本發(fā)明屬于冶金固體廢棄物處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種渣浴還原處理高爐粉塵的方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)是鋼鐵工業(yè)大國(guó),冶金粉塵排放量巨大，其中，高爐粉塵是典型的冶金粉塵之一；由于高爐粉塵中含有大量的鐵資源，從高爐粉塵中回收鐵資源一直備受關(guān)注；采用轉(zhuǎn)底爐工藝處理高爐粉塵工藝已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，但這種工藝的主要問(wèn)題包括以下三方面：第一，直接還原鐵中硫含量控制存在問(wèn)題，由于含碳球團(tuán)以鐵礦粉和煤粉為原料，礦和煤中的硫均沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理脫除，而且含碳球團(tuán)渣鐵熔分過(guò)程時(shí)間短，渣鐵流動(dòng)性差，因此脫硫效果較差，導(dǎo)致直接還原鐵中硫含量較高；其次，熱效率與生產(chǎn)效率低，轉(zhuǎn)底爐主要依靠輻射傳熱加熱爐料，同時(shí)轉(zhuǎn)底爐爐膛高、料層薄，導(dǎo)致熱效率與生產(chǎn)效率低等問(wèn)題；；此外，含碳球團(tuán)還原后經(jīng)冷卻自然粉化得到渣和鐵粒，渣鐵分離存在一定困難，影響了金屬收得率；因此，開(kāi)發(fā)更加合理的高爐粉塵處理方法，對(duì)提高高爐粉塵循環(huán)利用、促進(jìn)企業(yè)節(jié)能減排具有十分重要的意義。

相比于轉(zhuǎn)底爐工藝將高爐粉塵制成含碳球團(tuán)進(jìn)行直接還原的處理方法，渣浴熔融還原法具有反應(yīng)界面大，反應(yīng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是處理冶金固體廢棄物的新途徑；其中，渣浴碳熱熔融還原法借助于碳對(duì)熔渣中有價(jià)金屬氧化物的快速還原以及渣-金界面間的超大反應(yīng)面積，可使生產(chǎn)效率得到提高；同時(shí)，渣浴熔融還原中的熔渣層對(duì)還原后所形成的金屬熔體層具有精煉作用，可高效去除雜質(zhì)元素，有助于獲得高純度的金屬液或合金溶液。此外，渣浴還原借助于熔渣層與金屬熔體層間的密度差更易實(shí)現(xiàn)渣金分離，提高了有價(jià)金屬的還原收得率。

高爐粉塵的主要成分是含鐵氧化物，鐵元素的重量百分含量可達(dá)40%以上，同時(shí)含有部分SiO₂、CaO、Al₂O₃以及少量的ZnO、PbO、P₂O₅、K₂O、Na₂O等；眾所周知，CaO-SiO₂-FeO體系是典型的冶金渣系之一，隨其中FeO含量的減少，該體系熔化溫度相應(yīng)升高；因此，如果采用渣浴碳熱熔融還原方法處理高爐粉塵過(guò)程，隨其中FeO被不斷還原，該體系熔渣的粘度不斷增加，體系的還原動(dòng)力學(xué)條件將逐漸惡化，需要在較高溫度下才能保證還原反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行；同時(shí)，熔渣黏度增加以及碳熱還原反應(yīng)產(chǎn)物CO氣體易導(dǎo)致熔渣泡沫化，造成渣金分離困難；此外，渣浴碳熱熔融還原所獲得的主要產(chǎn)品是碳飽和鐵水，存在產(chǎn)品附加值不高的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)高爐粉塵處理技術(shù)現(xiàn)狀與存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種渣浴還原處理高爐粉塵的方法，通過(guò)在熔融狀態(tài)下加入鋁灰進(jìn)行低溫還原，在獲得工業(yè)純鐵水的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染。

本發(fā)明的方法按以下步驟進(jìn)行：

1、將高爐粉塵在鋼包爐或感應(yīng)爐中加熱至1400~1500℃形成熔融渣池，然后將鋁灰加入到熔融渣池中；鋁灰的重量占高爐粉塵和鋁灰總重量的27.0~37.0%；

2、將熔融渣池在1400~1500℃保溫0.5~1.0h，保溫的同時(shí)通過(guò)鋼包爐或感應(yīng)爐底部吹入氬氣攪拌熔融渣池，氬氣的壓力為0.3~0.4MPa，流量為200~300L/min；

3、保溫結(jié)束后分別排放液態(tài)金屬和尾渣，液態(tài)金屬為工業(yè)純鐵水。

上述方法中選用的高爐粉塵中鐵元素的重量百分比為35~46%。

上述方法中選用的鋁灰中金屬Al的重量百分比為25~35%。

上述的工業(yè)純鐵水中Fe的重量百分比≥98%。

上述方法中高爐粉塵中Fe的回收率為90~95%。

上述方法處理每噸高爐粉塵獲得0.30~0.36噸工業(yè)純鐵水。

上述的加熱和保溫過(guò)程中主要發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

3(FeO) + 2[Al] = 3Fe(l) + (Al₂O₃) （1）

(Fe₂O₃) + 2[Al] = 2Fe(l) + (Al₂O₃) （2）

通過(guò)上述反應(yīng)的發(fā)生，使高爐粉塵中氧化鐵得以還原，并形成不含碳的以Fe為主要成分、少量P為雜質(zhì)成分的工業(yè)純鐵水。

CaO-SiO₂-Al₂O₃三元體系作為另一個(gè)典型的冶金渣系，隨其中Al₂O₃含量增加，該體系的熔化溫度和熔渣黏度將顯著降低；因此，如果借鑒渣浴碳熱熔融還原原理，在1400~1500℃左右溫度下，用金屬鋁作為還原劑對(duì)高爐粉塵進(jìn)行渣浴鋁熱熔融還原處理時(shí)，即使作為初始主要成分的CaO-SiO₂-FeO體系中FeO含量因還原反應(yīng)進(jìn)行而逐漸減少，但隨著還原產(chǎn)物Al₂O₃的生成，反應(yīng)體系中Al₂O₃含量將逐漸增加，也可保證熔渣具有較低的熔化溫度和黏度，有利于保證高爐粉塵在渣浴鋁熱熔融還原過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)條件；其次，對(duì)高爐粉塵采用渣浴鋁熱熔融還原時(shí)，由于無(wú)氣體產(chǎn)物產(chǎn)生，可避免泡沫渣的形成，從而為渣金分離創(chuàng)造良好條件。此外，用鋁還原高爐粉塵所獲得的金屬鐵液中不含碳，經(jīng)過(guò)精煉去除鐵液中的P等雜質(zhì)元素后，可獲得工業(yè)純鐵，較生鐵具有更高的附加值；然而，采用金屬鋁對(duì)高爐粉塵進(jìn)行渣浴鋁熱熔融還原處理時(shí)，由于金屬鋁價(jià)格昂貴，將不可避免導(dǎo)致處理成本的增加。

鋁灰是電解鋁或鑄生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的熔渣經(jīng)冷卻加工后的產(chǎn)物，其成分主要為15%~35%的金屬鋁，其余為包括Al₂O₃和SiO₂在內(nèi)的氧化物。根據(jù)鋁灰來(lái)源與成分不同，每噸鋁灰價(jià)格在數(shù)百元左右。用鋁灰替代金屬鋁作為還原劑對(duì)熔化后的高爐粉塵進(jìn)行渣浴還原時(shí)，不僅可解決處理成本問(wèn)題，且隨鋁灰中原有Al₂O₃和反應(yīng)產(chǎn)物Al₂O₃向熔渣中的不斷溶解溶解，可在還原反應(yīng)的進(jìn)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整熔渣的熔化溫度與黏度，避免發(fā)生熔渣“返干”現(xiàn)象，保證良好的還原動(dòng)力學(xué)條件，并有利于促進(jìn)金屬液滴的聚合長(zhǎng)大與渣金分離，獲得高附加值產(chǎn)品。

本發(fā)明方法的特點(diǎn)在于：用鋁灰作為還原劑對(duì)高爐粉塵進(jìn)行渣浴鋁熱熔融還原處理，是典型的以廢治廢，可實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的高效利用；不僅克服了碳熱熔融還原過(guò)程中因熔渣返干而導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)條件變差的問(wèn)題，還可獲得不含碳的工業(yè)純鐵，較普通生鐵具有更高的附加值；此外，這種方法的處理成本低，環(huán)境污染小。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例中選用的高爐粉塵為普通高爐粉塵，成分按重量百分比含CaO 5.0~6.0%，SiO₂ 5.5~6.5%，Al₂O₃ 2.0~4.0%，TFe 35.0~46.0%，Zn 0.5~0.8%，余項(xiàng)為揮發(fā)分及雜質(zhì)成分。

本發(fā)明實(shí)施例中采用的鋁灰為電解鋁灰，其成分按重量百分比含Al 20~30%，Al₂O₃ 30~45%，SiO₂ 4~6%，Na₂O 1~3%，MgO 2~3%，CaO<2.0%，F(xiàn)eO+MnO<1.0%。

本發(fā)明實(shí)施例中將鋁灰加入到熔融渣池中采用的設(shè)備為噴粉罐，采用的載氣為氮?dú)?，通過(guò)噴吹加入熔融渣池中。

實(shí)施例1

高爐粉塵的成分按重量百分比含CaO 5.0%，SiO₂ 5.5%，Al₂O₃ 2.0%，TFe 36.0%，Zn 0.6%；

鋁灰的成分按重量百分比含Al 32.5%，Al₂O₃ 31.5%，SiO₂ 28.3%，Na₂O 2.5%，MgO 2.5%，CaO 1.8%，F(xiàn)eO 0.6%，MnO 0.3%；

方法為：

將高爐粉塵在鋼包爐中加熱至1400℃形成熔融渣池，然后將鋁灰加入到熔融渣池中；鋁灰的重量占高爐粉塵和鋁灰總重量的27.1%；

將熔融渣池在1400℃保溫0.5h，保溫的同時(shí)通過(guò)鋼包爐或感應(yīng)爐底部吹入氬氣攪拌熔融渣池，氬氣的壓力為0.3MPa，流量為200L/min；

保溫結(jié)束后分別排放液態(tài)金屬和尾渣，液態(tài)金屬為工業(yè)純鐵水，F(xiàn)e的重量百分比99.6%；高爐粉塵中Fe的回收率為93%，處理每噸高爐粉塵獲得0.30噸工業(yè)純鐵水。

實(shí)施例2

高爐粉塵的成分按重量百分比含CaO 6.0%，SiO₂ 6.5%，Al₂O₃ 4.0%，TFe 45.0%，Zn 0.4%，余項(xiàng)為揮發(fā)分及雜質(zhì)成分；

鋁灰的成分按重量百分比含Al 31.5%，Al₂O₃ 32.5%，SiO₂ 28.3%，Na₂O 2.5%，MgO 2.5%，CaO 1.8%，F(xiàn)eO 0.6%，MnO 0.3%；

方法為：

將高爐粉塵在感應(yīng)爐中加熱至1450℃形成熔融渣池，然后將鋁灰加入到熔融渣池中；鋁灰的重量占高爐粉塵和鋁灰總重量的32.4%；

將熔融渣池在1450℃保溫1h，保溫的同時(shí)通過(guò)鋼包爐或感應(yīng)爐底部吹入氬氣攪拌熔融渣池，氬氣的壓力為0.4MPa，流量為300L/min；

保溫結(jié)束后分別排放液態(tài)金屬和尾渣，液態(tài)金屬為工業(yè)純鐵水，F(xiàn)e的重量百分比99.7%；高爐粉塵中Fe的回收率為90%，處理每噸高爐粉塵獲得0.35噸工業(yè)純鐵水。

實(shí)施例3

高爐粉塵的成分按重量百分比含CaO 6.0%，SiO₂ 6.0%，Al₂O₃ 3.0%，TFe 40.0%，Zn 0.3%，余項(xiàng)為揮發(fā)分及雜質(zhì)成分；

鋁灰的成分按重量百分比含Al 32.5%，Al₂O₃ 31.5%，SiO₂ 27.4%，Na₂O 2.5%，MgO 2.0%，CaO 1.8%，F(xiàn)eO 0.5%，MnO 0.2%；

方法為：

將高爐粉塵在鋼包爐中加熱至1450℃形成熔融渣池，然后將鋁灰加入到熔融渣池中；鋁灰的重量占高爐粉塵和鋁灰總重量的32.4%；

將熔融渣池在1450℃保溫1h，保溫的同時(shí)通過(guò)鋼包爐或感應(yīng)爐底部吹入氬氣攪拌熔融渣池，氬氣的壓力為0.4MPa，流量為300L/min；

保溫結(jié)束后分別排放液態(tài)金屬和尾渣，液態(tài)金屬為工業(yè)純鐵水，F(xiàn)e的重量百分比99.7%；高爐粉塵中Fe的回收率為95%，處理每噸高爐粉塵獲得0.35噸工業(yè)純鐵水。

實(shí)施例4

高爐粉塵的成分按重量百分比含CaO 6.0%，SiO₂ 6.0%，Al₂O₃ 2.0%，TFe 46.0%，Zn 0.3%，余項(xiàng)為揮發(fā)分及雜質(zhì)成分；

鋁灰的成分按重量百分比含Al 32.5%，Al₂O₃ 31.5%，SiO₂ 27.4%，Na₂O 2.5%，MgO 2.0%，CaO 1.8%，F(xiàn)eO 0.5%，MnO 0.2%；；

方法為：

將高爐粉塵在感應(yīng)爐中加熱至1450℃形成熔融渣池，然后將鋁灰加入到熔融渣池中；鋁灰的重量占高爐粉塵和鋁灰總重量的32.2%；

將熔融渣池在1450℃保溫50min，保溫的同時(shí)通過(guò)鋼包爐或感應(yīng)爐底部吹入氬氣攪拌熔融渣池，氬氣的壓力為0.4MPa，流量為250L/min；

保溫結(jié)束后分別排放液態(tài)金屬和尾渣，液態(tài)金屬為工業(yè)純鐵水，F(xiàn)e的重量百分比99.8%；高爐粉塵中Fe的回收率為92%，處理每噸高爐粉塵獲得0.36噸工業(yè)純鐵水。

實(shí)施例5

高爐粉塵的成分按重量百分比含CaO 5.8%，SiO₂ 6.0%，Al₂O₃ 2.0%，TFe 45.0%，Zn 0.3%，余項(xiàng)為揮發(fā)分及成分雜質(zhì)；

鋁灰的成分按重量百分比含Al 26.0%，Al₂O₃ 36.5%，SiO₂ 29.5%，Na₂O 3.0%，MgO 2.5%，CaO 1.7%，F(xiàn)eO 0.4%，MnO 0.4%；

方法為：

將高爐粉塵在感應(yīng)爐中加熱至1500℃形成熔融渣池，然后將鋁灰加入到熔融渣池中；鋁灰的重量占高爐粉塵和鋁灰總重量的37%；

將熔融渣池在1500℃保溫40min，保溫的同時(shí)通過(guò)鋼包爐或感應(yīng)爐底部吹入氬氣攪拌熔融渣池，氬氣的壓力為0.3MPa，流量為250L/min；

保溫結(jié)束后分別排放液態(tài)金屬和尾渣，液態(tài)金屬為工業(yè)純鐵水，F(xiàn)e的重量百分比99.5%；高爐粉塵中Fe的回收率為94%，處理每噸高爐粉塵獲得0.35噸工業(yè)純鐵水。