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(tài)工程學院, 北京 100083)
摘 要: 基于轉(zhuǎn)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(shù)對球團金屬化率和抗壓強度指標的影響, 并對其影響規(guī)律進行了分析。實驗得出最佳工藝參數(shù)為: 還原溫度 1 280 e ; C/ O 比 112; 還原時間 24 min。在此參數(shù)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(jīng)過還原后出現(xiàn)了大量金屬鐵, 表明采用轉(zhuǎn)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(yè)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(nèi)外在這方面進行了大量研究[1~ 3]。轉(zhuǎn)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(yōu)質(zhì)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(jīng)過二次熔分得到鐵水, 再供給轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)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(jié)劑和水, 混勻; 在 15 MPa 的壓力、10r/ min 的轉(zhuǎn)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(nèi)烘干,然后裝入石墨盒內(nèi)置于已達設定溫度的高溫電阻爐內(nèi), 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(nèi)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(fā)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(zhì)量指標, 重點考察還原溫度、配碳量及還原時間對球團質(zhì)量的影響。
2、3 正交試驗設計
根據(jù)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(shù)與鐵氧化物中所含的氧原子摩爾數(shù)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(jié)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(jié)果及分析
3、1 正交試驗結(jié)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(jié)果列于表 5。
3、2 試驗結(jié)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(jié)果列入表 6中。
利用極差分析法分析表 6 中結(jié)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(xiàn)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(jié)果之和; SA2表示因素 A 取第二水平時相應的實驗結(jié)果之和; SA3表示因素 A 取第三水平時相應的實驗結(jié)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(jié)果起主要影響, 則在數(shù)量關系上表現(xiàn)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(jié)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(yōu)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(jié)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)?？?nbsp;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(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(yōu)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(jié)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(jīng)過焙燒后, 出現(xiàn)了單質(zhì) Fe, 即鐵氧化物在 9 號試驗條件下被還原成金屬鐵; 出現(xiàn)的雜亂峰為渣相, 說明在此焙燒條件下出現(xiàn)了液相渣。
4 結(jié) 論
1) 影響球團金屬化率最顯著的因素是 C/O, 其次是溫度, 再次是時間; 影響金屬化球團強度最顯著的因素也是 C/ O, 其次是溫度, 然后是時間。綜合考慮各個因素對各項指標的影響,認為合理的工藝參數(shù)應為: 溫度 1 280 e 、C/ O比 112、時間 24 min。
2) 由 XRD 分析可知, 硫酸渣經(jīng)還原后出現(xiàn)了大量金屬鐵。
3) 適宜的 C/ O 比對球團金屬化率的提高有促進作用, 保持焙燒帶及冷卻帶的密閉性、減少漏風, 是提高金屬化率的有效方法。
4) 根據(jù)硫酸渣的特點, 選擇轉(zhuǎn)底爐處理工藝是可行的。通過控制還原條件, 可以得到金屬化率達 89179%左右的金屬化球團。
參考文獻
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