吴建强 王胜 杨媛媛 崔蕊
摘 要：随着转炉炼钢生产的发展，炼钢工艺的日趋完善，目前宣钢公司150T转炉区域采用的是干法静电除尘技术，简称LT 法。它是一种转炉烟气净化及煤气回收干式系统，该除尘方式不用大量浊环水洗涤烟气，而是采用蒸发冷却器+静电除尘器+煤气冷却器系统。这对我国转炉炼钢节能减排、实现负能炼钢起到了积极的推动作用。其产生的钢铁固体废渣-除尘灰具有资源再利用价值。
除尘灰是EAF的炼钢副产品，经过实践结果是：除尘灰不宜应用于炼钢的任何—个阶段，最好的处理方式是送选烧厂造球烧结后应用于炼钢。在钢铁企业，近些年越来越多人开始注意怎样再次利用烟尘。对除尘灰的综合利用在国内研究课题中十分重要，目前对除尘灰的利用主要是球化后作为建材用料。本文从除尘灰的来源、用途、性能等几大方面进行探讨，通过优化工艺改造，实现除尘灰再利用价值的最大化。
关键词：LT；除尘灰；球团；再利用
1 国内转炉除尘灰的来源及现状
1.1 除尘灰来源
一方面，炼钢过程中，由于点火区高温蒸发、一氧化碳气泡上浮，带出的铁、石灰等辅料加入时产生的粉尘构成了炼钢过程的除尘灰。每冶炼1t钢将产生10～25kg粉尘[1]。
另一方面，干法（LT）除尘收集的粉尘为除尘灰，通过蒸发冷却器收集炼钢粉尘（粗灰）、静电除尘器收集的炼钢粉尘（细灰），利用干法除尘系统的收集保持了粉尘中CaO的活性。
图1 钢铁生产工艺流程图
1.2 除尘灰回收利用现状
转底炉生产金属化球团的技术在我国已经被熟练应用。在炉内100～1400℃左右的高温下，其中通过两个阶段，被预热段和还原段，之后含碳球团受到热量还原l6—21min完成金属化过程，这些热量来自燃料燃烧产生的热辐射，于此同时在炉内通过还原生成的锌也在高温条件下气化。金属化球团进行生产时先在转底炉旋转一圈并且还要经过螺旋出料机排出炉外之后由于需要降低温度还要在冷却机下冷却到100℃以下，完成这些最后将其送入成品仓。煤气可以作为转炉底的燃料并且将高温废气通过烟道排出去，其流程是先通过余热锅炉，在这里生产出大量的蒸汽，之后再用换热器装置让空气在其中进行燃烧，这时候废气在烘干生球，一切都完成后这些废气被排入大气中。如果想要在转炉底生产的更加高效除了上面的方式外，还可以对除尘灰和泥进行预处理，这是由于它们的含铁量相比较其他的较低，利用的方面小，并且它们中含有的有害杂质也是相当之高，预处理后可以减少这两个方面的问题，使高炉更加高效。
在生活中人们大量使用木材、煤等原料，十分浪费自然资源并且破坏了自然环境，所以要通过除尘灰来制取各种活性炭，例如具有一定的吸附性能的活性炭可以减少我们对自然资源的浪费降低了原料的成本。除尘灰在钢铁厂还可以得到很好的利用开发，像一些钢铁厂的周边环境十分恶劣，除尘灰的开发利用就能很好的解决这些问题，而且用除尘灰制的的活性炭还能对大型工厂产生的废水和废气进行很好的处理，所以除尘灰在环境保护这一方面对人类具有十分重大的意义。
就我国而言，转底炉直接还原处理除尘灰、泥项目发展的比较晚并且技术没有达到先进水平，只有莱钢和北科大对这一研究有所突破，还需要我们进一步去研发。
2 除尘灰主要用途
2.1 热压块
热压块工艺是利用粉尘的自燃特性将粉尘加热，利用其在高温下的塑性，经高压压球机压制成块，然后在氮气密封状态下冷却后输送到转炉，代替废钢或矿石。该方法不需要另外添加黏结剂，粉尘团块的强度也很高，可直接用于转炉作冷却材料使用，是现在LT 粉尘处理应用最多的一种方法。但是，热压块生产需在高温和隔绝空气的条件下进行，对设备和工艺控制要求很高，一次性投资大、工艺条件苛刻、设备故障率很高，难以长期顺利生产。
2.2 冷压块
有企业在除尘灰及污泥中加入部分添加剂，通过冷固工艺制成转炉造渣剂压块，用于转炉造渣，强化了造渣，改善了脱磷效果，脱磷率提高；化渣效果好，能够起到防喷溅的作用。
2.3 返回烧结
转炉除尘灰的利用途径是加入烧结混合料中，经烧结后进入炼铁高炉进行循环。虽然该方法不需要增加设备，但粒度过细且能够自燃的干法除尘灰不利于烧结矿质量的控制和热量的平衡。除尘灰含有有害杂质，而烧结难以有效地去除这些杂质，使得烧结配加和稳定操作困难，入高炉后将影响高炉正常操作和炉衬寿命；其化学成分、粒度、水分均存在较大差异，不利于烧结矿生产和质量的提高；该方法仅能回收部分含铁粉尘，从某利意义上讲，对这些宝贵的二次资源没有起到真正意义上的回收。因此，在烧结配料中加入除尘灰进行循环利用极不科学。
目前而言，公司主要通过烧结配料回收利用（简称长流程法）
2.4 球团配加
在配加炼钢除尘细灰，经过近20 个月的摸索和改进，实现了生产稳定顺行，并保证了质量稳定。转炉干法除尘灰用于竖炉球团配加生产是可行的，配加量在5%以内，可减少对竖炉生产的影响。但是还存在炼钢除尘灰质量不稳定、成分波动大、倒运过程中二次扬尘太大等问题。
3 生产工艺及特点
3.1 除尘灰吨钢回收量统计
宣钢以转炉LT 除尘灰为研究对象，探索转炉除尘灰的高附加值利用途径。
转炉除尘灰分为粗灰、细灰两种。粗灰来自蒸发冷却器底部，细灰是炼钢过程中产生的烟尘经干法除尘、沉降到细灰仓。2019 年全年宣钢炼钢除尘灰当月产量、累计量及回收量，吨钢19-23KG。
表1 除尘灰吨钢回收
3.2 转炉除尘灰的化学成分
转炉除尘灰的化学成分：
表2 除尘灰化学成分
特征：
粒度细 ≤ 0.08mm， FeO和Fe2O3是其主要成分，全铁品位。 (TFe45-60%)平均在50%左右；次要成分是碱性氧化物CaO、MgO；酸性氧化物SiO2≤3%；含微量碱金属氧化物Na2O、 Ka2O转炉除尘粗灰为灰黑色，为细颗粒。转炉除尘细灰为红-褐色，颜色与氧化铁红相近，粒度较细，100 目的占70%以上。转炉除尘细灰中氧化铁的含量比较高，含有少量Fe3O4，是制备铁系颜料的理想原料。
3.3 优化烧结球团除尘灰的工艺操作规程
烧结就是将颗粒凝结成块状的过程，开始的阶段需要多种的粉末状的含铁原料，然后需要一定的燃料和熔剂，把开始的原料适当的加入到他们当中去，之后在向其中加入合适量的水为了后来的粘结，把这些料配完之后进行混合，并且在混合的时候要各个位置都均匀，之后进行造球的步骤，最后燃料燃烧产生高温并且产生本质的变化，这就完成了烧结的全过程，通过上述烧结得到的块矿就是烧结矿。
3.3.1 烧结的目的和意义
采用烧结的方法有多种好处，相比于其他方法其炉料的粒度更加的均匀，并且产生的粉末更少，利用的部分更高，除了这两个好处之外，机械强度相比于其他方法也是一个很大的优势，更高，和含铁品位高的性能，来保证料柱透气性和降低焦比。
天然富矿通过加工产生的矿粉经过烧结[14]成块后进入高炉当中，我们还可以大部分去除或回收利用那些铁矿石当中的一些有害的元素，比如钾、锌等。工业生产者产生了炉尘、轧钢皮等一些工业生产的副产品我们也可以加以利用，让这些无用的东西重新利用起来，这样不仅将资源合理的利用起来，还对工厂的经济有一定帮助降低其成本，并且阻止了这些副产品对环境的破坏。
现在的高炉冶炼使用烧结矿和球团矿，相比于以往，这让高炉冶炼技术达到了一个新的高度，它使生产质量提高了不少，并且生产出来的都是优质的，还让冶炼消耗了更加小的能源，更是成就了高炉长寿的目的，所以烧结矿的作用是冶炼技术的一大进步[2]。
3.3.1.1 烧结生产的工艺流程
随着时间的前进，生产烧结矿的方式也在前进，近年来生产其最流通最普遍的方式就是使用带式抽风烧结机来进行生产，相比于以前更为有效，更为方便，而对于生产烧结矿，其工艺流程不算十分复杂，主要分为三大步骤，首先是对烧结原料的准备，准备好所要用的原料后，将其进行配入，之后将它们均匀的进行混合，完成了准备阶段后，进入了正式烧结的过程（如图1.1），它也是整个生产过程中的中心环节，完成烧结生产出烧结矿，对这些生产出来的烧结矿进行处理，得到人们想要的产品。
图2 烧结生产流程
1） 烧结原料的准备
（1）含铁原料
含铁原料对于品位的要求很高，并含有较少的杂质，含铁原料的成分相对稳定，其原料主要是铁精矿，轧皮钢，钢渣，高炉炉尘，含铁量高粒度小于5毫米的矿粉。
（2）熔剂
熔剂的成分也需要比较稳定，含有较少的杂质，粒度要有九成都需要比3毫米小，其成分中CaO的有效含量要高。
在烧结过程中想要提高烧结矿的质量，可以在料中加入适当的白云石，让烧结矿的成分中含有一定量的MgO。
（3）燃料
主要为焦粉和无烟煤。
燃料的成分也是需要比较稳定含硫量低粒度要有95％都小于3毫米，除了这个要求以外，灰分等也是有一定要求的，它们要低，并且达到烧结的要求还要使其成分中的固定碳的含量要较高些，这样就达到了燃料所需要的程度。
2） 配料与混合
（1）配料
为了要满足高炉冶炼生产所提出的要求，要采用合适的方法进行合理的配料，而大体来说配料其实是为了得到其性质不易改变的烧结矿，现在我们常用的方式，即质量配料法和容积配料法，这两种方法来互相比较，前者相对于后者更加的精准，前者的配料是按原料的质量来配料，而后者则是根据物料堆积的密度不是变化的，按照其一些基本物理性质成比例（m、V）这一条件来进行配料的，所以大部分冶炼都采用质量配料法的方法来配料。
（2）混合
混合的目的是在达到烧结矿的产值有一定的上升的同时质量也达到一定的要求，混合首先是对烧结矿的成分进行均匀的混合，之后在加入适当的水，为了粘结，这样就获得了烧结混合料，而且是有良好的粒度组成的料，大体可以分为3步：加水湿润、混匀和造球。
而在混合过程中的烧结原料还具有不同的性质，所以混合也要分为两步进行，在第一步中进行混合的目的是将原料湿润并且是料相对的均匀，这个过程还可以对物料进行适当的预热，第二步是在加热返矿的时候，对原料进行更加进一步的混合使其更加均匀，然后进行造球工作，两次的混合不仅对料的均匀程度有了大的调节还对料层的透气性起到了有利的作用，增强了料柱的透气性，这也是用细磨精矿粉时所采用的方法，混合时间基本大于3分钟。
3）烧结生产
烧结作业是烧结生产的中心环节，它包括布料、点火、烧结等主要工序。
（1）布料
现在布料采用最多的方法就是圆辊布料机进行布料，布料的内容是把两种料铺在烧结机台车上的作业的过程，在布混合料前，铺一层小块的烧结矿作铺底料，它们的粒度大约在12到26毫米之间，厚度在21到26之间，这种做法保护了炉箅，对机器的使用得到了很好的帮助，增加了它能继续工作的时间，得到有效的利用，让除尘更好的进行下去，铺完一层小块的烧结矿作为底料之后要进行的是布料，在布料时也有着一定的要求，布料的时候用的台车的特定方向要将混合料的成分和颗粒的大小质量等进行均匀的合理的分布，这些混合料要有一定的松散性并且表面的要求平整，然后完成布料这一过程在往下进行下面的过程。
（2）点火
完成了第一个布料的阶段后进行点火的过程，在点火操作的过程中，要保持点火时温度的足够，并长时间的持续在这种合理的温度下，在台车的料层表面对它采取合理的点火方式，让各个位置都能均匀的燃烧，这里点火的温度一般控制在1200±100℃左右，时间大约在一分钟左右，并且点火的时候达到的深度要保持在10到20毫米之间。
（3）烧结
烧结生产的布料和点火进行完之后，进行最后的烧结步骤，烧结时要考虑多个方面的问题，只有这些问题得到合理的解决才能获得合适的烧结矿，首先要对烧结的真空度的问题，而它的情况还要决定于多个方面，不如料层的透气性等几个方面，第二个大方面是对于保持烧结机的速率在一个合理的情况下，然后再合理的选择料层厚度达到烧结时最好的情况，最后就是烧结过程的全部完成了，这是还应该注意台车的位置，其经过了整个烧结过程最后停下，这时所在的就是烧结终点。烧结过程中的冷却固结
在烧结矿的固相反应和液相反应之后，研究的是它的冷却固结过程，这个过程时间上是一个再结晶的过程，烧层移过后，烧结矿的冷却过程随机开始，一些液相的矿物随着周围的温度慢慢的降低逐渐发生凝固，液相结晶，结晶过程中最先形成晶核，多种物质可以充当起晶核的角色，比如未熔化的矿物粒子和大气中的有害的粉尘等等，之后晶核周围的晶粒开始发生变化，逐渐变大，冷却的速度要适当，不可过快过慢否则会造成晶核不能发展完全，生成的矿会在其表面造成比较多的裂纹，产生了比较多的裂纹，就说明了它的强度也是比较差的，上下层的烧结矿受空气影响不同会造成的差异，而对于出现这种情况，它的更细致的说法是烧结内部晶粒之间的相应的力造成的。当温度下降到850℃时，α-2CaO•SiO2转变为γ-2CaO•SiO2体积增大约12%。当冷却至675℃时。β-2CaO•SiO2转变为γ-2CaO•SiO2，体积有增大10%[26]。所以要得到强度和无裂纹的烧结矿尽量控制冷却过程中的温度，在烧结料的脉石中Al2O3含量高时，固结过程中会出现铝黄长石（2CaO•Al2O3•SiO2），铁铝酸四钙（4CaO•Al2O3•Fe2O3），铁黄长石（2CaO•Al2O3•Fe2O3）等，钙镁橄榄石（CaO•MgO•SiO2），镁黄长石（2CaO•MgO•2SiO2）及镁蔷薇石（3CaO•MgO•2SiO2）等会出现的原因是氧化镁的含量较多所造成的。
3.3.1.2 烧结矿的矿物组成及结构
烧结矿的固结是决定了它是由许多种矿物组成的，而液相成分是决定烧结矿矿物组成的重要因素，由于液相的成分和数量首先取决于原料性质，如矿物类型、化学成分、粒度组成等。其次取决于烧结工艺条件，如配碳量、碱度、温度、气氛、料层透气性等，各种烧结矿的矿物都是基本相同的，这是因为受到了两个条件的影响，原料条件和烧结工艺。烧结矿这里分为两种，即熔剂性烧结矿和自熔性烧结矿两类，但是它们的主要矿物组成却不尽相同，主要是以铁酸钙、磁铁矿、钙铁橄榄石为主，并含有低量的其他物质，石英、玻璃等。
在显微镜下可以观察烧结矿的结构，主要观察它的矿物组成的各种物理性质，比如大小和位置关系等等，这些在早期不同的烧结矿没有明显的差异，但是随着技术的发达和条件的改变，它们也存在了显而易见的不同之处。
根据近年来通过观察得出的常见的烧结矿的显微结构，可以分为5种类型，这些结构是熔蚀结构、斑状结构、骸状结构、单点状的共晶结构以及粒状结构这几大类别，有些磁铁矿在显微镜下是斑状的晶体，它们和相对细的粒子的粘结物互相结合形成的斑状结构，我们观察的高碱度的烧结矿，它们晶粒十分细小，具有圆润的形状，被铁酸钙所熔蚀，进而紧密的连接在了一起，它们之间具有较大的接触面积并且摩擦力也是不小的，是它们更加紧密，更加牢固，因此强度也得到了大大的增强，这就是高碱度烧结矿的熔蚀结构，在烧结的早期通过冷却结晶得到磁铁矿晶体不随着别的矿物的进入而对其自身发生改变，仍然保持其原有的晶体外形，这种称之为骸状结构，通过观察橄榄石晶体和硅酸盐晶体的结构可知它们的形成是有一定的区别的，而不是相同的，分别对应磁铁矿显示出圆形点状的和赤铁矿表现的圆形点状晶体，并且前者是Fe3O4-Cax•Fe2-x•SiO4系共晶所形成的，但是后者则是该系统的共晶体被氧化而产生的，两者有很大的区别的，各种晶粒和磁铁矿之间互相组成，而且除了上述的条件之外磁铁矿又是烧结矿的结晶产物，产生了各种各样的形状的晶粒，这种组成就是粒状结构。
在进行液相冷却析晶的时候，析出的晶体常常以多种形式凝固组成，这是由于矿物晶体本身特有的不同特性以及冷却析晶时候的温度和浓度在整体当中并不是十分均匀而造成的，这些凝固的形状十分特别，针、片、柱等等，烧结矿的质量主要是指的烧结矿的还原性和强度，在生产过程当中我们要严格控制其质量，就是要对烧结矿的结构和矿物组成做严格的要求，防止造成严重的损失和后果，烧结矿的强度如同数学中的规律一样，可以各个部分加和算出总体来，表示为各种矿物强度乘以该矿物在总体中所占的比例，在加和起来就是总的强度了，根据研究，我们已经得出了在烧结矿中影响矿物强度和还原性的顺序的关系，如下：
赤铁矿→磁铁矿→铁酸钙→钙铁橄榄石→玻璃相 依次降低的强度变化
赤铁矿→磁铁矿→铁酸钙→钙铁橄榄石→铁橄榄石 依次变坏的还原性
烧结矿的进行还原反应并不是在其内部进行的，而是通过这些还原性的气体，逐渐的进行扩散后，慢慢的延伸到反应界面之后进行的反应，当然还有其他方面的原因，那些细小而且密集的晶粒相比于大的更加容易进行还原，气孔率大的比小的，松弛的比紧密的都更容易进行还原。
4 课题研究意义
用炼钢散料除尘灰代替部分生石灰配烧结矿，其主要经济技术指标是，炼钢散料除尘灰代替部分生石灰和石灰石配烧结矿，不影响烧结矿质量。将散料灰代替部分石灰石，在保证烧结矿指标的情况下，减排一定量的CO2，同时避免了废弃的炼钢散料灰对环境的污染。
因此提出将炼钢散料灰配入烧结矿，实现炼钢除尘灰资源化利用课题。
参考文献
[1] 毕秀荣，刘润藻，朱荣，等．转炉炼钢烟尘形成机理研究[J]．工业加热，2010，39(6)：13．
[2] 王令福．炼钢粉尘处理工艺的最新发展[J]．冶金能源，2006，25(4)：46．