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含铁物料固体废物工艺溯源及成分特征综述
作者:杨金坤 魏红兵 苏明跃
杨金坤 魏红兵 苏明跃
在工艺生产过程中产生的含铁物料固体废物,其外形特征易与铁矿商品相混淆。我国对环境安全和国民安全保护力度的加大,已全面禁止“洋垃圾”入境,含铁物料固体废物被禁止进口。但因其种类多、成分复杂,鉴别存在困难。
与此同时,有针对性地对国内在冶炼工艺中所产生的含铁物料副产物进行处理并将其转化为循环利用资源,是工艺生产研究中所需面对的重要及紧迫任务。为提高国产矿的利用水平,许新春等[1]对进口含铁物料的固体废物鉴别的方法进行了研究。唐复平[2]对钢铁工业中的原料、燃料及辅助材料资源的供应状况,钢铁工业的规模、产品质量、经济效益和结构布局等做了相关研究及阐述。邵安林[3]也就鞍钢矿业发展,对铁矿资源的国际及国内现状进行了概述,并对企业未来铁矿资源发展战略进行了分析与思考。
本文对冶炼钢铁中常见含铁物料进行分类及来源梳理,并对典型含铁物料的成分特征进行了评价。由梳理可知,不同含铁物料具有其特定的成分特征。因此,成分特征识别可对含铁物料固体废物鉴别提供可用数据参考,同时也为国内企业冶炼过程固体废物处理与资源化利用提供参考依据。
1 含铁物料工艺来源
钢铁主要经过铁矿石烧结、炼铁、炼钢、轧钢工艺加工而来。钢铁生产中所产生的含铁物料废物主要分为渣、泥、灰3类。按照各生产工艺不同,各工艺阶段又根据原料及加工方式将目标成品细化为不同成分特征的渣、泥、灰,各个生产工艺阶段泥与灰又呈现出相近的化学成分,主要包括不合格的烧结返矿、球团碎、除尘灰、高炉渣、高炉瓦斯灰(泥)、炼钢炉渣、转炉炉尘、转炉尘泥、电炉除尘灰、氧化铁皮等,这些不符合产品要求的过程副产物废物,是固体废物产生来源的重要方面[4]。这些副产物因各工艺流程及原料添加的差异,其成分含量及物相组成各有不同。图1梳理并总结了各工艺阶段所含主要含铁物料。李鸿江等[5]对钢铁工业主要生产工艺产生的固体废物作了进一步分类,将生产工艺进行分类,分为烧结、炼铁、炼钢、转炉及轧钢等过程,并分类了各个工艺所产生的含铁物料。本文按照不同工艺流程,对含铁物料固体废物来源及成分特征进行了梳理。
图1 各生产工艺主要含铁物料
Fig.1 Iron containing materials of each production process
1.1 烧结生产工艺
烧结是将铁矿进行造块,将其粒度制备到符合高炉冶炼要求,为高炉冶炼提供优质的人造富矿。烧结矿是将铁矿石等含铁粉状原料配入适量的燃料和助熔剂,并加入适量的水,经混合造球后在烧结设备上使物料发生一系列物理化学变化,在不完全熔化的条件下将矿粉颗粒黏结成的块[6]。烧结生产工艺所产生的主要含铁物料为烧结返矿、球团碎、未烧透混合碎块及烧结除尘灰。为了产生优质的冶炼原料,吴胜利等[7]提出在造块过程中加入某些物质以改善铁矿组成,最常用的是加入CaO或MgO以提高矿石碱度,加入还原剂碳,改善矿石还原性质,从而减少不合格副产物产出。
1.2 高炉炼铁生产工艺
现代钢铁工业主要采用高炉炼铁方式将烧结块中铁元素从铁的氧化物中提炼出来。具体工艺流程是在炉体中装入烧结块、焦炭、造渣用熔剂(石灰石)等,从炉子下口吹入空气,在高温下,焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳,在炉内上升过程中除去烧结块中的氧、硫、磷,从而还原得到铁。主要产物是液态生铁,副产物有煤气、高炉渣、高炉瓦斯灰或高炉瓦斯泥等。煤气虽为冶金生产中的副产物,但其也是钢铁联合企业内部的重要气体燃料[8-10]。除煤气外,其他几种为产生的主要含铁物料固体废物。
1.3 炼钢生产工艺
炼钢生产主要包括转炉炼钢、平炉炼钢及电炉炼钢。氧气顶吹转炉炼钢为最主要的炼钢工艺,其中会有含铁烟尘产生,即转炉炉尘,此为转炉炼钢工艺中的主要副产物,除此以外,其副产物还包括转炉钢渣、转炉尘泥。马春生[11]对转炉工艺、烟气产生及资源化利用等进行了详尽的阐述。电炉炼钢区别于转炉炼钢,利用电弧热原理,以废钢为主要原料,对铁水中的碳进行氧化,从而减少碳的含量。电弧炉往往用来冶炼合金钢和碳素钢。电炉工艺中的主要副产物为电炉钢渣及电炉除尘灰。
平炉炼钢主要依靠烧煤来升温形成钢水,因平炉设备投入大、能耗多,近些年已逐渐被转炉及电炉替代。平炉炼钢副产物主要为平炉钢渣。
1.4 轧钢生产工艺
轧钢生产工艺是指为了得到所需的钢材形状或为了改善钢的内部质量,对炼钢工艺所生产的钢进行压力加工,最终得到钢型成品的工艺过程。轧钢方法根据轧制温度分为热轧与冷轧。在轧钢工艺中所产生的副产物主要为氧化铁皮。
2 含铁物料成分特征
钢铁冶炼加工工艺所产生的含铁物料副产物种类较多。钢材生产中由于工艺流程长、扬尘点多,会产生大量粉尘。综合而言,副产物中除含铁尾矿不作为工艺生产所产生的含铁副产物外,烧结返矿、球团碎、高炉渣、转炉渣、钢渣、氧化铁皮、含铁粉尘、含铁尘泥等都列为冶炼加工副产物,其中含铁粉尘及尘泥又因来源工艺不同,呈现不同的成分特征。在属性鉴别方面,朱雪梅等[12]对3种含铁物料的综合表征及来源进行了详细分析;冯均利等[13]利用相关检测技术对铁矿及4种含铁物料固体废物的属性鉴别进行探讨;郝雅琼[14]利用不同鉴别手段对铁矿、铁精矿及3种含铁物料固体废物进行分析研究;赵伟等[15]利用荧光检测及衍射等手段对炉渣、除尘灰及氧化铁皮进行成分特征及物相分析。其共同特点都是将成分特征作为判断样品属性的重要参考数据。
在回收利用方面,胡桂渊[16]对粉尘来源进行了统筹分类,认为烧结除尘灰、高炉瓦斯灰、电除尘灰等都属于含铁粉尘。含尘废气经干法除尘器收集和处理后所产生的含铁物料统称为含铁尘泥,包括转炉尘泥、高炉瓦斯泥、电除尘泥等。含铁粉尘一般铁含量高,具有回收利用价值,回收后能够作为原料重新使用[17-18]。因此,成分特征的确定给循环利用生产提供了可用数据。
下文将对烧结、高炉炼铁、炼钢生产中典型含铁物料进行成分特征分析,这将为固废鉴别及回收循环利用提供可用参考。
2.1 烧结生产含铁物料
2.1.1 烧结返矿
烧结返矿是指并未烧结完全的烧结矿或烧结矿经过破碎和筛分得到的烧结粉矿,其中并未烧结完全的烧结矿中包括沿烧结机车周边的烧结矿或环境除尘所回收的尘泥等需要再返回至烧结过程中的细粒粉尘。未烧结完全的烧结返矿中可能夹杂有碳块等,其粒度小于5 mm,呈不规则颗粒状,表面疏松多孔,由于经过高温液相烧结,表面有明显的熔融痕迹。返矿的颜色与烧结原料及烧结工艺有关,常见为红灰相间颜色[19]。
烧结返矿所含主要元素与烧结矿相似,与大多数铁矿相比,钙镁含量较高。表1为烧结矿主要元素及铁酸钙含量[20]。其物相组成含烧结相,主要有赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙、硅酸二钙、玻璃相、熔剂、脉石、蛇纹石残余,还会有极少量的金属铁。有些烧结返矿还会含有反应不完全的游离石英或游离氧化钙、氧化镁。
2.1.2 球团碎及未烧透混合碎块
烧结生产中的球团工艺是将粉碎细的原料和粘结剂混合后,制成直径12 mm左右的球状物,经过干燥、预热、烧成、冷却等工艺将其制备成球团矿。GB/T 27692—2011《高炉用酸性铁球团矿》[21]定义了高炉用酸性铁球团矿(简称铁球团矿)在化学成分、物理性能及冶金性能等方面的具体技术要求。球团碎元素的化学成分与球团矿相似。汪琦[22]对铁矿含碳球团技术有深入研究,铁矿含碳球团是指含碳含铁的小球或冷压块。在此工艺下产生的球团碎中也可含有大量碳,而非配料本身所得。另外,未烧透混合碎块又称球碎矿,为在焙烧过程中产生的未烧透碳块、剩余物料、下脚料、破碎料、炉渣、熔渣等。利用XRD检测技术对球团碎进行扫面,可确定含有烧结相。有许多含铁物料的混合物因其外观形貌极易伪装成球团碎,实则为炉渣、冶炼渣、铁矿块、除尘灰、碳块及不合格球团矿等多种物料的混合物。
2.1.3 烧结除尘灰
烧结除尘灰主要来源于铁矿石烧结过程中,通过烧结机头烟气电除尘器所收集的粉尘。除尘灰主要包括工艺除尘灰(机头除尘灰和机尾除尘灰)、环境除尘灰。除尘灰外观具有粒度细、疏水性强、碱金属含量高等特点,机头除尘灰由第一电场至第三电场,中位径、真密度、堆积密度都呈明显降低趋势,且第二、第三电场灰粒度较细、堆积密度较小,只有0.2×103 kg/m3左右;第三电场极板积灰的粒度更细,中位径10 μm左右,堆积密度更小,为0.12×103 kg/m3。氯化盐具有水溶性。
烧结配料会影响烧结除尘灰成分,但其元素含量及物相组成基本相似,以TFe含量10%~50%,K2O(工艺除尘灰)10%~20%,Cl含量20%为元素成分主要特征,通常还含有Na、Cu、Pb等元素,有些烧结工艺后的除尘灰甚至含200 ppm左右含量的Ag元素。结合物相分析,有研究表明,铁主要以Fe3O4和Fe2O3的形式存在,K、Na多以氯化物的形式存在,Cu、Pb、Zn等重金属元素多以氯化物、氧化物的形式存在。陈铁军[23]在现代烧结造块理论与工艺中对烧结除尘灰主要元素含量进行了分析,见表2。
对于冶金性能较好的除尘灰,可以作为配料返回烧结,回收其中的铁,还可以利用机头除尘灰中高含量的钾元素特点制备肥料、回收铅来制取氯化铅。但陈铁军[23]认为返回烧结存在的问题是导致其中的碱金属、重金属等有害元素无法离开烧结工序而造成的循环富集。
2.2 高炉炼铁含铁物料
2.2.1 高炉渣
高炉渣主要由矿石中的脉石、燃料中的灰分和熔剂中的非挥发物形成的熔融态冶炼废渣形成,是高炉炼铁过程的主要副产物之一,主要由钙、镁、硅、铝的氧化物构成的复杂硅酸盐系,外加少量硫化物及碳化物等。
高炉渣按化学成分分为碱性高炉渣、酸性高炉渣、高铝高炉渣、高钛高炉渣、含氟高炉渣及锰铁高炉渣等。根据原料条件及技术不同,孙体昌等[24]对高炉炼铁用原料进行阐述,常用的原料氧化物或矿物状态有Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4·TiO2等,因此所产生的高炉渣会含有CaF2、K2O、Na2O、TiO2、V2O5等不同成分,从而多见高钛渣、锰铁渣、高铝渣、含氟渣等。张庆建等[25]对其化学成分分布进行了详细阐述,主要元素含量见表3。在高炉渣用途方面,高炉渣可以作为水泥原料、隔热材料以及其他建筑材料。郑金星[26]对高炉炉渣作了具体研究,提到高炉渣可分为水渣、渣棉和干渣。水渣是液态炉渣用高压水急冷粒化形成的,可用于制砖和制作水泥的原料;渣棉如同纤维状的渣,是用高压蒸汽或压缩空气吹塑而成,可作为绝热材料;干渣则可用于铺路和生产水泥及建筑材料。
2.2.2 高炉瓦斯灰
瓦斯灰又称高炉炉尘,它是在炼铁过程中随高速上升的煤气带出高炉的细颗粒炉尘,在除尘系统中经过重力除尘器沉积后与煤气分离而来,呈干灰态。瓦斯灰密度小、粒度小,有研究表明[27],一般瓦斯灰平均粒径只有20~25 μm,粒度小于74 μm的颗粒约占97%~100%,干燥后极易飘散于大气中,且在空气中易于形成成分复杂的飘尘。高炉瓦斯灰含量范围见表4。梁鸿[28]对高炉瓦斯灰进行了成分分析,其高炉瓦斯灰主要元素含量范围见表5。
表4 高炉瓦斯灰主要元素含量范围
Table 4 The content range of the main elements of blast furnace gas ash
成分 | 含量范围 (%) |
TFe | 20~40 |
CaO | 2~10 |
MgO | 2~10 |
SiO2 | 5~6 |
C | 30~50 |
表5 高炉瓦斯灰主要元素含量
Table 5 The main element content of blast furnace gas ash
样品 | 含量 (%) | ||||
TFe | CaO | MgO | SiO2 | C | |
S-12 | 35.75 | 4.85 | 4.21 | 5.9 | 30.5 |
S-13 | 31.61 | 6.35 | 3.56 | 5.86 | 36.25 |
S-14 | 32.64 | 8.56 | 2.86 | 6.7 | 35.5 |
S-15 | 21.5 | 2.08 | 6.20 | 5.65 | 46.2 |
S-16 | 18.6 | 2.21 | 3.42 | 6.20 | 38.6 |
高炉瓦斯灰元素组成比较复杂,其所含元素与进入高炉的物料性质有关。物料主要有铁粉、焦粉、煤粉及许多未燃烧完全的炭,并含有少量Si、Al、Ca、Mg等轻质碱金属的氧化物。一些企业的瓦斯灰中含有Pb、Zn、As、Cd等有害元素。
关于对瓦斯灰的资源利用方面,韩振奎等[29]很早就提出了较为成熟的用瓦斯灰代替焦粉的球团生产技术。从善畅等[30]在对瓦斯灰的资源化利用中提到瓦斯灰可应用在制水泥、制备凝剂、用作炼铁原料、电炉造泡沫渣等方面,且已有实际应用,减少了瓦斯灰的资源化利用产生的环境污染。
2.2.3 高炉瓦斯泥
瓦斯泥不同于瓦斯灰,是高炉冶炼过程中随高炉煤气带出的原料粉尘及高温区剧烈反应产生的微粒,经过精细除尘器,采用湿式除尘系统后经沉淀处理所得的产物,呈污泥态,含水20%~60%,主要由矿粉、焦粉、熔剂、粉尘等组成。曾冠武[31]对瓦斯泥的矿物特征进行了分析,瓦斯泥的物相组成主要为铁的氧化物、焦炭、脉石以及锌氧化物、碱金属及碱土金属等,有些高炉瓦斯泥受原料及工艺影响,含有铬、铅、铜和砷等有毒重金属。其中,总铁含量占比为30%~40%,铁主要赋存于假赤铁矿和包埋在里面的磁铁矿中;焦炭含量为10%~25%;所包裹的脉石主要成分为SiO2和CaO;锌一般富集在较细的颗粒中,以氧化物及铁酸盐固溶体的形式存在,含锌量在1%~15%,受原料工艺影响,有些含锌量更高。
高炉瓦斯泥具有硬度小、表面活性大、颗粒细小等特点。瓦斯泥粒度一般不大于74 μm,堆密度小于0.5 g/cm3,细粒矿物易熔化成团。由于颗粒细,瓦斯泥中含有的焦粉、低熔点金属等易燃物易与空气中的氧发生反应,其中的碱金属与碱土金属极易与水化合,具有一定的腐蚀性,其水分蒸发后容易产生灰尘,造成大气环境污染。鞍钢多年前就已对高炉瓦斯泥进行综合利用[32]。张晋霞等[33]采用“瓦斯泥高效分散→水力旋流器脱锌→浮选回收碳→摇床重选回收铁”的工艺处理唐钢瓦斯泥,可得到锌元素含量为22.31%、产率为16.78%的细粒级高锌产品,实现了对瓦斯泥的资源化综合利用。除此以外,火法及湿法处理工艺也相对成熟,多种方式实现了资源回收[34-38]。
2.3 炼钢生产含铁物料
炼钢生产主要包括电炉、平炉和转炉3种,其中转炉和平炉为成熟的炼钢工艺。其中转炉炼钢最成熟的为氧气顶吹炼技术,陆续又出现底吹、复吹氧气工艺。目前最新发展是以石灰石炼钢、COMI吹炼等更加环保型的工艺炼钢,但俞海明[39]也预计,虽然各类工艺在进一步完善中,但高炉-氧气转炉工艺路线仍将在未来一段时间内占据主导地位。炼钢生产相关含铁物料最常见的为钢渣、尘灰、尘泥等。
2.3.1 钢渣
钢渣由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物,以及这些氧化物与熔剂反应生成的盐类组成。钢渣中矿物组成受生产工艺、炼钢化学成分及碱度因素影响略有差别。由于生产工艺及原料影响较大,主要分为电炉钢渣、平炉钢渣和转炉钢渣3种。目前国内多为碱性转炉渣及碱性平炉渣。
1) 转炉渣。根据吹炼过程,转炉渣分为吹炼前期、中期和后期。从化学成分上分析,转炉渣的主要化学成分为SiO2、CaO、MgO、FeO、Fe2O3、MnO和CaF2等。吹炼过程中,SiO2、MnO和CaF2含量不断降低,CaO、MgO、FeO、Fe2O3含量不断增加。其中,CaO/SiO2是描述其碱度的重要指标。表6为某大型氧气顶吹转炉炉渣的主要元素含量[40]。
2)其他渣。电炉渣和平炉渣也多为碱性渣,其成分与转炉渣接近。其矿物组成以硅酸三钙为主,其次是硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、镁、铁和锰氧化物、铁酸二钙和游离氧化钙等。由于钢渣氧化钙含量较高,可以代替石灰石作为冶炼熔剂循环利用。
2.3.2 炼钢除尘灰
1)转炉炉尘。转炉炉尘又称转炉除尘灰,是从氧气转炉的炉气中经过除尘器回收的含铁物料。炉气的主要成分是CO、CO2、N2,它们与大量粉尘混合。粉尘主要来源于铁水的燃烧损失和未反应的石灰石或白云石的细小颗粒。其特点是含铁品位高、粒度细,可用作烧结或球团原料。表7为某转炉炉尘主要元素含量[41]。
表7 某转炉炉尘主要元素含量
Table 7 The main element content of a converter dust
样品 | 含量 (%) | ||||||
TFe | FeO | CaO | MgO | SiO2 | S | P | |
S-17 | 68.6 | 67.5 | 7.17 | 0.72 | 2.08 | 0.07 | 0.04 |
2)电炉除尘灰。电炉除尘灰是电炉炼钢时电炉烟气经捕集器、烟道,最后经袋式除尘器处理捕集获得。张莉莉等[42]对电炉烟气余热回收应用现状及改造进行了分析研究,并对烟气中粉尘物理及化学特性进行了描述,烟气中粉尘具有浓度大、粒径小、吸附力大等特点。烟尘含量一般为8~30 g/m3;烟尘粒度小,粒径分布在0.1~30 μm。粉尘的成分与所炼的钢铁种类、工艺操作条件、熔炼时间等有关,其主要组成为Fe2O3、FeO、Fe、CaO、Al2O3、MgO、SiO2等。唐卫军等[43]收集了8个主要钢厂第三电场除尘灰,其主要元素含量见表8。由表可知,烧结机头电除尘灰中含有较多的钾、钠、铅、铜等元素。其中,富含碱金属K、Na的电除尘灰会降低电除尘器的除尘效率,同时也会堵塞烧结机炉篦条,影响烧结生产的质量与产量。虽K、Na有害,但其含量较高,具有很高的回收价值。裴滨等[44]利用浸出液氯化钾转化法制备硫酸钾,为从烧结电除尘灰中生产硫酸钾提供了一种可能的方法。
2.3.3 转炉尘泥
转炉尘泥是在转炉工艺炼钢过程中,经过湿法除尘系统时从沉淀物中获取的尘泥,为转炉工艺的副产物,其粒度细、黏性大,粒度在5~74.6 μm,主要含有铁、钙、铝、二氧化硅等成分。转炉尘泥中的铁主要以氧化亚铁结构存在,含量较高,磁性铁含量高、非磁性铁很少,硫化铁和硅酸铁含量极少,因此转炉尘泥具有极高的回收利用价值。除尘污泥可分为粗粒尘泥和OG泥,其中粗粒尘泥粒径大、含铁量高。目前我国的转炉尘泥主要采用不同方法返回钢铁生产工艺中,或返回烧结系统中进行循环利用。曾丹林等[45]采用混合酸酸浸法提取转炉尘泥中的铁,通过铁粉还原、双氧水氧化工艺制备了聚合硫酸铁,从而使转炉尘泥具有较好的经济效益且减少了环境污染。魏治海等[46]在介绍转炉尘泥脱水方法的应用中,对转炉尘泥进行了主要元素含量分析,见表9,其主要化学成分呈现除高铁、高钙外,有害元素含量低的特征。
表9 转炉尘泥主要元素含量范围
Table 9 The main element content range of converter dust and sludge
成分 | 含量范围 (%) |
TFe | 51.35~62.85 |
CaO | 9.20~16.15 |
MgO | 1.13~2.86 |
Mn | 0.59~0.26 |
SiO2 | 1.82~1.86 |
C | 1.32~2.61 |
S | 0.097~0.128 |
P | 0.015~0.031 |
2.4 轧钢生产含铁物料
氧化铁皮是在轧制钢铁过程中轧件遇水急剧冷却后钢材与空气中的氧反应,表面产生的含铁氧化物。由于氧化铁皮形成为氧和铁两种元素的扩散过程,其结构呈现分层状,最外层约占整个氧化铁皮厚度的10%,主要组成成分为Fe2O3;中间层约占全部厚度的50%,主要组成成分为Fe3O4;最内层与金属本体相连,约占氧化铁皮厚度的40%,主要组成成分为FeO。由于各层化学组成不同,致使最外层较易脱离,最内层黏在钢铁料上不易除掉。
氧化铁皮粒度较粗,0.3~2 mm粒度占50%以上,小于0.076 mm粒度约占5%。行业标准SN/T 3102—2012《铁矿与返矿及氧化铁皮的鉴别规程》[47]中描述氧化铁皮形状为带片状或鳞片状,表面光滑且具有金属光泽,氧化铁皮含铁较高,一般不低于50%,主要由Fe2O3、FeO和Fe3O4物相组成,很多氧化铁皮中还含有单质铁,其杂质含量较少,伴有SiO2和CaCO3。某些氧化铁皮还含有MgO、CaO、Al2O3等,并残存有在轧钢过程中混入的润滑油,其他杂质含量很少。氧化铁皮密度大,因其含铁量高,可作为烧结料,有利于烧结矿中磁铁矿含量的增加。氧化铁皮一般含有70%~75%铁元素,但需注意的是,从轧钢厂沉淀池中清理出来的细粉含铁量也达到60%左右,其粒度较细,可称为细粉氧化铁皮。若杂质含量少,不含有润滑油等制剂,也可作为烧结配矿使用。涟钢利用高品质氧化铁皮作为烧结配矿[48],在循环利用的同时降低了烧结配矿成本,减少烧结质量波动。丁仕兵等[49]对氧化铁皮的应用作了阐述,主要可应用于生产三氯化铁等化工产品,制造硅铁合金、烧结原料、海绵铁等。表10给出了氧化铁皮主要元素及含量范围。
表10 氧化铁皮主要元素含量范围
Table 10 The main element content range of iron oxide scale
成分 | 含量范围 (%) |
TFe | 60~75 |
FeO | 45~60 |
SiO2 | 1~2.5 |
CaO | 0.5~1.5 |
Al2O3 | 0.5~2.0 |
MgO | 0.5~2.0 |
S | 0.02~0.09 |
3 结语
本文对冶炼钢铁中常见含铁物料进行分类及来源分析,不同含铁物料具有其特定的成分特征。虽含铁物料多为渣相、灰或泥类,但由于加工工艺不同,目标产物不同,在各工艺中所产生的含铁物料成分特征也不同。本研究认为,各工艺产生含铁物料固体废物在成分特征上的差异主要取决于目标产物、加工原料及加工方式。因此,通过成分特征识别可对含铁物料固体废物鉴别提供可用数据参考。本文通过对10余种常见含铁物料固体废物成分特征进行综述,为国内冶炼钢铁固体废物的回收利用及实验室鉴别等工作提供参考依据。
含铁物料固体废物种类多,复杂程度高,其外形特征易与铁矿商品相混淆,从而增加了含铁物料属性鉴别的难度。为解决这一难题,应对含铁物料来源、成分特征进行梳理总结并加以利用,进一步提高检测人员的鉴别能力,提高固废鉴别技术的专业性。同时,为提高国产矿利用率,应提高国内钢铁加工方在冶炼工艺中所产生的含铁物料副产物的循环利用和处理水平,进一步加强对矿产资源的管理,拓展利用途径,推动资源的综合利用,实现绿色发展。
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表1 烧结矿主要元素及铁酸钙含量
Table 1 Main elements and calcium ferrite content of sintered ore
样品 | 含量 (%) | ||||||
TFe | FeO | CaO | MgO | SiO2 | Al2O3 | CaFeO4 | |
S-1 | 56.46 | 8.76 | 10.46 | 1.86 | 5.29 | 1.85 | 40.12 |
S-2 | 56.35 | 8.21 | 10.41 | 1.85 | 5.31 | 1.82 | 36.54 |
表2 烧结除尘灰的主要元素含量
Table 2 The main element content of sintered dust removal ash
样品 | 含量 (%) | ||||||||
TFe | SiO2 | CaO | MgO | Al2O3 | PbO | Na2O | K2O | S | |
S-3 (机头一电场) | 43.98 | 4.80 | 7.08 | 1.97 | 1.46 | 1.06 | 1.87 | 8.25 | 1.09 |
S-4 (机头二电场) | 25.13 | 3.04 | 3.86 | 1.37 | 1.46 | 2.71 | 1.80 | 17.00 | 1.27 |
S-5 (机头三电场) | 13.54 | 2.00 | 4.42 | 1.62 | 1.37 | 3.56 | 3.23 | 18.95 | 1.21 |
S-6 ( 机尾除尘灰) | 49.14 | 6.91 | 15.20 | 3.40 | 3.46 | 0.016 | <0.10 | 0.40 | 0.45 |
S-7 (环境除尘灰) | 51.16 | 7.10 | 15.18 | 3.63 | 3.69 | 0.008 | <0.10 | 0.24 | 0.11 |
表3 常见高炉渣主要元素含量
Table 3 The main element content of common blast furnace slag
样品 | 含量 (%) | |||||||||
CaO | SiO2 | Al2O3 | MgO | MnO | Fe2O3 | TiO2 | V2O5 | S | P | |
S-8 (普通渣) | 38~49 | 26~42 | 6~17 | 1~13 | 0.1~1 | 0.15~2.0 | — | — | 0.3~1.5 | — |
S-9 (高钛渣) | 23~46 | 20~35 | 9~15 | 2~10 | <1 | — | 20~29 | 0.1~0..6 | <1 | — |
S-10 (锰铁渣) | 28~47 | 21~37 | 11~24 | 2~8 | 5~23 | 0.1~1.7 | — | — | 0.3~3 | — |
S-11 (含氟渣) | 35~45 | 22~29 | 6~8 | 3~7.8 | 0.1~0.8 | 0.15~0.19 | — | — | — | 7~8 |
表6 某大型氧气顶吹转炉炉渣的主要元素含量
Table 6 The main element content of slag from a large oxygen top blown converter
吹炼渣 | 含量 (%) | ||||||||||
SiO2 | CaO | MgO | CaF2 | FeO | Fe2O3 | MnO | Al2O3 | P2O5 | S | CaO/SiO2 | |
S-26 (初期渣) | 33.50 | 39.70 | 4.10 | 11.70 | 4.70 | 1.60 | 1.60 | 1.30 | 0.92 | 0.08 | 1.20 |
S-27 (中期渣) | 27.90 | 44.30 | 5.30 | 10.70 | 5.50 | 2.90 | 0.70 | 1.21 | 0.82 | 0.12 | 1.50 |
S-28 (终期渣) | 18.50 | 46.50 | 6.50 | 9.80 | 9.50 | 5.70 | 0.50 | 1.30 | 0.65 | 0.16 | 2.50 |
表8 主要钢厂烧结机头第三电场除尘灰主要元素含量
Table 8 The main element content of dust collected from the third electric field of sintering machine head in main steel plants
样品 | 含量 (%) | ||||||||
Fe | CaO | SiO2 | Al2O3 | MgO | K2O | Na2O | Pb | Cu | |
S-18 | 15.86 | 7.73 | 12.43 | 3.86 | 1.07 | 21.79 | 3.48 | 19.61 | 0.88 |
S-19 | 17.55 | 8.61 | 15.77 | 2.16 | 0.97 | 27.56 | 1.03 | 11.20 | 1.47 |
S-20 | 21.76 | 9.32 | 13.07 | 1.04 | 1.53 | 28.63 | 0.84 | 9.58 | 0.53 |
S-21 | 33.57 | 16.47 | 12.35 | 0.86 | 0.47 | 14.57 | 0.23 | 13.65 | 0.29 |
S-22 | 32.04 | 17.84 | 8.61 | 1.75 | 0.43 | 15.63 | 0.38 | 7.52 | 0.43 |
S-23 | 29.55 | 16.67 | 9.08 | 2.03 | 1.36 | 13.78 | 0.86 | 6.79 | 0.55 |
S-24 | 36.34 | 14.83 | 8.94 | 2.48 | 1.55 | 26.47 | 0.77 | 8.01 | 0.63 |
S-25 | 22.75 | 12.06 | 11.55 | 2.37 | 1.78 | 27.03 | 0.49 | 8.43 | 0.71 |
基金项目:海关总署科研项目(2019HK028)
第一作者:刘培海(1980—),男,汉族,山东聊城人,硕士,高级工程师,主要从事微生物检测工作,E-mail: liuph513@sinna.com
通信作者:李林杰(1987—),男,汉族,山东烟台人,硕士,农艺师,主要从事微生物检测工作,E-mail: 18206331636@126.com
1. 日照海关综合技术服务中心 日照 276826
2. 山东智建工程咨询有限公司 聊城 252000
3. 青岛海关技术中心 青岛 266000
1. Comprehensive Technology Service Center of Rizhao Customs, Rizhao 276826
2. Shandong Zhijian Engineering Consulting Co., Ltd., Liaocheng 252000
3. Qingdao Customs Technology Center, Qingdao 266000