魏秀泉¹   马腾飞²   佘雪峰²

(1北京安康科创节能环保科技有限公司； 2北京科技大学)

摘 要：文章考察了不同碳氧比和温度条件下，直接还原过程中的铁还原率、 金属化率、 还原脱锌和脱铅率、KCl和 NaCl 挥发脱除率，通过实验可知，含锌粉尘制备的含碳球团可以脱除锌、 铅、 钾和钠， 同时有效利用粉尘中的碳资源还原铁氧化物得到金属化球团；在 1200 ~1330℃范围内，温度对铁氧化物还原，锌和铅的还原脱除，KCl和 NaCl 的挥发脱除影响明显，当粉尘碳氧比为1.0还原温度为1300℃ ，还原时间大于18min 时，反应接近最终平衡点，可获得金属化率大于80％ ，锌铅几乎完全脱除，钾钠脱除率大于90％ 的金属化球团。 

关键词：直接还原；含锌粉尘；回收；转底炉

我国是钢铁产量大国，2017 年我国钢铁产量达到8.2亿t 左右.通常钢铁企业粉尘产生量为钢产量的 10％ 左右，也就是说我国钢铁企业2017年粉尘产生量为 8200 万 t。这些粉尘含有大量的铁、 碳元素， 其中一部分粉尘还含有锌、 铅、 钾和钠等元素^[1 －2] ， 返回烧结处理会对高炉带来锌、 铅循环富集问题，若堆放处理又会带来环境污染。 因此，为综合利用冶金粉尘资源，提出采用转底炉直接还原工艺处理钢铁厂含锌粉尘^[3 －5] 。文章以莱钢提供冶金粉尘为研究对象，对转底炉工艺流程中的关键问题进行了深入的基础研究， 所获得的基础数据为转底炉工艺设计及应用提供了基础参数。主要对冶金粉尘进行了系统分析，获得了粉尘的化学成分，然后考察在1200 ~ 1330℃时，铁还原率、 金属化率、 还原脱锌和脱铅率、 KCl和 NaCl的挥发脱除率等.

1 实验原料与实验方法

1.1  实验原料

选取的冶金粉尘主要产生于烧结、 炼铁、 炼钢和轧钢等工序，不同工序产生粉尘的物理特性也不相同，为保证试验结果的准确性，必须使试样具有代表性，将取得样品采用四分法进行缩分，缩分样品保留作为实验样品。

各种粉尘的成分分析结果见表 1，可以看出: 高炉布袋除尘灰碳含量高达 34.00%锌含量高达到16.60%，钾为 0.76%，但含铁品位较低只有 17.03%，转炉细灰和转炉污泥含铁品位较高分别为 52.30%和58.19%其中转炉细灰中碱金属含量高于一般除尘灰的含量(钾钠分别为1.01%和1.67%）；电炉灰中的碱金属和锌含量也比较高，锌含量为2.61%，钾含量为 1.32%，其成分一般随加入废钢不同而产生变化。

1.2  实验设备及方法

首先按 C / O 为1.0的方案对各种粉尘进行配料 (配入水量12％ ±0.5%混合粉尘成分见表 2。配好的混合料经强力混合机混料 3min，然后通过对辊压球机压制成球团，将生球放入烘干箱内烘干 4h(烘干箱设定温度为 378K)，烘干后的球团装入铁铬铝钼丝编成的吊篮， 将吊篮放置到1573 K、 152K、 1573K 和 160K 的温度区进行还原， 生球分别还原3min、 6min、 9min、12min、 15min、 1min。到达预定还原时间取出球团，放在氮气中急速冷却，采用化学分析方法，计算相应的金属化率、 脱锌率、 脱铅率、 脱钾率、 脱钠率和氧化铁还原率。

为保证炉内中性气氛，管式炉底部通入N₂，流量为 5L / min，实验高温还原设备采用高温硅钼炉， 额定功率8kW，额定温度 1973K，炉管材 质为刚玉莫来石，炉管尺寸为 Φ95 ( 80) × 720mm，实验设备及原理如图1 所示。

2   实验结果及分析

2.1  温度和碳氧比对还原速率影响

图 2、图 3 是球团碳氧比为 1.0温度为 1200~ 1330℃时，还原时间与球团金属化率及铁氧化物还原度的关系，从图中可以看出，还原温度对球团金属化率和铁氧化物还原率影响较为明显，随着温度升高，铁氧化物还原达到平衡时金属化率和还原率所需时间越短， 说明铁氧化物直接还原速度越快，这是由于铁氧化物直接还原属于吸热反应，温度越高，反应速率越快。当还原温度高于 1330℃ 时，反应终了的金属化率和铁氧化物还原率能达到 85％ 以上。

图 4、 图 5 是在13600℃条件下，分别采用碳氧比为 0.8、0.9和1.0时，金属化率、 还原度与还原时间的关系。随着碳氧比的增加， 含碳球团的金属化率和还原度有所增加， 在四种碳氧比条件下， 当还原时间小于 9min 时,不同碳氧比的球团金属化率和还原度区别不大,还原时间超过 9min 后，碳氧比对球团的金属化率和还原率影响变大，球团中碳氧比越高，还原反应终点的金属化率和还原度越高，要达到 70％ 以上的金属化率，碳氧比应不低于 0.9。

2.2  温度对脱锌和脱铅的影响

图6、图7 是碳氧比为1.0温度为1200 ~1330℃ 时，还原时间与球团脱锌率和脱铅率的关系。

从图 6 中可以看出，还原温度对球团脱锌率影响较为明显，随着温度升高，球团还原达到平衡时的脱锌率所需时间越短，在 1200 和 1250℃条件下分别还原 18 和 24min， 球团脱锌率达到99％ 以上， 而在1300 和 1330℃ 条件下只需还原15min，球团脱锌率就可达到 99％ 以上。 

图 7 的趋势与图 6 类似，但图 7 曲线斜率更大，说明脱铅过程比脱锌更加容易， 在 1300 ~ 1330℃还原 15min， 脱铅率就能达到 99％ 以上。 

2.3  温度对脱钾和脱钠的影响

球团还原过程中伴随着KCl和 NaCl 的挥发脱除， KCl和 NaCl 几乎不溶解于 Fe 和渣相，KCl和 NaCl  的熔点很低， 分别为773 和800.07，沸点分别为1500 和 1465℃ ， 根据表 2列出的 KCl和 NaCl  在800 ~ 1350℃ 的蒸气压，可以确定 KCl和 NaCl  在球 团中 ( 1200~ 1330℃ ) 属于液态蒸发过程，随着温度升高， KCl和 NaCl 所对应的蒸气压增大，因此温度越高，挥发越容易。

在实验过程中，考察了温度与时间对钾钠脱除率的影响，实验结果如图 8 和图 9 所示，从图中可以看出，环境温度对钾钠脱除率有一定的影响，当环境温度为1330℃ 时球团挥发脱钾达到平衡的时间比1200℃要短15min， 在1330℃环境温度条件下，还原 15min 钾钠含量即可降低到0.1%左右。 

3 结论

考察了不同直接还原工艺条件下，铁还原率、 金属化率、 还原脱锌和脱铅率、 KCl和 NaCl 的脱除率， 主要结论如下:

(1) 通过直接还原过程，含锌粉尘制备的 含碳球团可以脱除锌、 铅、 钾和钠，同时有效利用粉尘中的碳资源还原铁氧化物得到金属化球团。 

(2) 在1200 ~ 1330℃ 范围内，温度对铁氧化物还原，锌和铅的还原脱除，KCl和 NaCl 的挥发脱除影响明显，即还原温度越高，还原速度越快，脱除速率越快。 

(3 ) 当粉尘碳氧比为 1.0还原温度为1300℃ ，还原时间大于1min 时，反应接近最终平衡点，可获得金属化率大于80％，锌铅几乎完全脱除，钾钠脱除率大于 90％ 的金属化球团。 

参考文献

[1] 蒋 胜 有害元素对攀钢高炉的危险分析 [Ｊ]. 钢铁，2009，44 (4): 97 －99

[2] 柏 凌， 张建良， 郭 豪等 高炉内碱金属的富集循环 [Ｊ]. 钢铁研究学报， 2008，20 (9): 5 － 8

[3] 周渝生， 张美芳， 陈 亮等 用高炉瓦斯泥生产铁精矿的实验研究 [ Ｊ]. 安徽工业大学学报: 自然科学版 (第七届全国冶金工艺理论学术会议专辑) ，2003， 20 (4): 142 － 146

[4] 佘雪峰 转底炉直接还原处理钢铁厂含锌粉尘工艺技术基础研究 [Ｄ]. 北京: 北京科技大学， 2011

[5] 方 觉. 非高炉炼铁工艺与理论 [Ｍ]. 北京: 冶金 工业出版社，2002.