礦類似。而還原粉化率和膨脹率方面，由于金屬化球團經過了轉底爐的高溫還原焙燒過程，指標均優于球團礦。另外，金屬化球團在還原焙燒過程中形成了一定的液相黏接，即使有破裂，也多呈現塑性變形或碎成小塊狀，性能更接近燒結礦，因此參照高爐對燒結礦轉鼓強度的要求，金屬化球團進高爐使用是滿足要求的。

金屬化球團進轉爐利用主要受限于其硫、磷質量分數。這些有害雜質來源于塵泥原料，在還原焙燒過程中無法脫除，導致其在多種鋼材冶煉中的使用受到限制。熔分爐處理可以實現渣鐵分離，但能耗較大、成本較高。

轉底爐處理冶金塵泥的主要目的是脫除塵泥中的鋅，對于生產穩定的鋼鐵企業，含鋅塵泥可選擇的范圍有限，金屬化球團強度指標也不能無限制地提高，考慮到其轉鼓強度至少與燒結礦相當，入爐量也只占高爐原料量的2%～3%，一般不會對高爐冶煉帶來不利影響，反而因其具有70%以上的金屬化率，進入高爐可以在一定程度上起到降低焦比、改善爐況的作用。

4 結 論

（1）高爐布袋灰、煉鋼一次灰和煉鋼二次灰含鋅較高是轉底爐主要的處理對象；高爐旋風灰、高爐布袋灰含碳較高，可以用作還原劑。幾種塵泥的粒度差異也較大，高爐旋風灰粒度較粗，高爐布袋灰和高爐爐前灰粒度較細。

（2）原料配比對金屬化球團強度的影響較大，尤其隨著高爐旋風灰配比的增加，金屬化球團強度明顯降低，而高爐布袋灰、高爐爐前灰配比的增加，則有利于金屬化球團強度的提高。采用高爐旋風灰配碳，其配比為56%時，金屬化球團會出現空殼粉化現象，調整高爐旋風灰、煉鋼一次灰、煉鋼二次灰、高爐布袋灰、高爐爐前灰配比為18%、20%、10%、26%、26%，金屬化球團抗壓強度可達到2 815 N/P。

（3）在合適的配比下，壓球成型得到的金屬化球團強度明顯高于造球成型方式，在對強度有較高要求的場合，建議優先選用壓球工藝。冷卻方式對球團強度影響不明顯，但采用空氣冷卻會影響球團的金屬化率，比氮氣冷卻低約5%，對金屬化率要求較高的場合應做好球團冷卻過程中的防氧化措施。金屬化球團強度與燒結礦相當，進入高爐使用是其資源化利用的理想途徑，有助于高爐降低焦比、改善爐況。