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在鋼鐵冶煉過(guò)程中，會(huì)不斷地產(chǎn)生各種粉塵，這些粉塵的收集包括燒結(jié)廠靜電除塵器（ESP）、高爐（BF）除塵器或旋風(fēng)除塵器、堿性氧氣轉(zhuǎn)爐（BOF）ESP、電弧爐（EAF）袋式除塵器、高爐料倉(cāng)袋式除塵器及其他許多集材料、卸料、破碎、篩分、脫硫、精煉等為一體的袋式除塵器。

傳統(tǒng)上，燒結(jié)廠的設(shè)計(jì)是為了回收煉鐵和煉鋼的固體廢物。近年來(lái)，壓塊技術(shù)也被用于固體廢物的回收利用。燒結(jié)和壓塊工藝都可以消耗煉鐵和煉鋼的粉塵，似乎是很好的解決方案。然而，煉鐵和煉鋼粉塵仍然存在一些問(wèn)題。首先，當(dāng)粉塵從收集點(diǎn)被輸送到燒結(jié)廠或壓塊廠并在這些廠處理時(shí)，粉塵會(huì)在地面和空氣中產(chǎn)生二次排放。其次，由于不適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)和物理性質(zhì)，一些粉塵無(wú)法在內(nèi)部回收，不得不運(yùn)出，在外部回收或填埋，在運(yùn)輸過(guò)程中，粉塵有可能因泄漏而污染環(huán)境。第三，煉鐵和煉鋼粉塵通常都很細(xì)，會(huì)嚴(yán)重惡化燒結(jié)層的透氣性，從而使燒結(jié)礦的性能惡化。第四，燒結(jié)混合料中過(guò)多的細(xì)粉塵會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)廠煙囪排放過(guò)高，并可能導(dǎo)致煙囪不透明度測(cè)試失敗。因此，如何從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩個(gè)方面減輕煉鐵、煉鋼過(guò)程中粉塵對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)的負(fù)面影響，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在煉鐵工業(yè)中，隨著高品位鐵礦石的枯竭，越來(lái)越多的鐵精礦被生產(chǎn)出來(lái)。為了處理鐵精礦，人們發(fā)明了鐵礦球團(tuán)化并將其工業(yè)化。球團(tuán)精礦也用于燒結(jié)生產(chǎn)，如混合球團(tuán)燒結(jié)（HPS）技術(shù)。為了解決燒結(jié)過(guò)程中的微細(xì)粉塵問(wèn)題，最近設(shè)計(jì)了強(qiáng)力混合/微球化技術(shù)。這些技術(shù)為解決煉鐵和煉鋼粉塵問(wèn)題樹立了良好典范。然而，由于粉塵產(chǎn)生率不足、多樣性高和異質(zhì)性強(qiáng)，這些技術(shù)并不能解決上述所有問(wèn)題。

煉鐵、煉鋼粉塵原地微球化是解決微細(xì)粉塵問(wèn)題的合理選擇。一旦粉塵在生產(chǎn)地點(diǎn)造球，如果微球能保持良好的整合，上述對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)的負(fù)面影響就消失了。因此，原地微球化煉鐵、煉鋼粉塵是一種很有前景的粉塵處理方法。安賽樂(lè)米塔爾研究了通過(guò)微球化減輕粉塵問(wèn)題，研究和評(píng)價(jià)了各種微球制粒設(shè)備，包括實(shí)驗(yàn)室輪胎制粒機(jī)、實(shí)驗(yàn)室圓盤制粒機(jī)、工業(yè)回轉(zhuǎn)窯、實(shí)驗(yàn)室高剪切混合機(jī)（HSM）、實(shí)驗(yàn)室深筒制粒機(jī)、實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)力混合器和實(shí)驗(yàn)室針式攪拌機(jī)等。本文對(duì)該研究進(jìn)行了總結(jié)。

2 樣品、設(shè)備和方法

樣品——本研究選擇了來(lái)自美國(guó)安賽樂(lè)米塔爾轉(zhuǎn)爐車間的兩種轉(zhuǎn)爐電除塵器（ESP）粉塵和一種酸洗氧化鐵粉塵作為研究對(duì)象。第一個(gè)轉(zhuǎn)爐車間煙氣凈化系統(tǒng)有兩套煙氣凈化設(shè)施。一級(jí)除塵器是收集粗粉塵的分離箱，二級(jí)除塵器是收集細(xì)粉塵的電除塵器。粗粉塵和細(xì)粉塵混合，通過(guò)氣動(dòng)輸送至粉塵筒倉(cāng)。第二個(gè)轉(zhuǎn)爐車間的煙氣凈化系統(tǒng)中還設(shè)有兩級(jí)除塵系統(tǒng)。第一級(jí)氣體凈化器是一個(gè)噴射箱，它通過(guò)噴射霧化水來(lái)冷卻和清洗廢氣。噴射箱泥漿被泵入沉淀箱，在沉淀箱中產(chǎn)生濕砂，溢流污水被泵送至污水處理廠進(jìn)行進(jìn)一步處理。第二級(jí)氣體凈化器是一套ESP裝置，可捕捉細(xì)小的粉塵顆粒。細(xì)粉塵通過(guò)螺旋輸送機(jī)輸送到粉塵倉(cāng)中。酸洗氧化鐵是在酸洗酸回收設(shè)施中產(chǎn)生的。

從ESP粉塵筒倉(cāng)下方、ESP粉塵倉(cāng)下方和酸洗氧化鐵堆中采集粉塵樣本。將樣品裝袋，密封在桶中并運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后，通過(guò)充分混合使粉塵樣品均勻化，然后密封以備后續(xù)測(cè)試。

本研究測(cè)試了粉塵樣品的粒度分布和化學(xué)成分。結(jié)果分別列于表1和表2。

各種黏合劑已被測(cè)試用于粉塵的微球化，包括波特蘭水泥、玉米淀粉、粉煤灰、生石灰細(xì)粉和來(lái)自多家供應(yīng)商的人工液體黏合劑。

微球制粒設(shè)備——在安賽樂(lè)米塔爾全球研發(fā)機(jī)構(gòu)——東芝加哥實(shí)驗(yàn)室，用實(shí)驗(yàn)室輪胎制粒機(jī)和圓盤制粒機(jī)評(píng)估了各種粉塵的制粒潛力。在此之前，用輪胎制粒機(jī)和圓盤制粒機(jī)研究了燒結(jié)廠電除塵器ESP粉塵的微球團(tuán)化。目前，安賽樂(lè)米塔爾的一家承包商測(cè)試了利用實(shí)驗(yàn)室攪拌機(jī)制造BOF1 ESP粉塵微球的可能性。在供應(yīng)商實(shí)驗(yàn)室，用實(shí)驗(yàn)室深筒制粒機(jī)和針式攪拌機(jī)也對(duì)BOF1和BOF2 ESP粉塵進(jìn)行了測(cè)試。安賽樂(lè)米塔爾現(xiàn)有承包商已使用工業(yè)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)BOF1 ESP粉塵的微球。用實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)力混合器在供應(yīng)商實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試。用實(shí)驗(yàn)室HSM已在供應(yīng)商實(shí)驗(yàn)室和安賽樂(lè)米塔爾全球研發(fā)機(jī)構(gòu)——東芝加哥實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了廣泛測(cè)試。

評(píng)價(jià)方法——本研究的目的是制備優(yōu)質(zhì)的煉鐵、煉鋼粉塵微球，并將其用于燒結(jié)。在選擇微球制粒設(shè)備時(shí)，采用隨機(jī)觀察和定量測(cè)量相結(jié)合的方法，來(lái)評(píng)價(jià)是否可以制備出良好的微球。采用試錯(cuò)法，優(yōu)化制粒裝置的操作條件，被測(cè)微球的性能包括粒徑分布、抗壓強(qiáng)度、磨損強(qiáng)度、跌落強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

對(duì)于在燒結(jié)中使用的微球，微球的目標(biāo)尺寸范圍在1-6.35 mm之間。

當(dāng)測(cè)量微球抗壓強(qiáng)度時(shí)，隨機(jī)選擇50個(gè)介于2.36-4.75mm之間的微球。抗壓強(qiáng)度用Chatillon壓縮試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，記錄抗壓強(qiáng)度（平均值和偏差）。

選擇200g 1-6.35mm的微球進(jìn)行磨損試驗(yàn)。樣品在1mm的篩網(wǎng)上搖晃5min。然后使用式（1）計(jì)算磨損指數(shù)：

式中：A為干基磨損指數(shù)（wt.%）；W和W0分別為微球和原始樣品的質(zhì)量；x和x0分別為微球和原始樣品的水分含量（wt.%）。

選擇了500g 1-6.35mm的微球進(jìn)行跌落試驗(yàn)。微球從指定的高度投到一個(gè)鋼制容器中。然后用一個(gè)1mm的篩子對(duì)落下的微球進(jìn)行篩分。使用式（2）計(jì)算跌落指數(shù)：

式中：D為干燥條件下的跌落指數(shù)，wt.%；W和W0分別為微球和原始樣品的質(zhì)量；x和x0分別為微球和原始樣品的水分含量（wt.%）。

使用以下程序測(cè)試水穩(wěn)定性：1）取1000g 1-6.35mm的微球。2）在一個(gè)19L的桶里裝滿自來(lái)水。3）保持水流量為3.8L/min。將溢流水排入排水系統(tǒng)。4）將樣品放入1mm篩子中。輕輕地把篩子和微球放在裝滿水的桶里。將篩子和微球放在水中60min。5）將篩子和微球從水中取出。6）排空后，在105℃的烘箱中干燥顆粒。7）用1-mm篩子篩分干燥微球，并記錄超大微球的質(zhì)量。8）使用式（3）計(jì)算微球的水穩(wěn)定性指數(shù)：

 式中：S為干基水穩(wěn)定性指數(shù)，重量百分比；W為干基中存活微球的質(zhì)量；W0為收到基的原始樣品質(zhì)量以及x0為原始樣品中的水分含量（wt.%）。

3 結(jié)果與討論

微球制粒設(shè)備的選擇——在選擇微球制粒設(shè)備時(shí)，考慮了一些標(biāo)準(zhǔn)。首先，機(jī)器必須能夠制造出好的微球。與普通球團(tuán)相比，微球的特點(diǎn)是尺寸更小。一些備選的制粒設(shè)備擅長(zhǎng)于制造規(guī)則的大球團(tuán)，而這些設(shè)備中的微顆粒傾向于快速聚集成大球團(tuán)，并且無(wú)法達(dá)到所需的強(qiáng)度特性。因此，利用這些制粒裝置制備微球，將面臨防止大球團(tuán)形成和強(qiáng)化微球的挑戰(zhàn)。其次，這些設(shè)備必須簡(jiǎn)單緊湊，以適應(yīng)現(xiàn)有的除塵區(qū)域，這些區(qū)域通常已經(jīng)非常擁擠。第三，資金成本和運(yùn)營(yíng)成本很重要。總的來(lái)說(shuō)，這些裝置應(yīng)該簡(jiǎn)單有效。

安賽樂(lè)米塔爾已用工業(yè)回轉(zhuǎn)窯制造微球，其質(zhì)量滿足燒結(jié)用微球的要求。因此，窯內(nèi)微球可作為其他制粒設(shè)備評(píng)價(jià)的參考，微球的一些特性如表3所示。

雖然工業(yè)回轉(zhuǎn)窯能夠生產(chǎn)出高質(zhì)量的微球，但由于其需要大量的資金和運(yùn)營(yíng)成本以及較大的場(chǎng)地，因此不能考慮采用工業(yè)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行原地微球化。圓盤制粒機(jī)是制造常規(guī)大球團(tuán)的設(shè)備。用攪拌機(jī)進(jìn)行的試驗(yàn)沒(méi)有成功，深筒制粒機(jī)與圓盤制粒機(jī)相似，有利于生產(chǎn)大粒徑球團(tuán)。在大傾角操作下制備微球時(shí)，微球在制粒機(jī)中的停留時(shí)間明顯縮短，微球不成熟、強(qiáng)度弱。大量的原始粉塵通過(guò)微球排放。來(lái)自深筒制粒機(jī)的粉塵微球與參考微球相比，并不令人滿意。

針式攪拌機(jī)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，在旋轉(zhuǎn)軸上以特定的方式安裝許多銷。當(dāng)針式攪拌機(jī)運(yùn)行時(shí)，將灰塵和黏合劑引入攪拌機(jī)中并注入水。高速針混合并壓入灰塵形成微球。與圓盤制粒機(jī)和深筒制粒機(jī)相反，針式攪拌機(jī)可生產(chǎn)尺寸較小的微球。由于針式攪拌機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，可能會(huì)出現(xiàn)堵塞問(wèn)題，因此進(jìn)料在攪拌機(jī)中的停留時(shí)間較短。在各種轉(zhuǎn)速、粉塵類型、黏合劑類型和黏合劑用量的條件下，完全固化的針式攪拌機(jī)微球的抗壓強(qiáng)度始終小于1kgF/粒，遠(yuǎn)低于參考微球。

因此，輪胎制粒機(jī)、圓盤制粒機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、深筒制粒機(jī)和針式攪拌機(jī)都被排除在進(jìn)一步調(diào)研之外。

強(qiáng)力混合器和高剪切混合機(jī)（HSM）都是緊湊、簡(jiǎn)單的，能夠制造出好的微球。事實(shí)上，它們都有相同的逆流混合設(shè)計(jì)原理。然而，高剪切混合機(jī)（HSM）在資本投資和維護(hù)成本方面明顯便宜。因此，選擇高剪切混合機(jī)（HSM）進(jìn)行進(jìn)一步投資。

總的來(lái)看，各種制粒機(jī)的比較如表4所示。

利用實(shí)驗(yàn)室高速剪切技術(shù)對(duì)煉鐵、煉鋼粉塵進(jìn)行微球化處理，根據(jù)逆流混合原理設(shè)計(jì)了高剪切混合機(jī)（HSM）。攪拌盤和進(jìn)料沿與槳葉相反的方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高效混合。

BOF1 ESP粉塵的完全固化微球的性質(zhì)如表5所示。結(jié)果表明，用高剪切混合機(jī)（HSM）制備的微球是令人滿意的。微球足夠堅(jiān)固，能夠抵抗壓縮、跌落、磨損和水。而且，不同類型的黏合劑和黏合劑用量對(duì)微球的性能有很大的影響。在煉鐵和煉鋼粉塵的微球團(tuán)化過(guò)程中，為了獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益，需要對(duì)低價(jià)格的黏合劑進(jìn)行優(yōu)化。

利用實(shí)驗(yàn)室HSM，成功制備了BOF2 ESP粉塵和酸洗氧化鐵微球。研究了微球的抗壓強(qiáng)度與固化天數(shù)，結(jié)果顯示了不同黏結(jié)劑對(duì)微球抗壓強(qiáng)度的影響。固化時(shí)間對(duì)微球的抗壓強(qiáng)度有很強(qiáng)的影響。在使用微球之前，需要足夠長(zhǎng)的固化時(shí)間。

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，微球的抗壓強(qiáng)度與黏結(jié)劑的種類和用量密切相關(guān)。參考表5，值得注意的是，即使不添加任何黏合劑，微球也可以相當(dāng)強(qiáng)。原因是BOF ESP粉塵中含有生石灰。從表2可以看出，BOF1和BOF2 ESP粉塵中都含有大量的CaO。轉(zhuǎn)爐電除塵器粉塵中的生石灰可以起到黏結(jié)劑的作用。在微球固化過(guò)程中，微球中的CaO能與空氣中的CO2反應(yīng)，增強(qiáng)微球性能。生石灰的結(jié)合能力已得到證明，其中含有10%生石灰的酸洗氧化鐵微球顯示出很高的抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文介紹了安賽樂(lè)米塔爾對(duì)煉鐵和煉鋼粉塵微球化的研究情況。經(jīng)過(guò)仔細(xì)評(píng)估，認(rèn)為高剪切混合機(jī)（HSM）是煉鐵、煉鋼粉塵原地微球化的最佳選擇。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用高剪切混合器可以生產(chǎn)出滿意的微球。微球強(qiáng)度與固化時(shí)間密切相關(guān)。微球需要足夠長(zhǎng)的固化時(shí)間。黏結(jié)劑類型和用量對(duì)微球的強(qiáng)度有很大的影響。石灰粉是一種理想的微球化黏結(jié)劑。