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高炉含锌粉尘综合利用的研究
孟巍，王传琳 (本钢集团北营炼铁厂)
摘 要：本文研究了采用高温还原焙烧方法处理高炉含锌粉尘的相关问题。针对高炉除尘灰的基本性质，采用了高炉粉尘配加铁精矿和煤粉，造球后高温焙烧的路线。通过预实验确定重力灰、布袋灰、铁精矿的比例为1：1：8。设计正交实验，考察了焙烧温度、焙烧时间、球团碱度、配煤量和煤种五个因素对球团脱锌率和金属化率的影响，确定了高炉含锌粉尘处理的最佳工艺参数：焙烧温度1300℃，还原50min，配10％的无烟煤，控制碱度为0．8；结合实验结果及实际生产的条件，推荐的工艺参数为焙烧温度1200℃，焙烧时间30min，配加15%的无烟煤，球团碱度为0．8。
关 键 词：含锌粉尘；高温焙烧；金属化率；脱锌率 1 前言
钢铁厂含锌粉尘的种类很多，这些粉尘因其产出途径不同，其化学成分也有所差异，一般除了锌元素外，还含有较高的铁和碳等可回收资源。但是锌元素在高炉内循环富集，不但容易形成炉瘤，破坏炉衬，影响高炉寿命；还会破坏炉料强度，严重影响高炉顺行，从而限制了这些粉尘的使用，浪费了大量资源。随着我国环保法规的日益完善以及资源的日趋紧张，钢铁厂含锌粉尘的处理逐渐引起人们的重视。
近年来，国内外对钢铁厂含锌粉尘的处理进行了大量的研究，并开发了一系列的处理工艺，这些处理工艺大致可以分为三类：物理法、湿法和火法[1]。物理法处理工艺主要有磁选法、粒度分级法等，在国内多家钢厂均取得了不错的效果[2]；湿法处理工艺与钢厂现有技术不配套，效率较低，在国内应用很少[3-4]；火法处理工艺具有脱锌率稳定，生产效率高的特点[5-6]，是目前国内研究的重点。以转底炉、回转窑为代表的火法工艺，大都是以含碳球团为基础，采用煤粉或粉尘的自含碳作为还原剂，在高温下快速还原脱锌，得到半金属化炉料，以供电炉或转炉使用。本文采用高温还原焙烧的工艺处理高炉含锌粉尘，根据粉尘的基本性质选择合适的工艺路线，并通过正交试验，找出各因素对粉尘脱锌率和金属化率的影响规律，最终确定粉尘处理的最佳工艺参数，从而为含锌粉尘的处理起到指导作用。 2 原料
本文所用原料为某厂提供的重力灰、布袋灰、铁精矿及石灰，还原剂为烟煤及无烟煤，其化学成分及含锌粉尘的物理性质见表1—表3。
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从表1中可以看出，重力灰和布袋灰中的碳含量均较高，而铁含量则相对较低。经计算，重力灰和布袋灰碳氧原子比(TFe转化为Fe2O3，Zn转化为ZnO)分别为3．15和5．06。由此可见，利用高温还原焙烧工艺处理该种含锌粉尘，其中的碳过量。 3 实验
3．1 实验原理
由含锌的高炉粉尘、铁精矿、煤粉等制成的含碳球团，在加热还原的过程中发生一系列复杂的化学反应，其中主要的反应有：
FexOy+C→FexOy－1+CO (1)
FexOy+CO／H2→FexOy－1+CO2/H2O (2) CO2+C→2CO (3)
ZnO+CO→Zn(g)+CO2 (4)
在一定温度下，球团中的高价铁氧化物被C或CO还原成低价铁氧化物和金属铁，还原后仍然存留在球团中，而由于金属锌的沸点较低，蒸汽压高，在高于其沸点温度下还原出来的锌将呈气态从球团中挥发出来，因此在一定条件下，球团中的锌被还原后，即以锌蒸汽的形态离开球团，这样就达到了锌与球团中的其它组分分离目的。 3．2 实验方案
由于重力灰和布袋灰中的碳含量均较高，而铁含量则相对较低。因此单独进行粉尘造块焙烧，势必会造成碳的浪费，并且由于碳过量，铁较少，可能会造成还原过程中产生的粘结相不足，剩碳过多，进而导致还原后球团强度不够，且全铁含量较低，不利于后续利用，因此该实验除了使用重力灰和布袋灰外，还配加了铁精矿，不足的碳则由还原性较好的烟煤或无烟煤代替。以球团还原后强度及粉尘处理量为指标，通过预实验确定高温焙烧实验中重力灰：布袋灰：铁精矿=1：1：8。
现有的文献资料表明，焙烧温度、焙烧时间、配煤量、碱度和煤种对脱锌效率影响明显，因此，本文通过正交试验研究这五个因素对粉尘脱锌效率的影响，设计一个L16(44×21)的正交表，实验参数和水平取值见表4。
3．3 实验步骤
按照实验方案，将一定量的布袋灰、重力灰、铁精矿、石灰、煤粉和膨润土(3％)充分混合，在圆盘造球机上制成粒度在10mm～12mm之间的球团，然后置于105℃的恒温干燥箱中烘干2h，以去除球团中的游离水。将干燥后的球团放入带有盖子的刚玉坩埚中，然后将其置于已升至设定温度的马弗炉中，迅速关闭炉门，开始计时，至设定焙烧时间后将坩埚
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取出，在空气中冷却至室温，然后制样分析TFe、MFe及Zn。 4 实验结果及分析
本实验对含锌粉尘处理的考察指标为脱锌率和金属化率，实验结果及利用极差分析法分析结果见表5。对于粉尘造球的高温焙烧实验，还原前后球团中的总铁量不变，而还原后的锌以蒸汽的形式逸出球团，所以脱锌率和金属化率可以分别用公式(5)和(6)计算[7]：
(注：焙烧温度为因素A，被烧时间为因素B，配煤量为因素C，碱度为因素E，表中(1)、(2)、(3)、(4)分别表不各个因素下的四个水平。) 4．1 脱锌率分析
根据表5的分析结果作出各因素与脱锌率的关系曲线，如图1所示。可以看出，脱锌率随着焙烧温度的升高而升高，当温度达到1300℃时脱锌率最高；脱锌率与焙烧时间的关系呈“V”形走向：焙烧时间为30min时的脱锌率最低，然后随着焙烧时间的延长，脱锌率升高；配煤量与脱锌率呈倒“V”形趋势，当配煤量为10％时，脱锌率最高；球团碱度对脱锌率的影