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重熔还原法处理转炉钢渣研究 张艺伯朱桂林孙树杉胡天麒 中冶建筑研究总院有限公司， 北京 100088 摘要 钢渣中的部分金属铁及铁氧化物难以有效回收， 造成了资源浪费。针对上述问题， 通过重熔还原方法处理钢渣， 研究还原剂用量及不同辅助组分对钢渣中铁氧化物还原程度的影响。结果表明 重熔过程不仅可以还原钢渣中的铁 氧化物， 而且渣铁可以分离沉积回收， 提高了钢渣中铁元素的回收率， 以金属化率、 金属回收率及金属铁沉积情况为主 要指标， 并考虑经济性， 确定最优配料方案为焦炭用量 5， 掺加 10石英砂或 5铝矾土。 关键词 转炉钢渣; 重熔还原; 铁元素回收; 石英砂; 铝矾土 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407024 STUDY ON ＲEMELTING AND ＲEDUCING PＲOCESS OF CONVEＲTEＲ STEEL SLAG Zhang YiboZhu GuilinSun ShushanHu Tianqi Central Ｒesearch Institute of Building and Construction Co． ，Ltd，MCC Group，Beijing 100088，China AbstractAmounts of metallic iron and iron oxide are lost in steel slag without being fully used． A of remelting and reducing was proposed and conducted，and amounts of reductant and adjusting materials were carried out． Ｒesults showed that through remelting process iron oxide could be reduced to iron and metallic iron of steel slag could settle down to the bottom of the reactor，which enhanced the recovery rate of iron in steel slag． Metallization rate，metal recovery rate and deposition rate were regarded as the leading indicators．Meanwhile taking economic factors into consideration，the optimal additive combination was coke of 5 with quartz sand of 10 or bauxite of 5． Keywordsconverter steel slag;remelt and reduce;recovery of iron;quartz sand;bauxite 收稿日期 2013 －10 －23 0引言 我国粗钢生产主要采用转炉工艺， 据世界钢协统 计 ［1 ］， 2012 年我国粗钢产量占世界粗钢总产量 45 以上。每冶炼 1t 钢将产生 0. 12 ～0. 14t 的钢渣， 但目 前我国钢渣资源化利用率处于 20 左右的较低水 平 ［2 ］， 钢渣堆存量逐年攀升， 对我国生态环境及土地 资源有效利用造成重大影响。 钢渣中含有约 10 的金属铁 ［3 ］， 由于造渣过程 中钢液喷溅与渣粘附、 包裹在一起， 导致采用破碎 磁选工艺难以将渣中的金属铁充分分选回收。另外， 钢渣中含有的 FeO 和 Fe2O3总量约为 30， 折合金 属铁约 20， 这些铁元素没有被充分回收利用， 是巨 大的资源浪费。因此， 将钢渣中铁元素有效还原并分 离回收， 成为钢渣资源化利用的关键问题［4 ］。 1原材料 本研究中所有实验涉及的钢渣均为唐山新宝泰 钢铁公司产出的未经任何稳定化或磁选等手段处理 的同一批转炉钢渣原渣， 呈灰黑色块状， 破碎至 20 mm以下并混合均匀， 分装在加盖塑料桶中 每桶 60 ～70 kg ， 随机选取进行实验。 钢渣中金属铁 MFe 含量为 10. 71， 尾渣成分 见表 1 以钙、 硅、 镁、 铁 4 种元素为主， 氧化物总含 量为 85. 48。其中， 仅铁氧化物 FeO、 Fe2O3 总量 就达到 23. 29， 折合铁元素含量约为 17. 42， 是继 钙元素后含量最高的元素。如图 1 所示， 本研究中所 用钢渣的铁氧化物多以 ＲO 相或钙铁相形式存在。 表 1钢渣尾渣主要化学成分 Table 1Chemical composition of steel slag CaOSiO2Al2O3Fe2O3FeOMgOP2O5MnONa2OK2O 38. 83 12. 142. 148. 9714. 32 11. 222. 451. 480. 100. 10 111 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 图 1原渣的 XＲD 图谱 Fig． 1XＲD pattern of original steel slag 本研究采用市购焦炭作为还原剂， 其成分如表 2 所示。辅助组分包括市购石英砂 以 SiO2为主要成 分 和市购铝矾土 以 Al2O3为主要成分 。 表 2焦炭成分分析 Table 2Composition of coke 项目空气干燥基干燥基干燥无灰基 分析水0. 20 灰分15. 8915. 92 挥发分0. 940. 941. 12 固定碳82. 9783. 1498. 88 2实验方法 采用直流石墨电极熔炼炉进行钢渣重熔还原实 验， 考察了焦炭 还原剂 用量 0 ～20 对钢渣中 铁氧化物还原以及金属铁在渣中聚集情况的影响。 在此基础上， 固定焦炭掺量为 5， 考察了不同石英 砂或铝矾土掺量 1 ～20 对实验效果的影响。 所用电热设备升温速度较快， 短时间内即可达到 1600℃以上， 因而升温过程对于实验结果影响可不 计; 原材料实验前混合均匀， 避免了因物料混合不均 产生的影响。主要评价指标的计算方法如下 金属化 率主要反映钢渣中铁氧化物的还原程度， 由于原钢渣 中含有一定量的金属铁， 为更准确反映还原情况， 在 计算过程中将原渣中的金属铁扣除; 金属回收率主要 反映以磁选方式进行回收时金属铁的回收效率。 金属化率还原渣金属铁质量－原渣金属铁质量 铁元素总质量－原渣金属铁质量 100 1 金属回收率 磁性物中的金属铁质量 金属铁总质量 100 2 另外， 本研究在对还原钢渣的后期处理过程中， 针对金属铁的分布情况进行了研究， 定义“物理部 分” 是指经破碎粉磨后粒径大于 1. 18 mm 的金属铁 颗粒占金属铁总量的比例 ; “化学部分” 是指除物理 筛选部分外， 剩余尾渣通过化学分析方法测定的金属 铁含量占金属铁总量的比例， 这主要是对熔融状态下 铁滴的聚集情况作分析。另外 ， “沉积部分” 是指重 熔后沉积于反应器底部的金属铁占铁总量的比例， 主 要为改进金属铁回收方式提供思路。 3结果与讨论 3. 1焦炭掺量的确定 考察了焦炭掺量对金属化率和金属回收率的影 响详见图 2。当焦炭掺量为 0 时， 仍有 20 左右的 金属化率， 说明石墨电极和坩埚的消耗为钢渣中铁氧 化物的还原提供了一定量的碳素作为还原剂。当焦 炭掺量为 2 时， 金属化率即有明显升高， 达到 80 以上， 且随着焦炭掺量的继续增加， 金属化率未有显 著变化， 说明此时还原剂已过量。金属回收率均保持 在 90以上， 最高达到 95. 49。尾渣中 FeO、 Fe2O3 的含量变化与金属化率的变化趋势基本一致 见图 3 ， 随着焦炭掺量的增加， 除未掺加焦炭的实验结果 外， FeO 的含量始终保持在 2 ～ 3， Fe2O3的含量 始终低于 1。 图 2焦炭掺量对金属化率和金属回收率的影响 Fig． 2Influence of coke amount on metallization rate and metal recovery rate 图 3焦炭掺量对尾渣中铁氧化物含量的影响 Fig． 3Influence of coke amount on iron oxide content of slag 211 环境工程 Environmental Engineering 焦炭掺量对尾渣中金属铁形态分布的影响见 图 4。由图 4 可知 未掺加焦炭时， 金属铁物理部分 所占比例很高， 为 95以上， 并且沉积部分所占比例 与之相当， 这是由于未掺加焦炭时， 仅少量铁氧化物 被还原， 所以物理部分和沉积部分主要反映的是钢渣 中原有的金属铁的沉积。随着焦炭掺量的增加， 金属 铁物理部分所占比例整体呈现下降的趋势。将钢渣 作为一个体系来看， 在一定范围内焦炭掺量的提高对 于体系中弥散的金属铁的比例呈促进作用， 即还原后 的零价铁仍多数处于弥散状态， 由于铁氧化物还原 后， 渣的黏度提高阻碍了金属液滴的聚集和沉积。综 合考虑， 选择焦炭掺量为 5进行后续研究。 图 4焦炭掺量对金属铁分布的影响 Fig． 4Influence of coke amount on Metal Fe distribution 3. 2石英砂 辅助剂 掺量的确定 焦炭掺量 5， 石英砂掺量对金属化率和金属回 收率的影响见图 5。在石英砂掺量较低的情况， 随着 掺量增加， 金属化率稳步增长， 由掺量 1 时的 81. 59升高到掺量 10 时的 86. 28。由于 SiO2 属于酸性氧化物， 当其掺入碱性钢渣中时， 有利于降 低熔融体系黏度， 提高熔融体系流动性， 使铁氧化物 与还原剂可以更加充分地接触碰撞并还原， 提高金属 化率; 同时由于熔融体系黏度的降低， 有利于还原后 的零价铁滴聚集长大， 从而提高了金属回收率。但是 当掺量为 20 时， 对铁氧化物还原反应的进行造成 一定负面影响， 通过黏度相图分析， 认为是由于石英 砂掺量过大导致熔融体系的黏度升高， 反而对铁氧化 物还原及铁滴的聚集产生一定的阻碍作用。金属回 收率的变化趋势与金属化率基本一致， 但变化幅度相 对较小。尾渣中的 Fe2O3含量基本保持在 1 以下， 而 FeO 含量的变化与金属化率的变化趋势呈负相关 见图 6 。 石英砂掺量对金属铁分布的影响见图 7。如图 7 图 5石英砂掺量对金属化率和金属回收率的影响 Fig． 5Influence of quartz sand amount on metallization rate and metal recovery rate 图 6石英砂掺量对尾渣中铁氧化物含量的影响 Fig． 6Influence of quartz sand amount on iron oxide content of slag 所示， 石英砂的掺量对提高金属铁的聚集有促进作用， 这也印证了 SiO2作为酸性氧化物对于碱性钢渣黏度 和熔点等方面的影响， 而掺量过大时， 反而会导致黏度 升高， 其变化规律同金属化率一致。以金属铁化学部 分所占比例为例， 最低值为7. 18， 最高值为28. 14。 图 7石英砂掺量对金属铁分布的影响 Fig． 7Influence of quartz sand amount on Metal Fe distribution 综合考虑金属化率、 金属回收率及金属沉积情 况， 在掺加石英砂的系列实验中， 最优配料方案为焦 311 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 炭 5， 掺加 10石英砂。 3. 3铝矾土 辅助剂 掺量的确定 焦炭掺量 5 时， 铝矾土掺量对金属化率及金属 回收率的影响见图 8。金属化率和金属回收率整体呈 上升趋势， 这是由于 Al2O3掺入钢渣中， 也有助于降低 熔融体系黏度， 提高流动性， 其促进还原反应的机理与 SiO2相似， 但在实验结果中并未出现明显拐点， 整体表 现为促进铁氧化物的还原及铁滴的聚集， 但变化幅度 并不大。尾渣中 FeO 的含量始终保持在 1 ～ 2， Fe2O3的含量基本保持1左右， 见图9。 图 8铝矾土掺量对金属化率和金属回收率的影响 Fig． 8Influence of bauxite amount on metallization rate and metal recovery rate 图 9铝矾土掺量对尾渣中铁氧化物含量的影响 Fig． 9Influence of bauxite amount on iron oxide content of slag 铝矾土掺量对金属铁分布的影响见图 10。掺加 铝矾土对实验结果的影响最为显著且稳定， 随着铝矾 土掺量的增加， 金属铁的聚集情况稳步趋好， 物理部 分最高比例超过 95。另外， 铝矾土掺入比例从 10到 20， 实验结果并未发生显著变化， 可以认为 到达极限状态， 这可以在合理资源投入及成本控制上 提供理论支持。以金属铁化学部分所占比例为例， 最 低值为 5. 74， 最高值为 14. 21。因此， 以金属化 率、 金属回收率及金属铁沉积情况为主要指标， 并考 虑经济性因素， 在掺加铝矾土的系列实验中， 最优配 料方案为焦炭 5， 掺加 5铝矾土。 图 10铝矾土掺量对金属铁分布的影响 Fig． 10Influence of bauxite amount on Metal Fe distribution 4结论 1 采用重熔还原法处理钢渣能够将渣中原有 ＲO 相及钙铁相中的铁元素还原成金属铁。由于处 理过程中体系为熔融态， 铁与渣因密度上存在的显著 差异可自然分离并沉降， 尾渣中铁氧化物总量降至 5以下。 2 用焦炭还原熔融钢渣的研究中， 石墨坩埚和 电极的消耗为钢渣中铁氧化物的还原反应提供了一 定量的还原剂， 当焦炭用量达 2 后， 继续增加用量， 金属化率和金属回收率变化并不显著。 3 在辅助组分对钢渣中铁氧化物还原产物的影 响研究中发现， 一定量的 SiO2或 Al2O3的掺入有助 于降低熔融体系的黏度， 促进铁氧化物与还原剂的接 触反应以及铁滴在熔渣中的聚集沉降。以金属化率、 金属回收率及金属铁沉积情况为主要指标， 并考虑经 济性， 确定最优配料方案为焦炭 5， 掺加 10 石英 砂或 5铝矾土。 参考文献 ［1］World Steel Association． Steel production 2012［EB/OL］． http ∥ www. worldsteel. org/statistics/statistics- archive/2012- steel- production. html. 2013 －01． ［2］朱桂林，孙树杉，夏春． 实现钢渣 “零排放” 对发展循环经济， 推进钢铁行业节能减排具有重要作用［J］． 金属世界， 2008 308- 316． ［3］朱桂林，孙树杉． 应加快钢铁渣资源化利用［J］． 中国钢铁业， 2007 1 23- 27． ［4］邓琪，王琪，黄启飞，等． 层次分析法评价钢渣资源化利用途 径的研究［J］． 金属矿山， 2010 1 170- 174． 第一作者 张艺伯 1987 － ， 男， 硕士， 主要研究方向为冶金固体废弃 物处理与资源化利用。zhangyibobj163． com 411 环境工程 Environmental Engineering