中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司資源應(yīng)用與合金材料事業(yè)部

高爐灰含有鋅、鉛、砷等有害元素，簡(jiǎn)單地將它傾倒至野外或填埋，這些重金屬元素的浸出會(huì)污染環(huán)境，而直接將粉塵返回鋼鐵廠內(nèi)循環(huán)使用，鋅在高爐內(nèi)的富集會(huì)縮短爐襯的壽命，影響高爐的正常操作。因此，對(duì)含鋅粉塵處理工藝的研究是我國(guó)鋼鐵企業(yè)發(fā)展的重要課題[1-5]。

在日本，火法工藝處理含鋅粉塵應(yīng)用最為廣泛，代表性的工藝為轉(zhuǎn)底爐處理工藝，用它處理高爐灰，可以很好地將鋅從高爐灰中分離，中國(guó)馬鋼從日本引進(jìn)了1套處理粉塵用的轉(zhuǎn)底爐[6-9]。轉(zhuǎn)底爐在處理高爐灰工藝也存在一些問(wèn)題，表現(xiàn)在（1）工藝流程長(zhǎng)，要包括壓塊（球）、干燥、煤氣發(fā)生爐（在鋼廠可以用焦?fàn)t煤氣）、轉(zhuǎn)底爐、高溫除塵、換熱器、布袋除塵、海綿鐵冷卻等；（2）轉(zhuǎn)底爐工藝粉塵大，雖然通過(guò)壓球和干燥處理，但是含碳球團(tuán)中存在一定量的水，將它突然加入高溫狀態(tài)，容易爆裂，實(shí)踐表明粉塵量可達(dá)30％，處理粉塵，既增加能耗，又惡化順行；（3）高溫?fù)Q熱器容易堵塞，由于粉塵量大，特別是含鋅、鉛等粉塵很容易粘結(jié)在換熱器壁上，影響換熱效率，時(shí)間長(zhǎng)了，影響工藝順行；（4）產(chǎn)品海綿鐵的質(zhì)量差，一者是金屬化率低，采用氧化氣氛的轉(zhuǎn)底爐回收鋅，影響鐵的還原，實(shí)踐表明金屬化率在50～70％之間，同時(shí)大量脈石與金屬鐵混在一起，嚴(yán)格說(shuō)，此產(chǎn)品不能稱為海綿鐵，而只能作為冷卻劑或普通爐料加在轉(zhuǎn)爐或高爐內(nèi)；（5）額外需要燃料，降低處理效益，轉(zhuǎn)底爐要通過(guò)燃燒煤氣將轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)溫度提高到1250～1350℃。

回轉(zhuǎn)窯是另一種處理高爐灰的方法，傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯得到鋅粉和精礦粉，精礦粉作為鋼鐵原料可用于燒結(jié)或球團(tuán)工序[10-14]。中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司資源應(yīng)用與合金材料事業(yè)部經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，開發(fā)出用回轉(zhuǎn)窯處理高爐灰直接得到高品質(zhì)海綿鐵和優(yōu)質(zhì)鋅原料，并成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[15]。

1 鋼廠粉塵中鋅、鉛、鐵的分離

1.1鋼廠粉塵中含鋅化合物的分離

（2）金屬鐵與爐渣的分離

在固態(tài)還原條件下，還原的金屬鐵粒比較細(xì)小，活性高，容易二次氧化，同時(shí)還難以分離，造成后續(xù)分離困難，需要深度球磨，同時(shí)細(xì)微鐵粒的二次氧化，使得產(chǎn)品質(zhì)量差，得不到鐵含量高的海綿鐵，造成鐵的收得率偏低；直接通過(guò)高溫熔分，由于渣量大，熔化物理熱高，需要更多的能量，導(dǎo)致噸鐵能耗過(guò)高，另一方面，渣量大且存在還原不充分的FeO，使?fàn)t襯容易受損。上述兩種分離渣鐵方法不是經(jīng)濟(jì)的。

資源應(yīng)用與合金材料事業(yè)部提出了低溫冶煉渣鐵分離方法，在還原后期，適當(dāng)提溫促使細(xì)小的金屬鐵晶粒長(zhǎng)大，這種方式提高了磁選分離渣鐵的效率，也避免了高溫熔分渣鐵所需的大量能量。晶粒長(zhǎng)大的核心是促進(jìn)鐵低溫快速滲碳，降低了金屬鐵的熔點(diǎn)，有利于鐵晶粒在渣中聚集，形成一定粒度的鐵粒。

研究表明，還原溫度控制在1100～1150℃，還原后，將物料溫度適度提高到1200～1250℃水平，再添加形核劑能夠促進(jìn)金屬鐵的粒度能夠達(dá)到0.1mm水平，降低了后序的磁選分離難度并且提高了鐵的收得率。

2 高爐灰生產(chǎn)鋅粉和優(yōu)質(zhì)海綿鐵新工藝流程

高爐灰生產(chǎn)鋅粉和優(yōu)質(zhì)海綿鐵新工藝流程為：將鋼廠的高爐灰通過(guò)上料裝置裝入窯尾，隨著回轉(zhuǎn)窯自身的傾斜角及轉(zhuǎn)動(dòng)，高爐灰從窯尾逐步向窯頭移動(dòng)，從窯頭過(guò)來(lái)的高溫氣體逐步降溫完成高

爐灰的干燥及預(yù)熱；在窯頭高溫區(qū)，通過(guò)外加的助燃風(fēng)來(lái)燃燒高爐灰內(nèi)的碳發(fā)熱，將物料的溫度提高到1150℃水平，完成氧化鐵的還原以及鋅、鉛等還原，并產(chǎn)生CO保護(hù)氣氛；還原產(chǎn)生的鋅、鉛蒸汽與高溫物料分離，并隨氣流向窯尾移動(dòng)，隨著氣流的移動(dòng)，大部分鋅和鉛又被氧化成氧化鋅和氧化鉛，重新成為細(xì)微粉塵，并在布袋內(nèi)回收，還原后的高溫物料直接進(jìn)行水冷，并經(jīng)過(guò)破碎、磁選工序成為水泥原料和鐵粉，鐵粉再經(jīng)過(guò)壓塊得到海綿鐵。

新工藝具有如下特點(diǎn)：

（1）無(wú)需二次燃料

直接燃燒高爐灰內(nèi)的碳，無(wú)需二次燃料；而轉(zhuǎn)底爐工藝則需要額外燃料加熱。

（2）得到優(yōu)質(zhì)海綿鐵

回轉(zhuǎn)窯窯頭是還原氣氛，可以充分保證鐵的還原，同時(shí)通過(guò)磁選方式，將鐵與脈石分離，得到優(yōu)質(zhì)海綿鐵，這就是目前轉(zhuǎn)底爐工藝所欠缺的，還原不充分，渣鐵無(wú)法分離，實(shí)際上得到的僅是半成品。

（3）無(wú)需高溫?fù)Q熱器

回轉(zhuǎn)窯窯頭燃燒的高溫氣體轉(zhuǎn)移到窯尾，已將熱量傳遞給物料，而氣體溫度也降至300℃以下，最大程度地利用了熱量，無(wú)需高溫?fù)Q熱器換熱。而離開轉(zhuǎn)底爐的是高溫含塵氣體，必須換熱，換熱器很容易堵塞。

（4）無(wú)需含碳球團(tuán)處理

新工藝可以直接處理高爐灰，無(wú)需先壓球。

（5）工藝順行

新工藝沒(méi)有堵塞問(wèn)題，常規(guī)回轉(zhuǎn)窯容易窯頭結(jié)圈，我們經(jīng)過(guò)研究，很好地解決了結(jié)圈問(wèn)題，因此工藝順序。

（6）充分利用高爐灰內(nèi)的鋅、鉛、鐵、碳等資源，得到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的新工藝

新工藝能夠有效利用高爐灰內(nèi)的有價(jià)金屬和危險(xiǎn)重金屬，如鐵、碳、鋅、鉛和脈石，使它們都得到充分分離，得到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，最大程度地發(fā)揮高爐灰的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、降低加工成本。

 

在實(shí)踐中解決了回轉(zhuǎn)窯窯頭結(jié)圈問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了高爐灰直接裝入回轉(zhuǎn)窯，省去了高爐灰造球或壓球工序；并通過(guò)高爐灰水份控制，保證高爐灰少量從窯尾飛出且窯內(nèi)物料移動(dòng)順暢。

試驗(yàn)中典型的高爐灰成分見表1，鋅灰成分見表2；海綿鐵成分見表3?？梢?，新工藝可很好地將高爐灰中的Zn、Pb等易揮發(fā)的物質(zhì)與鐵、脈石三者分離，Zn、Pb的分離率超過(guò)了95％，鐵的收得率超過(guò)90％水平。

 

(1) 經(jīng)濟(jì)效益分析

高爐灰中含有大量有價(jià)值的Fe、Zn、C等（見表1），高效回收這些有價(jià)元素不僅可獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，還可解決粉塵的環(huán)境污染問(wèn)題。

以年處理5萬(wàn)噸高爐灰的回轉(zhuǎn)窯來(lái)分析，可年產(chǎn)鋅灰4500噸，海綿鐵1萬(wàn)噸，水泥原料1.5萬(wàn)噸。其中鋅灰的產(chǎn)值達(dá)到8000×3500/10000＝2800萬(wàn)元；海綿鐵2400×1=2400萬(wàn)元；水泥原料30×1.5＝45萬(wàn)元；合計(jì)5245萬(wàn)元。

全國(guó)每年有3500萬(wàn)噸高爐灰，將其全部利用的產(chǎn)值達(dá)到5245×3500/5≈367億元?？梢娖浣?jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。

(2) 社會(huì)效益分析

在我國(guó)危險(xiǎn)廢物名錄中明確將含鋅、含鉛廢物納入危險(xiǎn)廢物。高爐灰內(nèi)含有大量鋅、鉛等重離子元素，但由于高爐灰由于量大，同時(shí)還沒(méi)有發(fā)生引起人們安全的足夠重視事件，尚未納入危險(xiǎn)廢物名錄。

我國(guó)是鐵資源、鋅、鉛資源的消耗大戶，很多資源依賴國(guó)外進(jìn)口。而年產(chǎn)3500萬(wàn)噸的高爐灰中，總鐵量達(dá)到840萬(wàn)噸、總鋅量達(dá)到140萬(wàn)噸、總鉛量達(dá)到13萬(wàn)噸。

可見通過(guò)回轉(zhuǎn)窯綜合利用高爐灰新工藝，可將含鋅、鉛的危險(xiǎn)廢物轉(zhuǎn)成有價(jià)產(chǎn)品，造福冶金工業(yè)和人類社會(huì)。

4 結(jié)論

高爐灰含有鋅、鉛等危險(xiǎn)離子，直接堆放容易產(chǎn)生危險(xiǎn)，高爐灰內(nèi)還含有鐵、碳等資源。本文介紹了鋼廠粉塵中鋅、鉛、鐵的分離理論和基于此理論開發(fā)的用回轉(zhuǎn)窯綜合處理高爐灰的新技術(shù)，新技術(shù)可將含鋅、鉛高爐灰轉(zhuǎn)成富鋅、鉛灰、優(yōu)質(zhì)海綿鐵和水泥原料三種產(chǎn)品，同時(shí)不使用外來(lái)燃料，最大程度地發(fā)揮高爐灰的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、降低加工成本。與企業(yè)合作建成了年處理5萬(wàn)噸高爐灰的新技術(shù)生產(chǎn)線，經(jīng)過(guò)2年多的實(shí)踐，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得到認(rèn)可，具有顯著的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。