炼钢除尘灰的资源化利用

1.文献综述

1.1 除尘灰概况

1.1.1 除尘灰来源

在钢铁厂生产过程中，生产出来的副产品和粉尘主要是除尘灰，而这些除尘灰会在多个方面产生，比如电炉灰和高炉灰，不仅如此，在烧结冶炼过程中，也会产生大量的除尘灰，这些有害物对环境造成了严重的影响。

除尘灰的来源是多方面的，生活过程中会产生一部分的有害物，这些有害物中含有烟尘[1]等，除了生活中还有交通运输过程中，一些交通工具的尾气排放等产生的有害物也是除尘灰的来源，除尘灰的来源最多的是工艺生产中，这就是除尘灰的主要来源。现在除尘灰每年排放130万吨，造成了严重的环境污染，而电炉炼钢是造成烟尘污染最主要的来源。

在进行的电炉炼钢阶段，通常经过几道工序来完成生产电炉灰，最终在袋式除尘器来捕集电炉烟尘，这样完成了对电炉灰的生产，占产出炉料装入量2％～3％。电炉在冶炼过程中产生大量烟尘，每吨钢发生量大约为12～20 kg/t，烟尘中含FeO的在40 %以上。在钢铁这一行业当中电炉能够生出许多的烟尘，平均一年就可以捕集10万多吨，如果加上重机、电力制造、造船等行业数百台电炉排出的烟尘，数量就更为可观，这么多的烟尘会造成十分恶劣的环境污染，对人的健康造成影响，所以我们要对其进行有效的治理，不仅如此还要加以利用，变废为宝不浪费宝贵的资源[2]。

1.1.2除尘灰的利用

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[3]。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两个方面，一个是球化后作为建材用料，另一个是作为原料进行回炉再利用，当作建材用料的时候，用作磁性材料的研究现在看来还是十分的少的。除尘灰球化后在回炉中作为炼钢原料还可以作一些像氧化红铁等技术水平低的材料，当作为这些技术水平低的材料时，对于除尘灰的资源是非常大的浪费，所以这些还有待考虑。国外和我国一样，对回收利用除尘灰这一项目也十分看重，他们回收其中的炭来作为墨水等等，或者作为活性炭这种吸附能力强的物质，对于水的合格和吸入的大气都起到了净化的作用[4]。

研究人员已经做了很多有关除尘灰综合利用的工作。目前所利用的方法总体

1.文献综述

来说有两类：一为湿法处理；二为火法处理。相比于火法处理，湿法处理除尘灰更热门，后者其实是把其中的有色金属回收来产出炼铁和化工原料，减少环境污染，创造经济效益，而后者的主要处理方法是进行酸法处理的方式。用这种方法进行处理主要是对用酸液浸洗预处理过的除尘灰而言，回收其中的铁，并且去除其中的杂志，在进行酸法处理时，我们要用到侵出剂，一般有盐酸，硫酸和硝酸等。火法处理相比于湿法处理就要简单的多，直接烧结除尘灰就是其处理的方法。

1.1.3首钢除尘灰特性分析及综合利用技术研究

首钢在秦皇岛设有的公司一共有13台不同种类的除尘设备进行炼钢及炼铁等的生产，每月基本产出各种除尘灰5千吨。炼钢及炼铁的时候产生了大量的除尘灰，其中的大部分没有经过处理回收利用，而是跟随着烧结料回到系统中，这样产生了十分不理的影响，不仅是对烧结生产的，也是对机器的严重破坏，比如除尘器。这样研究各种除尘灰的特性对其预处理和综合利用以及烧结稳定运行、烧结机头电除尘器的除尘效率有很大的意义。

实验部分

1.除尘灰的化学成分

在研究除尘灰的化学成分时候，要先对其进行取样，在去过各种样品后用特定的光谱仪进行对样品的分析，通过对其的分析得出有用的结论。

不同的生产工艺、不同类型的除尘器产生的除尘灰成分产生明显差异，首秦公司研究的除尘灰基本可以分为5种，在根据不同除尘灰的化学成分的不同，像有的除尘灰含碳量高些，就称其为高碳灰，在如含铁高的就叫高铁灰，还有含钙高的高钙灰和含碱度高的高碱金属灰，最后还有炉尘的OG泥。并且值得关注的是烧结机头电除尘器，其中分为多个电场，在这些之中的除尘灰TFe的含量不是很多，与此相反的是碱金属的含量确是非常的多的，这是要考虑的重要的方面。熔点和沸点低。在烧结过程中碱金属会造成板结，这是由于其在温度降低后经过几个装置并且在负压下造成的。所以对烧结机头电除尘器第2、第3电场的除尘灰需要重点研究。

2.烧结机头电除尘灰物相分析

采用X光粉晶衍射仪并且依据ASTM法对除尘灰进行物相分析。测试条件分别为电压35 kV，扫描速度4b/min，电流25 mA，接收狭缝0.3mm，当然还有发散狭缝1b和防散射狭缝1b，有了这些条件才能顺利进行分析。通过对物相分析得出的结果看出作为第1电场除尘灰的电除尘器以磁铁矿、赤铁矿为主，碱金属化合物类为次，少量水云母、高岭石及羟钙石也会有；以碱金属化合物类为主的第2、第3电场除尘灰并且含有少量磁铁矿、赤铁矿以及蒙脱石。这样烧结机头电除尘灰物相分析的结果与和化学成分的分析结果是相一致的。

除尘灰的分类

首秦公司研究的除尘灰基本可以分为5种，在根据不同除尘灰的化学成分的不同，像有的除尘灰含碳量高些，就称其为高碳灰，在如含铁高的就叫高铁灰，还有高钙灰和高碱金属灰，还有炉尘的OG泥。高铁灰包括了炼铁联合料仓除尘灰，在炼铁前还有一部分炉前除尘灰、在烧结的时候车放料时期及烧结机器的除尘灰和其头部的电除尘器1电场灰等。炼铁联合料仓、炼铁炉前除尘等处产生的粉尘铁含量高而且TFe质量分数一般在49%以上，矿物成分主要是磁铁矿和赤铁矿而有害元素含量少；烧结汽车卸料间及烧结机尾电除尘器的粉尘含铁量高，有害元素含量较低。高碳灰周瑶有炼铁重力除尘灰，含铁中等，TFe质量分数在35%左右，铁矿物以磁铁矿和赤铁矿为主，含碳量较高，可以到达30%以上，主要以焦炭粉末及不定型碳形式存在；炼铁干法除尘灰含铁量较低(20%~30%)，铁矿物以磁铁矿和赤铁矿为主，不但含有较高的碳(25%左右)，这些碳主要以焦炭粉末及不定型碳形式存在,而且含有较高的有害元素。高钙灰主要有炼钢、散料间、套筒窑及烧结联合料仓除尘灰等。炼钢2次除尘灰的铁质量分数在20%~25%之间，其他成分是CaO及MgO；铁矿物以磁铁矿和赤铁矿为主，其次是方解石、白云石及粘土。炼钢散料间及套筒窑除尘灰具有较低的含铁量，CaO及MgO是其主要的成分，矿物成分是石灰、方解石、白云石及Ca(OH)2等。烧结配料间除尘灰的TFe质量分数为25%左右，CaO质量分数在30%左右。分析完上述碳铁钙的除尘灰后接下来就是高碱金属灰，这种除尘灰主要来自第二和三的电场灰，其TFe在20%左右，含有部分碱金属。OG泥：OG泥TFe在50%左右，CaO 20%左右。上述就是这五种除尘灰的形式，而对于铁来说也有其自己的存在形式，比如我们在日常中经常看见的金属铁，有磁铁矿，还有其他形式的浮氏体等等，对于钙来说主要是对CaO而言，Ca(OH)2、方解石、白云石等都是它的主要存在形式[5]。

结论

(1)首秦公司各种类型的除尘器在炼钢等生产中产生了较大差异的除尘灰并且一些没有区分开的除尘灰的其中的大部分没有经过处理回收利用，而是跟随着烧结料回到系统中，这样产生了十分不理的影响，不仅是对烧结生产的，也是对机器的严重破坏，比如除尘器。

(2) 不同的生产工艺、不同类型的除尘器产生的除尘灰成分产生明显差异，首秦公司研究的基本可以分为5种，在根据其化学成分的不同，像有的含碳量高些，就称其为高碳灰，在如含铁高的就叫高铁灰，还有含钙高的高钙灰和含碱度高的高碱金属灰，最后还有炉尘的OG泥。

(3)首秦公司科学分类的各种除尘灰提供了各种除尘灰的预处理和综合利用技术的依据。

1.文献综述

1.1.4鞍钢除尘灰的现状

炼钢活性石灰输送过程中产生富含CaO的除尘灰，现场称散料灰，对鞍钢一炼钢厂、二炼钢厂和三钢轧厂的散料灰取样并进行成分分析，结果如表1所示，由表1.1可知散料灰中CaO的含量基本达到40%以上，鞍钢炼钢散料石灰成分见表1.1。

表1.1 鞍钢炼钢散料灰成分（wt%）

材质CaO MgO SiO2 Al2O3 C Na S K P

一炼钢45.84 14.68 9.91 2.75 3.24 0.075 0.12 0.41 0.0044

二炼钢40.39 18.36 7.22 2.60 4.74 0.10 0.18 0.34 0.0046

三炼钢39.56 9.80 8.79 2.55 7.22 0.14 0.18 0.33 0.0040

据调查，鞍钢一炼钢散料灰产量为15~20吨/天，三钢轧的散料灰产量也约为15~20吨/天，二炼钢的量略小，约为10~15吨/天。以前，这些散料灰和其他废弃物一起捆绑招标外卖，现在因为招标体制的改革，炼钢散料灰限入了没人要的尴尬境地，且垃圾填埋厂不接收，无法处理的散料灰只能在现场堆积或随意抛弃并造成固废环境污染。另外，工人在收集运送这些石灰时，皮肤还常被烧伤，颇有怨言。表1.2列出了鞍钢各钢厂散料灰的产量。

表1.2 鞍钢炼钢散料灰产量

厂别一炼钢二炼钢三钢轧合计

产量（吨/年）6500 6000 6500 19000

石灰石和生石灰是钢铁冶金的一个重要生产原料，如鞍钢烧结用的石灰石的CaO含量为45.4%、烧损为42.9%，生石灰CaO含量为71.2%可见用炼钢散料灰代替部分烧结用石灰石和生石灰不仅可以节省溶剂消耗，降低烧结矿的生产成本，减少CO2的排放。

鞍钢烧结用的石灰，主要由外购的土窑石灰和部分自产石灰构成。鞍钢烧结矿配入7%的生灰石，设鞍钢年产烧结矿1700万吨，则年需119万吨生灰石。而炼钢散料灰产量大约为1.9万吨/年，所以炼钢散料灰足以被烧结配矿消耗掉。在300~400元/t 之间（土烧石灰成本大约在80~ 150 元/t 之间）是国内钢铁企业的活性石灰成本，以每吨烧结配料石灰单价为100元计，每年可节省石灰成本190万元。另外，鞍钢烧结矿配入11%的石灰石，也可以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。

1.1.5国内除尘灰应用现状

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[6]。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。

以转炉或电炉除尘灰为原料时，由于其中含碳量较高，所以要先除去碳(除碳可采取煅烧或磁分选法)，然后再用酸浸；以平炉烟尘为原料时，由于平炉烟尘的氧化铁含量约为90％，铁含量高，不用先除碳，可直接用酸浸除去杂质。武汉钢铁公司在这一方面进行了深入的研究，开发了生产红铁的方法：先将物美价廉、粒度细、含γ一Fe2O3晶型高的炼钢电除尘灰酸煮或在400~500℃的条件下进行活化焙烧和酸淬，然后清洗、干燥，再在700～800 cc高温下煅烧40～80min，使γ一Fe2O3转为α一Fe2O3，经研细即得到铁红产品。老式的工艺工序繁琐、生产的周期长并且成本十分昂贵，而这种新的工艺恰好能解决了这些问题[7]。

除尘灰是EAF的炼钢副产品，我们将其拉回废钢配料间后，用电磁盘对除尘灰进行磁选以后，将磁选的除尘灰吸起后加入料篮内，随废钢一起加入炉内，由于除尘灰颗粒小，电炉供氧强度大等原因，除尘灰入炉后，电炉烟气发生量明

1.文献综述

显增加，而且电耗上升，金属收得率并未增加，所以经过实践结果是：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[8]。此外由于电炉除尘灰含有Zn，用于高炉炼铁会影响料柱的透气性，从而影响高炉炉缸内部的温度分布，负面影响较多，所以将电炉除尘灰添加焦油和部分含碳的材料作为黏结剂，成为电炉的泡沫渣的改质剂，据技术交流介绍，宝钢150t电炉使用后的效果比较明显。

1.1.6国外除尘灰利用现状

不仅我国重视除尘灰的回收利用，国外也是如此。国外对除尘灰的利用主要是制成活性炭来对水和空气进行净化，或者回收金属中的炭作成生活当中的一些用品比如油漆和墨水等。活性炭因为具备强大的吸附能力和比表面积，人们把它作为一种重要的吸附物质。吸附性是除尘灰作为活性炭的最大的好处，当然这不是它的唯一，他还有催化的性能，并且不是在单一的温度下使用，也可以在酸、碱或者中性下来进行使用，当活性炭使用过之后，过一段时间后其性质又可以恢复进行再一次使用即为再生的优点，除此外还有多种优点[9]。活性炭的应用在各个领域中还具有十分广泛的应用，比如冶金工程、化工和制药等。颗粒活性炭是一种成型活性炭，与粉末活性炭不同，颗粒活性炭的密度较高，有一定的强度，更便于运输和使用，特别是在水和空气净化方面有较广泛的应用，吸附后的颗粒活性炭易于进行脱附的再生处理。

1.除尘灰造球

奥地利的林茨奥钢联钢厂在这一领域有很深的研究，通过冷却器冷却炉中出来的含尘废气并进行电除尘，在通过回转窑这个装置，在其中把冷却器出来的出粉尘和用电设备出来的低细粉尘加热，加热后把他们压制成块状在一条连续生产线中，最后回到炉中进行在利用。

从电除尘出来的富含锌的粉尘并没有在加热压制的生产线中，而是被送到了造球系统中去[10]。电除尘出来的富含锌的粉尘和生石灰的含量很高，如果达到了一定的温度就会容易产生火花发生反应，为了避免这种情况发生，这个系统就会采用氮气进行保护铁不发生化学反应。混合机还有一个用途是作为蒸汽冷却器来消除其他热源和熟石灰的反应焓。由于间歇式生产的混合机和连续生产的造球机两种不同方式的机器，圆盘给料机作为反应器安装在前者和后者之间来作为它们生产之间的缓冲装置，不仅如此，圆盘给料机还能提供足够的时间来让熟石灰进行反应达到完全。由于CaO熟化、消耗反应都需要大量的水来进行，对于加热后粉尘也需要水进行冷却降温，并且混合机在工作的时候要放出大量的热能对机器造成损害，还有用粉尘进行造球的时候也要用到水对它们进行加湿工作，即使粉尘不易溶于水，通过工艺控制系统检测各个数据来算出加水量。在完全封闭的系统内整个工艺中的水都是在净化器中来净化的，净化后这些在工艺中受到污

染的水再一次被有效的利用起来，这样这些废水不会被排除而是送入上面的步骤在次使用，并且由于水的蒸发含有含尘蒸汽，这些蒸汽在回收利用的机器中大量产生，比如混合机等等装置。

通过混合机上的自动清除装置可以有效的处理那些由于加湿后非常粘的含有石灰的粉尘，带式干燥机对造球机生产出的湿球进行干燥这样对之后储存十分有利，这样造好的球不仅具有较高的机械强度，还能在不是很干燥的条件下保持良好的稳定性不至于发生变化。根据上面介绍的性质我们可以在不同的两个地方对其进行时间较长的传运。

2. primus 工艺

primus 工艺是2003年开始进行应用的，于是之后建立了第一座工业化生产线，而且多膛炉和电炉是这种国外工艺的主要应用的设备，同时由于生产过程中要排放大量的废气，为了能把它们的排放减小到最小，还专门安装了一种装置来对其进行有效的检测，这样也是对环境的一种很好的保护[11]。

primus 工艺是一种新式的生态环保工艺，这种工艺也可看作微型高炉，来生产铁水和海绵铁。这种工艺对煤的要求不是很高，并且低级煤还非常的适合这种工艺来进行生产，它的主要应用技术是采用多膛炉技术，在这种技术中不用通过间接的反应等，而是直接还原的方式，十分方便的达到目的。在该工厂应用这种工艺后，开始对卢森堡钢铁公司生产当中产生的几乎绝大部分的废弃物收购，并设计方案来对它们进行有效利用[12]。

在混合机中，一共要进行许多道工序，首先是对原料进行混合、称重和处理，之后由于先前的工序中使之缺少水，根据需要来进行水的补充，进行这些工序之后，下面就是要开始进行造球，在经过长时间的造球后对其进行烘干。

废弃物在100℃左右被烘干，之后在更高的温度下400℃进行涂油，被还原则是要在1200℃，整个过程都是在炉内进行的，而在料床上则有不同，占主导是还原气氛，气流是氧化性的，这样会让锌被再次氧化在气流中，之后在废气清洁器中被分离出来，称之为primus氧化。

1.2烧结生产概况

1.2.1烧结的定义

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[13]。

1.文献综述

1.2.2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[15]。

1.2.3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3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[16]。

图1.1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[17]。

（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

1.文献综述

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[18]。

（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[19]，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[20]。

（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。

1.3烧结矿固结机理

1.3.1烧结过程中的固相反应

在没有生成液相的低温条件下（480～680℃) ，烧结料在固态下进行反应并且生成了新的化合物的过程叫作颗粒之间的固相反应（图1.2），在这些烧结料当中，不同的颗粒都能相互碰撞，每个粒子的晶格上的离子都在发生不同程度的位移和偏移，这种进行的离子扩散是烧结固态反应的机理，当温度升高并且加剧振动的频率和幅度时候，质点四周对它的能量被温度升高获得的活化能的能量淹没的时候，质子便打破了原先的平衡进行位移（扩散），而这种位移的进行不仅可以先通过自身表面逐渐扩散到相邻的晶体的晶格内发生化学反应，还可以在自身的晶格内扩散发生化学反应[21]，在紧挨着的两个粒子的表面之间，由于它们具有的离子是正负相反的，根据化学反应的机理过程，它们慢慢的形成了另一种新的化合物，在所有的粒子逐渐连接成一个整体。

下是固相反应温度的表格。

1.文献综述

表1.3 发生固相反应温度

反应物固相反应产

物

开始反应温

度/℃

反应物

固相反应产

物

开始反应温

度/℃

SiO2+Fe2O3Fe2O3在SiO2

中的固溶体

575 MgO+Fe2O3含镁富氏体700

SiO2+2CaO CaO·SiO2500,610,690 FeO+Al2O3FeO·Al2O31100 2MgO+SiO22MgO·SiO2680 CaO+MgCO3CaCO3+MgO 525

MgO+Fe2O3MgO·Fe2O3600

CaO+MgSiO

3CaSiO3+Mg

O

560

CaO+Fe2O3CaO·Fe2O3500,600,610,

650

CaO+MnSiO

3

CaSiO3+Mn

O

565

CaCO3+Fe2O 3CaO·Fe2O3590

CaO+Al2O3·

SiO2

CaSiO3+Al2

O3

530

MgO+Al2O3MgO·Al2O3920,1000 Fe3O4+SiO22FeO·SiO2990

在将石灰添加到铁矿粉烧结料之后进行加热，这个过程发生了固相化学反应，这是由于这些矿物颗粒之间发生了相互接触，这些颗粒的成分是多种的，比如CaO、SiO2、Fe3O4等几种物质，固相反应不能得到充分的发展是由于其在温度较低的固体颗粒状态下进行[22]，但是只是局限在颗粒和颗粒之间的接触面上发生位移扩散，并且这种位移的反应速度都是非常的缓慢，虽然如此，但是它生成的低熔点化合物却为液相的烧结打下了重要的基础。

图1.2为烧结料各组成间的固相反应示意图

1.3.2烧结过程中的液相生成

烧结矿烧结过程中首先经过固相反应，之后生成液相，在液相当中，其自身性能和数目以及成分等在十分大的程度上对烧结矿的强度和还原性产生了重大的决定，所以这是烧结矿固结成型的基础，首先的物料进行加热，当到达了所需要的一定的温度时候，发生了固相反应[23]，并随着反应的进行形成了一定的新的化合物，并且原料各组分、新的化合物和前后两者之间都存在着较低的共熔点，在这个较低的共熔点温度之下，固相逐渐发生改变，生成了液相，之后进行熔融，熔融之后进行冷却，并且在其当中，随着这些液体逐渐的在低温度下发生凝固，那些还没有熔化的或者是已经溶入的粒子被粘固在一起了，未熔的矿粒冷凝后都具有一定的强度，是由于液相湿润了它们的表面，而这些矿粒的表面被这种产生的强度的力给紧凑到一起，液相的生成也会加强烧结矿的这两个性质，这是因为液相形成并生成了原料里没有的新生的矿物，铁酸钙在高碱度的烧结矿中占的铁的成分非常的高，一般较高的时候都能达到一半以上，所以它是主要的粘结相，硅酸钙体系一般在烧结条件下产生的液相不是太多，因为它的熔点在1450℃以上，外加一定的CaO，硅灰石(CaO?SiO2)、硅钙石(3CaO?SiO2)、硅酸二钙(2CaO ?SiO2)都是它与SiO2产生的，铁酸钙是一种含钙铁酸盐，有铁酸半钙CaO?2Fe2O3（CF2表示)和铁酸一钙CaO?Fe2O3（CF表示)这两种盐，除此之外还有钙铝硅铁

1.文献综述

酸盐(SFCA表示)和铁酸二钙2CaO?Fe2O3（C2F表示)这两种物质都是这种铁酸盐[24]。

通过烧结的理论和生产实践的证明，铁酸钙不仅是烧结矿中的粘结相还是十分重要的铁矿物，将晶格之间等都紧密的连接在了一起，使其熔点低，表面拉紧，烧结矿具有了一定的强度和还原性，这些对烧结矿的质量的提高十分重要，而铁酸钙中的复合铁酸钙（SFCA）则是烧结粘结相中最为优秀的，如果还希望进一步提高烧结矿的强度和还原性，还可以加入较多的这种铁酸盐SFCA，这样也能来提高烧结矿的质量和性能[25]。

1.3.3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。

1.4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、玻璃等等[27]。

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（图1.3）、斑状结构（图1.4）、骸状结构（图1.5）、单点状的共晶结构（图1.6）以及粒状结构（图1.7）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[28]，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-Ca x?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。

图1.3 熔蚀结构图1.4 斑状结构

1.文献综述

图1.5 骸状结构图1.6 共晶结构

图1.7 粒状结构

（图中亮白色一赤铁矿,白色一磁铁矿,灰色一铁酸钙,灰黑色一硅酸二钙和玻璃质,黑色一孔

洞或裂纹）

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[29]，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[30]。

1.5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，不影响鞍钢烧结矿质量。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。

2.实验研究内容

2.实验研究内容

2.1烧结生产所用的熔剂、燃料及其作用

2.1.1熔剂

熔剂的作用

在高炉冶炼过程中往往要加入熔剂来对我们烧结产生诸多好处，烧结过程中如果不添加熔剂烧结的强度、生产质量以及生产品质都会不太理想，如果加入了熔剂这些问题就可以得到合理的解决，并且作为冶炼过程的造渣物质，还可以对整个的烧结过程进行有效的改进，并且可以在高炉中加入以往不能随意加入的高碱度和自熔性的烧结矿，熔剂还可以取出有害杂质的功能，形成适量的炉渣，并具有合适的物理化学性能，不如取出其中的硫[31]。

熔剂的种类

熔剂的种类可以按照它的性质进行划分，中性熔剂，碱性熔剂，这里是含有氧化镁和氧化钙含量高的矿物，像我们在工业中经常见到的生石灰和石灰石等等，最后就是酸性熔剂。

碳酸钙（CaCO3）是石灰石含量最多的部分，比较纯的石灰石中的CaO含量大约占百分之五十六，而二氧化碳则占了余下的百分之四十四，其下面又可以分成三种类别，按照不同的矿物结晶，石灰石、方解石和大理石，第一种是致密隐晶质的，颜色呈现青灰色，第二种的形状则是菱形的，颜色呈现为白色粒状，最后一种拥有了致密的结构并且结晶十分良好。

白云石和石灰石不同颜色呈现多种多样，但通常情况下是灰白色的粒状晶体，但是有的时候则有所不同，褐色或者绿色等都有，碳酸镁钙（CaMg(CO3)2）是它的含量最多的部分，并且从理论上来看二氧化碳大约占百分之四十八，氧化钙则是百分之三十，而二氧化镁占了百分之二。菱镁石分子式MgCO3，纯菱镁石理论含MgO47.6%，CaO65%左右，含水15%～20%。

对熔剂性的品质要求

在生产方面熔剂也是要有要求的，碱性熔剂要求要严格遵守，不仅要求含有磷和硫这些有害杂质的含量以及酸性氧化物要非常小，而且无效的无用的成分要相对的少之又少，并且有适宜的粒度和水分[32]。

1.烧结矿的碱度是评价熔剂品质的重要的标准，这就意味着有效的熔剂性要求要高，减少无效的无用的，也就是氧化钙和氧化镁的含量要求高，而二氧化硅

这样酸性氧化物要求要含量较低，就是扣除和酸性氧化物中和的碱性氧化物，剩下的那一部分就是评价的标准。

2.如果有害杂质含量太高的话也会对熔剂的品质造成相当大的影响，所以像硫和磷这些有害杂质的含量要十分的少，最好控制在含磷的量大约在百分之零点零一到零点零三之间，而含硫的量则是在百分之零点零一到零点零八之间。

3.根据如何让化学反应更快进行的方面说，我们研究的熔剂的粒度越粗越不好，当然也这也要有个适当的度量，这样后反应速度就能更快的进行，不至于残留没有参加反应的氧化钙，而且生成均匀程度很大的化合物，更加有助于跟好的烧结强度，同时注意熔剂也不要太过细，这样就能合理的支付生产成本，通透透气性，所以熔剂的粒度最好控制在两毫米左右最好，除了大部分要含有水外，生石灰是个特例，尽量不含有水为好。

2.1.2燃料

除了熔剂之外，燃料也在烧结生产中起着相当重要的影响和有利的结果，主要体现在燃料燃烧的时候放出的大量的热和其对料的反应，而产生的影响则是对烧结矿的生产质量和产品质量，通常情况下我们将燃料分为两种，点火燃料和烧结燃料，对于前者主要将它分为地球上三种状态的燃料，常常采用混合气体的煤气，焦炉（15%）和高炉（85%），但是实际生产中很多的工厂并没有按照这种混合气体点火，而是抛弃了焦炉煤气，只是采用的高炉煤气一种进行点火，后者与前者不同的是只是固体燃料，并且这些固体燃料是无烟煤粉和碎焦粉，对其要达到要求[33]，通常情况下，挥发分，灰分和硫要有比较低的含量，但是碳却要求较高的含量。

各种燃料简介

1. 固体燃料

煤具有极其复杂的成分并含有多种元素，如O、N、S、C、H，固体燃料主要是有无烟煤和碎焦煤两种，前者是相当好的烧结燃料，在所有的煤中，比其他任何一种煤的挥发分都要少，比其他任何一种煤的固定碳都要高，在生产当中对无烟煤也作了细致的要求，挥发分不大于百分之十，如果过高的话对烧结产生影响并且使抽风系统挂泥结垢，除了挥发分外，灰分要不大于百分之十五，硫的含量要在百分之二点五一下，其粒度也作了严格的要求，发热量规定要不小于25116kJ/kg，对于后者碎焦煤而言，焦炭进一步选出来的焦炭粉末，它的要求也相当严格的，发热值在33488kJ/kg，固定碳要求高，硫的含量和低挥发分少是它的一大优势所在，并且硬度也是比无烟煤大，所以对其进行破碎还是相对于无烟煤来说比较困难的[34]。

2. 液体燃料

2.实验研究内容

液体燃料与固体燃料相比有发热量高，燃烧彻底，运输方便等优点。

石油是被广泛利用的天然的液体燃料，它通常会被加工后才被加以利用，石油是由一些基本元素组成。而重油是被烧结厂利用。

重油具有很高的发热值，它是石油加工过程中的产物，在相同体积条件下，重油比其他液体燃料重，并且是深色的粘性大液体。点火时常常使用重油。重油的黏性大会产生许多不良影响，像喷油速度慢，使工作效率低下，同时还会对喷油设备的寿命产生不良的影响[35]。

3. 气体燃料

除了上述两种燃料之外还有气体燃料这种，气体燃料在工业中也是十分的常见，而它的成分主要为CO2、H2、N2、CH4、CO等这些气体。其中一部分是可燃性气体，一部分是不可燃性气体。而可燃性气体燃料是由天然气和人造煤气这两种气体组成的：

（1）天然气

天然气发热值较高的可燃性气体，它的成分中甲烷占据绝大部分比例，从地下开发出来因其具有很高的发热值而能够进行较远距离运输[36]。

（2）高炉煤气

高炉煤气是炼铁时产生可燃性气体，主要成分是CO气体，其中还有少量的H2、CH4。其会在炼铁过程中生成量较多，虽然高炉煤气有很高的热值，但利用起来一定要注意，因为高炉煤气具有一定的毒性。因此，高炉煤气一定要经过处理好后才能够被有效利用。

（3）焦炉煤气

焦炉煤气是一种副产品，它是在炼焦过程中生成的，并且可以燃烧，它具有很高的热值而被广泛的应用[37]，H2、CH4等具有燃烧性质的气体为其主要的组成部分，与高炉煤气相同，要经过处理后才能够被利用。就目前来说，与其他回收的煤气相比较起来的话，这种煤气的利用率还是比较高的，在日常生活中也更为常见。

（4）混合煤气

混合煤气相比于其他几类煤气来说它是由两个部分组成的，其中的一部分是高炉煤气，还有就是上面提到的焦炉煤气，根据这两种煤气在一起不同比重所进行配比，也会产生不同的发热值。

2.2研究内容

根据炼钢散料除尘灰成分、粒度组成，结合鞍钢烧结配料实际方案，提出将散料灰用于烧结配料的技术方案。

1. 进行散料除尘灰化学成分分析、粒度分析，掌握散料除尘灰的物理化学