含铁尘泥高碱度内配碳球团自还原过程中脱硫和脱磷研究

余 岳，张 波，薛正良

(武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉，430081)

随着钢铁工业生产规模的不断扩大，钢铁企业在生产过程中所产生的尘泥数量也随之增多。钢铁厂每生产1 t粗钢产生的含铁尘泥达到35～40 kg。有效利用含铁尘泥，对环境保护、节能减排、实现资源循环利用有着重要的意义。目前含铁尘泥主要用作烧结原料，但由于含铁尘泥粒度细，易出现粘堵输送系统、配料不畅和不易混匀等问题。利用高碱度内配碳球团在高温下还原制备金属铁粒的方法[1-2]，相比于传统工艺，该方法具有原料适应性强、产品无二次氧化以及渣铁分离等优点。为此，本文基于该方法在竖式碳管炉中进行含铁尘泥高碱度内配碳球团的还原试验，并对其还原过程中脱硫和脱磷的影响因素进行研究，以期为含铁尘泥高碱度内配碳球团的实际应用提供依据。

1 试验

1.1 试验原料

本试验所用原料分别为炼钢污泥、出铁场灰、重力灰、轧钢皮、无烟煤和消石灰，其中炼钢污泥碱度为5.22，出铁场灰碱度为0.25，重力灰中碳含量为34.25%。通过配加消石灰得到所需的试验碱度，重力灰中碳含量较高，可充分利用各有用成分。试验原料的化学组成如表1所示。

表1 原料的化学组成

1. 2 试验方案

设含铁原料总质量为100 g，试验内配碳比用配入碳的摩尔数与氧化铁中氧的摩尔数之比表示，并根据n(C)/n(O)及碱度R来计算相应的原料配比。

方案Ⅰ：w(炼钢污泥)为15%，w(轧钢皮)为15%，w(重力灰+出铁场灰)为70%。n(C)/n(O)分别为1.1和1.2，渣相碱度R分别为1.8、2.0和2.2。此方案不加煤粉，还原剂均来自重力灰中的炭。

方案Ⅱ：w(炼钢污泥)为15%，w(轧钢皮)为10%，w(重力灰)为30%，w(出铁场灰)为45%。通过无烟煤提供还原剂，n(C)/n(O)分别为1.1和1.2，渣相碱度R分别为1.8、2.0和2.2。

1.3 试样制备

将各粉尘在120 ℃烘箱中烘烤12 h。按试验原料配比配料并充分混匀，用0.2 mm筛多次筛分，以确保充分混匀，然后外加8%～10%水再混匀，并用2 mm筛子再筛分，将筛上大颗粒打散，保持原料的松散，避免结团。将充分混匀的原料用压样机压制成团块。将试样置入(110±5) ℃烘箱中烘干备用。

所用还原试验设备为立式快速升温碳管炉。在试验过程中，始终从碳管炉底部通N2，以防止碳管和试样氧化。准确称量试样后用石墨坩埚盛装，并控制升温速率。当温度达到设定值时，保温时间为10 min，然后随炉冷却至700 ℃后取出，在空气中冷却至室温。

1.4 指标计算方法

用0.125 mm筛将还原产物分离成渣铁两部分，再用5 mm筛将铁粒分级。称量渣与铁粒并分级化验铁粒成分，按下列公式计算铁收得率、脱硫率和脱磷率。即：

(1)

(2)

(3)

式中：M0为反应前试样质量，g；Mi为i粒度的铁颗粒质量，g；TFe0为反应前试样的全铁含量，%；TFei为i粒度铁颗粒的全铁含量，%；xP0、xS0分别为反应前试样中P、S含量，%；xPi、xSi分别为反应后i粒度铁颗粒的P、S含量，%；i为1，2，其中：1为大于5 mm的铁颗粒；2为小于5 mm的铁颗粒。

2 结果与分析

2.1 铁粒脱硫影响因素分析

2.1.1 配碳比对铁粒脱硫的影响

含铁尘泥脱硫反应是在还原性气氛下发生的，因此配碳比的多少对铁粒脱硫率影响较大。图1为配碳比对铁粒脱硫率的影响。由图1可看出，铁粒的脱硫率均在97%以上，并随着配碳比的增加而提高，铁粒的硫含量最低达到0.007%。对于重力灰中的碳还原时，铁粒的最高脱硫率为98.50%，而添加煤粉还原时，铁粒的最高脱硫率为98.28%。增加配碳比，主要体现在团块内部生成CO的速率加快，体系内CO分压增加，有利于促进脱硫反应的发生。但对于以煤粉为还原剂时，如果配碳比增加，随煤粉带入的硫增加，这有可能导致铁颗粒硫含量增加。

图1 配碳比对铁粒脱硫率的影响Fig.1 Effect of n(C)/n(O) ratio on the desulfurization efficiency of iron nugget

2.1.2 还原温度对铁粒脱硫的影响

还原温度是影响含铁尘泥直接还原反应的重要因素，同时对其脱硫过程也有一定的影响。图2为还原温度对铁粒脱硫率的影响。由图2可看出，当还原温度升高时，铁粒脱硫率随之升高，且均高于96%。这是由于还原温度升高促进碳的气化反应发生，同时脱硫反应是吸热反应，温度升高有利于该反应的进行。

图2 还原温度对铁粒脱硫率的影响Fig.2 Effect of reduction temperature on the desulfurization efficiency of iron nugget

2.1.3 碱度对铁粒脱硫的影响

碱度是影响渣铁分离的重要因素，并且能够影响渣脱硫过程。图3为碱度对铁粒脱硫率的影响。由图3可看出，碱度对铁粒脱硫率的影响非常明显。当碱度R为1.8时，方案Ⅰ的铁粒脱硫率约为88%，这是由于碱度较低而使渣相中的CaO含量降低，致使铁粒脱硫率降低。随着碱度的增加，铁粒脱硫率明显升高，这是因为碱度增加，配料中CaO含量增加，可用于吸收COS气体也增多，从而使铁粒脱硫率增加[3]。由此可认为，铁粒脱硫率的高低与渣铁是否分离有很大关系，当渣铁不能有效分离时，部分渣混入铁粒中而使其脱硫率降低。如果碱度过高，则会导致渣相组成偏离正硅酸钙的相区，渣铁难以分离，也会造成铁粒脱硫率降低，所以保证合适的碱度对铁粒脱硫是十分重要的。

图3 碱度对铁粒脱硫率的影响Fig.3 Effect of alkalinity on the desulfurization efficiency of iron nugget

2.2 铁粒脱磷影响因素分析

2.2.1 配碳比对铁粒脱磷的影响

含铁尘泥脱磷过程主要为还原脱磷，配碳比对铁粒脱磷的影响主要是改善还原气氛。图4为配碳比对铁粒脱磷率的影响。由图4可看出，随着配碳比的增加，铁粒脱磷率增加，这是由于随着配碳比的增加，一方面在低温时参与固-固脱磷反应的碳增多，另一方面在高温时，随着碳溶损反应的发生，参与气化脱磷的CO迅速增多，气相分压增大，还原反应速率加快，从而使铁粒脱磷率增加。对于重力灰中的碳还原时，当配碳比为1.2、碱度R为2.0、还原温度为1400℃时，铁粒最高脱磷率达到38.52%；对于添加煤粉还原时，当配碳比为1.1、碱度R为2.0、还原温度为1400℃时，铁粒最高脱磷率达到31.40%。

图4 配碳比对铁粒脱磷率的影响Fig.4 Effect of n(C)/n(O) ratio on the dephosphorization efficiency of iron nugget

2.2.2 还原温度对铁粒脱磷的影响

从热力学角度来看，改变还原温度对反应的发生具有较大的影响。图5为还原温度对铁粒脱磷率的影响。由图5可看出，随着还原温度的升高，铁粒脱磷率明显增加。这是因为含铁尘泥还原脱磷反应是吸热反应，所以升高温度有利于反应的进行。同时，升高温度有利于碳气化反应的进行，体系中生成CO量的增加，有利于脱磷[4-5]。

图5 还原温度对铁粒脱磷率的影响Fig.5 Effect of reduction temperature on the dephosphorization efficiency of iron nugget

2.2.3 碱度对铁粒脱磷的影响

碱度对铁粒脱磷率的影响如图6所示。由图6可看出，当碱度R为1.8时，铁粒的脱磷率较低，这是由于渣相未能自然粉化，团块中CaO含量较低，通过渣脱除的磷较少，因此铁粒脱磷率降低。在一定范围内，随着碱度的提高，铁粒脱磷率大幅升高，但当碱度R为2.2时，对于重力灰中的碳还原时，铁粒脱磷率有所降低，这是由于碱度升高，渣相熔点升高，使渣相变黏，透气性变差。CO的扩散阻力增大，还原动力学条件恶化，因此铁粒脱磷效果变差[6]。

图6 碱度对铁粒脱磷率的影响

Fig.6Effectofalkalinityonthedephosphorizationefficiencyofironnugget

3 结论

(1)高碱度内配碳球团在高温快速还原制备金属铁粒的过程中，随着渣铁分离以及渣相自然粉化的发生，硫得到了有效的脱除，脱硫率高于97%，铁粒中硫含量最低达到0.007%。

(2)还原温度升高使铁粒脱硫率增大，随着碱度的增加脱硫率增大。对于依靠重力灰中的碳还原时，随着配碳比的增加，碳的气化反应速率加快，CO分压增大，铁粒脱硫率随之增大；而对于煤粉作还原剂时，配碳比增加，则由煤粉带入的硫增加，不利于铁粒脱硫。

(3)配碳比增加和还原温度升高，均有利于铁粒脱磷，其脱磷率随着碱度的增加先增大后减小，在一定范围内碱度过高会使渣相熔点升高，透气性变差，还原动力学条件恶化，不利于脱磷。铁粒

脱磷率一般为5%～35%，最高达到38.52%。

[1] 张海峰，薛正良，周继程，等. 内配煤团块直接还原法制备铁粒技术研究[J]. 武汉科技大学学报：自然科学版，2007，30(2): 125-127,188.

[2] 张海峰. 高碱度内配碳团块高温直接还原制备铁粒技术[D].武汉：武汉科技大学, 2006.

[3] 黄希祜. 钢铁冶金原理[M]. 北京:冶金工业出版社，2002：370-385.

[4] 付丽娜, 亢立明. 竖炉球团配加炼钢污泥的研究及实践[J]. 烧结球团，2001，16(6)：16-18.

[5] 赵栋楠. 碱性内配碳团块高温自还原制备金属铁粒的基础研究[D]. 武汉：武汉科技大学，2012.

[6] 王东彦，陈伟庆，周荣章，等. 钢铁厂含锌铅粉尘配碳球团的直接还原工艺[J]. 北京科技大学学报，1997，19(2)：130-133.