煉鋼污泥對濟鋼豎爐生產工藝影響的研究

段 帥 莫朝文 付廷濱 韓克峰

（濟南鋼鐵股份有限公司 煉鐵廠，山東 濟南250101）

0 引言

煉鋼污泥（簡稱污泥）是煉鋼過程中除塵系統(tǒng)產生的一種副產品，富含Fe、CaO 等有益成分，平均含鐵45% 以上、含鈣12% 以上，屬于一種低品位、可利用的鐵原料，但由于其具有粒度細（-200 目粒級近100%）、粘性大、脫水困難、脫水處理時間長、配加難度大,處理費用高和技術設備條件的限制, 給進一步回收處理帶來了很大困難。 直到20 世紀90 年代末大多數鋼鐵廠仍把它當成廢棄物, 不僅占用大片土地,污染環(huán)境,而且浪費了寶貴的二次資源[1]。

污泥作為濟鋼豎爐生產中的重要輔料，在豎爐生產中使用污泥替代部分鐵精粉，具有提高造球成球速率，降低膨潤土用量，提高生球質量等功能，對濟鋼現有工藝生產條件下豎爐生產具有重要意義。 但隨著其配加的不斷增加，在實際使用過程中出現的一些生產和質量方面的問題是否與配加污泥有關又難以分析清楚。如,造球的波動、球團礦內出現大量熔蝕和孔洞、豎爐結塊次數增多;停止配加污泥期間,造球生產又反而難以適應,出現成球速度降低、生球質量下降、返礦增加、燃燒室壓力升高、爐況惡化等問題。

為了系統(tǒng)的研究清楚煉鋼污泥對濟鋼現有工藝技術條件下豎爐生產的影響，本文將在實驗室使用配加污泥的基礎上，通過實驗室研究與實際工業(yè)生產的數據比較，從豎爐的各個生產工序系統(tǒng)研究污泥對生產的影響， 以確定污泥對豎爐生產促進作用及機理，以尋找出現有用料條件下濟鋼污泥的最佳使用生成區(qū)域，為進一步利用開發(fā)污泥這一二次資源，實現清潔環(huán)保奠定基礎。

1 實驗方案

1.1 實驗內容

試驗的主要任務就是通過實驗室模擬生產條件，測量配置好的各個方案的成球性、生球落下、生球抗壓、爆裂溫度、抗壓強度等，研究清楚其促進作用及機理，從而找出最適合生產的配加方案。

1.2 實驗方法

實驗方案采用根據生產經驗對污泥、膨潤土配加量都設置4 個水平，為確保各組試驗結果的可比性及更好的指導生產，按照現場生產配比對各種鐵精礦進行預配、混勻后作為一種混合精粉再與煉鋼污泥和膨潤土按照試驗方案進行配料。各種鐵料和膨潤土的理化性能見表1 和2。 我們還用未潤磨料與生產現場礦-3 皮帶取的全磨混合料（膨潤土配比3.2%、污泥配比5.5%）進行了實驗室造球、焙燒試驗。

1.3 試驗原料的準備

每次取混合精粉4kg，混料前先將污泥塊與除塵粉等混在一起人工研磨成細小顆粒，然后按試驗方案配加相應數量的膨潤土，再采用V 型混料機進行混料，時間固定5 分鐘；取200g 混合料測水分，剩余料全部進行造球。造球機傾角45°，轉速設定為24r/min，造球時間均為15min（其中造母球2～3min，加料長球9～10min，滾動壓實3min）。 造球過程嚴格控制水分的加入， 按照方案標準在造球前用量筒取好加水量，盡量確保每次造球水分符合實驗要求，以便在同等含水率水平下進行比較，同時測試生球性能和爆裂等情況。 具體見表3 所示。

表1 各種試驗原料及污泥的理化性能 （重量%）

表2 鈣基膨潤土的理化性能

表3 試驗用混合精粉配比 （重量%）

1.4 試驗檢測方法

用孔徑為6mm、10mm、12.5mm、15mm 的篩子對生球進行篩分，測量各粒級重量后計算百分比， 其中10～15mm 粒級所占百分比為成球率。取10～12.5mm（下文簡稱小球）和12.5～15mm（下文簡稱大球）粒級的生球進行各項指標測試。 落下強度測定是按生球從0.5m 高度落在厚度為30mm 的鋼板上不破裂的最大次數計算， 抗壓強度則按ISO-4700 檢測方法測試。

1.5 實驗儀器

實驗中主要測量的成球率、生球質量、成品球抗壓等，所使用的設備有V 型混料機、直徑一米的造球盤、可控溫度的電阻爐等。 電阻爐的溫度控制曲線如下圖所示。

2 實驗結果及分析

2.1 配加污泥后對原料結構的影響

從表1 可以得出，在不記燒損的情況下，污泥的配加會有效提高中和料的FeO 和CaO 含量，但品位會有所下降，在污泥配后需考慮提高酸性國內精粉的比例以平衡球團礦的堿度。 因此，在實際生產中一般會根據污泥本身的特點，在預配料和攪拌混勻過程中,除塵粉、國內粉、污泥和氧化鐵皮一起配加，以除塵粉與國內粉吸收污泥中多余的水分,達到水分均衡,并作為混合料的基體；氧化鐵皮可以起到破碎介質的作用粉碎污泥小塊，并被粘結性能較強的污泥包裹，有利于提高混合料的成球性能。

2.2 對生球質量的影響

圖1 3.6%膨潤土時污泥對生球質量的影響

圖2 4.4%膨潤土時污泥對生球質量的影響

圖3 5.0%膨潤土時污泥對生球質量的影響

圖4 污泥配比與生球成球率的關系

圖5 潤磨對配加污泥生球質量的影響

2.2.1 對生球落下強度的影響

由圖1、圖2、圖3、可以看出，無論膨潤土配比是3.6%、4.4%還是5.0%時，不配加污泥時大、小生球的落下強度都小于4 次/個；隨著污泥配比增加，大、小生球的落下強度都逐步升高，而且提高的幅度也逐步加大。 在膨潤土配比為4.4%和5.0%時， 當污泥配比由2%增加到4%， 落下強度增加幅度達到2～3 次/個， 當污泥配比繼續(xù)增加到8%時，落下強度達到7～8 次/個的較好水平。 在污泥和膨潤土配比相同的條件下，小球的落下強度都好于大球。

2.2.2 對生球抗壓強度的影響

從圖1、圖2、圖3、可以看出，污泥配比對提高生球抗壓強度有積極作用， 尤其在膨潤土配比較低時作用更加顯著。 如膨潤土配比為3.6%時，不配加污泥的大小生球抗壓強度比較低，只有8N 和11.5N，當污泥配比提高到8%時， 大、 小生球抗壓強度分別提高到13.2N 和19N，提高幅度較大；當膨潤土配比為4.4%時，隨污泥配比由0%提高到8%，大、小生球的抗壓強度由11.8N 和13.7N 分別提高到13.7N 和16.6N。 但是在膨潤土配比5.0%時，未配加污泥的生球抗壓強度已相對較高，污泥配比變化對生球抗壓沒有明顯影響。同落下強度相反，同樣用料條件下大球的抗壓強度比小球高2～3.8 N。

總的來說，加入一定量的污泥會增加生石灰（CaO）的含量，而生石灰在污泥中又會與水作用生成Ca（OH）2，膠體顆粒具有很強的粘結能力。 在烘干水分之后它首先脫水生成生石灰CaO，到了圓盤造球加水后，母球的生石灰又會消耗水分從而使顆粒間的水層變薄，固體顆粒相互靠近，產生足夠大的分子粘結力，使母求得以快速的長大，生球強度提高，滿足豎爐入爐要求。

2.3 污泥配比與成球率的關系

由圖4 可知，隨污泥配比增加，成球率也呈現一定的降低趨勢，這主要是因為-10mm 粒級的比例增加。 膨潤土配比為5.0%時其成球率比配膨潤土4.4%時要小， 前者隨污泥配比增加成球率下降的趨勢也明顯大于后者，這是由于膨潤土配比越高，成球速度越慢的緣故。

分析認為，主要原因是由于污泥含有大量的Ca(OH)2，粘性比較大且呈塊狀，人工不易粉碎、分散和混勻，大量的小污泥塊粒在造球過程中起到母球的作用或容易形成母球，但是由于實驗室造球是間斷式的，每次造球給料量只有4kg，當4kg 試驗料用完后，不再繼續(xù)給料，所以其成球和出球方式與現場連續(xù)性生產大不一樣。 大量后加入的料中的細小污泥塊作為母球還會黏附料繼續(xù)長大， 與其他正在長大或即將進入壓實階段的生球“爭奪”有限的粉料，到一定時間結束時，就出現了大量只有6～10mm 的沒有長到合格粒度的小生球，從而影響了成球率。

如果是連續(xù)生產造球，那么給料是連續(xù)的，造球盤能自動根據生球粒級的大小將粒度合格的生球摔出去，未能長大的小球則繼續(xù)在球盤內長大、壓實；同時，連續(xù)生產時造球盤填充率較大、物料多，球與球之間碰撞、擠壓強度大，母球之間也容易在碰撞、擠壓中產生粘結合并為一，因而產出的粒度合格生球更多、且強度好。 需要注意的是，污泥塊粒度不能太大（一般不能大于2mm）、也不能太多，否則，不但影響成球率，也影響生球強度，而且在焙燒過程中易發(fā)生集中燒蝕、產生大的閉孔，嚴重影響球團礦的質量和強度。

2.4 潤磨污泥混合料對生球質量和成球率的影響

圖6 潤磨對配加污泥生球成球率的影響

由圖5 可以看出，在膨潤土配比同為3.2%的條件下，從生產現場取經過潤磨處理的配有5.5%污泥的混合料進行造球試驗， 生球的抗壓和落下強度等質量指標明顯優(yōu)于未經潤磨處理的人工混勻料造出的生球。 無論是在含水率8.0%還是9.5%左右，經過潤磨的物料，其生球落下強度遠好于未磨料；同樣，潤磨料的生球抗壓強度也大于未磨料。 尤其在含水率較高的情況下（9.5%左右），物料經潤磨后其生球落下強度和抗壓強度提高的幅度比低含水率（8.0%左右）情況下提高的幅度要大。

由圖6 可知，對含污泥的混合料進行潤磨有利于提高成球率。 在用料結構、污泥配比5.5%、膨潤土配比3.2%都一致的條件下，當生球水分為8.0%和9.5%時，混合料經潤磨后造球成球率分別達到84%和80%，同比未經潤磨的成球率67.5%和72%分別高出16.5 和8 個百分點。

分析認為，這是由于配有污泥的混合料經潤磨后，污泥塊能夠得到有效地研磨、粉碎、分散和混合，遠比人工研磨混勻的效果好，所以經潤磨后的物料既避免了因大量小團粒污泥存在影響母球過多和生球的長大，又提高了細度和分散度，有利于污泥粘結性能的發(fā)揮，改善了物料的成球性能。 因此，潤磨處理對含有污泥的混合料造球生產和生球質量有著顯著的促進作用。

2.5 配加煉鋼污泥與降低膨潤土的關系及替代比

圖7 落下強度與膨潤土配比、污泥配比、生球水分的殘差圖

圖8 抗壓強度與膨潤土配比、污泥配比、生球水分的殘差圖

球團配加污泥可以替代部分膨潤土，降低膨潤土消耗。圖1、圖2、圖3、及試驗結果分析也已驗證。利用Mintab 統(tǒng)計軟件，根據本次試驗結果進行了兩者關系及替代比的分析。以污泥配比、膨潤土配比、生球水分為可變量，分別以代表生球質量的落下強度和抗壓強度為響應值進行三元回歸分析，分別得到回歸方程1、方程2 及殘差圖（圖7、圖8）。

方程1：落下(小)= -8.05+1.84 膨潤土配比+0.341 污泥配比+0.358水分，R2= 81.6%

方程2：抗壓(小)=0.986+0.185 膨潤土配比+0.0439 污泥配比-0.0903水分，R2=74.0%

方程1 和2 的決定系數R2分別達到81.6%和74.0%。 圖2.7、圖2.8 中的正態(tài)概率圖和殘差直方圖也顯示落下強度、 抗壓強度與三變量的殘差數據都服從正態(tài)分布，表明各組試驗結果（觀測值）與擬合值的殘差范圍合理，式(1)和式(2)是有效的。

方程1 和2 表明，膨潤土和污泥的配比都與生球質量（落下和抗壓強度）呈正相關關系，那么，在一定程度內兩者就可相互替代，即降低膨潤土配比可采取增加一定量的污泥配比來保證生球質量指標穩(wěn)定，反之亦然。 設污泥與膨潤土的替代比K，通過式(1)和式(2) 可分別求得落下強度與抗壓強度不變時污泥與膨潤土替代比分別為k落=5.40(倍)、k抗=4.21(倍)。 為兼顧生球落下與抗壓強度指標的平衡，以為標準替代比，那么，從本試驗結果可以得出，濟鋼球團廠目前條件下污泥與膨潤土的替代比K=4.77(倍)，即污泥配比每增加4.77%，膨潤土可降低1%。該值多年實踐經驗推測并指導生產作業(yè)的替代比5.0(倍)比較吻合。

2.6 配加污泥對球團培燒固結的影響

由于生球強度不能滿足高爐冶煉的要求， 需要通過高溫培燒固結，使其具有足夠的機械強度；在球團礦中加入了污泥造球后，由于污泥親水性好，粘結能力強，在燒結干燥過程中生球表面外層水分蒸發(fā)后，內部水分并不會很快的遷移到表面，而是在物料表面由于過快的收縮后停留在了培燒球的內部。等到了溫度升高后急劇蒸發(fā)是生球暴烈，不利有造球。因此，在配加污泥后，總體的培燒溫度不宜過高。一般在800-900 左右。此外，由于含有大量的石灰，在干燥過程中會形成氫氧化鈣結晶，增加了球團的強度和穩(wěn)定性。在加入了污泥后，總的球團礦的亞鐵會上升，使生球在培燒過程中發(fā)生氧化反應，生成新的晶相，在再結晶過程中晶粒不斷長大使團礦固結，利于球團礦的生產，球團強度顯著提高。

3 結論

（1）配加煉鋼污泥能夠改善生球質量，隨污泥配比增加，生球落下強度和抗壓強度提高，尤其是落下強度提高幅度較大。

（2）由于污泥粘性強，未充分粉碎、分散的小污泥塊對實驗室間斷式造球的成球率影響較大，但少量小污泥塊的存在可以作為母球促進連續(xù)生產時造球效果的改善。

（3）在加入了污泥后，總的球團礦的亞鐵會上升，使生球在培燒過程中發(fā)生氧化反應，生成新的晶相，在再結晶過程中晶粒不斷長大使團礦固結，利于球團礦的生產，球團強度顯著提高。

（4）潤磨工藝對含有污泥的混合料造球生產和生球質量改善有著顯著的促進作用，其生球落下強度、抗壓強度和成球率都明顯高于未潤磨處理的生球。

（5）在造球生產中，污泥可以替代部分膨潤土，從本試驗數據求得的回歸方程式得出，濟鋼球團廠目前條件下煉鋼污泥與膨潤土的替代比K 為4.77 倍。

（6）在所設計研究的污泥方案范圍內，發(fā)現污泥在成品球大量聚集后會引起豎爐爐內透氣性不均，容易引起粘結塊的產生，不利于豎爐爐況的穩(wěn)定。 同時，如潤磨不好，又會在單個成品球引起熔蝕和孔洞，降低球團礦冶金性能。 因此有關配加污泥后球團礦在造球與焙燒問題，特別是其在豎爐爐內的熱反應行為還有待于繼續(xù)研究。

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