硫酸渣含碳球團高溫焙燒試驗研究

發布日期：2013-10-13 來源：北京科技大學冶金與生態工程學院作者：曹明明, 張建良, 邢相棟, 姜吉吉, 毛瑞瀏覽次數：544

核心提示：基于轉底爐直接還原工藝, 以硫酸渣為原料進行壓團、焙燒, 通過正交試驗研究了 C/ O、還原溫度、還原時間等參數對球團金屬化率和抗壓強度指標的影響, 并對其影響規律進行了分析。實驗得出最佳工藝參數為: 還原溫度 1 280 e ; C/ O 比 112; 還原時間 24 min。在此參數下, 含碳球團的金屬化率為891 79% , 抗壓強度為 6 703 N/ P。X 光衍射( XR D) 分析也證明, 硫酸渣經過還原后出現了大量金屬鐵, 表明采用轉底爐工藝切實可行。

曹明明, 張建良, 邢相棟, 姜吉吉, 毛瑞

( 北京科技大學冶金與生態工程學院, 北京 100083)

摘要: 基于轉底爐直接還原工藝, 以硫酸渣為原料進行壓團、焙燒, 通過正交試驗研究了 C/ O、還原溫度、還原時間等參數對球團金屬化率和抗壓強度指標的影響, 并對其影響規律進行了分析。實驗得出最佳工藝參數為: 還原溫度 1 280 e ; C/ O 比 112; 還原時間 24 min。在此參數下, 含碳球團的金屬化率為891 79% , 抗壓強度為 6 703 N/ P。X 光衍射( XR D) 分析也證明, 硫酸渣經過還原后出現了大量金屬鐵, 表明采用轉底爐工藝切實可行。

關鍵詞: 硫酸渣; 含碳球團; 金屬化率; 抗壓強度

1 前言

硫酸渣作為制取硫酸后的工業廢渣, 含鐵量一般在 30%~ 55% , 對其進行綜合利用, 能彌補我國鐵礦資源的不足。近年來, 國內外在這方面進行了大量研究[1~ 3]。轉底爐煤基直接還原工藝是近年來備受關注的新煉鐵工藝, 該工藝以礦粉、煤粉復合含碳球團為原料, 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[ 4~ 6]。由優質原料獲得的金屬化球團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可經過二次熔分得到鐵水, 再供給轉爐或電爐煉鋼, 也可以預還原金屬化球團的形式加入高爐。

為了探索用轉底爐工藝處理硫酸渣的可行性, 本研究針對硫酸渣廢棄物的特點, 進行了硫酸渣含碳球團高溫焙燒試驗。

2 試驗原料及方法

2、1 試驗原料

試驗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等有害雜質含量較高; FeO 含量較低, 說明在制酸過程中, 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, 是典型的無煙煤。硫酸渣及煤粉的粒度組成如表 3所示。

2、2 試驗設備及方法

將硫酸渣、煤粉篩分至 1 mm 以下, 加入一定量的粘結劑和水, 混勻; 在 15 MPa 的壓力、10r/ min 的轉速下, 用對輥壓球機壓制成團; 將制成的硫酸渣含碳球團放入恒溫干燥箱內烘干,然后裝入石墨盒內置于已達設定溫度的高溫電阻爐內, 至設定時間后, 取出冷卻。使用抗壓試驗機測定還原后金屬化球團的強度; 分析金屬化球團的 MFe、TFe, 計算其金屬化率。

試驗主體設備為高溫電阻爐( 額定溫度1 600 e ) , 見圖 1。爐膛溫度用雙鉑銠熱電偶測量, 采用 PID 可控硅程序控制。當裝有含碳球團的石墨盒放入爐內后, 由于石墨盒及球團強烈的吸熱, 爐膛溫度迅速下降(降幅約 200 e ),從入爐到溫度回升再到設定溫度約需 5 min, 這個過程中既有揮發份的分解和燃燒, 又有鐵氧化物的還原。由于爐膛封閉性較好, 球團還原在還原氣氛下進行。

本研究采用正交試驗的方法, 以球團金屬化率和抗壓強度作為質量指標, 重點考察還原溫度、配碳量及還原時間對球團質量的影響。

2、3 正交試驗設計

根據之前的預實驗, 確定了 C/ O、還原溫度和還原時間相應的三個水平( 見表 4) , 設計三因素三水平正交試驗。

C/ O 比的定義為, 球團中作為還原劑的煤所含的固定碳碳原子摩爾數與鐵氧化物中所含的氧原子摩爾數之比。在固體碳還原鐵氧化物的化學反應中, 一個碳原子奪取鐵氧化物中的一個氧原子, 理論上鐵氧化物中氧完全為碳所結合生成 CO 的化學當量 C/ O 比等于 1。然而,在選取 C/ O 比的水平時, 當取 C/ O\ 1, 這樣可說明碳過量對還原的影響程度。

3 試驗結果及分析

3、1 正交試驗結果

對9 組試驗還原后金屬化球團的化學成分和抗壓強度分別進行檢測, 結果列于表 5。

3、2 試驗結果分析

選擇金屬化率和抗壓強度作為判斷標準,將表 5 的結果列入表 6中。

利用極差分析法分析表 6 中結果, 得出各因素對金屬化率和抗壓強度的影響。極差的大小可以用來描述因素對指標影響的主次。金屬化率和抗壓強度的分析計算過程是一樣的, 現以金屬化率的分析計算過程為例, 說明如下。

SA1表示因素 A 取第一水平時相應的實驗結果之和; SA2表示因素 A 取第二水平時相應的實驗結果之和; SA3表示因素 A 取第三水平時相應的實驗結果之和, 即:

(4)~ 式(6) 中 KA 表示還原溫度和還原時間處于綜合平均意義下, C/ O 分別為 110、018、112 時的球團金屬化率。對于因素 B、C, 也用同樣的方法計算。在正交實驗中, 如果某因素對結果起主要影響, 則在數量關系上表現為該因素各水平的指標綜合平均值 K 之間相差較大, 反之, 則說明該因素不是主要影響因素。

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

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

上述分析表明, 對于金屬化率和抗壓強度兩項指標而言, 最好的方案都是 A3B3C2( 即第 9組試驗)。可以看出, 該組的金屬化率為89179% , 抗壓強度為 6 703 N/ P, 是 9 組試驗中綜合指標最好的。因此, 還原工藝參數宜取: C/O= 112, 還原溫度 1 280 e , 還原時間 24 min。由圖 2 可知, 對金屬化率而言, 隨著 C/ O 和還原溫度的升高, 金屬化率上升, 但達到一定程度后, 趨勢變緩; 隨著還原時間增加, 金屬化率先升高后略微降低?？紤]到生產成本, 應該選擇適中的條件, 即 C/ O112, 還原溫度為 1 280e , 還原時間為 24 min。隨著還原時間增長, 金屬化球團的抗壓強度先增加后減小; 而隨著還原溫度和 C/ O 升高, 金屬化球團的強度逐步增大。由表 6 和圖 2 可知, 1~ 9 組試驗金屬化球團的抗壓強度都很高, 完全能夠滿足生產要求。因此, 適宜的還原條件也是 C/ O112, 還原溫度1 280 e , 還原時間 24 min。

3、3 XRD 分析

對硫酸渣和最優組合條件下( 9 號試驗) 得到的金屬化球團進行 X 光衍射(XRD) 分析, 結果如圖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; 經過焙燒后, 出現了單質 Fe, 即鐵氧化物在 9 號試驗條件下被還原成金屬鐵; 出現的雜亂峰為渣相, 說明在此焙燒條件下出現了液相渣。