吳建強 王勝 楊媛媛 崔蕊
摘 要：隨著轉爐煉鋼生產的發(fā)展，煉鋼工藝的日趨完善，目前宣鋼公司150T轉爐區(qū)域采用的是干法靜電除塵技術，簡稱LT 法。它是一種轉爐煙氣凈化及煤氣回收干式系統(tǒng)，該除塵方式不用大量濁環(huán)水洗滌煙氣，而是采用蒸發(fā)冷卻器+靜電除塵器+煤氣冷卻器系統(tǒng)。這對我國轉爐煉鋼節(jié)能減排、實現(xiàn)負能煉鋼起到了積極的推動作用。其產生的鋼鐵固體廢渣-除塵灰具有資源再利用價值。
除塵灰是EAF的煉鋼副產品，經過實踐結果是：除塵灰不宜應用于煉鋼的任何—個階段，最好的處理方式是送選燒廠造球燒結后應用于煉鋼。在鋼鐵企業(yè)，近些年越來越多人開始注意怎樣再次利用煙塵。對除塵灰的綜合利用在國內研究課題中十分重要，目前對除塵灰的利用主要是球化后作為建材用料。本文從除塵灰的來源、用途、性能等幾大方面進行探討，通過優(yōu)化工藝改造，實現(xiàn)除塵灰再利用價值的最大化。
關鍵詞：LT；除塵灰；球團；再利用
1 國內轉爐除塵灰的來源及現(xiàn)狀
1.1 除塵灰來源
一方面，煉鋼過程中，由于點火區(qū)高溫蒸發(fā)、一氧化碳氣泡上浮，帶出的鐵、石灰等輔料加入時產生的粉塵構成了煉鋼過程的除塵灰。每冶煉1t鋼將產生10～25kg粉塵[1]。
另一方面，干法（LT）除塵收集的粉塵為除塵灰，通過蒸發(fā)冷卻器收集煉鋼粉塵（粗灰）、靜電除塵器收集的煉鋼粉塵（細灰），利用干法除塵系統(tǒng)的收集保持了粉塵中CaO的活性。
圖1 鋼鐵生產工藝流程圖
1.2 除塵灰回收利用現(xiàn)狀
轉底爐生產金屬化球團的技術在我國已經被熟練應用。在爐內100～1400℃左右的高溫下，其中通過兩個階段，被預熱段和還原段，之后含碳球團受到熱量還原l6—21min完成金屬化過程，這些熱量來自燃料燃燒產生的熱輻射，于此同時在爐內通過還原生成的鋅也在高溫條件下氣化。金屬化球團進行生產時先在轉底爐旋轉一圈并且還要經過螺旋出料機排出爐外之后由于需要降低溫度還要在冷卻機下冷卻到100℃以下，完成這些最后將其送入成品倉。煤氣可以作為轉爐底的燃料并且將高溫廢氣通過煙道排出去，其流程是先通過余熱鍋爐，在這里生產出大量的蒸汽，之后再用換熱器裝置讓空氣在其中進行燃燒，這時候廢氣在烘干生球，一切都完成后這些廢氣被排入大氣中。如果想要在轉爐底生產的更加高效除了上面的方式外，還可以對除塵灰和泥進行預處理，這是由于它們的含鐵量相比較其他的較低，利用的方面小，并且它們中含有的有害雜質也是相當之高，預處理后可以減少這兩個方面的問題，使高爐更加高效。
在生活中人們大量使用木材、煤等原料，十分浪費自然資源并且破壞了自然環(huán)境，所以要通過除塵灰來制取各種活性炭，例如具有一定的吸附性能的活性炭可以減少我們對自然資源的浪費降低了原料的成本。除塵灰在鋼鐵廠還可以得到很好的利用開發(fā)，像一些鋼鐵廠的周邊環(huán)境十分惡劣，除塵灰的開發(fā)利用就能很好的解決這些問題，而且用除塵灰制的的活性炭還能對大型工廠產生的廢水和廢氣進行很好的處理，所以除塵灰在環(huán)境保護這一方面對人類具有十分重大的意義。
就我國而言，轉底爐直接還原處理除塵灰、泥項目發(fā)展的比較晚并且技術沒有達到先進水平，只有萊鋼和北科大對這一研究有所突破，還需要我們進一步去研發(fā)。
2 除塵灰主要用途
2.1 熱壓塊
熱壓塊工藝是利用粉塵的自燃特性將粉塵加熱，利用其在高溫下的塑性，經高壓壓球機壓制成塊，然后在氮氣密封狀態(tài)下冷卻后輸送到轉爐，代替廢鋼或礦石。該方法不需要另外添加黏結劑，粉塵團塊的強度也很高，可直接用于轉爐作冷卻材料使用，是現(xiàn)在LT 粉塵處理應用最多的一種方法。但是，熱壓塊生產需在高溫和隔絕空氣的條件下進行，對設備和工藝控制要求很高，一次性投資大、工藝條件苛刻、設備故障率很高，難以長期順利生產。
2.2 冷壓塊
有企業(yè)在除塵灰及污泥中加入部分添加劑，通過冷固工藝制成轉爐造渣劑壓塊，用于轉爐造渣，強化了造渣，改善了脫磷效果，脫磷率提高；化渣效果好，能夠起到防噴濺的作用。
2.3 返回燒結
轉爐除塵灰的利用途徑是加入燒結混合料中，經燒結后進入煉鐵高爐進行循環(huán)。雖然該方法不需要增加設備，但粒度過細且能夠自燃的干法除塵灰不利于燒結礦質量的控制和熱量的平衡。除塵灰含有有害雜質，而燒結難以有效地去除這些雜質，使得燒結配加和穩(wěn)定操作困難，入高爐后將影響高爐正常操作和爐襯壽命；其化學成分、粒度、水分均存在較大差異，不利于燒結礦生產和質量的提高；該方法僅能回收部分含鐵粉塵，從某利意義上講，對這些寶貴的二次資源沒有起到真正意義上的回收。因此，在燒結配料中加入除塵灰進行循環(huán)利用極不科學。
目前而言，公司主要通過燒結配料回收利用（簡稱長流程法）
2.4 球團配加
在配加煉鋼除塵細灰，經過近20 個月的摸索和改進，實現(xiàn)了生產穩(wěn)定順行，并保證了質量穩(wěn)定。轉爐干法除塵灰用于豎爐球團配加生產是可行的，配加量在5%以內，可減少對豎爐生產的影響。但是還存在煉鋼除塵灰質量不穩(wěn)定、成分波動大、倒運過程中二次揚塵太大等問題。
3 生產工藝及特點
3.1 除塵灰噸鋼回收量統(tǒng)計
宣鋼以轉爐LT 除塵灰為研究對象，探索轉爐除塵灰的高附加值利用途徑。
轉爐除塵灰分為粗灰、細灰兩種。粗灰來自蒸發(fā)冷卻器底部，細灰是煉鋼過程中產生的煙塵經干法除塵、沉降到細灰倉。2019 年全年宣鋼煉鋼除塵灰當月產量、累計量及回收量，噸鋼19-23KG。
表1 除塵灰噸鋼回收
3.2 轉爐除塵灰的化學成分
轉爐除塵灰的化學成分：
表2 除塵灰化學成分
特征：
粒度細 ≤ 0.08mm， FeO和Fe2O3是其主要成分，全鐵品位。 (TFe45-60%)平均在50%左右；次要成分是堿性氧化物CaO、MgO；酸性氧化物SiO2≤3%；含微量堿金屬氧化物Na2O、 Ka2O轉爐除塵粗灰為灰黑色，為細顆粒。轉爐除塵細灰為紅-褐色，顏色與氧化鐵紅相近，粒度較細，100 目的占70%以上。轉爐除塵細灰中氧化鐵的含量比較高，含有少量Fe3O4，是制備鐵系顏料的理想原料。
3.3 優(yōu)化燒結球團除塵灰的工藝操作規(guī)程
燒結就是將顆粒凝結成塊狀的過程，開始的階段需要多種的粉末狀的含鐵原料，然后需要一定的燃料和熔劑，把開始的原料適當?shù)募尤氲剿麄儺斨腥?，之后在向其中加入合適量的水為了后來的粘結，把這些料配完之后進行混合，并且在混合的時候要各個位置都均勻，之后進行造球的步驟，最后燃料燃燒產生高溫并且產生本質的變化，這就完成了燒結的全過程，通過上述燒結得到的塊礦就是燒結礦。
3.3.1 燒結的目的和意義
采用燒結的方法有多種好處，相比于其他方法其爐料的粒度更加的均勻，并且產生的粉末更少，利用的部分更高，除了這兩個好處之外，機械強度相比于其他方法也是一個很大的優(yōu)勢，更高，和含鐵品位高的性能，來保證料柱透氣性和降低焦比。
天然富礦通過加工產生的礦粉經過燒結[14]成塊后進入高爐當中，我們還可以大部分去除或回收利用那些鐵礦石當中的一些有害的元素，比如鉀、鋅等。工業(yè)生產者產生了爐塵、軋鋼皮等一些工業(yè)生產的副產品我們也可以加以利用，讓這些無用的東西重新利用起來，這樣不僅將資源合理的利用起來，還對工廠的經濟有一定幫助降低其成本，并且阻止了這些副產品對環(huán)境的破壞。
現(xiàn)在的高爐冶煉使用燒結礦和球團礦，相比于以往，這讓高爐冶煉技術達到了一個新的高度，它使生產質量提高了不少，并且生產出來的都是優(yōu)質的，還讓冶煉消耗了更加小的能源，更是成就了高爐長壽的目的，所以燒結礦的作用是冶煉技術的一大進步[2]。
3.3.1.1 燒結生產的工藝流程
隨著時間的前進，生產燒結礦的方式也在前進，近年來生產其最流通最普遍的方式就是使用帶式抽風燒結機來進行生產，相比于以前更為有效，更為方便，而對于生產燒結礦，其工藝流程不算十分復雜，主要分為三大步驟，首先是對燒結原料的準備，準備好所要用的原料后，將其進行配入，之后將它們均勻的進行混合，完成了準備階段后，進入了正式燒結的過程（如圖1.1），它也是整個生產過程中的中心環(huán)節(jié)，完成燒結生產出燒結礦，對這些生產出來的燒結礦進行處理，得到人們想要的產品。
圖2 燒結生產流程
1） 燒結原料的準備
（1）含鐵原料
含鐵原料對于品位的要求很高，并含有較少的雜質，含鐵原料的成分相對穩(wěn)定，其原料主要是鐵精礦，軋皮鋼，鋼渣，高爐爐塵，含鐵量高粒度小于5毫米的礦粉。
（2）熔劑
熔劑的成分也需要比較穩(wěn)定，含有較少的雜質，粒度要有九成都需要比3毫米小，其成分中CaO的有效含量要高。
在燒結過程中想要提高燒結礦的質量，可以在料中加入適當?shù)陌自剖?，讓燒結礦的成分中含有一定量的MgO。
（3）燃料
主要為焦粉和無煙煤。
燃料的成分也是需要比較穩(wěn)定含硫量低粒度要有95％都小于3毫米，除了這個要求以外，灰分等也是有一定要求的，它們要低，并且達到燒結的要求還要使其成分中的固定碳的含量要較高些，這樣就達到了燃料所需要的程度。
2） 配料與混合
（1）配料
為了要滿足高爐冶煉生產所提出的要求，要采用合適的方法進行合理的配料，而大體來說配料其實是為了得到其性質不易改變的燒結礦，現(xiàn)在我們常用的方式，即質量配料法和容積配料法，這兩種方法來互相比較，前者相對于后者更加的精準，前者的配料是按原料的質量來配料，而后者則是根據(jù)物料堆積的密度不是變化的，按照其一些基本物理性質成比例（m、V）這一條件來進行配料的，所以大部分冶煉都采用質量配料法的方法來配料。
（2）混合
混合的目的是在達到燒結礦的產值有一定的上升的同時質量也達到一定的要求，混合首先是對燒結礦的成分進行均勻的混合，之后在加入適當?shù)乃?，為了粘結，這樣就獲得了燒結混合料，而且是有良好的粒度組成的料，大體可以分為3步：加水濕潤、混勻和造球。
而在混合過程中的燒結原料還具有不同的性質，所以混合也要分為兩步進行，在第一步中進行混合的目的是將原料濕潤并且是料相對的均勻，這個過程還可以對物料進行適當?shù)念A熱，第二步是在加熱返礦的時候，對原料進行更加進一步的混合使其更加均勻，然后進行造球工作，兩次的混合不僅對料的均勻程度有了大的調節(jié)還對料層的透氣性起到了有利的作用，增強了料柱的透氣性，這也是用細磨精礦粉時所采用的方法，混合時間基本大于3分鐘。
3）燒結生產
燒結作業(yè)是燒結生產的中心環(huán)節(jié)，它包括布料、點火、燒結等主要工序。
（1）布料
現(xiàn)在布料采用最多的方法就是圓輥布料機進行布料，布料的內容是把兩種料鋪在燒結機臺車上的作業(yè)的過程，在布混合料前，鋪一層小塊的燒結礦作鋪底料，它們的粒度大約在12到26毫米之間，厚度在21到26之間，這種做法保護了爐箅，對機器的使用得到了很好的幫助，增加了它能繼續(xù)工作的時間，得到有效的利用，讓除塵更好的進行下去，鋪完一層小塊的燒結礦作為底料之后要進行的是布料，在布料時也有著一定的要求，布料的時候用的臺車的特定方向要將混合料的成分和顆粒的大小質量等進行均勻的合理的分布，這些混合料要有一定的松散性并且表面的要求平整，然后完成布料這一過程在往下進行下面的過程。
（2）點火
完成了第一個布料的階段后進行點火的過程，在點火操作的過程中，要保持點火時溫度的足夠，并長時間的持續(xù)在這種合理的溫度下，在臺車的料層表面對它采取合理的點火方式，讓各個位置都能均勻的燃燒，這里點火的溫度一般控制在1200±100℃左右，時間大約在一分鐘左右，并且點火的時候達到的深度要保持在10到20毫米之間。
（3）燒結
燒結生產的布料和點火進行完之后，進行最后的燒結步驟，燒結時要考慮多個方面的問題，只有這些問題得到合理的解決才能獲得合適的燒結礦，首先要對燒結的真空度的問題，而它的情況還要決定于多個方面，不如料層的透氣性等幾個方面，第二個大方面是對于保持燒結機的速率在一個合理的情況下，然后再合理的選擇料層厚度達到燒結時最好的情況，最后就是燒結過程的全部完成了，這是還應該注意臺車的位置，其經過了整個燒結過程最后停下，這時所在的就是燒結終點。燒結過程中的冷卻固結
在燒結礦的固相反應和液相反應之后，研究的是它的冷卻固結過程，這個過程時間上是一個再結晶的過程，燒層移過后，燒結礦的冷卻過程隨機開始，一些液相的礦物隨著周圍的溫度慢慢的降低逐漸發(fā)生凝固，液相結晶，結晶過程中最先形成晶核，多種物質可以充當起晶核的角色，比如未熔化的礦物粒子和大氣中的有害的粉塵等等，之后晶核周圍的晶粒開始發(fā)生變化，逐漸變大，冷卻的速度要適當，不可過快過慢否則會造成晶核不能發(fā)展完全，生成的礦會在其表面造成比較多的裂紋，產生了比較多的裂紋，就說明了它的強度也是比較差的，上下層的燒結礦受空氣影響不同會造成的差異，而對于出現(xiàn)這種情況，它的更細致的說法是燒結內部晶粒之間的相應的力造成的。當溫度下降到850℃時，α-2CaO•SiO2轉變?yōu)?gamma;-2CaO•SiO2體積增大約12%。當冷卻至675℃時。β-2CaO•SiO2轉變?yōu)?gamma;-2CaO•SiO2，體積有增大10%[26]。所以要得到強度和無裂紋的燒結礦盡量控制冷卻過程中的溫度，在燒結料的脈石中Al2O3含量高時，固結過程中會出現(xiàn)鋁黃長石（2CaO•Al2O3•SiO2），鐵鋁酸四鈣（4CaO•Al2O3•Fe2O3），鐵黃長石（2CaO•Al2O3•Fe2O3）等，鈣鎂橄欖石（CaO•MgO•SiO2），鎂黃長石（2CaO•MgO•2SiO2）及鎂薔薇石（3CaO•MgO•2SiO2）等會出現(xiàn)的原因是氧化鎂的含量較多所造成的。
3.3.1.2 燒結礦的礦物組成及結構
燒結礦的固結是決定了它是由許多種礦物組成的，而液相成分是決定燒結礦礦物組成的重要因素，由于液相的成分和數(shù)量首先取決于原料性質，如礦物類型、化學成分、粒度組成等。其次取決于燒結工藝條件，如配碳量、堿度、溫度、氣氛、料層透氣性等，各種燒結礦的礦物都是基本相同的，這是因為受到了兩個條件的影響，原料條件和燒結工藝。燒結礦這里分為兩種，即熔劑性燒結礦和自熔性燒結礦兩類，但是它們的主要礦物組成卻不盡相同，主要是以鐵酸鈣、磁鐵礦、鈣鐵橄欖石為主，并含有低量的其他物質，石英、玻璃等。
在顯微鏡下可以觀察燒結礦的結構，主要觀察它的礦物組成的各種物理性質，比如大小和位置關系等等，這些在早期不同的燒結礦沒有明顯的差異，但是隨著技術的發(fā)達和條件的改變，它們也存在了顯而易見的不同之處。
根據(jù)近年來通過觀察得出的常見的燒結礦的顯微結構，可以分為5種類型，這些結構是熔蝕結構、斑狀結構、骸狀結構、單點狀的共晶結構以及粒狀結構這幾大類別，有些磁鐵礦在顯微鏡下是斑狀的晶體，它們和相對細的粒子的粘結物互相結合形成的斑狀結構，我們觀察的高堿度的燒結礦，它們晶粒十分細小，具有圓潤的形狀，被鐵酸鈣所熔蝕，進而緊密的連接在了一起，它們之間具有較大的接觸面積并且摩擦力也是不小的，是它們更加緊密，更加牢固，因此強度也得到了大大的增強，這就是高堿度燒結礦的熔蝕結構，在燒結的早期通過冷卻結晶得到磁鐵礦晶體不隨著別的礦物的進入而對其自身發(fā)生改變，仍然保持其原有的晶體外形，這種稱之為骸狀結構，通過觀察橄欖石晶體和硅酸鹽晶體的結構可知它們的形成是有一定的區(qū)別的，而不是相同的，分別對應磁鐵礦顯示出圓形點狀的和赤鐵礦表現(xiàn)的圓形點狀晶體，并且前者是Fe3O4-Cax•Fe2-x•SiO4系共晶所形成的，但是后者則是該系統(tǒng)的共晶體被氧化而產生的，兩者有很大的區(qū)別的，各種晶粒和磁鐵礦之間互相組成，而且除了上述的條件之外磁鐵礦又是燒結礦的結晶產物，產生了各種各樣的形狀的晶粒，這種組成就是粒狀結構。
在進行液相冷卻析晶的時候，析出的晶體常常以多種形式凝固組成，這是由于礦物晶體本身特有的不同特性以及冷卻析晶時候的溫度和濃度在整體當中并不是十分均勻而造成的，這些凝固的形狀十分特別，針、片、柱等等，燒結礦的質量主要是指的燒結礦的還原性和強度，在生產過程當中我們要嚴格控制其質量，就是要對燒結礦的結構和礦物組成做嚴格的要求，防止造成嚴重的損失和后果，燒結礦的強度如同數(shù)學中的規(guī)律一樣，可以各個部分加和算出總體來，表示為各種礦物強度乘以該礦物在總體中所占的比例，在加和起來就是總的強度了，根據(jù)研究，我們已經得出了在燒結礦中影響礦物強度和還原性的順序的關系，如下：
赤鐵礦→磁鐵礦→鐵酸鈣→鈣鐵橄欖石→玻璃相 依次降低的強度變化
赤鐵礦→磁鐵礦→鐵酸鈣→鈣鐵橄欖石→鐵橄欖石 依次變壞的還原性
燒結礦的進行還原反應并不是在其內部進行的，而是通過這些還原性的氣體，逐漸的進行擴散后，慢慢的延伸到反應界面之后進行的反應，當然還有其他方面的原因，那些細小而且密集的晶粒相比于大的更加容易進行還原，氣孔率大的比小的，松弛的比緊密的都更容易進行還原。
4 課題研究意義
用煉鋼散料除塵灰代替部分生石灰配燒結礦，其主要經濟技術指標是，煉鋼散料除塵灰代替部分生石灰和石灰石配燒結礦，不影響燒結礦質量。將散料灰代替部分石灰石，在保證燒結礦指標的情況下，減排一定量的CO2，同時避免了廢棄的煉鋼散料灰對環(huán)境的污染。
因此提出將煉鋼散料灰配入燒結礦，實現(xiàn)煉鋼除塵灰資源化利用課題。
參考文獻
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[2] 王令福．煉鋼粉塵處理工藝的最新發(fā)展[J]．冶金能源，2006，25(4)：46．