龍鵠，白明華*，任素波，徐寬，趙長(zhǎng)福，何云華
　　燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島
 

　　1前言

　　轉(zhuǎn)爐污泥是煉鋼過(guò)程中由濕法除塵所得到的污水經(jīng)分級(jí)、濃縮、壓濾后形成，含有大量Fe，是有價(jià)值的二次資源，但同時(shí)含有Zn、Pb、 K、N等雜質(zhì)，易對(duì)環(huán)境造成污染[1-9]。傳統(tǒng)的填埋法無(wú)法解決環(huán)境污染問(wèn)題，而直接配入燒結(jié)礦中會(huì)使得Zn在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部循環(huán)富集。近年來(lái)，將含鐵塵泥制成球團(tuán)后經(jīng)過(guò)干燥后送到回轉(zhuǎn)窯或轉(zhuǎn)底爐中還原的方法受到人們的關(guān)注[10-15]。該種煤基直接還原法，能有效脫除并回收塵泥中的鋅元素，降低整個(gè)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的鋅及堿金屬負(fù)荷，但存在還原時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，若采用內(nèi)配煤提高還原速率，會(huì)引來(lái)產(chǎn)物中雜質(zhì)含量增加等新問(wèn)題。
　　本研究首先制備得到轉(zhuǎn)爐污泥球團(tuán)，對(duì)其干燥預(yù)熱后采用氫氣對(duì)預(yù)熱轉(zhuǎn)爐污泥球團(tuán)進(jìn)行直接還原，分析其還原特性及微觀組織結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯煤基直接還原方法進(jìn)行對(duì)比。

　　2實(shí)驗(yàn)

　　轉(zhuǎn)爐污泥成分及球團(tuán)制備

　　轉(zhuǎn)爐污泥化學(xué)成分如表1所示，由表中數(shù)據(jù)分析可知，轉(zhuǎn)爐污泥全鐵含量較高，為54.53%，其中FeO含量較高。脈石中含有較高的CaO（約占16.38%），消化后以Ca(OH)2的形式存在，親水性強(qiáng)，造球時(shí)容易吸水、浸潤(rùn)，產(chǎn)生毛細(xì)力，使顆粒之間相互連接緊密，因此具有良好的成球性能，在造球過(guò)程中未添加皂土和消石灰等添加劑。

  　　表1 轉(zhuǎn)爐污泥化學(xué)成分

　　轉(zhuǎn)爐污泥烘干(105℃烘箱中烘干24h)細(xì)磨后，經(jīng)篩分所得到的粒度組成見(jiàn)表2，其中小于0.076mm的顆粒所占質(zhì)量比為27.90%。

 　　表2原料細(xì)磨后粒度組成

　　為制備轉(zhuǎn)爐污泥球團(tuán)，采用圓盤式造球機(jī)造球，圓盤轉(zhuǎn)速為33轉(zhuǎn)/分，造球盤傾角45°，圓盤直徑600mm，造球時(shí)間15分鐘。造球過(guò)程中合理控制添加水分，以避免粘結(jié)現(xiàn)象，對(duì)生球性能造成影響。一共造球11次，每次6kg，生球尺寸控制在10~12.5mm之間。

　　轉(zhuǎn)爐污泥球團(tuán)的還原

　　污泥球團(tuán)氫氣直接還原步驟為：稱取500g預(yù)熱后的轉(zhuǎn)爐污泥球團(tuán)裝入反應(yīng)管內(nèi)，在75%H2-25%N2氛圍下恒溫還原1小時(shí)，還原溫度分別為760℃，900℃，1000℃。還原結(jié)束后，在惰性氣體保護(hù)氣氛下冷卻至室溫。取試樣分析檢測(cè)金屬化率，然后進(jìn)一步考察還原后球團(tuán)抗壓強(qiáng)度并觀察其微觀形貌。

　　煤基直接還原實(shí)驗(yàn)步驟為：首先將電爐升溫至設(shè)定溫度，其次將裝好球團(tuán)和煤粉混合料的回轉(zhuǎn)筒(φ130mm，長(zhǎng)200mm，材料為耐熱鋼)放入爐膛中，啟動(dòng)電源使轉(zhuǎn)鼓以30 rpm速度旋轉(zhuǎn)。保持恒溫還原2小時(shí)，還原溫度分別為1000℃，1050℃，1100℃，采用的還原劑煤粉成分見(jiàn)表4-6，配煤比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選為1.3(C/O摩爾比)[16]。還原結(jié)束后，將轉(zhuǎn)筒移出，噴水冷卻至室溫。

　　上述各組試驗(yàn)完成后，取出試樣并稱量，然后檢測(cè)其金屬化率，抗壓強(qiáng)度，觀察微觀組織結(jié)構(gòu)，對(duì)兩種不同方法的還原特性進(jìn)行對(duì)比分析。

　　3結(jié)果與分析

　　3.1氫氣還原結(jié)果

　　還原前污泥球團(tuán)表面形貌如圖1所示，球團(tuán)尺寸為12mm，抗壓強(qiáng)度平均值為245 N·P-1。
 

　　轉(zhuǎn)爐污泥球團(tuán)在不同溫度下被氫氣直接還原后形貌如圖2所示，觀察可知H-1組試樣(760℃)完全粉化，而H-2(900℃)和H-3(1000℃)條件下所得試樣還保持球團(tuán)形狀，同時(shí)H-3表面觀察到更多裂紋。測(cè)量H-2，H-3組試驗(yàn)金屬化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度，分別為800 N·P-1，750 N·P-1。金屬化率經(jīng)檢測(cè)分別為39.6%，95.9%。由此可見(jiàn)溫度越高，還原速率較快，還原度越高，而新形成的Fe晶粒相互連接，因此能保證一定的強(qiáng)度。而在760℃還原速率較低的情況下，生成Fe速率較慢，尚未能相互連接，抵抗應(yīng)力能力較差，從而導(dǎo)致完全粉化的現(xiàn)象。
 

　　將H-2，H-3金屬化球團(tuán)制成金相試樣，如圖3所示，觀察可知H-2最外圈較亮，為還原生成的鐵層，而內(nèi)部較暗；H-3結(jié)構(gòu)與H-2類似，但由于金屬化率較高整體較亮，且在表面發(fā)現(xiàn)更多孔洞。