电炉粉尘循环利用造泡沫渣

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2001.01.031 第23卷第1期 北京科技大学学报 VoL23 No.1 2001年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2001 电炉粉尘循环利用造泡沫渣 王敏 陈伟庆 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要在实验室中研究了电炉粉尘和煤粉加人量及温度对泡沫渣高度的影响.结果表明， 在电炉渣中加人0-30%的电炉粉尘和3%~12%的煤粉（质量分数）时，随粉尘及煤粉加人量的增 加以及温度的提高，泡沫渣的最大发泡高度增加；在加人电炉粉尘造泡沫渣过程中，随温度升 高，渣中ZnO的还原挥发速度加快，反应6min,Zn的挥发率大于97%.在本实验条件下，反应3 min,渣中Pb小于0.02%，温度对Pb0的还原挥发速度无明显影响. 关键词电炉粉尘；循环利用；泡沫渣 分类号TF741.322 电炉粉尘含有锌铅，不能配入烧结矿进高 1.2实验步骤 炉炼铁，如露天堆放对环境造成严重污染，必须 首先将炉温升到预定温度，先将100g电炉 加以处理.目前国外一些厂家在电炉冶炼过程 渣（基础渣）从顶部加入刚玉坩埚，待炉渣完全 中将电炉粉尘喷入炉内循环利用，以富集回收 熔化并且温度达到预定值后，再将测量泡沫渣 锌铅-)，但对此过程中的泡沫渣现象未做细致 高度的刚玉棒(5mm)插入渣中.然后将预先按 的研究.本项工作在实验室中对电炉粉尘造泡 不同比例混合好的电炉粉尘和无烟煤粉用纸包 沫渣进行了研究，同时研究了粉尘中锌铅的挥 加人熔渣中，立即用纯铁棒将加入的材料与炉 发情况 渣搅匀，并将此作为开始时间.每隔一定时间将 刚玉棒取出测量泡沫渣的高度，并用纯铁棒粘 1 实验方法 取渣样分析渣中的Zn,Pb. 1.1实验装置和原料 实验在碳管炉内进行，炉内通氮气保护， 2实验结果 用φ50mm×110mm刚玉坩埚.实验用电炉渣和 21炉渣最大发泡高度的影响因素 粉尘取自天津钢管公司，其成分如表1所示.实 在实验中观察到，将粉尘和煤粉加入电炉 验采用的无烟煤粉化学成分和粒度见表2. 渣后，泡沫渣高度逐渐增加，达到最大值后又逐 表1电炉渣和粉尘中组分的质量分数 渐降低.因此，将泡沫渣最大高度作为考察炉渣 Table 1 Composition of EAF slag and dust 发泡的1个指标. 种类 Cao SiO,TFe FeO Mgo AlO, (1)粉尘加入量的影响.在1530℃，煤粉加 电炉渣41.0126.0711.0711.217.62 7.14 入量为基础渣量的12%(12g)的条件下，粉尘加 电炉粉尘10.39 7.2641.12 3.98 入量分别为基础渣量的0,10%，20%，30%（质量 种类MnOP,O, Zn Pb C 分数)时的泡沫渣最大高度如图1所示，可看出， 电炉渣2.66 1.11 随粉尘加入量增加，泡沫渣最大高度增加 电炉粉尘 6.00 1.711.97 (2)煤粉配入比的影响.在1530℃下，固定 粉尘加入量为基础渣量的20%(20g),煤粉加入 表2无烟煤化学成分和粒度 Table 2 Composition and size of anthracite 量分别为基础渣量的3%，6%，12%（质量分数） W集/% w东% 时的泡沫渣最大高度如图2所示，可看出，当粉 d/mm CTFe灰分挥发分SiO2Al,O,FeO 尘加入量一定，随粉尘中煤粉配入量增加，泡沫 72.271.517.669.545.1015.060.880.8-1.0 渣的最大高度相应增加 (3)温度的影响.粉尘和煤粉加人量分别为 收稿日期：2000-06-19王敏女，30岁，硕士

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 、 。 电炉粉尘循环利用造泡沫渣 王 敏 陈伟庆 北京科技大学冶金学院 ，北京 摘 要 在实验室 中研究 了 电炉粉尘和煤粉加人量及温度对泡沫渣高度 的影 响 结果表明 ， 在 电炉渣 中加入 一 的 电炉粉尘和 的煤粉 质量分数 时 ， 随粉尘及煤粉加人量的增 加 以及温度 的提高 ， 泡沫渣 的最大发泡高度增加 在加人 电炉粉尘造泡沫渣过程 中 ， 随温度升 高 ， 渣 中 的还原挥发速度加快 ， 反应 ， 的挥发率大于 在本实验条件下 ， 反应 ， 渣 中 小于 ， 温度对 的还原挥发速度无 明显影 响 关键词 电炉粉尘 循环利用 泡沫渣 分类号 开 · 电炉 粉尘含有锌铅 ， 不 能配入烧结矿进高 炉炼铁 ， 如露天堆放对环境造成严重污染 ， 必须 加 以处理 目前 国外一些厂 家在 电炉 冶炼过程 中将 电炉 粉尘喷入炉 内循环利用 ， 以 富集 回 收 锌铅 〔 一 ， 但对此过程 中的泡沫渣 现象未做细 致 的研究 本项工作在实验室 中对 电炉 粉尘造泡 沫渣进行 了研究 ， 同时研究 了粉尘 中锌铅 的挥 发情况 实验方法 实验装里和原料 实验在碳管炉 内进 行 ， 炉 内通氮气保护 ， 用 中 ‘ 刚玉 柑祸 实验用 电炉 渣 和 粉尘取 自天津钢管公司 ， 其成分如表 所示 实 验采用 的无烟煤粉化学成分和 粒度见表 实验步骤 首先将炉温升到预定温度 ， 先将 电炉 渣 基础 渣 从顶部加人刚玉 钳祸 ， 待炉 渣完全 熔化并且温度达到预定值后 ， 再将测量泡沫渣 高度 的刚玉棒 杯 插入渣 中 然后将预先按 不 同比例混合好的 电炉粉尘和无烟煤粉用 纸包 加人熔渣 中 ， 立 即用 纯铁棒将加人 的材料与炉 渣搅匀 ， 并将此作为开始时间 每隔一定时间将 刚玉 棒取 出测 量泡沫渣 的高度 ， 并用 纯铁棒粘 取渣样分析渣 中的 ， 表 电炉 渣和 粉尘 中组分的质 分数 种类 电炉渣 电炉粉尘 种类 电炉渣 “ 电炉粉尘 一 ， 一 表 无 烟煤化 学成分和 粒度 介 挂 翻 从 灰分 挥发分 灰 肠， 实验结果 炉渣最大发泡高度的影响因素 在实验 中观察到 ， 将粉尘 和煤粉加人 电炉 渣后 ， 泡沫渣高度逐渐增加 ， 达到最大值后又逐 渐降低 因此 ， 将泡沫渣最大高度作为考察炉渣 发泡 的 个指标 粉尘加人量 的影 响 在 ℃ ， 煤粉加 入量为基础渣量 的 的条件下 ， 粉尘加 人量分别为基础渣量 的 ， ， ， 质量 分数 时的泡沫渣最大高度如 图 所示 ， 可看出 ， 随粉尘加人量增 加 ， 泡沫渣最大高度增加 煤粉配人 比 的影 响 在 ℃ 下 ， 固定 粉尘加人量为基础 渣量 的 ， 煤粉加人 量分别为基础渣量 的 ， ， 质量分数 时 的泡沫渣最大高度如 图 所示 ， 可看 出 ， 当粉 尘加人量一定 ， 随粉尘 中煤粉配入量增加 ， 泡沫 渣 的最大高度相应增加 温度 的影 响 粉尘 和 煤粉加人量分别为 收稿 日期 王敏 女 ， 岁 ， 硕士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．01．031

·16· 北京科技大学学报 2001年第1期 90 % 100 70 60 人 80 % 60L 40 152015401560 15801600 0 10 20 30 t/℃ w全% 图3温度对最大泡沫渣高度的影响 图1泡沫渣最大高度与粉尘配入比的关系 Fig.3 Maximum slag foaming height vs.temperature Fig.1 Maximum slag foaming height vs.EAF dust amount 1.0℉ added a1470℃ 0.8 60 ·1500℃ 0.6 口1530℃ 55 0.4 0.2 50 0 1 2 3 456 45 r/min 3 6 12 图4不同温度下渣中Z加含量随时间的变化 wa/% Fig.4 Zn change in slag under various temperature 图2泡沫渣最大高度与煤粉配入比的关系 100 Fig.2 Maximum slag foaming height vs.coal amount add- 80 w 60 基础渣量的20%和12%（质量分数）时，温度对 40 泡沫渣最大高度的影响如图3.由图可知，在1 口1530℃ o1500℃ 530~1600℃范围内，随温度增加，泡沫渣最大高 20 “1470℃ 度相应增加. 2.2粉尘中锌铅的挥发情况 0 23456 (1)温度对ZnO还原挥发的影响.粉尘和煤 /min 图5温度对Z0还原率)的影响 粉加入量分别为基础渣量的20%和12%（质量 Fig.5 Effect of temperature on redution rate of ZnO 分数)时，不同温度下渣中Z含量随时间的变 0.3 化如图4所示.氧化锌还原挥发率与时间的关 系如图5.由两图可以看到，随温度增加，渣中 0.2 ZnO的还原挥发速度加快，在反应6min时，渣 口1530℃ 中Zn含量在不同温度下均小于0.1%，在1530℃ o1500℃ 时仅为0.028%，挥发率达到97%.说明在电炉 △1470℃ 粉尘造泡沫渣的过程中，粉尘中绝大部分Z能 0 <之8 够很快挥发并富集到2次粉尘中， 0 2 4 6 (2)Pb0的还原挥发.粉尘和煤粉加人量分 r/min 别为基础渣量的20%和12%（质量分数）时，不 图6不同温度下渣中Pb含量随时间的变化 同温度下渣中Pb含量随时间的变化如图6所 Fig.6 Pb change in slag under various temperature 示，从图中可看出，渣中PbO的还原挥发速度非 3 实验结果的分析与讨论 常快，当反应时间为3min时，所有炉次的Pb挥 发率都在90%以上，渣中P%含量均小于0.02%. 31加入电炉粉尘时炉渣发泡行为的分析 由于渣中初始Pb含量较低(0.3%)，在本实验条 由发泡指数的定义∑=H/V(炉渣发泡高度/ 件下，温度对Pb的挥发速度无明显影响. 吹人气体的速度)可知，泡沫渣的发泡高度取

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 去曰己二 一 一 叫 － 一 一 一 一 一一一 习 尘 图 泡沫渣最 大商度与粉尘 配入 比 的关 系 吨 日 ℃ 图 温度对最大 泡 沫渣 高度 的影 响 恤 甲一一一一一－ － 一一一一一一 一一一一一门 户丫 。 ℃ ℃ ℃ 呼 淤占 丁 焦 图 泡沫渣 最大 高度与 煤粉配入 比的关 系 时月 基础 渣量 的 和 质量分数 时 ， 温度对 泡沫渣最大高度 的影 响如 图 由图可知 ， 在 一 ℃ 范 围 内 ， 随温度增 加 ，泡沫渣最大高 度 相应增加 粉尘 中锌铅的挥发情况 温度对 还原挥发 的影 响 粉尘 和 煤 粉加人量分别为基础 渣量 的 加 和 质量 分数 时 ， 不 同温度下渣 中 含量 随时间 的变 化如 图 所示 氧化锌还原挥发率与时 间 的关 系如 图 由两 图可 以看 到 ， 随温度增加 ， 渣 中 的还原挥发速度加快 ， 在反应 时 ， 渣 中 含量在不 同温度下均小于 ， 在 ℃ 时仅为 ， 挥发率达到 说 明在 电炉 粉尘造泡沫渣 的过程 中 ， 粉尘 中绝大部分 能 够很快挥发并富集到 次粉尘 中 的还原挥发 粉尘和煤粉加入量分 别为基础 渣量 的 和 质量 分数 时 ， 不 同温度下渣 中 含量 随时间的变化如 图 所 示 从 图 中可 看 出 ， 渣 中 的还原挥发速度非 常快 ， 当反应 时间 为 时 ， 所有炉 次 的 挥 发率都在 以上 ， 渣 中 含量均小于 由于 渣 中初始 含量较低 ， 在本实验条 件下 ， 温度对 的挥发速度无 明显影 响 图 不 同温度 下 渣 中 含 随 时 间的变化 ℃ ℃ 西 ℃ 了 ︶ ︸求‘ 净 图 温度对 还原 率 的影 响 月免 二，一 － 一－ 一 － 门 ℃ ℃ △ ℃ ‘ 二二乏二二护吧匀二 二尧 ， 、岁奔之 公 图 不 同温度 下渣 中 含 随 时 间的变化 邵 实验结果的分析与讨论 加入电炉粉尘 时炉渣发泡行为 的分析 由发泡指数的定义刃二 袱炉 渣 发泡高度 吹人气体 的速度 可 知 ‘ ， 泡沫渣 的发泡高度取

Vol23 No.1 王敏等：电炉粉尘循环利用造泡沫渣 17 决于渣系的发泡指数以及发泡过程中吹人气体 少，反应产生的气体量相应减少，当气泡产生与 的速度.发泡指数Σ实际上是指气泡在渣中的 破灭的速度相等时，泡沫渣高度的增长量为零， 停留时间，这个参数主要与炉渣的物理性质有 即泡沫渣高度达到最大值.随后，气泡产生的速 关.若仅从熔渣的物理性质考虑，增加粉尘加入 度小于气泡破灭的速度，泡沫渣高度的变化为 量（即增加渣中FeO含量）以及提高温度都可降 负值，泡沫渣的高度逐渐减小.以上分析与实验 低炉渣粘度，因而使发泡指数降低，对炉渣发泡 中观察到的现象是一致的. 不利.但从实验的结果来看，随粉尘加人量和温 度的增加，泡沫渣高度明显增加，这是因为随渣 4结论 中FeO含量增加和温度提高，渣中固体碳还原 (1)在温度为1530~1600℃范围内，在炉渣 氧化铁的反应速度加快，导致气体生成速度增 中加入0~30%的电炉粉尘和加入3%~12%的煤 加，因而泡沫渣高度增大说明在渣中加入粉尘 粉时，随粉尘和煤粉加入量的增加以及温度的 和碳的条件下，炉渣发泡高度主要取决于反应 提高，泡沫渣的最大高度增加. 生成气体的速度，而气体生成的速度与碳还原 (2)在14701530℃范围内，将电炉粉尘加 渣中FeO的速度有关.根据相关的研究结果9， 人炉渣，随温度提高，ZO的还原挥发速度加 随电炉粉尘和煤粉加入量增加以及温度的提 快，反应6min,Zn的挥发率大于97%，渣中Zn 高，固体碳还原渣中FeO的速度明显加快，因而 含量小于0.1% 泡沫渣高度相应增加. (3)将电炉粉尘加人炉渣，Pb的挥发速度很 3.2关于泡沫渣最大高度 快，反应3min,渣中Pb含量小于0.02%，其挥发 根据文献[4]，泡沫渣高度的变化可表示为： 率大于90%.在本实验条件下，温度对PbO的 dhidt=k2:-kah (1) 还原挥发速度无明显影响， 式中，k为气泡形成的速度常数；k为气泡破灭 参考文献 的速度常数；h为泡沫渣高度；t为时间；Qg为气 1 Jan T,Jensen,Kurt Wolf.Reduction of EAF Dust Emis- 体吹人的体积流量， sions by Injecting it into the Furnace.MPT International, 由式()可知，泡沫渣高度的变化取决于气 1997(3):58 2 Donglas Thompson C,et al.Eight-ton Pilot Trials of EAF 体流量，并与气泡产生和破灭的速度有关.当固 Dust Injection.1987 Electric Furnace Proceedings,1987, 体碳与渣中FeO反应产生的气体为发泡气体 45:147 时，氧化铁还原速度越快，泡沫渣高度越高.对 3 Evans Larry G,Hogan John C.Recycling of EAF Dust 于同一炉次，在反应的初始阶段，气泡产生的速 by Direct Injection.1986 Electric Furnace Proceedings, 度大于气泡破灭的速度，因此气泡在渣中产生 1986,44:367 积累，泡沫渣体积逐渐增加，由于坩埚的截面一 4 Ito K,Fruehan R J.Study on the Foaming of Cao-SiO, FeO Slag.Metall.Trans,1989,20(B):509 定，泡沫渣体积的增加表现为泡沫渣高度的增 5王敏，陈伟庆.电炉粉尘造泡沫过程中FeO的还原与 加.随还原反应的进行，渣中FeO含量逐渐减 炉渣发泡行为.化工冶金，2000(4)：393 EAF Dust Recycling into the Furnace for Slag Foaming WANG Min,CHEN Weiqing Metallurgical School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The influence of EAF dust and coal amounts added into slag as well as temperature on the slag foaming height had been investigated in laboratory.The results show that the maximum slag foaming height increases,with the increase of EAF dust and coal amounts added as well as temperature.The reduction and evaporation rate of ZnO speeds up with the increase of temperature during slag foaming.The evaporation rate of ZnO is more than 97%in 6 min.Pb in slag is less than 0.02%in 3 min.Temperature seems to have no clear affect on the evaporation rate of Pb in slag. KEY WORDS EAF dust;recycling;foamy slag

匕 一 王 敏 等 电炉粉尘循环 利用 造泡沫渣 决于渣系的发泡指数 以及发泡过程 中吹入气体 的速度 发泡指数 刃 实 际上是指气泡在渣 中的 停 留时间 ， 这个参数主要与炉 渣 的物理性质有 关 若仅从熔渣 的物理性质考虑 ， 增加粉尘加入 量 即增加渣 中 含量 以及提高温度都可 降 低炉渣粘度 ， 因而使发泡指数降低 ， 对炉渣发泡 不利 但从实验的结果来看 ， 随粉尘加人量和 温 度 的增加 ， 泡沫渣高度 明显增加 ， 这是 因为 随渣 中 含量增加和温度提高 ， 渣 中固体碳还原 氧化铁 的反应速度加快 ， 导致气体生成速度增 加 ， 因而泡沫渣高度增 大 说 明在渣 中加人粉尘 和 碳 的条件下 ， 炉 渣发泡高度 主要取决于反应 生成气体 的速度 ， 而气体生成 的速度 与碳还原 渣 中 的速度有关 根据相关 的研究结果〔 ， 随 电炉 粉尘 和 煤 粉 加 人量 增 加 以 及 温 度 的提 高 ， 固体碳还原渣 中 的速度 明显加快 ， 因而 泡沫渣高度相应增加 关于泡沫渣最大高度 根据文献 ， 泡沫渣高度 的变化可表示为 么 一 棍 式 中 ， ，为气泡形成 的速度 常数 棍为气泡破灭 的速度 常数 为泡沫渣高度 为时 间 公为气 体吹人 的体积流量 由式 可 知 ， 泡沫 渣高度 的变化取决于气 体流量 ， 并与气泡产生和破灭 的速度有关 当固 体碳 与渣 中 反应产生 的气体为发泡气体 时 ， 氧化铁还原速度越快 ， 泡 沫渣高度越高 对 于 同一炉次 ， 在反应 的初始 阶段 ， 气泡产生 的速 度大于气泡破灭 的速度 ， 因此气泡在渣 中产生 积累 ， 泡沫渣体积逐渐增加 ， 由于增祸 的截面一 定 ， 泡 沫渣体积 的增 加 表现为泡 沫 渣高度 的增 加 随还原反应 的进行 ， 渣 中 含量逐渐减 少 ， 反应产生 的气体量相应减少 ， 当气泡产生与 破灭 的速度相等时 ， 泡沫渣高度 的增长量为零 ， 即泡沫渣高度达到最大值 随后 ， 气泡产生 的速 度小 于气泡破灭 的速度 ， 泡沫渣高度 的变化为 负值 ， 泡沫渣 的高度逐渐减小 以上分析与实验 中观察到 的现象是一致 的 结论 在温度 为 一 ℃ 范 围内 ， 在炉渣 中加入 一 的 电炉 粉尘和 加人 一 的煤 粉时 ， 随粉尘和煤粉加人量 的增 加 以及温度 的 提高 ， 泡沫渣 的最大高度增加 在 一 ℃ 范 围内 ， 将 电炉粉尘加 人炉 渣 ， 随温度提高 ， 的还原挥发速度加 快 ， 反应 ， 的挥发率大 于 ， 渣 中 含量小于 将 电炉 粉尘加人炉 渣 ， 的挥发速度很 快 ， 反应 ， 渣 中 含量小 于 ， 其挥发 率大于 在本实验条件下 ， 温度对 的 还原挥发速度无 明显影 响 参 考 文 献 ， ， ， ， ， ， ， 川 ， ， ， 一 · 昭 ， ， 仍 王敏 ， 陈伟庆 电炉粉尘造泡沫过程 中 的还原与 炉 渣发泡行为 化工冶 金 ， 环二咬刀 九方 ， 月 浑 肠 ， ， ， 奴理 ， 切吐 面 ， 吨