孫利軍¹    張 晨²   李永昶³

（1. 陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司煉鐵廠設(shè)備管理科   陜西勉縣  724200；2. 中鋼集團(tuán)工程設(shè)計研究院有限公司  北京    100080；3. 陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司煉鐵廠             陜西勉縣  724200）

摘  要：以冶金粉塵為原料，在實驗室模擬轉(zhuǎn)底爐焙燒制度生產(chǎn)預(yù)還原球團(tuán)，進(jìn)行產(chǎn)品的物理性能和冶金性能檢測，以期滿足高爐使用。實驗結(jié)果表明：預(yù)還原球團(tuán)具有良好的冶金性能，無低溫還原粉化﹑無高溫還原膨脹﹑軟熔性能優(yōu)良。但是其物理性能差，抗壓強(qiáng)度僅有800N，影響高爐塊狀帶透氣性，是其大量使用的制約條件。根據(jù)物料平衡計算，預(yù)還原球團(tuán)在爐料中僅占到～5%，總體而言利大于弊，可以作為高爐爐料使用。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)底爐；預(yù)還原球團(tuán)；抗壓強(qiáng)度；冶金性能

1  前 言

隨著近幾年來鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，對于入爐原料質(zhì)量的重視以及固廢處理的環(huán)保要求，國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)紛紛在固廢處理方面加大投資力度，先后建起多座轉(zhuǎn)底爐處理冶金塵泥。但目前利用冶金粉塵生產(chǎn)出的金屬化球團(tuán)品位無法達(dá)到《YB/T4170-2008》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，由于轉(zhuǎn)底爐工藝得到的產(chǎn)品中包括了粉塵中的脈石，導(dǎo)致產(chǎn)品中的TFe含量低。另一個難點是原料中硫含量絕大部分保留在金屬化球團(tuán)中，過高的硫含量顯然不適用于煉鋼的要求。

日本、韓國投產(chǎn)運行的轉(zhuǎn)底爐，生產(chǎn)的金屬化球團(tuán)作為高爐爐料使用，見表1。其高爐的含鐵原料主要在國際市場上購買，爐料結(jié)構(gòu)均以高堿度燒結(jié)礦為主，與我國高爐相同，值得借鑒。本文通過實驗使用粉塵生產(chǎn)預(yù)還原球團(tuán)，研究其物理和冶金性能是否滿足作為高爐冶煉使用，既可以解決冶金粉塵的問題，又能有效利用產(chǎn)物，有著重要的實際意義。

表1 國外轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)品利用一覽表

2  實驗流程及方法

本次實驗所用的粉塵取自江蘇S廠和內(nèi)蒙古B廠，分別標(biāo)記為S式樣和B式樣，將各廠不同成分粉塵﹑煤粉﹑粘結(jié)劑按比例配料后人工混勻。基于生產(chǎn)實踐中粉塵球團(tuán)金屬化率低，焙燒后球團(tuán)中殘?zhí)忌偾闆r，提升混合料的C/O達(dá)到16.16%。混合好的物料放入圓盤中造球，9~16mm干燥后的圓形球團(tuán)，取~150g平鋪放在剛玉盤上鋪兩層進(jìn)行焙燒，焙燒制度：1050-1200℃﹑7min；1200-1300℃﹑10min；1300-1300℃﹑21min，焙燒氣氛為氮氣氣氛。焙燒結(jié)束后，每組球團(tuán)分成兩部分，一半進(jìn)行水淬（強(qiáng)制冷卻），一半部分空冷（自然冷卻），水淬后的球團(tuán)需要干燥后稱重。首先考察球團(tuán)金屬化率，Zn、Pb、K、Na、S、P脫除率；在滿足入爐成分標(biāo)準(zhǔn)《GB/50427-2015》后再進(jìn)行強(qiáng)度﹑高溫爆裂和荷重軟化性能性能測試。

3  實驗結(jié)果與分析

3.1  預(yù)還原球團(tuán)成分

轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的預(yù)還原球團(tuán)成分取決于冶金粉塵和還原劑的成分，而冶金粉塵的成分與鋼鐵廠所使用的含鐵原燃料有關(guān)。兩組實驗所生產(chǎn)的預(yù)還原球團(tuán)金屬化率均大于80%，表3為S廠試樣，其化學(xué)成分滿足高爐冶煉的要求。表4﹑5為B廠式樣，可以看出干球成分中K﹑Na含量很高，還原后球團(tuán)中含量仍很高，達(dá)不到入爐標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)底爐工藝的主要用途為處理含鋅含鐵冶金塵泥，對鉛﹑鋅的脫除率很高，但是對于鉀脫除率只有50%，鈉的脫除率僅30%左右。使用堿金屬高的礦石冶煉時，堿金屬不僅在粉塵中含量高，在制備的預(yù)還原球團(tuán)中仍很高，這樣的球團(tuán)不易添加進(jìn)高爐，但仍可作煉鋼用。

3.2  冷卻制度預(yù)對預(yù)還原球團(tuán)落下強(qiáng)度的影響

從焙燒后球團(tuán)強(qiáng)度結(jié)果來看，水淬后的球團(tuán)強(qiáng)度稍差，空冷球團(tuán)有著很高的強(qiáng)度，落下次數(shù)均達(dá)10以上，完全能滿足實際生產(chǎn)中倒運的要求。因此在預(yù)還原球團(tuán)的冷卻工藝設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)工業(yè)應(yīng)用實際情況，為了避免空冷造成預(yù)還原球團(tuán)表層二次氧化，適當(dāng)?shù)目紤]采用間接冷卻工藝，不僅有利于球團(tuán)提高落下強(qiáng)度，更是對改善作業(yè)環(huán)境有很大的幫助。

3.3  焙燒制度對成品球抗壓強(qiáng)度的影響

從表6可以看出還原焙燒溫度從1050—1250℃，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度隨著金屬化率升高而迅速升高；從1250℃提升到1300℃，球團(tuán)的金屬化率變化緩慢，這是由于產(chǎn)生了密實的金屬殼層，覆蓋在未還原的礦物周圍，影響了還原氣體的擴(kuò)散，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度變化也隨之緩慢。

如圖1所示，還原時間在從0—30min，球團(tuán)金屬化率逐漸升高，球團(tuán)強(qiáng)度也升高，30—40min時，變化開始變緩。當(dāng)還原時間超過40min之后，球團(tuán)強(qiáng)度會隨著金屬化率下降而降低。這是因為隨著焙燒時間的延長，還原劑消耗量和燒損越來越大，球團(tuán)內(nèi)不再排出可燃?xì)怏w，CO/CO₂濃度比下降，還原性氣氛消失，部分金屬鐵又重新被氧化。

圖1預(yù)還原球團(tuán)強(qiáng)度與還原時間關(guān)系         

綜合分析，一方面磁鐵礦在中性或還原性氣氛下焙燒，當(dāng)溫度超過900℃時，F(xiàn)e₃0₄顆粒被保留下來發(fā)生再結(jié)晶與晶粒長大，使顆粒互相連接起來。試驗研究表明，F(xiàn)e₃0₄再結(jié)晶的形式固結(jié)的球團(tuán)礦強(qiáng)度低于Fe₂0₃ 再結(jié)晶的球團(tuán)礦強(qiáng)度^[1]。如圖2所示，轉(zhuǎn)底爐還原區(qū)氣氛為弱還原性。另一方面，隨著還原過程的進(jìn)行，金屬鐵逐漸被還原出來，球團(tuán)收縮，顆粒之間連接成致密的整體，使得強(qiáng)度升高。盡管如此，金屬鐵也只占50%，其抗壓強(qiáng)度最大800N，不僅小于Midrex工藝生產(chǎn)的金屬化球團(tuán)強(qiáng)度（圖3），也遠(yuǎn)低于普通氧化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度。   

3.4  預(yù)還原球團(tuán)冶金性能指標(biāo)

圖4為預(yù)還原球團(tuán)外貌，轉(zhuǎn)底爐工況下（弱還原氣氛﹑微負(fù)壓），球團(tuán)整體焙燒狀態(tài)較好，還原后基本成球，無高溫爆裂現(xiàn)象，低熔點共熔現(xiàn)象很少，球團(tuán)沒有發(fā)生軟熔、粘結(jié)的現(xiàn)象，冷卻干燥后觀察有輕微粉化和結(jié)殼情況。由于預(yù)還原球團(tuán)礦是已被部分或大部分還原為直接還原鐵，已不屬于鐵礦石。與氧化球團(tuán)相比，預(yù)還原球團(tuán)可視為金屬附加物。預(yù)還原球團(tuán)在生產(chǎn)過程中已經(jīng)歷過還原，再次加入高爐內(nèi)，不存在低溫還原粉化和熱膨脹率的問題。

球團(tuán)內(nèi)剩余部分未還原的鐵和渣，渣中FeO﹑SiO₂等生成少量低熔點的渣相。由表7可見，預(yù)還原球團(tuán)開始軟化溫度約1150℃左右，終了溫度約1300℃，軟還溫度區(qū)間窄。綜上所述，預(yù)還原球團(tuán)的高溫還原膨脹和低溫還原粉化性特別好，其軟化開始溫度相對高，軟化區(qū)間也相對較窄，具有優(yōu)良的冶金性能。

4  爐料結(jié)構(gòu)變化對高爐冶煉的影響

近些年來高爐工藝有了很大的提升和改變，但在爐料結(jié)構(gòu)方面，幾乎沒有變化，仍是由燒結(jié)礦﹑球團(tuán)礦﹑塊礦組成。使用預(yù)還原球團(tuán)作為爐料，提高入爐料品位，減少了高爐中對鐵礦石氧化還原的負(fù)擔(dān)，從而降低高爐焦比。

I G Tovarovskiy等人甚至考慮從爐頂布料、煤氣流分布、軟熔帶等高爐冶煉過程參數(shù)的變化中，找出爐料不同金屬化率對焦比的影響^[2]。當(dāng)爐料金屬化率小于20%時，降低焦比最多。蘇聯(lián)奧爾斯克鋼鐵廠在高爐使用金屬化球團(tuán)礦試生產(chǎn)，爐料的金屬化率提高到9.6%，高爐生產(chǎn)率提高2.3%，焦比下降5.7%。歐洲設(shè)計建造了一座年產(chǎn)160萬t的HYL直接還原廠，在傳統(tǒng)BF-BOF流程中加入直接還原鐵，降低焦炭消耗，減少CO₂排放。Midrex直接還原生產(chǎn)HBI，在其高爐中使用，可顯著提高鐵水產(chǎn)量并降低焦炭消耗，HBI熱壓鐵塊的用量最多可達(dá)到高爐裝載量的30%。

與上述幾種工藝生產(chǎn)的金屬原料不同，轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的預(yù)還原球團(tuán)雖然冶金性能優(yōu)良，但其物理性能較差。作為高爐爐料有利有弊，應(yīng)積極采取應(yīng)對措施。?加入預(yù)還原球團(tuán)后，燒結(jié)礦比例相對減少，球團(tuán)比例相對增加。一座千萬噸級的鋼鐵廠每年所產(chǎn)生的含鐵粉塵約100萬t，可生產(chǎn)約78萬t預(yù)還原球團(tuán)，全部作為高爐爐料時，占比為4.5%左右。高爐球團(tuán)礦比例增加后，塊狀帶爐料粒度差別值減小，爐料孔隙度下降，煤氣流的阻力損失上升^[3]。根據(jù)高爐取樣表明，爐內(nèi)低溫區(qū)氧化球團(tuán)礦還原后，仍保持結(jié)構(gòu)的完整，其指標(biāo)要優(yōu)于燒結(jié)礦。而燒結(jié)礦在高爐上部的低溫區(qū)還原時粉化，會使料柱中小于5mm粒級增加，透氣性下降，煤氣利用率下降。再加入預(yù)還原球團(tuán)，會進(jìn)一步惡化高爐上部的透氣性。‚而在高溫區(qū)，球團(tuán)礦高溫還原后，強(qiáng)度下降以及膨脹粉化，對高爐高溫區(qū)透氣性產(chǎn)生不利影響，甚至影響軟熔帶透氣性。目前對還原抗壓強(qiáng)度尚無一致的標(biāo)準(zhǔn)，日本要求球團(tuán)礦的還原膨脹率小于20%，還原后的單球抗壓強(qiáng)度大于250N^[4]。而預(yù)還原球團(tuán)不存在高溫膨脹粉化，在高溫區(qū)仍保持很高的抗壓強(qiáng)度，這對高爐冶煉顯然是有利的。同時，預(yù)還原球團(tuán)軟熔性能優(yōu)良，有著較高的軟化開始溫度和較窄的軟化區(qū)間，保持原爐料結(jié)構(gòu)不變，加入預(yù)還原球團(tuán)后對綜合爐料而言，并不會造成軟化區(qū)間變寬。所以，使用預(yù)還原球團(tuán)的弊端是對塊狀帶的不利影響。

根據(jù)寶鋼高爐靜壓力分布，高爐塊狀帶壓力阻損占整個高爐壓力阻損15%左右，而軟熔帶和滴落帶阻損占到60%左右^[5]，因此爐料低溫還原粉化﹑熱爆裂﹑抗壓強(qiáng)度低等對高爐影響較小，而爐料高溫性能以及球團(tuán)還原膨脹影響較大。總體而言高爐使用預(yù)還原球團(tuán)利大于弊。

5  結(jié)語

?利用冶金塵泥生產(chǎn)預(yù)還原球團(tuán)，作為在高爐爐料占比不到5%，自產(chǎn)自銷。還具有品位高﹑金屬化率高﹑含碳量高等特點，可以提高爐料金屬化率，降低焦比。當(dāng)冶金粉塵中堿金屬含量過高時，其脫除率較低，預(yù)還原球團(tuán)中堿金屬含量仍很高，不易作為高爐爐料使用。

‚預(yù)還原球團(tuán)具有良好的冶金性能，無低溫還原粉化﹑無高溫還原膨脹﹑軟熔性能優(yōu)良，有利于改善綜合爐料的冶金性能，但其抗壓性能最大僅有800N，對高爐塊狀帶不利影響是限制其使用的最大因素。可以通過適當(dāng)提高燒結(jié)礦堿度，提高燒結(jié)礦質(zhì)量，減少低溫還原粉化，強(qiáng)化塊狀帶爐料透氣性，以抵消預(yù)還原球團(tuán)帶來的負(fù)面影響。

參考文獻(xiàn)

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