钢铁厂含锌铅粉尘配碳球团的直接还原工艺

0I:10.13374/.j.1ssn1001053x.1997.02.002 第19卷第2期 北京科技大学学报 Vol.19 No.2 1997年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr,1997 钢铁厂含锌铅粉尘配碳球团的直接还原工艺 王东彦 陈伟庆周荣章李景捷林宗彩 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要对钢铁厂含锌铅粉尘配碳球团直接还原工艺进行了研究，结果表明：生球碱度及还原时间对 球团中铅挥发率和铁的金属化率有显著影响，而还原温度则对球团中锌、铅挥发率和铁的金属化 率均有显著彩响.在此基础上确定的最佳工艺参数为：生球碱度~09，还原温度和还原时间分别 为1250℃和25min. 关键词锌，铅，粉尘，直接还原，金属化球团 中图分类号TF046.6,TF01,X757 我国南方铁矿石中普遍含有一定量的锌铅，在高炉冶炼过程中富集到粉尘中.这种粉尘 一方面严重污染环境，另-一方面又是二次冶金资源.将含锌铅粉尘制成含碳球团，经直接还原 可得到高锌铅含量的二次粉尘和适合高炉冶炼的金属化球团，为确定用环形炉直接还原方法 处理该类粉尘的合适工艺参数，本文对含锌铅粉尘配碳球团的直接还原工艺进行了实验室研 究，该研究对综合利用含锌铅铁矿有一定意义， 1实验方法 1.1球团试样制备 实验将广西柳州钢铁厂提供的高炉粉尘、转炉粉尘及焦碳粉按一定比例混匀、喷水、闷料 后，在中650mm的圆盘造球机上造出直径为10~12mm的生球团，然后在105℃烘干，得到 的几种碱度的生球团成分如表1所示. 1,2球团还原方法 还原实验在内套刚玉管的 表1生球团化学成分（质量分数） 碳管炉内进行，炉内通氮气保 % 碱度 C TFe FeO Zn Pb Cao Mgo SiO Al2O3 护.每次实验取15个生球团放 0.5 8.9431.5627 4.922.743.167.38 19.43.01 人带孔刚玉坩埚内，待炉内达到 0.79.3332.9128.165.132.853.3 7.115.18447 预定温度时，将坩埚迅速放到恒 0.99.6934.129.185.312.963.427.3612.084.62 温区内，加热到预定时间后，将 1.19.9234.9529.905.453.033.507.549.914.75 球团取出投放到水中激冷或空 冷. 1996-09-18收稿 第一作者男35岁博士

第 19 卷 第2期 1 9 9 7 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f LJ n i v e r s i t y o f Sc i e n e e a n d T e c h n o l o g y 灰i j i n g V o l . 1 9 N o . 2 A p r . 19 7 钢铁厂 含 锌铅粉尘 配 碳球 团的直接还原工 艺 王 东彦 陈伟庆 周 荣章 李景捷 林 宗彩 北京 科技大学冶金 学院 , 北京 10 0 0 8 3 摘要 对钢铁 厂 含锌铅粉尘 配碳球 团直接还原工艺进行 了研究 . 结 果表明:生 球碱度及还 原 时间对 球 团 中铅挥 发率 和铁的金属 化率有显著影 响 , 而 还原温度则 对球团 中锌 、 铅挥 发率和铁的 金 属 化 率均 有显著影 响 . 在此 基础上 确定 的最佳工艺参数 为: 生球碱度 一 .0 9 , 还原温度 和 还原时间分别 为 1 2 5 0 ℃ 和 2 5 m i n . 关键 词 锌 , 铅 , 粉尘 , 直接还原 , 金属化球团 中图分 类号 T )F[ 4 6 . 6 , T 0F 1 , X 7 57 我 国南 方 铁 矿 石 中普 遍含 有 一定 量 的锌 铅 , 在 高炉 冶炼 过程 中富集 到粉 尘 中 . 这种 粉尘 一 方 面严 重污 染 环境 , 另 一方 面 又是二 次冶 金 资源 . 将含 锌铅 粉尘制 成 含碳球 团 , 经直接 还 原 可 得 到高 锌铅 含 量 的二 次粉尘 和 适合 高炉 冶炼 的金 属化 球 团 , 为确 定 用 环形 炉 直接还 原方法 处理 该类 粉尘 的 合适 工艺 参数 , 本 文 对含锌 铅 粉尘 配碳 球 团的直接 还 原工 艺进 行了 实验室 研 究 . 该 研究 对综合利 用 含 锌铅 铁矿 有一 定意 义 . 1 实验方法 1 . 1 球团试样制 备 实验 将广 西柳 州 钢铁 厂提 供 的高 炉粉尘 、 转炉 粉尘 及焦 碳粉按 一 定 比 例混 匀 、 喷 水 、 闷料 后 , 在 中6 50 m m 的 圆盘造 球机 上造 出直 径 为 10 一 12 m m 的生 球 团 , 然后 在 105 ℃ 烘 干 , 得到 的几 种碱 度 的生球 团成 分 如表 l 所 示 . 1 . 2 球团还 原方 法 还 原 实 验 在 内套 刚 玉 管 的 碳 管 炉 内 进 行 , 炉 内 通 氮 气 保 护 . 每 次 实 验 取 巧 个 生 球 团 放 人 带孔 刚 玉 增涡 内 , 待 炉 内达 到 预定 温 度 时 , 将增 祸迅 速 放 到 恒 温 区 内 , 加 热 到 预 定 时 间 后 , 将 球 团 取 出 投 放 到 水 中激 冷 或 空 冷 . 19 9 6 一 0 9 一 18 收稿 第一 作者 男 碱度 表 1 生球团化学成分 (质 t 分数 ) % C T eF eF o Z n bP C a O M g O S i众 A 1 2岛 8 . 94 3 1 . 5 6 27 4乡 2 2 . 7 4 3 . 16 7 . 3 8 1 9 . 4 3 , 0 1 9 . 3 3 3 2 . 9 1 2 8 . 16 5 . 13 2 . 8 5 3 3 7 . 1 15 . 1 8 4 . 4 7 9 . 6 9 34 . 1 2 9 . 1 8 5 . 3 1 2乡6 3 . 4 2 7 . 3 6 12 . 0 8 4 乃 2 9 9 2 3 4 . 9 5 2 9 . 9 0 5 . 4 5 3 . 0 3 3 . 5 U 7 . 5 4 9 . 9 1 4 . 7 5 亡J,了Q 声 l : 0 自. 八U I 3 5岁 博士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 02. 002

Vol.19 No.2 王东彦等：钢铁厂含锌铅粉尘配碳球团的直接还原工艺 ·131· 1.3锌铅挥发率、球团金属化率的确定 将熟球在振动制样机上破碎成75%)和高温(1150℃~1300℃)下还原 的限制性环节为CO通过还原产物金属铁层的扩散，其表观活化能数值也较大，分别为 50.16kJ/mol和45.98kJ/mol.所以，球团中氧化铁还原速度随温度增加而显著增大， 2.2还原时间的影响 还原时间对球团锌、铅挥发率和铁的金属化率的影响如图2所示，由图2可见，锌、铅挥 发率及铁的金属化率均随时间增加而增大，且在一定时间后趋于平缓.锌、铅挥发率趋于稳定 的时间均在25min后，但锌的挥发较快，10min时就达85%以上，挥发稳定时的挥发率接近 100%.而铅在10min时的挥发率仅为66%，25min时也只有92.5%.球团金属化率也在

V o l . 1 9 N o . 2 王 东彦等 : 钢铁厂 含锌铅粉尘配碳球团 的直接还原工 艺 1 . 3 锌铅挥发 率 、 球团金 属化 率 的确定 将熟 球在 振 动制 样 机上 破碎 成 75 % ) 和 高温 ( 1 150 ℃ 一 1 3 0 ℃ )下 还 原 的 限 制 性 环 节 为 C O 通 过 还 原 产 物 金 属 铁 层 的扩 散 , 其表 观 活 化 能 数 值 也 较 大 , 分 别 为 5 0 . 16 k J八n of 和 4 5 . 9 8 k J/ m ol . 所 以 , 球 团中 氧化铁 还原 速度 随温 度增 加而 显 著增大 . .2 2 还原 时 间的影 响 还 原 时间 对球 团锌 、 铅 挥 发率 和铁 的金 属化 率 的影 响如 图 2 所 示 . 由图 2 可见 , 锌 、 铅 挥 发 率及 铁 的金 属化率均 随 时间增 加 而增 大 , 且 在 一定 时间后 趋 于平 缓 . 锌 、 铅 挥 发率趋 于 稳 定 的时 间均 在 2 5 m in 后 , 但锌 的 挥发 较快 , 10 m in 时就达 85 % 以 上 , 挥 发稳 定 时 的挥 发率接 近 10 0 % . 而 铅 在 10 m in 时 的挥 发 率 仅 为 6 % , 25 m in 时 也 只 有 92 . 5 % . 球 团 金 属化 率 也 在

·132· 北京科技大学。学报 1997年第2期 25mi趋于稳定，可达96%.以上结果说明，在本实验条件下，锌挥发最快，受还原时间的影 响较小；而铅挥发较慢，氧化铁的还原也较慢，二者受还原时间的影响较大.其原因为：锌氧化 物的还原产物锌为气态，因此，其挥发速度较快；而氧化铅的还原产物铅为液态，在还原温度 范围内对应的蒸气压为133~6.65kPa,远小于锌的蒸气压，因此，挥发较慢；氧化铁的还原 产物为金属铁，在球团中有杂质的情况下，其还原产物铁层较致密，还原气体和产物气体的扩 散较慢，因此，金属化率随还原时间延长增加较慢， 2.3生球碱度的影响 生球碱度对球团中锌、铅挥发率和铁的金属化率的影响如图3所示，由图3可见：球团中 锌、铅挥发率和金属化率均随碱度增加而升高；但锌的挥发在上述碱度范围内变化较小，而球 团中铅的挥发和金属化率随碱度增加而上升得比较快；球团中的铅挥发率在0.5碱度时为 76.2%,到1.1碱度时升高到93%，铁的金属化率在碱度0.5时仅为67%，但在碱度0.9时达 到94%，之后略有降低；锌、铅挥发率和金属化率在碱度0.9后基本稳定. 100 100 120 95 115 110 90 90 105 85 1009 85 80 80 % 75 排 85 8 75 。锌挥发率 80 的 。铅挥发率 1250℃ 70F ·金属化率 75 0 65 Zn b 70 60 Fe 65l 5 0.3 0.5 0.70.9 1.1 1.3 5 1015202530354040 碱度B min 图3球团锌，铅挥发率和金属化率与 图2球团锌，铅挥发率和金属 生球碱度的关系(1250℃，20min) 化率与还原时间的关系 (1)碱度对球团金属化率的影响.铁的金属化率与球团碱度有如下的关系：①碱度增加 使CO含量较高时，还原出的铁的孔隙度较大)，有利于还原气体的进一步渗透，加速氧化铁 的还原；②球团还原后期，将有渣相生成51，CO的量增多会使烧结态渣相的孔隙增多，也有 利于还原气体的渗入和产物气体的逸出，使铁的还原率增大.因此，铁的还原率随碱度增加而 增大.但在本研究中，高于0.9碱度后，金属化率略有降低的原因目前尚不清楚， (2)碱度对铅挥发率的影响.由粉尘物相分析可知：含铅物相以氧化铅为主，且其挥发速 度的限制性环节是还原产物铅液的蒸发回.由于球团中铁含量较多，当铁产物层的孔隙随碱 度增加而增多时，整个球团的透气性得到改善，有利于球团内部气体的流动，使铅液的蒸发阻 力减小，铅的蒸发速率加快，因此，碱度升高使铅挥发率增加. (3)碱度对锌挥发率的影响，研究表明：粉尘中的含锌物相为氧化锌，氧化锌的还原挥发 的限制性环节是CO对氧化锌的还原反应，因此，碱度升高，使CO还原气体易于传递，有利

· 13 2 · 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 7年 第 2期 25 m in 趋 于稳 定 , 可 达 % % . 以 上 结果 说明 , 在 本 实验 条件 下 , 锌 挥 发最快 , 受 还 原 时间 的影 响 较 小 ; 而铅 挥 发较 慢 , 氧化 铁 的还 原也 较慢 , 二 者受 还 原时 间的影 响 较大 . 其 原 因为: 锌 氧化 物 的还 原 产物 锌 为 气态 , 因此 , 其 挥 发 速度 较快 ; 而 氧化 铅 的还 原产 物铅 为 液态 , 在还 原温 度 范 围 内对应的蒸 气压为 1 3 一 6 .6 5 k P a , 远小 于 锌的蒸 气 压 , 因此 , 挥 发 较慢 ; 氧 化铁 的还 原 产物 为金 属铁 , 在球 团中有 杂质 的情 况 下 , 其 还 原产 物铁 层较 致密 , 还 原气体和产 物气体的扩 散较 慢 , 因此 , 金 属 化率随还 原 时 间延长增 加 较慢 . .2 3 生球碱度 的影 响 生 球碱 度 对球 团 中锌 、 铅挥 发 率和 铁 的金 属化率 的影响 如 图 3 所 示 . 由 图 3 可见 : 球 团中 锌 、 铅挥 发率 和 金属 化 率均 随碱 度增 加 而升 高 ; 但 锌 的挥 发在 上述碱 度 范 围 内变 化较小 , 而球 团 中 铅 的 挥 发和 金 属 化 率 随碱 度 增加 而 上 升 得 比较 快 ; 球 团 中的 铅挥 发 率 在 0 . 5 碱 度 时 为 76 . 2 % , 到 1 . 1 碱度 时 升高 到 93 % , 铁的 金属 化率 在碱 度 .0 5 时仅 为 67 % , 但在 碱度 .0 9 时达 到 9 4 % , 之 后 略有 降低 ; 锌 、 铅 挥 发率和 金 属化率 在碱 度 0 . 9 后基 本稳定 . 10 0 950( 9 5 哥汉澳职、 ù、日ù亡JO 、ùJ 月旧 n气óU . 冲肠卜哈3 12 0 1 1 5 1 10 10 5 10 0 岁 锌挥发率 ~ nZ : 鬓 . 铅挥 发率 。 金属化率 !巨 nUù I à 0 叹J n 石Q 声n0, 叹口 汀 `Uz 哥州软牢岁ù 叭 涂 90858756706 哥牟蜒胡足州蛾零岁、 ` 拿 10 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 0 如l i n 图2 球团锌 、 铅挥发率和金属 化 率与还原时 间的关 系 0 . 3 0 . 5 0 7 0 9 1 . 1 碱度 B 图3 球 团锌 、 铅挥发率和金属化率与 生球碱度的关系 ( 1 2 5 0 ℃ , 2 0 m i n ) ( l) 碱度 对球 团金 属 化率 的影 响 . 铁 的金 属 化 率 与球 团碱 度 有如 下 的关 系 : ①碱 度增 加 使 C ao 含 量 较 高时 , 还 原 出的铁的孔 隙度 较 大’[] , 有利 于还 原气体的进 一步 渗透 , 加速 氧化 铁 的还 原 ; ②球 团还 原后 期 , 将有 渣 相生 成.{5 “ ] , C a o 的量增 多 会使烧结 态渣 相 的孔 隙增 多 , 也 有 利于 还 原气体的渗人 和产 物气体的逸 出 , 使 铁 的还 原率增大 . 因此 , 铁的还 原率 随碱度 增 加而 增大 . 但在 本研究中 , 高于 .0 9 碱度 后 , 金 属化率略 有降低的 原 因 目前 尚不清 楚 . (2 ) 碱 度 对铅 挥 发率的 影 响 . 由粉尘 物 相分 析 可知 : 含 铅物 相 以 氧化 铅 为主 , 且 其挥 发速 度 的 限制 性 环 节 是 还 原产 物 铅 液 的蒸 发 12] . 由于 球团 中铁 含量 较 多 , 当铁 产物 层 的孔 隙随碱 度增 加 而增 多 时 , 整个 球 团 的透气性得 到 改善 , 有利 于球 团内部 气体 的流 动 , 使铅液 的蒸 发阻 力减 小 , 铅的蒸 发速 率 加快 . 因此 , 碱度 升高 使铅 挥 发率增 加 . ( 3) 碱 度 对锌挥 发率的 影 响 . 研 究 表 明: 粉尘 中的 含锌 物相 为 氧化 锌 , 氧化 锌 的还原 挥发 的限 制性环 节是 C O 对氧 化锌 的 还原 反应 2[] , 因此 , 碱 度升 高 , 使 C O 还 原气 体易 于传 递 , 有利

Vol.19 No.2 王东彦等：钢铁厂含锌铅粉尘配碳球团的直接还原工艺 ·133· 于锌的还原挥发.此外，锌的沸点较低，仅为906℃，还原温度高于它的沸点，还原产物锌为气 态，使锌的挥发速度大大快于铅.所以，碱度升高虽使锌挥发率提高，但提高不大， 2.4最佳工艺条件的选择 球团碱度0.9，还原时间和还原温度分别为25min和1300℃时，可得到最佳的还原效 果.但在实验中观察到，1300℃下的球团呈现软化状态，易粘结且球团热强度很低，易破碎. 在碱度0.9,1250℃，25min还原条件下，锌的挥发率大于99%，铅的挥发率为92.5%，铁的 金属化率为96%，还原效果已可满足要求.因此，上述条件可认为是最佳工艺条件. 3结论 本研究条件下，含锌铅粉尘配碳球团直接还原的最佳工艺条件为：球团碱度0,9，还原温 度和时间分别为1250℃和25min. 参考文献 1 Sohn H Y,Szekly J.Chem Eng Sci 1973,38:1789 2王东彦.[博士论文].北京：北京科技大学，1995,138 3韩其勇.冶金过程动力学，北京：冶金工业出版社，1983.11,166 4 Turkdogan E T.Met Trans,1978.9B:163 5 Grebe K,Lehmkuhler H J.In:Ironmaking Conference Proceedings,1991.113 6 Price C,Wasse D.In:Developments in Ironmaking Practice Proc conf,1972.22 7赵天从.重金属冶金学.北京：冶金工业出版杜，1981.118 Direct Reduction Process of Pellet Containing Carbon with Addition of Zn-Pb-Bearing Iron and Steel Plant Dust Wang Dongyan Chen Weiqing Zhou Rongzhang Li Jingjie Lin Zongcai Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT The study on direct reduction process of pellet containing carbon with the addition of Zn-Pb-bearing iron and steel plant dust shows that the reduction time and pellet basicity have obvious effect on the evaporation of lead and final metallization degree of pellet.The reduction temperature has significantl influences on the lead and zinc evaporation ratios and on final metallization degree of pellet.The optimum process parame- ters obtained are reduction temperature of I 250 C,reduction time of 25 minutes and pellet basicity of 0.9. KEY WORDS zinc,lead,dust,direct reduction,metallic pellet

V o l . 1 9 N o Z 王 东彦等: 钢铁厂 含锌铅粉尘 配碳球 团 的直接还原工 艺 于 锌 的还 原挥 发 . 此 外 , 锌 的沸 点较 低 , 仅为 9 06 ℃ , 还原 温度 高于 它 的沸点 , 还 原产 物锌 为气 态 , 使锌 的挥 发 速度 大大 快于铅 . 所 以 , 碱 度 升高虽 使锌 挥 发率提 高 , 但提 高不 大 . .2 4 最佳工 艺条件的选择 球 团碱度 .0 9 , 还 原 时 间 和还 原 温 度 分 别 为 25 m in 和 1 3 0 ℃ 时 , 可得 到 最 佳 的 还原 效 果 . 但 在 实验 中观 察到 , 1 3 0 ℃ 下 的球团呈 现 软 化状态 , 易粘 结 且 球团热 强度 很 低 , 易破 碎 . 在碱度 .0 9 , 1 25 0 ℃ , 25 m in 还 原条件下 , 锌 的挥 发 率 大于 9 % , 铅 的挥 发 率 为 92 . 5 % , 铁 的 金属 化率为 % % , 还 原效 果 已 可满 足要 求 . 因此 , 上述 条件可 认为 是最 佳工 艺条 件 . 3 结论 本研究 条 件 下 , 含 锌铅 粉尘 配 碳球 团直 接还 原 的最 佳工 艺条件 为: 球 团碱 度 0 . 9 , 还原温 度 和 时间分 别 为 1 2 50 ℃ 和 2 5 m in . 参 考 文 献 S o h n H Y , S z e kl y J . hC e m E n g S e i 19 7 3 , 3 8 : 1 7 8 9 王 东彦 . [ 博士 论文1 . 北京: 北京科技大学 . 1 9 95 , 1 38 韩其 勇 . 冶金 过程动力学 . 北京 : 冶金工业出版社 , 19 8 3 . 1 1 , 1“ T u r k d o g an E T . M e t T anr s , 1 9 7 8 , g B : 1 6 3 C 民be K , eL h m khu l e r H J . I n : Ior n m akj n g C o n fe er nc e P代犯 e e id n g s , 19 9 1 . 1 13 irP e e C , W as s e D . I n : eD v e l o Pm e n st i n I or n m ald n g P ar c it e e rP oc e o nf , 1 97 2 . 22 赵 天从 . 重金 属冶金学 . 北京: 冶金工 业出版社 , 1 9 8 1 . 1 18 D i r e e t R e d u e t i o n P r o e e s s o f P e l l e t C o n t a i n i n g C ar b o n w it h A d d it i o n o f Z n 一 P b 一 B e ar i n g I r o n an d S t e e l P lan t D u s t Wa n g D o n ’gy a n hC e n We iq in g 助 o u 角 n g hz a n g U S T B e ij i ng , B e ij i n g 石 五刀灯i e 合刀 西 n g e a i M e atl l u r g y S c h o o l , 10 0 0 8 3 , C hi n a A B ST R A C T hT e s tu d y o n d ire e t re d u e it o n P roc e s s o f pe ll e t c o n ita in n g e a f bo n w iht ht e 目d iit on o f nZ 一 P卜be a ir n g iro n a n d s te e l P l a n t d u s t s h o w s ht a t ht e re d uc it o n it m e an d pe ll e t b as i e ity h va e o b v i o u s e fe c t o n ht e e v a P o ra it o n o f l e ad an d if n a l m e tal li z a it o n d e g re e o f pe ll e L T七e re d uc it o n te m pe ra tu re h as s i g n iif e a n t l i n fl ue n e e s o n hte l e ad a n d z i n c e v a P o ra it o n ra it o s an d o n if n a l m e ta lli z a it o n d e g re e o f pe ll e L hT e o P it m um P roc e s s Pa r a r n e - te rs o b ita n e d a re re d uc it o n te m 详 ra tu re o f 1 2 5 0 0C , er d u e it o n it m e o f 2 5 而 n u et s an d pe ll e t b as i e i yt o f 0 . 9 . K E Y W O R D S z i n e , l e ad , d u s t , d i er c t er d cu it o n , m e at lli e pe ll e t