硫酸渣含碳球团高温焙烧试验研究

发布日期：2013-10-13 来源：北京科技大学冶金与生态工程学院作者：曹明明, 张建良, 邢相栋, 姜吉吉, 毛瑞浏览次数：517

核心提示：基于转底炉直接还原工艺, 以硫酸渣为原料进行压团、焙烧, 通过正交试验研究了 C/ O、还原温度、还原时间等参数对球团金属化率和抗压强度指标的影响, 并对其影响规律进行了分析。实验得出最佳工艺参数为: 还原温度 1 280 e ; C/ O 比 112; 还原时间 24 min。在此参数下, 含碳球团的金属化率为891 79% , 抗压强度为 6 703 N/ P。X 光衍射( XR D) 分析也证明, 硫酸渣经过还原后出现了大量金属铁, 表明采用转底炉工艺切实可行。

曹明明, 张建良, 邢相栋, 姜吉吉, 毛瑞

( 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083)

摘要: 基于转底炉直接还原工艺, 以硫酸渣为原料进行压团、焙烧, 通过正交试验研究了 C/ O、还原温度、还原时间等参数对球团金属化率和抗压强度指标的影响, 并对其影响规律进行了分析。实验得出最佳工艺参数为: 还原温度 1 280 e ; C/ O 比 112; 还原时间 24 min。在此参数下, 含碳球团的金属化率为891 79% , 抗压强度为 6 703 N/ P。X 光衍射( XR D) 分析也证明, 硫酸渣经过还原后出现了大量金属铁, 表明采用转底炉工艺切实可行。

关键词: 硫酸渣; 含碳球团; 金属化率; 抗压强度

1 前言

硫酸渣作为制取硫酸后的工业废渣, 含铁量一般在 30%~ 55% , 对其进行综合利用, 能弥补我国铁矿资源的不足。近年来, 国内外在这方面进行了大量研究[1~ 3]。转底炉煤基直接还原工艺是近年来备受关注的新炼铁工艺, 该工艺以矿粉、煤粉复合含碳球团为原料, 在 1 300~ 1 350 e 下快速还原, 得到金属化率为 85% 左右的金属化球团[ 4~ 6]。由优质原料获得的金属化球团可直接替代废钢供电炉使用, 不能直接供电炉的金属化球团可经过二次熔分得到铁水, 再供给转炉或电炉炼钢, 也可以预还原金属化球团的形式加入高炉。

为了探索用转底炉工艺处理硫酸渣的可行性, 本研究针对硫酸渣废弃物的特点, 进行了硫酸渣含碳球团高温焙烧试验。

2 试验原料及方法

2、1 试验原料

试验所用硫酸渣及煤粉的成分列于表 1、表2。从表中可以看出, 硫酸渣含铁较低, 但 S、Zn等有害杂质含量较高; FeO 含量较低, 说明在制酸过程中, 硫铁矿氧化较彻底, 绝大部分 Fe2+氧化成 Fe3+, 使得硫酸渣中铁大部分以弱磁性矿物形式存在。煤粉含碳较高、灰分低, 是典型的无烟煤。硫酸渣及煤粉的粒度组成如表 3所示。

2、2 试验设备及方法

将硫酸渣、煤粉筛分至 1 mm 以下, 加入一定量的粘结剂和水, 混匀; 在 15 MPa 的压力、10r/ min 的转速下, 用对辊压球机压制成团; 将制成的硫酸渣含碳球团放入恒温干燥箱内烘干,然后装入石墨盒内置于已达设定温度的高温电阻炉内, 至设定时间后, 取出冷却。使用抗压试验机测定还原后金属化球团的强度; 分析金属化球团的 MFe、TFe, 计算其金属化率。

试验主体设备为高温电阻炉( 额定温度1 600 e ) , 见图 1。炉膛温度用双铂铑热电偶测量, 采用 PID 可控硅程序控制。当装有含碳球团的石墨盒放入炉内后, 由于石墨盒及球团强烈的吸热, 炉膛温度迅速下降(降幅约 200 e ),从入炉到温度回升再到设定温度约需 5 min, 这个过程中既有挥发份的分解和燃烧, 又有铁氧化物的还原。由于炉膛封闭性较好, 球团还原在还原气氛下进行。

本研究采用正交试验的方法, 以球团金属化率和抗压强度作为质量指标, 重点考察还原温度、配碳量及还原时间对球团质量的影响。

2、3 正交试验设计

根据之前的预实验, 确定了 C/ O、还原温度和还原时间相应的三个水平( 见表 4) , 设计三因素三水平正交试验。

C/ O 比的定义为, 球团中作为还原剂的煤所含的固定碳碳原子摩尔数与铁氧化物中所含的氧原子摩尔数之比。在固体碳还原铁氧化物的化学反应中, 一个碳原子夺取铁氧化物中的一个氧原子, 理论上铁氧化物中氧完全为碳所结合生成 CO 的化学当量 C/ O 比等于 1。然而,在选取 C/ O 比的水平时, 当取 C/ O\ 1, 这样可说明碳过量对还原的影响程度。

3 试验结果及分析

3、1 正交试验结果

对9 组试验还原后金属化球团的化学成分和抗压强度分别进行检测, 结果列于表 5。

3、2 试验结果分析

选择金属化率和抗压强度作为判断标准,将表 5 的结果列入表 6中。

利用极差分析法分析表 6 中结果, 得出各因素对金属化率和抗压强度的影响。极差的大小可以用来描述因素对指标影响的主次。金属化率和抗压强度的分析计算过程是一样的, 现以金属化率的分析计算过程为例, 说明如下。

SA1表示因素 A 取第一水平时相应的实验结果之和; SA2表示因素 A 取第二水平时相应的实验结果之和; SA3表示因素 A 取第三水平时相应的实验结果之和, 即:

(4)~ 式(6) 中 KA 表示还原温度和还原时间处于综合平均意义下, C/ O 分别为 110、018、112 时的球团金属化率。对于因素 B、C, 也用同样的方法计算。在正交实验中, 如果某因素对结果起主要影响, 则在数量关系上表现为该因素各水平的指标综合平均值 K 之间相差较大, 反之, 则说明该因素不是主要影响因素。

从表 6 分析可以得出结论: 各因素对金属化率的影响按大小顺序依次是A(C/ O) 、B(还原温度)、C(还原时间); 最优方案是 A3B3C2, 即: C/O 为 112, 还原温度 1 280 e , 还原时间 24 min。

对抗压强度分析计算得出如下结论: 各因素对抗压强度的影响按大小顺序依次为 A( C/O) 、B( 还原温度) 、C( 还原时间) ; 最好的方案是A3B3C2, 即: C/ O 为 112, 还原温度 1 280 e , 还原时间 24 min。

上述分析表明, 对于金属化率和抗压强度两项指标而言, 最好的方案都是 A3B3C2( 即第 9组试验)。可以看出, 该组的金属化率为89179% , 抗压强度为 6 703 N/ P, 是 9 组试验中综合指标最好的。因此, 还原工艺参数宜取: C/O= 112, 还原温度 1 280 e , 还原时间 24 min。由图 2 可知, 对金属化率而言, 随着 C/ O 和还原温度的升高, 金属化率上升, 但达到一定程度后, 趋势变缓; 随着还原时间增加, 金属化率先升高后略微降低。考虑到生产成本, 应该选择适中的条件, 即 C/ O112, 还原温度为 1 280e , 还原时间为 24 min。随着还原时间增长, 金属化球团的抗压强度先增加后减小; 而随着还原温度和 C/ O 升高, 金属化球团的强度逐步增大。由表 6 和图 2 可知, 1~ 9 组试验金属化球团的抗压强度都很高, 完全能够满足生产要求。因此, 适宜的还原条件也是 C/ O112, 还原温度1 280 e , 还原时间 24 min。

3、3 XRD 分析

对硫酸渣和最优组合条件下( 9 号试验) 得到的金属化球团进行 X 光衍射(XRD) 分析, 结果如图3 所示。从图 3 可看出, 还原焙烧前的硫酸渣中, Fe 主要以 Fe2O3和 Fe3O4的形式存在,另外还有一些含 Co 的物相; 经过焙烧后, 出现了单质 Fe, 即铁氧化物在 9 号试验条件下被还原成金属铁; 出现的杂乱峰为渣相, 说明在此焙烧条件下出现了液相渣。