转炉灰成型工艺的试验研究

＊毛人平 胡紫叶 赵振坤 赵永延

（中国矿业大学（北京） 北京 100083）

1.试验研究背景

转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方法，使用氧气吹入铁水中，使铁水中的碳等元素氧化。在吹炼过程中由于铁等元素的氧化，将会产生大量的烟尘。由于环保要求日趋严格，因此必须进行除尘以保护环境。常用的除尘方法有湿法和干法除尘。随着国家对环境污染治理的力度加大，转炉炼钢的一次除尘由传统的湿法除尘转向干法除尘，干法静电除尘工艺得到了大力的发展，通过蒸发冷却器得到的转炉干灰一次灰和通过静电除尘器得到的转炉干灰二次灰替代了转炉污泥，成为了转炉炼钢除钢渣外最多的转炉废物副产品。转炉干法除尘灰中，含有铁元素（TFe约55%）、活性氧化钙（15%～20%）及在炼钢过程损失的微量合金等资源，这部分转炉灰回收的经济效益与社会效益越来越显著[1]。尤其是将其制成球团返回转炉，不仅回收了铁资源，降低钢铁料消耗，还能大大提高炼钢冶炼的经济效益和环境效益[1-3]。但转炉灰球团必须具有一定的抗压强度才能入炉冶炼，目前转炉灰球团的抗压强度要求一般为不低于800N/个。本研究旨在通过实验室的试验研究，探讨出一种适合转炉灰成型的工艺。

2.试验原料性状

本试验研究所需的转炉灰取自广西某钢厂。样品外观呈棕褐色，平均粒径在0.15mm左右，堆密度为1.15g/cm3，样品水分为6%。表1为其化学成分组成。

表1 转炉灰化学成分

根据表1的化学成分分析，铁元素含量高达68%，有很高的回收利用价值；锌的含量也较高，对钢的质量不利，应在成型前用浮选方法回收，但锌对成型并无影响，故本研究直接用含锌的原料进行成型试验。从原料粒度方面来看，转炉灰样品颗粒较细，比表面积大，粘结剂的用量与传统的粉煤成型相比不会太低。

3.粘结剂选择探索试验

转炉灰的成型机理与粉煤成型一致，因此其成型粘结剂与型煤粘结剂基本一致。本试验研究从粉煤成型常用的粘结剂中选取了膨润土、羧甲基纤维素、水玻璃、预糊化淀粉进行初步成型试验。按不同比例将粘结剂分别加入原料中并加水混合搅拌，混合搅拌均匀后的原料用直径50mm的球形模具在压力机上压制成型，成型压力20MPa，成型物料的水分22%，然后将成型后的球团放入110℃的干燥箱中干燥2.5h。球团冷却至室温后分别测试其抗压强度。探索实验结果如表2。

表2 初步探索试验结果

对探索性试验作如下归纳：

从探索试验的结果看，转炉灰球团的抗压强度均随粘结剂的用量增加而增加。

膨润土在添加量为8%时，其抗压强度仅为425N/个，距离800N/个的要求相去甚远，如果再增加添加量，则会明显降低转炉灰球团的铁含量，冶炼时造渣量增大，增加炼钢熔剂的用量并使电耗增加；羧甲基纤维素添加量为1.2%时，转炉灰球团抗压强度达860N/个，满足800N/个的要求，但羧甲基纤维素价格较高，1.2%的添加量经济性略差；水玻璃添加量为8%时，转炉灰球团抗压强度达到802N/个，但与膨润土一样，增加了造渣量和能耗；预糊化淀粉添加量4%时，转炉灰球团抗压强度达到了820N/个，但粘结剂成本较高。

从球团抗压强度来看，水玻璃添加量8%、预糊化淀粉添加量4%和羧甲基纤维素添加量1.2%都能够满足大于800N/个的要求，但膨润土8%的添加量、水玻璃8%的添加量会明显降低转炉灰球团的含铁量。

根据与相关粘结剂厂家的报价，目前膨润土价格约500元/吨，羧甲基纤维素4500元/吨，液状水玻璃价格约600元/吨，预糊化淀粉3600元/吨。根据探索性试验的结果，从经济性和冶炼工艺上考虑，用羧甲基纤维素比其他三种粘结剂更好。从性价比方面考虑，最终选择羧甲基纤维素。

4.各影响因素探讨

目前羧甲基纤维素4500元/吨，添加量为1.2%时能够满足转炉灰球团强度大于800N/个要求，吨转炉灰球团粘结剂成本达到54元/吨，还是有些偏高。为了能降低羧甲基纤维素添加量、降低生产成本，对球团的干燥制度、成型原料的水分以及成型压力对转炉灰球团抗压强度的影响进行了研究。

(1)干燥制度

初步探索试验的转炉灰球团都是在110℃的温度下进行干燥的，干燥后的转炉灰球团具有比较好的抗压强度时粘结剂用量都比较高，而且球团表面基本都有许多细小的裂纹，从而影响了干燥后的转炉灰球团的抗压强度。原因是成型物料的水分在高温下强烈挥发变成水蒸气逸出，在转炉灰球团内部形气流成通道导致球团开裂，从而降低了球团的抗压强度。如果干燥初期用较低温度先让水分缓慢逸出，待球团外表干燥到具有一定强度后再用较高温度干燥，此时转炉灰球团表面已经固化的硬壳的束缚作用应能对改善转炉灰球团的抗压强度有所帮助，从而可以降低粘结剂用量。

取3kg转炉灰加入1.2%的羧甲基纤维素，加水至物料水分22%，混合均匀后在20MPa下成型。成型后的转炉灰球团均分成三份分别先在60℃（低温）干燥、然后再在110℃（高温）下进行干燥。干燥总时间采用工业型煤生产中常用的2.5h。干燥方案及结果见表3。

表3 不同干燥条件下的球团抗压强度

从表3的结果可以看出，同一成型条件下的转炉灰球团在3种干燥方案下的残余水分分别为1.5%、2.1%和4.0%。转炉灰球团的抗压强度以第二种方案的最好，达到了1020N/个。观察转炉灰球团表面，方案1的球团表面仍有部分裂纹，而方案2和方案3的球团表面没有裂纹，说明延长低温段干燥时间会先使球团表面，避免球团表面产生裂纹。方案3的球团抗压强度未达到800N/个的要求则是因为高温时间过短，残余较高的水分影响了转炉灰球团的抗压强度，如果再延长高温干燥时间，则会使总干燥时间加长，降低生产效率。因此，先低温段（60℃）干燥50min、后高温段（110℃）干燥100min的干燥制度是比较合适的。

表4 正交试验设计表

(2)正交试验

①水分的影响：合适的成型水分对成型效果有重要影响。由于转炉灰粒度较细，比表面积大，成型水分应该不会太低。本试验研究考察了水分变化对成型效果的影响。结果表明，成型水分低于20%，球团会在脱模后崩裂，水分超过25%时则会有水在成型过程中被挤出且球团与模具粘连不易脱模。

②成型压力的影响：目前工业型煤的成型压力一般在18～30MPa。本研究对转炉灰成型的试验表明，在成型原料水分为22%时，成型压力在20～25MPa时可以获得比较理想的成型效果。成型压力低于20MPa，转炉灰球团冷强度较弱，从脱模上脱落时易摔碎不利于工业生产中的转运；压力超过26MPa，则成型过程中会有水被挤出，转炉灰球团与模具粘连、不易脱模，且脱模后球团易碎裂，说明压力超过颗粒本身的强度，成型时颗粒二次破碎产生新的断面，而新断面之间又没有粘结剂的粘合而导致开裂。

③羧甲基纤维素添加量的影响：羧甲基纤维素添加量直接影响到转炉灰球团的抗压强度，添加量越低则转炉灰球团抗压强度越低；反之，则越高。但过高的羧甲基纤维素添加量的缺点就是吨转炉灰粘结剂成本过高，导致经济效益急剧下降。

为了综合考察成型压力、成型水分以及羧甲基纤维素对球团强度的影响、探究合适的成型条件，本研究在干燥制度为先低温（60℃）干燥50min，再高温（110℃）干燥100min的条件下进行了如下正交试验。

试验结果表明，A3B2C3条件下的转炉灰球团抗压强度最高，达1225N/个；影响因素显著性的简单分析表明，羧甲基纤维素添加量＞成型压力＞成型水分。

5.条件优化

正交试验的结果表明，在先低温（60℃）干燥50min，再高温（110℃）干燥100min的条件下，羧甲基纤维素添加量1.2%、成型压力25MPa、成型水分22.5%时转炉灰球团抗压强度达到1225N/个，但行业内要求超过800N/个即可满足要求。因此，并不是转炉灰球团强度越高越好，过高的抗压强度只会增加生产成本降低生产企业效益。为降低羧甲基纤维素用量、节省成本，在成型水分22.5%、成型压力25MPa的条件下考察了羧甲基纤维素添加量与转炉灰球团抗压强度的关系，干燥制度仍然采用先60℃下干燥50min、然后110℃下干燥100min。试验结果如表5。

表5 羧甲基纤维素添加量与抗压强度关系

根据表5的结果，成型水分22.5%、成型压力25MPa的条件，干燥制度采用60℃下50min、110℃下100min，羧甲基纤维素添加量在0.9%时球团强度可达845N/个，满足球团入炉冶炼的要求。0.9%的添加量时，粘结剂成本为40.5元/吨。因此，将最终的成型工艺条件确定为：成型水分22.5%、成型压力25MPa、羧甲基纤维素添加量0.9%；干燥制度为60℃下干燥50min然后在110℃下再干燥100min。

6.结语

（1）转炉灰可以制成符合冶炼要求转炉灰球团，较佳的成型条件为成型水分22.5%、成型压力25MPa、羧甲基纤维素添加量0.9%，成型后的球团先 60℃下干燥50min然后在110℃下再干燥100min，干燥后的转炉灰球团抗压强度可达845N/个。

（2）成型后的转炉灰球团采用分段干燥可有效提高转炉灰球团抗压强度，降低粘结剂用量降低成本。本研究的合适干燥制度为成型后的球团先 60℃下干燥50min然后在110℃下再干燥100min。

（3）本试验研究仅为实验室规模，工业化生产前应先进行工业化试验验证。

（4）受时间和精力限制，本研究没有进行不同粘结剂复配研究。